1880年，法国物理学家P.居里（皮埃尔·居里，Pierre Curie，1859-05-15～1906-04-19）和P.-J.居里（雅克·保罗·居里，Paul-Jacques Curie，1855-10-29～1941-02-19）发现了压电效应，为超声探头的诞生提供了物理依据。第一次世界大战期间，法国物理学家P.郎之万（保罗·朗之万，Paul Langevin，1872-01-23～1946-12-19）研制出第一个实用的压电石英晶片探头。1947年前，压电换能器主要由各类压电单晶制成，如石英、罗谢尔盐等。1947年，美国科学家S.罗伯特（Scholl Robert）首次将极化的钛酸钡陶瓷制成压电换能器，得到了广泛应用。1955年，美国科学家B.贾菲（Bernard Jaffe）等人研制出高灵敏度的锆钛酸铅压电陶瓷（PZT），后来成为压电晶片的主要用材。

20世纪70年代中后期，美国研究了压电复合材料换能器，后成为高性能超声探头与相控阵探头的主流压电材料。1981年，日本科学家制作出高压电参数的PZN-PT晶体，1997年成功将这类高性能压电单晶实用化。

高品质压电材料的出现，为高性能超声探头的制作奠定了物质基础。

超声探头的基本组成如图1所示，包括换能晶片、前匹配、背衬、填充材料、电气接及外壳等，核心器件是起换能作用的晶片。有人将超声探头称为超声换能器，有时又单称其中的晶片为超声换能器。

图1 超声探头的结构

超声换能晶片的材料有许多种，如石英、罗谢尔盐、压电陶瓷、磁声材料、压电复合材料等。不同的换能晶片依据不同的物理原理实现换能，最常用的换能晶片是压电陶瓷片。尽管陶瓷不是晶体，但习惯上仍称其为晶片。

压电陶瓷晶片工作的机理是压电效应。压电效应是可逆的。在压电晶片上施加力，晶片两面会产生电荷；在晶片上施加电压，会发生形变。在压电晶片上施加电脉冲，会产生振动。振动向材料深处传播，即向材料中发射了声波。当超声波传播到压电晶片表面时，晶片上就会产生超声频的电压信号，信号经仪器放大并显示出来，即接收到了超声波。超声探头发射和接收超声波依据的就是压电效应。

常用压电晶片工作在厚度振动模式，探头产生的是超声纵波。声波频率主要由晶片厚度决定。晶片越薄，激励的声波频率越高。通常使晶片厚度刚好等于基频声波的半波长。这样的探头是超声纵波直探头。

晶片发射的声波按不同角度入射到被检工件表面时，由于波形转换，会在工件中得到不同类型的声波，由此可设计出纵波探头（如纵波直探头，小角度纵波探头）、横波探头、爬波探头、表面波探头等。

前匹配可提高声波的传输效率，背衬则可阻尼不必要的振动和吸收向后传播的声波，使超声探头发射和接收的超声波更加符合人们的要求。

电气接头保证超声探头与超声检测仪之间有可靠的电气连接和提供恰当的电阻抗。

在检测工作中，必须使用水或机油等耦合剂以保证良好的超声耦合。

超声波的类型和波形较多，按发射和接收声波的波形分有纵波探头、横波探头、表面波探头和板波探头等。按晶片的类型分有锆钛酸铅探头、复合材料探头和晶体材料探头等。按声波传播方向分有直探头、斜探头和聚焦探头等。按晶片数量及工作方式划分有单晶探头和双晶探头等。按耦合方式分有接触式探头、水浸探头和空气声探头等。按换能机理分有压电超声探头、压磁或磁致伸缩超声探头和电磁超声探头等。

按探头与工件接触面形状分有平面探头、带曲率的曲面探头和聚焦探头等。曲面探头可适应轴类、管材等工件的检测；聚焦探头又包括线聚焦探头、点聚焦探头等，聚焦探头的焦距通常以在水中的焦距标注。

