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(sheng)波探傷換(huan)能器性能的(de)主要參數

 超聲波換能(neng)器(qi)性能(neng)的主要參數包(bao)括頻率(lv)響(xiang)應、相對靈敏度(du)、時間域響(xiang)應、電阻抗、聲束擴散特性、斜探頭的入(ru)射(she)點和(he)折(zhe)射(she)角、聲軸(zhou)偏斜角和(he)雙峰等。

a. 頻率響應

  指(zhi)在(zai)指(zhi)定物體上測得(de)的超聲(sheng)波(bo)回波(bo)的頻(pin)率(lv)(lv)特性。在(zai)用(yong)頻(pin)譜(pu)分(fen)析儀測試頻(pin)率(lv)(lv)特性時(shi)，從所(suo)得(de)頻(pin)譜(pu)圖中得(de)到(dao)換能器的中心頻(pin)率(lv)(lv)、峰值頻(pin)率(lv)(lv)、帶(dai)寬等參數。

b. 相對靈敏度

  即在指定(ding)的介(jie)質、聲(sheng)(sheng)程和反射體上，換能器將聲(sheng)(sheng)能轉換成電能的轉換效率。

c. 時間域響應

  通(tong)過超聲波(bo)回波(bo)的(de)形(xing)狀、寬(kuan)度、峰數可以對換能器的(de)時間域相應進行評估。

d. 超聲波換能器的聲場特性

  包括(kuo)距離幅度特性(xing)、聲(sheng)束擴散特性(xing)、聲(sheng)軸偏(pian)斜角等。影響聲(sheng)場特性(xing)的因(yin)素(su)主要包括(kuo)超(chao)聲(sheng)波傳遞(di)介質以及超(chao)聲(sheng)波換能器頻率成分的非單(dan)一性(xing)。

e. 斜探頭的人射點

  斜探頭(tou)的(de)人射點(dian)是(shi)指斜楔中(zhong)縱(zong)波聲(sheng)軸(zhou)入(ru)射到換能器底面的(de)交點(dian)。為了方(fang)便對缺陷(xian)進行定位和(he)測(ce)定換能器的(de)K值，應先測(ce)定出換能器的(de)入(ru)射點(dian)和(he)前(qian)沿長度。

f. 斜探頭前沿(yan)距離(li)

  斜(xie)探頭(tou)前沿距(ju)離(li)是從斜(xie)探頭(tou)人射點到換(huan)(huan)能器(qi)底面前端的(de)(de)距(ju)離(li)，此值在實際探測(ce)時可(ke)用來在工件表面上(shang)確定缺陷距(ju)換(huan)(huan)能器(qi)前端的(de)(de)水平投影(ying)距(ju)離(li)。

二、超聲波探傷換能器(qi)性能參數測試

超聲波傷換能(neng)器設計完(wan)成(cheng)之后需(xu)要(yao)對其性(xing)能(neng)參(can)數進行測(ce)試，主要(yao)測(ce)試項目及(ji)性(xing)能(neng)指標見表3.3。

1. 探頭回波頻(pin)率及(ji)頻(pin)率誤差(cha)測量

 a. 直探頭回波頻率的(de)測(ce)試（圖3.7)

 ①. 將超聲(sheng)波換能器(qi)置于1號標準試(shi)塊的25mm處(chu)。

 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. 斜探頭回波(bo)頻率的測量

  將超聲波(bo)換(huan)能器置于1號試塊(kuai)上使用(yong)示波(bo)器觀(guan)察(cha)R100圓(yuan)弧面的最(zui)高回波(bo)。其余步驟與(yu)直探頭相同。

2. 分辨力(li)（縱向）測量

 a. 直探頭分辨力的測(ce)量

  ①. 示波(bo)器(qi)抑制置零(ling)或關(guan)，其他旋鈕置適當位(wei)置，連(lian)接(jie)探(tan)頭(tou)并(bing)置于CSK-IA標準試塊上(shang)，觀(guan)察(cha)聲程分別(bie)為85mm和(he)91mm反射面的回波(bo)波(bo)形（圖3.8),移動探(tan)頭(tou)使(shi)兩波(bo)等高。

 ②. 改變靈敏(min)度使兩(liang)次波(bo)幅(fu)同時達到滿幅(fu)度的100%,然后(hou)測量波(bo)谷(gu)高(gao)度h,則該超聲(sheng)波(bo)換能器的分辨(bian)力R為   R = 20lg(100/h) ， 若h=0或兩波能完(wan)全(quan)分(fen)開(kai)，則(ze)取(qu)R>30dB。

 b. 斜探頭分辨力的測量(liang)

