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)、影響超聲波探傷換能器性能的主要參數

 超聲波換能器性(xing)能的(de)主(zhu)要(yao)參(can)數包(bao)括頻率響應、相對靈敏度、時間域響應、電(dian)阻抗、聲束(shu)擴散特性(xing)、斜探頭的(de)入(ru)射點和(he)折射角、聲軸偏斜角和(he)雙(shuang)峰(feng)等(deng)。

a. 頻率響應

  指在(zai)指定物體(ti)上測得的超(chao)聲(sheng)波(bo)回波(bo)的頻率特性。在(zai)用頻譜分析儀(yi)測試頻率特性時(shi)，從所得頻譜圖中得到(dao)換能器(qi)的中心頻率、峰(feng)值(zhi)頻率、帶寬等參數。

b. 相(xiang)對靈敏度

  即在指(zhi)定的介質、聲程和(he)反射體上(shang)，換能(neng)(neng)器將(jiang)聲能(neng)(neng)轉(zhuan)換成(cheng)電能(neng)(neng)的轉(zhuan)換效率。

c. 時間域響應

  通過超聲波回波的形(xing)狀、寬度、峰數可以對換能器的時間域相應進行評估。

d. 超聲波(bo)換能器的聲場(chang)特(te)性

  包括距離(li)幅度特(te)性、聲(sheng)(sheng)束擴散特(te)性、聲(sheng)(sheng)軸偏斜角等。影響(xiang)聲(sheng)(sheng)場特(te)性的因素主(zhu)要(yao)包括超聲(sheng)(sheng)波傳遞介質以及(ji)超聲(sheng)(sheng)波換能(neng)器頻率(lv)成分的非單一性。

e. 斜探頭的(de)人射點(dian)

  斜(xie)探(tan)頭的(de)人射點(dian)(dian)是指(zhi)斜(xie)楔中縱波聲軸(zhou)入射到換能器(qi)底(di)面的(de)交(jiao)點(dian)(dian)。為了方便對缺(que)陷進行定(ding)位和(he)(he)測定(ding)換能器(qi)的(de)K值(zhi)，應先測定(ding)出(chu)換能器(qi)的(de)入射點(dian)(dian)和(he)(he)前沿長度(du)。

f. 斜探頭(tou)前沿(yan)距(ju)離(li)

  斜(xie)探(tan)頭前沿距離(li)是從斜(xie)探(tan)頭人射點到換能器(qi)底面前端的距離(li)，此值在(zai)實(shi)際探(tan)測時可用來在(zai)工件表面上確定缺陷距換能器(qi)前端的水平投影距離(li)。

二、超聲波探傷換(huan)能(neng)器性能(neng)參數(shu)測試

超聲波(bo)傷換能器設計(ji)完成(cheng)之(zhi)后需要(yao)對其(qi)性能參數進行測(ce)試，主要(yao)測(ce)試項目(mu)及性能指(zhi)標(biao)見表3.3。

1. 探頭回波頻(pin)(pin)率及頻(pin)(pin)率誤差測(ce)量

 a. 直探頭回波頻率的測試（圖3.7)

 ①. 將超聲波換(huan)能器置于1號標準(zhun)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(tan)頭回波頻率的測量

  將超聲波換(huan)能器置于1號試塊上(shang)使(shi)用示波器觀察R100圓弧面(mian)的最高回波。其余(yu)步驟與(yu)直探頭(tou)相(xiang)同(tong)。

2. 分辨(bian)力（縱向）測量

 a. 直探(tan)頭分(fen)辨力的測量(liang)

  ①. 示波(bo)(bo)器抑制置(zhi)零或關，其他旋鈕置(zhi)適當(dang)位置(zhi)，連接探頭并置(zhi)于CSK-IA標準試(shi)塊(kuai)上(shang)，觀(guan)察聲程分(fen)別為85mm和91mm反射面的回波(bo)(bo)波(bo)(bo)形（圖3.8),移動探頭使兩波(bo)(bo)等高。

