超聲探傷儀、超聲波探頭、測試塊和耦合劑等是超聲檢測系統的重要組成部分。超聲波檢測的主要設備是超聲波探傷儀，它可以快速、方便、無損傷地檢測、定位、評估和診斷工件中的各種缺陷。由于超聲波探頭可實現電聲轉換，所以超聲波探頭也叫超聲波換能器，其電聲轉換是可逆的，且轉換時間極短，可以忽略不計。根據超聲波的產生方式和電聲轉換的不同，超聲波換能器有很多種。這些電聲轉換方式有：利用某些金屬（鐵磁性材料）在交變磁場中的磁致伸縮，產生和接收超聲波；利用電磁感應原理產生電磁超聲以及利用機械振動、熱效應和靜電法等都能產生和接收超聲波，利用壓電效應原理制成的壓電材料是目前用得最多的超聲換能器。

一(yi)、影(ying)響超聲波探(tan)傷換能器(qi)性(xing)能的主要(yao)參數

 超聲波(bo)換能(neng)(neng)器性能(neng)(neng)的主(zhu)要參數(shu)包括(kuo)頻率響應、相對靈敏度、時間域響應、電阻抗、聲束(shu)擴散特性、斜(xie)探頭的入(ru)射(she)點(dian)和折射(she)角(jiao)、聲軸偏斜(xie)角(jiao)和雙(shuang)峰(feng)等。

a. 頻率響應

  指在指定物體(ti)上測得的(de)超聲波(bo)回波(bo)的(de)頻率(lv)特性。在用頻譜分析儀測試頻率(lv)特性時(shi)，從所得頻譜圖中(zhong)得到換能器的(de)中(zhong)心頻率(lv)、峰值頻率(lv)、帶寬等參數。

b. 相(xiang)對靈敏(min)度

  即在指(zhi)定(ding)的介質、聲(sheng)程和(he)反(fan)射體上(shang)，換(huan)能器將聲(sheng)能轉(zhuan)換(huan)成電能的轉(zhuan)換(huan)效率(lv)。

c. 時間域(yu)響應

  通過(guo)超聲波(bo)回波(bo)的形狀、寬度、峰(feng)數可以對(dui)換能器(qi)的時間域相應進行評估。

d. 超(chao)聲波換能器的聲場特性(xing)

  包(bao)括距離幅度特性(xing)、聲(sheng)束(shu)擴散特性(xing)、聲(sheng)軸偏斜角等。影響(xiang)聲(sheng)場特性(xing)的因素主要包(bao)括超聲(sheng)波傳遞介質以及超聲(sheng)波換能器(qi)頻率成(cheng)分(fen)的非單一性(xing)。

e. 斜探頭的(de)人射(she)點(dian)

  斜探頭的人射點是指(zhi)斜楔中縱波(bo)聲軸入射到(dao)換能器底面的交(jiao)點。為了方(fang)便(bian)對缺陷進行(xing)定(ding)位和(he)測定(ding)換能器的K值，應(ying)先測定(ding)出換能器的入射點和(he)前沿長(chang)度。

f. 斜探頭前沿距(ju)離

  斜探頭(tou)前(qian)沿距(ju)離是從斜探頭(tou)人(ren)射(she)點到換(huan)能(neng)器底面前(qian)端(duan)的距(ju)離，此值在實際(ji)探測時可(ke)用來在工件表面上確定缺(que)陷(xian)距(ju)換(huan)能(neng)器前(qian)端(duan)的水平投影距(ju)離。

二、超聲波探傷換(huan)能器性(xing)能參(can)數測試

超聲波傷(shang)換能器設計完成之后(hou)需(xu)要對其性能參數進行測試(shi)，主(zhu)要測試(shi)項目及性能指標(biao)見表(biao)3.3。

1. 探(tan)頭回波(bo)頻率及頻率誤差測量

 a. 直探(tan)頭回波頻率的(de)測試（圖3.7)

 ①. 將(jiang)超聲(sheng)波換能器(qi)置于1號標準試塊的25mm處。

 ②. 使用示波器觀察換能器接收到的回波波形，在此波形中，以峰值點P為基準，讀出P點前一個周期與后兩個周期共三個周期的時間T₃,則回波頻率為f_e=3/T₃，進而計算出回波頻率誤差

 b. 斜探頭(tou)回波頻率的測量(liang)