  ①. 如圖3.9所示(shi)，將(jiang)超聲波(bo)換能(neng)器置于CSK-IA試(shi)塊(kuai)的(de)K值測(ce)量位置，確認耦(ou)合良好的(de)情況下，觀察試(shi)塊(kuai)上A(Φ50)、B(Φ44)兩孔的(de)回波(bo)波(bo)形，移(yi)動探(tan)頭使兩波(bo)等高。

 ②. 適當調節衰減或(huo)者增(zeng)益，使A、B波幅同時達到滿幅度的(de)100%,然后測(ce)量波谷高度h,則該探頭的(de)分辨力(li)R用(yong)上式計(ji)算。若h=0或(huo)兩波能完全分開，則取R>30 dB。

 c. 小角(jiao)度探頭(tou)分辨力的測量

  將換能器(qi)放置(zhi)于K<1.5的(de)位置(zhi)，后續步驟與斜探頭測試(shi)步驟相同(tong)。

3. 直(zhi)探(tan)頭聲(sheng)軸偏(pian)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(biao)出探(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)的(de)(de)參考(kao)方向，以橫通(tong)孔的(de)(de)中(zhong)心(xin)軸(zhou)為(wei)參考(kao)點(dian)(dian)，將探(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)的(de)(de)幾何中(zhong)心(xin)與其(qi)對準(zhun)，然(ran)后使探(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)分別沿(yan)x的(de)(de)左右兩個方向的(de)(de)試塊中(zhong)心(xin)線上移動(dong)，記錄孔波最高(gao)點(dian)(dian)時探(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)距離參考(kao)點(dian)(dian)的(de)(de)距離D,其(qi)中(zhong)孔波幅度(du)最高(gao)點(dian)(dian)在x右邊時加(jia)上（十(shi)）號，在x左邊時加(jia)上（一）號。

 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(tou)、小角度(du)探頭(tou)入射點的測定

 a. 橫波斜探頭

   連(lian)接待測(ce)量換能(neng)器，選(xuan)取(qu)CSK-IA型(xing)準或CSK-I型(xing)標準試(shi)(shi)塊(kuai)，對試(shi)(shi)塊(kuai)R100圓弧(hu)面進行探(tan)(tan)測(ce)，如(ru)圖3.11所示(shi)。保持(chi)探(tan)(tan)頭(tou)與試(shi)(shi)塊(kuai)側面平行，沿(yan)左右兩個方向移動探(tan)(tan)頭(tou)，觀察R100圓弧(hu)面的(de)(de)(de)回(hui)波幅度達到(dao)最高(gao)時(shi)(shi)候的(de)(de)(de)位置，則此時(shi)(shi)換能(neng)器的(de)(de)(de)入射點為R100圓心刻線所對應的(de)(de)(de)探(tan)(tan)頭(tou)側棱上的(de)(de)(de)點。讀數(shu)精確到(dao)0.5mm。

 b. 小角度縱波(bo)探頭(tou)

  連接帶(dai)測量(liang)換能(neng)器，選取TZS-R試塊的(de)(de)R面(mian)，測量(liang)試塊A面(mian)下棱角，保(bao)持探(tan)(tan)頭聲(sheng)束與(yu)試塊側面(mian)平行(xing)，前(qian)(qian)后移動探(tan)(tan)頭，記錄A面(mian)下棱角回波達(da)到(dao)最高的(de)(de)位置(zhi)，此(ci)時探(tan)(tan)頭前(qian)(qian)沿至試塊A端的(de)(de)距離為x1,然后用(yong)二次反(fan)射(she)波探(tan)(tan)測A面(mian)上棱角，同樣找到(dao)A面(mian)上棱角回波達(da)到(dao)最高的(de)(de)位置(zhi)，此(ci)時探(tan)(tan)頭前(qian)(qian)沿至試塊前(qian)(qian)端（A端）的(de)(de)距離為x2,則入射(she)點至探(tan)(tan)頭前(qian)(qian)沿的(de)(de)距離為  a = x₂ - 2x_{1  。}

