超声波无损检测:晶片的变压器效应

由于《超声波检测》没讲这方面的内容，笔者想以自己的理解，发表一些浅见，起些弥补作用，以便读者朋友理解资料〔1〕的3.1.4内容，深入了解《方波，你到底是怎样的？》。但由于我电磁学根基太浅，如有误导，请感兴味的朋友指正。

1 类比变压器的依据

压电晶片不导电，两面夹持它的电极很像电容器，然而它在拉压力向正负电压，或正负电压向拉压力的转换上。却更像个变压器。资料〔2〕第106-107页讲“压电晶片的特性”时，使用了等效电路的概念，把晶片比做该书图4-15中的变压器(只不过它是把正负电压变成拉压力，或相反)。

2 机理

现以晶片由正负电压(实质为dV/dt)向拉压力（表现晶片的伸缩，从而发出超声纵波）转换上的变压器效应，加以说明。

2.1 晶片瞬间位移dX/dt与dV/dt成正比

我们研究电磁感应变压器时，感生的电压，和电流I相对于时间t的变化，即dI/dt，成正比。但因为晶片不导电，两电极间的晶片不传导电流，所以晶片所受拉压应力(表现为瞬间位移dX/dt)，与电压V相对于时间t的变化，即dV/dt，成正比。我以为，资料〔2〕第97页认为:晶片(振动的)“瞬间位移也与该瞬间施压的电压成正比”，就是这个意思。

2.2电脉冲上升和下降，超声波动相位差半周(180⁰)

电脉冲，是持续时间短促的电信号，它在短促的持续时间内，必然有上升和下降。上升和下降越陡峭，即达到一定辐度的上升或下降时间越短，dV/dt越大，晶片的位移dX/dt越大，累计波幅可能会越高。而脉冲上升的dV/dt和下降的dV/dt符号相反，晶片两面的电极相对极性则相反，晶片的振动位移相位刚好差180⁰(半个周期)。或者简单地说，脉冲上升触发晶片产生的高阻尼2-3个近似正弦的周期振动，又与脉冲下降触发晶片产生的、相位相反的、高阻尼2-3个近似正弦的周期振动叠加，最终结果，晶片对外发出的超声波好像是:两个(或多个)相位相反的、近似正弦的变化2-3个超声波干涉和叠加的产物。

超声波的品质，与触发电脉冲是尖峰、方波和谐波就大有关系了。方波触发的超声品质最好，而且强度、幅度较尖峰电脉冲触发的超声，可倍增(需调整好方波宽度)，资料〔1〕主要讲方波。

2.3 频谱问题

请读者朋友注意:在脉冲施加时，晶片振动是受迫的，电脉冲持续时间结束后，晶片欲按其固有频率f0振动，但也不是自由的，而且高阻尼的。所以，晶片发出的超声波其频谱是复杂的，电脉冲持续时间越短(电脉冲越窄)，超声频带越宽，但其高端频率与低端频率的平均值---中心频率往往接近固有频率f0:

fo=C_L/(2t)

式中：fo一晶片固有频率，探头频率；

C_L一晶片中的纵波速度；

t一晶片厚度。

参考文献

资料〔1〕:强天鹏主编.衍射时差法(TOFD)超声检测技术(2011版)

资料〔2〕:《美国无损检测手册.超声卷(上册)》〔M〕(1996年中译本)

实际应用的晶片压电效应，就是变压器效应！希望UT教材能多少吸收些内客。