  將超(chao)聲波(bo)換(huan)能器置(zhi)于(yu)1號試塊(kuai)上使用(yong)示波(bo)器觀察R100圓(yuan)弧(hu)面(mian)的最高回波(bo)。其余步驟與直探頭(tou)相同。

2. 分辨力（縱向）測量

 a. 直(zhi)探頭分辨力的測量

  ①. 示(shi)波器抑制置零(ling)或關，其他旋鈕置適當位置，連(lian)接探頭(tou)并置于CSK-IA標準試(shi)塊上，觀(guan)察聲程分別為85mm和91mm反射(she)面的回波波形（圖(tu)3.8),移動探頭(tou)使兩波等高。

 ②. 改變(bian)靈敏(min)度(du)(du)使(shi)兩次波(bo)幅同時達到滿幅度(du)(du)的(de)100%,然(ran)后測量(liang)波(bo)谷高度(du)(du)h,則該(gai)超(chao)聲波(bo)換能器的(de)分(fen)辨力R為   R = 20lg(100/h) ， 若h=0或兩波(bo)能(neng)完全分開(kai)，則取R>30dB。

 b. 斜探頭分辨力的測量

  ①. 如圖3.9所示(shi)，將超聲波換能器置于CSK-IA試塊的(de)K值測量位置，確認耦合良好的(de)情況下，觀察試塊上A(Φ50)、B(Φ44)兩(liang)孔的(de)回波波形，移動探頭(tou)使兩(liang)波等高。

 ②. 適當調節(jie)衰減(jian)或者增益，使(shi)A、B波(bo)幅同時達到(dao)滿幅度的100%,然后(hou)測量波(bo)谷高度h,則該探頭的分(fen)辨力R用上式計算。若h=0或兩波(bo)能(neng)完全分(fen)開，則取(qu)R>30 dB。

 c. 小角度探頭分辨力(li)的測量

  將換能器放置(zhi)于K<1.5的位(wei)置(zhi)，后續步驟與斜探頭測試步驟相同。

3. 直探頭聲軸偏斜角的測(ce)量

  a. 如圖3.10所示，在DB-H₁試塊上選取橫通孔，通孔深度約為2倍被測探頭近場長度。

  b. 標出探(tan)頭(tou)的(de)(de)參(can)(can)考(kao)方向，以橫通(tong)孔的(de)(de)中(zhong)心軸為(wei)參(can)(can)考(kao)點(dian)，將探(tan)頭(tou)的(de)(de)幾何中(zhong)心與其對準(zhun)，然(ran)后使探(tan)頭(tou)分別沿x的(de)(de)左右兩個方向的(de)(de)試塊中(zhong)心線(xian)上移動(dong)，記錄(lu)孔波(bo)最(zui)高(gao)點(dian)時(shi)(shi)探(tan)頭(tou)距(ju)離參(can)(can)考(kao)點(dian)的(de)(de)距(ju)離D,其中(zhong)孔波(bo)幅(fu)度最(zui)高(gao)點(dian)在(zai)x右邊時(shi)(shi)加上（十）號(hao)，在(zai)x左邊時(shi)(shi)加上（一）號(hao)。

 c. 繼續沿x的兩個方向移動探頭，分別測出孔波幅度最高點與兩側孔波幅度下降6dB時的位置，分別標定為W_+x和W_-x。

 d. 最后沿y方向按以上兩條的方法沿試塊中心線移動，分別測出D_y、W_+y和W_-y。

 f. D_x、D_y。為聲軸的偏移，W_+x、W_-x、W_+y 和W_-y,表示探頭在該條件下的聲束寬度，精確至1mm.則聲軸的偏斜角

4. 斜探頭、小角度探頭入射點的測定(ding)