5. 斜探頭折射角的測量

 測試設備包括探傷儀(yi)、1號標(biao)準試塊和(he)刻度尺。

 測(ce)試步驟：選(xuan)取1號(hao)標(biao)準試塊觀(guan)察(cha)(cha)φ50mm孔(kong)(kong)的(de)(de)(de)回(hui)波，探頭(tou)的(de)(de)(de)位置按如(ru)下情況放(fang)置：當K≤1.5時，觀(guan)察(cha)(cha)圖3.12a的(de)(de)(de)通孔(kong)(kong)回(hui)波；1.5<K≤2.5時，觀(guan)察(cha)(cha)圖3.12b的(de)(de)(de)通孔(kong)(kong)回(hui)波；當K>2.5時，探頭(tou)放(fang)置在(zai)如(ru)圖3.12c的(de)(de)(de)位置，觀(guan)察(cha)(cha)φ1.5mm橫(heng)通孔(kong)(kong)的(de)(de)(de)回(hui)波。前后移(yi)動探頭(tou)，找到孔(kong)(kong)的(de)(de)(de)回(hui)波最高位置并固定下來，讀出此(ci)時入(ru)射點相對應的(de)(de)(de)角(jiao)(jiao)度(du)刻(ke)度(du)β，β即為(wei)被(bei)測(ce)探頭(tou)折射角(jiao)(jiao)，讀數精確到0.5°。

 6. 測量小角度縱波探頭的β角和K值

  選取TZS-R試塊的(de)C面(mian)或(huo)B面(mian)，并在測定探(tan)頭(tou)的(de)前沿距(ju)離a之(zhi)后，再(zai)按圖3.13所展(zhan)示的(de)方法，找到端面(mian)（A面(mian)）上棱角的(de)最大反射波(bo)高位置，則探(tan)頭(tou)的(de)K值和β角分別用下式計算(suan)。

小角(jiao)(jiao)度(du)探(tan)頭人射角(jiao)(jiao)α和(he)折射角(jiao)(jiao)β對應關系見表3.4 (斜塊聲速取2730m/s)。

相對靈敏度(du)測試如下：

 a. 直探頭相(xiang)對靈(ling)敏度（等(deng)同(tong)于探傷靈(ling)敏度余(yu)量）測量（圖(tu)3.14).

  ①. 使用2.5MHz、Φ20直探頭(tou)和CS-1-5或DB-PZ20-2型標準試塊。

  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. 斜探頭相(xiang)對(dui)靈敏度測量(liang)（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(tan)頭相(xiang)對靈(ling)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(san)、提高(gao)換能(neng)器性(xing)能(neng)措施

  優良(liang)信噪(zao)比是(shi)高(gao)性能(neng)(neng)換能(neng)(neng)器的(de)基本要求。常用以下(xia)兩種方法來(lai)提高(gao)換能(neng)(neng)器的(de)信噪(zao)比：一(yi)是(shi)增加激勵脈(mo)沖(chong)的(de)電壓幅值，這樣可以增加發射聲功率(lv)，考慮到對待檢測物體與人體的(de)影響以及實際電路的(de)實現，不可能(neng)(neng)無(wu)限地增加發射功率(lv)；二(er)是(shi)提高(gao)換能(neng)(neng)器本身的(de)靈敏度。

 換(huan)能(neng)器(qi)和電(dian)源內阻(zu)間的阻(zu)抗(kang)匹配影響著換(huan)能(neng)器(qi)的靈(ling)敏度。由于待探測物(wu)體的聲阻(zu)抗(kang)與(yu)換(huan)能(neng)器(qi)材料的聲阻(zu)抗(kang)嚴重(zhong)失(shi)配，這就造成了靈(ling)敏度較低(di)。一般需要(yao)采用(yong)聲匹配和電(dian)路匹配方法，提高(gao)換(huan)能(neng)器(qi)的靈(ling)敏度。換(huan)能(neng)器(qi)的靈(ling)敏度越高(gao)，使用(yong)同(tong)樣激(ji)勵(li)，在相同(tong)的噪(zao)聲背(bei)景下，信噪(zao)比越高(gao)。

 提(ti)高(gao)超聲波換(huan)(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)(qi)的(de)(de)縱(zong)向和橫(heng)向分(fen)辨(bian)(bian)率(lv)(lv)也能(neng)(neng)改善換(huan)(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)(qi)的(de)(de)性能(neng)(neng)。目前(qian)主要是(shi)通過(guo)提(ti)高(gao)換(huan)(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)(qi)的(de)(de)工作(zuo)頻率(lv)(lv)以及改善換(huan)(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)(qi)的(de)(de)脈沖(chong)響(xiang)應(ying)，實現寬帶(dai)窄(zhai)脈沖(chong)。縱(zong)向分(fen)辨(bian)(bian)率(lv)(lv)的(de)(de)提(ti)高(gao)主要是(shi)通過(guo)聲電匹配。換(huan)(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)(qi)的(de)(de)聲束寬度決定了超聲檢測系(xi)統的(de)(de)橫(heng)向分(fen)辨(bian)(bian)率(lv)(lv)，采用聚焦(jiao)超聲換(huan)(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)(qi)，是(shi)提(ti)高(gao)換(huan)(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)(qi)橫(heng)向分(fen)辨(bian)(bian)率(lv)(lv)最有效的(de)(de)方法。

