超声探伤仪、超声波探头、测试块和耦合剂等是超声检测系统的重要组成部分。超声波检测的主要设备是超声波探伤仪，它可以快速、方便、无损伤地检测、定位、评估和诊断工件中的各种缺陷。由于超声波探头可实现电声转换，所以超声波探头也叫超声波换能器，其电声转换是可逆的，且转换时间极短，可以忽略不计。根据超声波的产生方式和电声转换的不同，超声波换能器有很多种。这些电声转换方式有：利用某些金属（铁磁性材料）在交变磁场中的磁致伸缩，产生和接收超声波；利用电磁感应原理产生电磁超声以及利用机械振动、热效应和静电法等都能产生和接收超声波，利用压电效应原理制成的压电材料是目前用得最多的超声换能器。
1. 压电效应
有一种晶体，当受到挤压或者拉伸作用力的时候，产生形变，使得其中的带电质点发生相对位移，因此大小相等极性相反的正电荷和负电荷会出现在晶体表面，然后在两端产生不同的电荷，此时晶体将处于带电状态，并且由作用力产生的电荷量与作用力的大小成正比；当作用力撤去之后，晶体恢复到它的中性状态，这种现象被称作正压电效应。当此类晶体处于电场中时，晶体会沿一定的方向产生机械形变；电场撤去之后形变消失，晶体恢复原状，这种现象被称为逆压电效应或电致伸缩效应。正压电效应与逆压电效应被统称为压电效应，如图3.1所示。这种物理现象在1880年被居里兄弟发现，正是由于这种现象，压电晶体被广泛应用于产生超声波的晶体振荡器。
压电效应的原理是，如果对压电材料施加压力，就会产生电位差（称为正压电效应），反之施加电压时，会产生机械应力（称为逆压电效应）。如果压力是高频振动，就会产生高频电流。当高频电信号应用于压电陶瓷上时，会产生高频声信号（机械振动），通常称为超声信号。也就是说，压电晶片可以因机械形变产生电场，也可以因电场的作用产生机械形变，实现机械能与电能之间的转换和逆转换，这种内在的机电耦合效应使得压电晶体在工程中得到了广泛的应用。
2. 压电晶体
在机械力的作用下，产生形变，使带电粒子具有相对位移，使晶体表面具有正负束缚电荷，这样的晶体叫作压电晶体。压电晶体极轴两端产生的电势差的性质称为压电特性。分为单晶体与多晶体，其中多晶体材料又称作压电陶瓷。硫酸锂、铌酸锂、石英等为常用的单晶材料。常用的多晶材料有钛酸钡、钛酸铅等。多晶体材料又称为压电陶瓷。其中单晶体材料对接收更灵敏，多晶材料的发射灵敏度较高。
超声波换能器中的压电晶片具有压电效应，可利用超声换能器中压电芯片的压电效应实现超声波的产生和接收。在压电晶体两侧的电极通交流电，通过逆压电效应可知，晶片会在厚度方向产生伸缩的机械振动，将电能转换成声能（机械能），此时探头便发射出超声波，再通过合适的耦合剂与待检测工件连接，振动产生的超声波便进入了工件。当压电晶片接收到超声波时，受到声波能量的激发便会产生振动发生机械形变从而使晶体两个表面产生大小相同极性相反的电荷，形成超声波频率的高频电压，超声波探伤仪的接收电路正是通过对返回的电信号进行一系列处理从而判断工件是否有伤。显然，超声波换能器的作用是实现声能与电能的相互转换。
压电晶体分为单压电晶体与多晶压电陶瓷。其中，压电陶瓷占有相当大的比重，是市场上应用最为广泛的压电材料。分述如下：
a. 压电单晶体: 石英、水溶性压电晶体（酒石酸钾钠、酒石酸乙烯二铵、酒石酸二钾、硫酸钾等）。
b. 多晶体压电陶瓷: 钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅系压电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷和铌镁酸铅压电陶为代表性的压电陶瓷。
3. 压电单晶体
石英晶体性能稳定，机械强度高，绝缘性能好，但价格昂贵，压电系数远低于压电陶瓷，所以一般仅用于标准仪器或要求较高的传感器。石英晶体谐振器具有很高的品质因数和稳定性，可用于对讲机、电子手表、电视机、电子仪器等产品的谐振腔，如图3.2所示为石英晶体的压电模型。