 a. 橫波(bo)斜探頭

   連接(jie)待測量換能器，選取CSK-IA型準或(huo)CSK-I型標準試塊，對(dui)(dui)試塊R100圓(yuan)弧(hu)面進行探(tan)測，如(ru)圖(tu)3.11所示(shi)。保持探(tan)頭(tou)(tou)與(yu)試塊側面平(ping)行，沿左右(you)兩(liang)個(ge)方向移動探(tan)頭(tou)(tou)，觀察R100圓(yuan)弧(hu)面的回(hui)波幅度達到最高時候的位置(zhi)，則此時換能器的入(ru)射點為R100圓(yuan)心刻線所對(dui)(dui)應的探(tan)頭(tou)(tou)側棱上的點。讀數精確到0.5mm。

 b. 小角度縱波探頭

  連(lian)接帶測量換能器，選取TZS-R試(shi)(shi)塊(kuai)的(de)(de)(de)R面(mian)，測量試(shi)(shi)塊(kuai)A面(mian)下(xia)棱(leng)角(jiao)，保持探(tan)頭聲束(shu)與試(shi)(shi)塊(kuai)側面(mian)平行(xing)，前(qian)后移(yi)動探(tan)頭，記錄A面(mian)下(xia)棱(leng)角(jiao)回波(bo)達(da)到(dao)最高的(de)(de)(de)位置，此時探(tan)頭前(qian)沿(yan)至試(shi)(shi)塊(kuai)A端的(de)(de)(de)距離為(wei)x1,然(ran)后用(yong)二次反射(she)(she)波(bo)探(tan)測A面(mian)上棱(leng)角(jiao)，同樣找到(dao)A面(mian)上棱(leng)角(jiao)回波(bo)達(da)到(dao)最高的(de)(de)(de)位置，此時探(tan)頭前(qian)沿(yan)至試(shi)(shi)塊(kuai)前(qian)端（A端）的(de)(de)(de)距離為(wei)x2,則入射(she)(she)點至探(tan)頭前(qian)沿(yan)的(de)(de)(de)距離為(wei)  a = x₂ - 2x_{1  。}

5. 斜(xie)探頭折射角(jiao)的測量

 測試設(she)備包括(kuo)探傷儀、1號標準試塊和刻(ke)度(du)尺。

 測試步驟：選取1號標(biao)準試塊觀(guan)察(cha)φ50mm孔(kong)(kong)的(de)(de)(de)回(hui)(hui)波，探(tan)頭的(de)(de)(de)位(wei)置按如(ru)下(xia)情(qing)況放(fang)置：當K≤1.5時(shi)(shi)，觀(guan)察(cha)圖(tu)3.12a的(de)(de)(de)通(tong)(tong)孔(kong)(kong)回(hui)(hui)波；1.5<K≤2.5時(shi)(shi)，觀(guan)察(cha)圖(tu)3.12b的(de)(de)(de)通(tong)(tong)孔(kong)(kong)回(hui)(hui)波；當K>2.5時(shi)(shi)，探(tan)頭放(fang)置在如(ru)圖(tu)3.12c的(de)(de)(de)位(wei)置，觀(guan)察(cha)φ1.5mm橫通(tong)(tong)孔(kong)(kong)的(de)(de)(de)回(hui)(hui)波。前(qian)后移動探(tan)頭，找(zhao)到孔(kong)(kong)的(de)(de)(de)回(hui)(hui)波最(zui)高位(wei)置并固定下(xia)來，讀出此時(shi)(shi)入射(she)點相對(dui)應的(de)(de)(de)角度刻度β，β即為被(bei)測探(tan)頭折射(she)角，讀數精(jing)確到0.5°。

 6. 測量小角(jiao)度縱(zong)波探(tan)頭的β角(jiao)和K值

  選取TZS-R試塊(kuai)的(de)(de)C面(mian)(mian)或B面(mian)(mian)，并在測定探(tan)頭的(de)(de)前沿距離(li)a之后(hou)，再按(an)圖(tu)3.13所(suo)展示的(de)(de)方法，找到端(duan)面(mian)(mian)（A面(mian)(mian)）上棱角的(de)(de)最(zui)大(da)反射波(bo)高位置，則探(tan)頭的(de)(de)K值和β角分別(bie)用下式(shi)計算。

小角(jiao)度探頭(tou)人射角(jiao)α和折射角(jiao)β對應關系見表(biao)3.4 (斜塊(kuai)聲速取2730m/s)。

相對靈敏度測試如下：

 a. 直探(tan)頭相對靈敏(min)度(du)（等同于探(tan)傷靈敏(min)度(du)余量）測量（圖3.14).

