Direkter und inverser Piezoeffekt
Der Piezoeffekt ist die physikalische Grundlage jedes Ultraschallwandlers. Beim direkten Piezoeffekt erzeugt eine mechanische Verformung (Druck oder Zug) eines geeigneten Kristalls eine elektrische Spannung. Beim inversen Piezoeffekt führt eine angelegte elektrische Spannung zu einer mechanischen Verformung des Materials. In der Ultraschallprüfung wird der inverse Piezoeffekt zur Schallerzeugung genutzt: Ein kurzer Hochspannungsimpuls versetzt das Piezoelement in Schwingung. Der direkte Piezoeffekt wird beim Empfang genutzt: Auftreffende Schallwellen verformen das Element und erzeugen ein messbares elektrisches Signal.
Piezokeramik PZT (Blei-Zirkonat-Titanat)
Das meistverwendete Piezomaterial in Ultraschall-Prüfköpfen ist PZT (Pb[Zr,Ti]O₃), eine polykristalline Keramik. PZT besitzt einen sehr hohen piezoelektrischen Koeffizienten und kann für weite Frequenz- und Temperaturbereiche optimiert werden. Die Keramik wird nach dem Sintern in einem starken elektrischen Feld polarisiert (gepoolt), wodurch sich die piezoelektrisch aktiven Domänen ausrichten. Oberhalb der Curie-Temperatur (je nach Zusammensetzung 150–350 °C) geht die Polarisation verloren — der Prüfkopf verliert seine Funktion. PZT hat eine hohe Dichte (~7,6 g/cm³) und eine hohe akustische Impedanz (~30 MRayl), was eine sorgfältige Impedanzanpassung an das Prüfstück erfordert.
PVDF-Folie als Piezowandler
PVDF (Polyvinylidenfluorid) ist ein piezoelektrischer Kunststoff in Folienform. Im Vergleich zu PZT hat PVDF eine deutlich niedrigere akustische Impedanz (~4 MRayl), was eine bessere Anpassung an Kunststoffe und biologisches Gewebe ermöglicht. PVDF-Wandler sind breitbandig und werden bevorzugt in Hydrophones und Hochfrequenzköpfen (> 15 MHz) eingesetzt. Nachteil: Der piezoelektrische Koeffizient ist deutlich kleiner als bei PZT.
Resonanzfrequenz und Bandbreite
Die Resonanzfrequenz des Piezoelements ergibt sich aus seiner Dicke: f₀ = c/(2·d), wobei c die Schallgeschwindigkeit im Piezomaterial und d die Elementdicke ist. Bei 5 MHz und c ≈ 4000 m/s ergibt sich eine Elementdicke von ca. 0,4 mm. Schmalbandige Prüfköpfe arbeiten nahe der Resonanzfrequenz und liefern hohe Empfindlichkeit, aber schlechtere Auflösung. Breitbandige Prüfköpfe (hohe Dämpfung, geringes Q) erzeugen kurze Impulse mit hoher axialer Auflösung, jedoch geringerer Empfindlichkeit.
Dämpfungskörper und Impedanzanpassung
Der Dämpfungskörper (Backing) auf der Rückseite des Piezoelements besteht typischerweise aus einem hochgefüllten Epoxidharz oder Wolframpulver-Kunstharz-Gemisch. Er hat eine der PZT-Impedanz angenäherte akustische Impedanz und absorbiert die rückwärtigen Schallwellen, wodurch der Impuls stark verkürzt und das Auflösungsvermögen erhöht wird. Die Anpassungsschicht (Matching Layer) auf der Vorderseite hat idealerweise eine Impedanz Z = √(Z_PZT · Z_Medium) und eine Dicke von λ/4 — sie maximiert den Energieübertrag in das Koppelmittel.
Alterung und Temperaturstabilität
PZT-Keramiken zeigen eine logarithmische Alterung: Die Polarisation und damit die Empfindlichkeit nehmen mit der Zeit langsam ab. Thermomechanische Belastungen (Temperaturwechsel, Erschütterungen) können die Alterung beschleunigen. Die Temperaturstabilität ist bis etwa 50 °C unterhalb der Curie-Temperatur gewährleistet; für Hochtemperaturanwendungen werden Sondermaterialien wie Bismut-Titanat eingesetzt, die Curie-Temperaturen über 600 °C aufweisen.