按工作频率特点分有低频探头、高频探头、甚高频探头、宽带探头、窄带探头等。低频和高频的概念比较模糊，并没有明确的界定。超声检测使用的工作频率一般在0.5～10兆赫，而甚高频一般是指100兆赫左右的频率。探头上一般只标明中心工作频率，称为标称频率。所谓的宽带和窄带也没有明确的界定，大致认为6分贝相对带宽在100%以上时为宽带，如标称值4MHz的探头，6分贝频带为2～6兆赫，带宽达到4兆赫，相对带宽达到100%，则为宽带探头。

按照发射和接收超声波能力分有发射型、接收型和两用型。在实际工作中，选用收发两用的探头较方便，但分别使用收发型超声探头可以提高超声检测系统的性能。

为满足某些特殊或特定检测需要，还有许多形式的超声探头，如应用衍射时差法（TOFD）探头、相控阵探头、软膜探头和各种专用探头、特种探头等。 

专用超声探头用于特殊检测对象、特殊环境条件或特殊检测要求。

盲孔探头。检测深盲孔的底部，需用专用的细长形的盲孔探头。

高温探头。用于检测高温物体。压电效应只能在一定的温度范围内有效，超过某一温度时则失去压电性，该温度称为居里温度或居里点。压电材料的居里点取决于材料的成分和结构，多在200～600℃范围。高温探头需采用居里点较高的材料制作和采用能够抗高温的特殊结构。

满足特殊检测要求的超声探头。如用于TOFD检测的TOFD探头（见TOFD超声检测仪），用于相控阵超声检测的相控阵超声探头（见相控阵超声检测仪）。

组合探头。将多只不同波形、不同角度甚至不同工作方式的探头组合在一起，共同完成对特定被检对象的扫查，主要用于自动检测设备。组合探头大多具有专用性。

空气声探头。即空气耦合超声探头，是一种非接触式的超声探头。关键技术是如何克服探头材料与空气之间的声阻抗不匹配问题。探头剖面如图2所示，与普通探头的主要区别在于特殊的声阻抗匹配耦合层和采用空气作为背衬。

图2 空气耦合超声探头的内部基本结构

空气耦合超声探头常用的工作频率25～250千赫，但在有些应用中也有扩展到500千赫～2.25兆赫。常设计成聚焦的，以透射检测方式工作，空气间距为几到几十厘米（图3）。

图3 透射式空气耦合超声检测的示意图

电磁超声探头是应用电磁方法激励和接收超声波的探头。一般没有换能晶片，被检测样品的表面就是产生超声振动的元件。电磁超声探头只包括高频线圈和磁铁，因而并不是严格意义上的完整换能器，必须作用到正确的材料上，与材料表面一起完成换能，这是电磁超声探头的优点，可以不接触工件而激发和接收超声波（图4）。

图4 两种电磁超声探头示意图

常用压电超声探头主要组成部分：①压电晶片。发射和接收超声波。②阻尼块或吸收块。抑制不需要的振动、吸收杂散回波和保持压电晶片，常用钨粉加环氧树脂的材料制成。③调谐线圈。用以匹配探头的谐振频率与仪器激励脉冲的频率。④保护膜和斜楔。直探头前方有保护膜，保护晶片不受磨损。斜探头前方有楔块，使晶片发出的纵波以一设定的角度入射到工件表面，经波形转换在工件中得到需要的波形。探头斜楔多用特种性能的有机玻璃或树脂制作。还有外壳、连线和接头等。

超声探头既要能够满足检测工艺的需要，又要能够与检测仪器和检测对象良好匹配，是技术要求十分高的器件，也是超声检测的关键和必备配件。压电超声探头具有检测灵敏度高、适应性广和易于操作等特点，缺点是需要耦合。电磁超声探头和空气声探头能够进行非接触式检测，但灵敏度、信噪比和分辨力等都较低。

超声探头种类多，检测能力强，适应性强。缺点是各有各的功能和特长。在超声检测中，选用正确的合适的超声探头，是实现成功检测的基础和前提。

随着电子线路的超小型化，出现了将超声换能器与后续的信号放大和处理及其控制电路集成到一起的智能探头。