  ①. 使用(yong)2.5MHz、Φ20直探頭和CS-1-5或DB-PZ20-2型(xing)標準(zhun)試(shi)塊。

  ②. 將儀器發射置強，抑制置零或關，增益置最大以達到儀器最大靈敏度。連接待測探頭。觀察此時儀器和探頭的噪聲電平是否高于滿幅度的10%,如果高于，則調節衰減或增益，在噪聲電平等于滿幅度的10%時，記下衰減器的讀數S₀。

  ③. 將探頭置于試塊端面上探測200mm處的Φ2平底孔。移動探頭使中62平底孔反射波幅最高，并用衰減器將它調至滿幅度的50%,記下此時衰減器的讀數S₁,則該探頭及儀器的探傷靈敏度余量S為

S=S₁-S₀ 。

 b. 斜探(tan)頭相(xiang)對(dui)靈敏度測量（圖3.15)

  連接好待測斜探頭，首先按照按直探頭的方法測量噪聲電平S₀,然后將待測斜探頭放置在CSK-IA標準試塊上，探測R100圓弧面，保證耦合良好的情況下，保持聲束方向與試塊側面平行，移動待測探頭，找到R100圓弧面的一次回波幅度最高的位置，將其衰減至滿幅度的50%,此時衰減器的讀數為S₂.則斜探頭的相對靈敏度S為  S = S₂-S₀  。

c. 小角度(du)縱波探頭相(xiang)對靈敏度(du)測量

  測量方法同橫波探頭的情況，但是基準反射面要選取DB-H2試塊上φ3×80橫孔，如圖3.16所示。使用同樣的方式找到孔波最高的位置，將其衰減至滿刻度的50%,記錄衰減器的讀數S₃，則S₃-S₀ 的值即為被測探頭的相對靈敏度。

三、提高換能(neng)器性能(neng)措施(shi)

  優良信(xin)噪比是(shi)高(gao)性能換能器(qi)(qi)的(de)基本要求。常用以下兩種方法來(lai)提(ti)高(gao)換能器(qi)(qi)的(de)信(xin)噪比：一是(shi)增(zeng)加(jia)激勵(li)脈(mo)沖的(de)電壓幅值，這樣可以增(zeng)加(jia)發(fa)(fa)射聲功率，考慮到對(dui)待檢測物體與(yu)人(ren)體的(de)影響以及實(shi)際電路的(de)實(shi)現(xian)，不可能無限地增(zeng)加(jia)發(fa)(fa)射功率；二是(shi)提(ti)高(gao)換能器(qi)(qi)本身(shen)的(de)靈敏(min)度。

 換能器和(he)電(dian)源內阻(zu)間的(de)(de)(de)阻(zu)抗(kang)匹(pi)配(pei)(pei)影(ying)響(xiang)著換能器的(de)(de)(de)靈(ling)敏(min)度(du)。由(you)于待探(tan)測物體(ti)的(de)(de)(de)聲(sheng)阻(zu)抗(kang)與換能器材(cai)料的(de)(de)(de)聲(sheng)阻(zu)抗(kang)嚴重失配(pei)(pei)，這就造成(cheng)了靈(ling)敏(min)度(du)較低。一(yi)般需要采用(yong)聲(sheng)匹(pi)配(pei)(pei)和(he)電(dian)路匹(pi)配(pei)(pei)方法，提高換能器的(de)(de)(de)靈(ling)敏(min)度(du)。換能器的(de)(de)(de)靈(ling)敏(min)度(du)越高，使用(yong)同(tong)樣(yang)激勵，在相同(tong)的(de)(de)(de)噪聲(sheng)背景下，信(xin)噪比越高。