此外，酒石酸钾钠、酒石酸乙烯二铵、酒石酸二钾、硫酸钾等水溶性压电晶体是常见的单晶压电材料。目前，通过单晶化来提高多晶压电陶瓷（如钛酸铅）的压电性能是压电材料的研究热点之一。
4. 多晶体压电陶瓷
多晶体压电陶瓷是一种具有压电效应的功能陶瓷材料，在高温下将氧化物混合烧结，可以实现机械能和电能的转换。目前市场上常见的多晶体压电陶瓷为锆钛酸铅（PZT)系压电材料。压电材料的研究热点主要有：①. 低温烧结PZT陶瓷；②. 大功率高转换效率的PZT压电陶瓷；③. 压电复合材料；④. 无铅压电陶瓷；⑤. 单晶化。如图3.3所示为压电陶瓷的发展历史。
5. 压电晶体的主要性能参数
a. 压电应变常数 d33
压电应变常数表示单位电压作用于压电晶体时所产生的应变大小，其表达式为
d33 = Δt/U
式中 Δt-晶片在厚度方向的形变量，单位为m(米）；
U--施加在压电晶片两面的应力，单位为V(伏特）。
压电应变常数d33是测量压电晶体材料发射灵敏度的重要参数。d33值越大，发射性能越差，发射灵敏度越高。
b. 压电电压常数 g33
压电电压常数表示施加在压电晶片上的单位应力所产生的压电梯度大小，其表达式为
g33 = Up/P
式中 P-施加在压电晶片两面的应力，单位为N(牛）；
Up-晶片表面产生的电压梯度，Up = U/t，单位为V/m(伏特／米）。
c. 介电常数 ε
介电常数是表示绝缘能力特性的一个系数，其表达式为
ε=C t/A
式中 C-电容器电容；
t-电容器极板距离；
A-电容器极板面积。
由介电常数表达式可知，当电容器极板距离和面积一定时，介电常数ε越大，电容C越大，即电容器存储电量越多。压电晶体的ε应根据不同的用途来选取。超声波检测的压电晶体，频率要求高时，应小一些。由于ε小、C小，电容器充放电时间短，频率高。反之，应该大一些。
d. 机电耦合系数 K
机电耦合系数K,表示压电材料机械能（声能）与电能的转换效率，即
K= 转换的能量/输入的能量
对于正压电效应，K=转换的电能／输入的机械能。对于负压电效应，K=转换的机械能／输入的电能。
探头晶片振动时，会产生厚度和径向两个方向的伸缩变形，因此机电耦合系数分为厚度方向Kt和径向Kp。Kt大，探测灵敏度高；Kp大，低频谐振波增多，发射脉冲变宽，导致分辨力降低，盲区增大。
e. 机械品质因子 θm
压电晶片在谐振时储存的机械能E与一个周期内损耗的能量E损之比称为机械品质因子θm.
压电晶片振动损耗的能量主要是内摩擦引起的。θm值对分辨率有较大的影响：θm值越大，表示损耗越小，晶片持续震动时间长，脉冲宽度大，分辨率低。反之，θm值越小，表示损耗越大，脉冲宽度小，分辨率就高。
f. 频率常数Ni
由驻波理论可知，压电晶片在高频电脉冲激励下产生共振的条件是
这意味着压电晶片厚度与固有频率的乘积是一个常数，称为频率常数，用Ni表示。厚度一定，频率常数大的晶片材料，其固有频率高。晶片材料一定，频率越高，厚度越小。
g. 居里温度Tc
与磁性材料一样，压电材料的压电效应与温度有关。它只能在一定的温度范围内产生，超过这个温度范围，压电效应就消失了。压电材料的压电效应消失的温度称为压电材料的居里温度，用Tc表示。例如，石英Tc=570℃,铁酸钡Tc=115℃.常见压电材料性能参数见表3.1。
6. 压电晶体的选用原则
对于压电超声换能器采用的压电晶片，其选用原则可参考如下：
a. 性能指标适当，以满足具体使用要求为度量，不宜过分追求各项性能的高指标；
b. 工作性能要稳定、可靠；
c. 价格低廉，加工方便。
超声波换能器对晶片的要求如下：
a. 机电耦合系数K较大，以便获得较高的转换效率；
b. 机械品质因子θm较大，以便获得较高的转换效率；
c. 压电应变常数d33和压电电压常数g33较大，以便获得较高的发射和接收灵敏度；
d. 频率常数Ni较大，介电常数ε较小，以便获得较高的频率；
f. 居里温度Tc较高，声阻抗 Z 适当。