四、換能器的評價

  在超(chao)聲波(bo)技(ji)(ji)術(shu)中，超(chao)聲波(bo)換(huan)(huan)能(neng)器是(shi)一個非常(chang)重(zhong)要的(de)(de)部分(fen)，可以說超(chao)聲技(ji)(ji)術(shu)的(de)(de)發(fa)(fa)展(zhan)(zhan)直(zhi)接(jie)取決于其研(yan)(yan)發(fa)(fa)水(shui)平(ping)。超(chao)聲換(huan)(huan)能(neng)器的(de)(de)研(yan)(yan)究與現代科學(xue)技(ji)(ji)術(shu)密(mi)切相關。超(chao)聲換(huan)(huan)能(neng)器發(fa)(fa)展(zhan)(zhan)水(shui)平(ping)越(yue)來(lai)越(yue)受到電子技(ji)(ji)術(shu)、自動(dong)控制技(ji)(ji)術(shu)、計(ji)算機技(ji)(ji)術(shu)以及(ji)新(xin)材(cai)料(liao)技(ji)(ji)術(shu)發(fa)(fa)展(zhan)(zhan)的(de)(de)影響。超(chao)聲波(bo)換(huan)(huan)能(neng)器中最重(zhong)要的(de)(de)就是(shi)換(huan)(huan)能(neng)器的(de)(de)材(cai)料(liao)，高效、廉價(jia)、無(wu)污染的(de)(de)新(xin)型換(huan)(huan)能(neng)器材(cai)料(liao)的(de)(de)研(yan)(yan)制是(shi)目前的(de)(de)主(zhu)(zhu)要發(fa)(fa)展(zhan)(zhan)方向。在換(huan)(huan)能(neng)器的(de)(de)材(cai)料(liao)研(yan)(yan)發(fa)(fa)方面(mian)，弛豫(yu)型壓電單晶材(cai)料(liao)具有較好的(de)(de)發(fa)(fa)展(zhan)(zhan)前景(jing)，如(ru)鈮(ni)鎂酸(suan)鉛(qian)－鈦酸(suan)鉛(qian)以及(ji)鈮(ni)鋅(xin)酸(suan)鉛(qian)－鈦酸(suan)鉛(qian)等(deng)，有望(wang)在超(chao)聲等(deng)技(ji)(ji)術(shu)中獲(huo)得更為廣泛的(de)(de)應用。換(huan)(huan)能(neng)器的(de)(de)測(ce)試(shi)技(ji)(ji)術(shu)則主(zhu)(zhu)要體(ti)現在如(ru)何實現大功率超(chao)聲換(huan)(huan)能(neng)器性能(neng)的(de)(de)實時測(ce)試(shi)與定量測(ce)試(shi)，這也和超(chao)聲波(bo)換(huan)(huan)能(neng)器的(de)(de)發(fa)(fa)展(zhan)(zhan)有著密(mi)切的(de)(de)關系。

 總之(zhi)，超(chao)(chao)聲(sheng)技(ji)術(shu)中的(de)(de)(de)(de)兩個主要的(de)(de)(de)(de)研究(jiu)(jiu)方面就是(shi)超(chao)(chao)聲(sheng)波(bo)的(de)(de)(de)(de)產生與測試，兩者的(de)(de)(de)(de)發展是(shi)相互影響的(de)(de)(de)(de)。目前的(de)(de)(de)(de)情(qing)況是(shi)超(chao)(chao)聲(sheng)的(de)(de)(de)(de)測試技(ji)術(shu)發展滯后(hou)于超(chao)(chao)聲(sheng)的(de)(de)(de)(de)產生技(ji)術(shu)研究(jiu)(jiu)，可以預(yu)見，隨著超(chao)(chao)聲(sheng)換能器(qi)技(ji)術(shu)水平提高(gao)，超(chao)(chao)聲(sheng)技(ji)術(shu)的(de)(de)(de)(de)發展一定會隨之(zhi)進人新的(de)(de)(de)(de)階段(duan)。