 提(ti)(ti)高超(chao)聲波(bo)換(huan)(huan)能(neng)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)縱向和(he)橫向分(fen)辨(bian)(bian)率(lv)(lv)也(ye)能(neng)改(gai)善換(huan)(huan)能(neng)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)性(xing)能(neng)。目(mu)前主要(yao)(yao)是通過(guo)提(ti)(ti)高換(huan)(huan)能(neng)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)工作頻率(lv)(lv)以及(ji)改(gai)善換(huan)(huan)能(neng)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)脈沖響應，實現寬帶(dai)窄脈沖。縱向分(fen)辨(bian)(bian)率(lv)(lv)的(de)(de)(de)提(ti)(ti)高主要(yao)(yao)是通過(guo)聲電匹配。換(huan)(huan)能(neng)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)聲束寬度(du)決定了(le)超(chao)聲檢(jian)測(ce)系統的(de)(de)(de)橫向分(fen)辨(bian)(bian)率(lv)(lv)，采用(yong)聚焦超(chao)聲換(huan)(huan)能(neng)器(qi)(qi)，是提(ti)(ti)高換(huan)(huan)能(neng)器(qi)(qi)橫向分(fen)辨(bian)(bian)率(lv)(lv)最(zui)有效(xiao)的(de)(de)(de)方法。

四、換能器的(de)評價(jia)

  在超(chao)聲(sheng)波(bo)技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)中(zhong)(zhong)，超(chao)聲(sheng)波(bo)換(huan)(huan)能器(qi)(qi)是一個非常重(zhong)要的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)部(bu)分，可以說超(chao)聲(sheng)技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)發(fa)展直接取決于其(qi)研(yan)(yan)發(fa)水平。超(chao)聲(sheng)換(huan)(huan)能器(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)研(yan)(yan)究與(yu)現代科(ke)學技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)密切相(xiang)關(guan)(guan)。超(chao)聲(sheng)換(huan)(huan)能器(qi)(qi)發(fa)展水平越來越受到(dao)電子技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)、自動控制技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)、計算機技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)以及新材(cai)(cai)料(liao)技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)發(fa)展的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)影(ying)響(xiang)。超(chao)聲(sheng)波(bo)換(huan)(huan)能器(qi)(qi)中(zhong)(zhong)最重(zhong)要的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)就是換(huan)(huan)能器(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)材(cai)(cai)料(liao)，高效、廉(lian)價、無污染的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)新型(xing)換(huan)(huan)能器(qi)(qi)材(cai)(cai)料(liao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)研(yan)(yan)制是目(mu)前的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)主(zhu)要發(fa)展方(fang)向。在換(huan)(huan)能器(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)材(cai)(cai)料(liao)研(yan)(yan)發(fa)方(fang)面，弛豫型(xing)壓(ya)電單(dan)晶材(cai)(cai)料(liao)具(ju)有(you)較好的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)發(fa)展前景，如鈮鎂酸鉛(qian)－鈦(tai)酸鉛(qian)以及鈮鋅酸鉛(qian)－鈦(tai)酸鉛(qian)等(deng)，有(you)望在超(chao)聲(sheng)等(deng)技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)中(zhong)(zhong)獲得更為廣泛的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)應用(yong)。換(huan)(huan)能器(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)測試技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)則主(zhu)要體現在如何實(shi)現大(da)功率超(chao)聲(sheng)換(huan)(huan)能器(qi)(qi)性能的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)實(shi)時測試與(yu)定量測試，這也和(he)超(chao)聲(sheng)波(bo)換(huan)(huan)能器(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)發(fa)展有(you)著密切的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)關(guan)(guan)系。

 總之，超(chao)聲(sheng)技術中的(de)兩(liang)個(ge)主要(yao)的(de)研(yan)究(jiu)方(fang)面就是(shi)超(chao)聲(sheng)波的(de)產(chan)生(sheng)(sheng)與測試，兩(liang)者的(de)發(fa)(fa)展(zhan)是(shi)相互影響(xiang)的(de)。目(mu)前的(de)情況是(shi)超(chao)聲(sheng)的(de)測試技術發(fa)(fa)展(zhan)滯(zhi)后于超(chao)聲(sheng)的(de)產(chan)生(sheng)(sheng)技術研(yan)究(jiu)，可以(yi)預見(jian)，隨(sui)著(zhu)超(chao)聲(sheng)換(huan)能器技術水(shui)平(ping)提(ti)高，超(chao)聲(sheng)技術的(de)發(fa)(fa)展(zhan)一定(ding)會隨(sui)之進人新的(de)階段(duan)。