 ②. 改變(bian)靈敏度(du)使兩次(ci)波幅同時達到(dao)滿幅度(du)的100%,然后測(ce)量(liang)波谷高度(du)h,則(ze)該(gai)超聲波換能器的分辨力R為   R = 20lg(100/h) ， 若(ruo)h=0或兩波能完全(quan)分開，則取R>30dB。

 b. 斜探頭分辨力的測量

  ①. 如(ru)圖3.9所示，將超聲波換能器(qi)置(zhi)于(yu)CSK-IA試塊的(de)K值測量位(wei)置(zhi)，確(que)認耦合良好(hao)的(de)情況(kuang)下(xia)，觀察(cha)試塊上A(Φ50)、B(Φ44)兩孔的(de)回波波形(xing)，移動(dong)探頭使兩波等高。

 ②. 適當調(diao)節衰減或者增益，使A、B波(bo)幅(fu)同時(shi)達到滿幅(fu)度的100%,然后(hou)測(ce)量(liang)波(bo)谷高度h,則該探頭的分辨力R用上(shang)式計算。若h=0或兩(liang)波(bo)能完全分開，則取R>30 dB。

 c. 小角度探頭分辨力的(de)測量

  將(jiang)換能器放(fang)置(zhi)于(yu)K<1.5的位置(zhi)，后(hou)續步驟與斜探頭測試步驟相同。

3. 直探(tan)頭聲軸偏斜角的測量

  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)(tan)頭(tou)的參考方(fang)(fang)向，以橫(heng)通孔(kong)的中心(xin)軸為參考點(dian)，將探(tan)(tan)頭(tou)的幾何中心(xin)與(yu)其(qi)對(dui)準，然后使探(tan)(tan)頭(tou)分別(bie)沿(yan)x的左(zuo)右兩個方(fang)(fang)向的試塊中心(xin)線上移動，記錄孔(kong)波(bo)最高點(dian)時(shi)探(tan)(tan)頭(tou)距離參考點(dian)的距離D,其(qi)中孔(kong)波(bo)幅度最高點(dian)在(zai)x右邊時(shi)加(jia)上（十(shi)）號，在(zai)x左(zuo)邊時(shi)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(tan)(tan)頭(tou)、小(xiao)角度探(tan)(tan)頭(tou)入射點的測定(ding)

 a. 橫波斜探頭

   連接待測(ce)量換能(neng)(neng)器(qi)，選(xuan)取CSK-IA型準或CSK-I型標(biao)準試塊，對(dui)試塊R100圓弧(hu)面進行(xing)探測(ce)，如(ru)圖3.11所示。保持探頭與試塊側面平(ping)行(xing)，沿左(zuo)右兩個方向移動探頭，觀察R100圓弧(hu)面的回波(bo)幅度達到(dao)(dao)最(zui)高時(shi)(shi)候的位置，則此時(shi)(shi)換能(neng)(neng)器(qi)的入(ru)射(she)點(dian)為R100圓心刻線所對(dui)應的探頭側棱上的點(dian)。讀(du)數精確到(dao)(dao)0.5mm。

 b. 小角(jiao)度(du)縱(zong)波探頭

  連接(jie)帶測量(liang)換能(neng)器，選取TZS-R試(shi)(shi)(shi)塊(kuai)的(de)(de)(de)R面(mian)，測量(liang)試(shi)(shi)(shi)塊(kuai)A面(mian)下棱(leng)角(jiao)，保持(chi)探(tan)(tan)頭聲束與試(shi)(shi)(shi)塊(kuai)側面(mian)平行，前后移動探(tan)(tan)頭，記錄A面(mian)下棱(leng)角(jiao)回波(bo)(bo)達(da)到最(zui)高的(de)(de)(de)位(wei)置，此時探(tan)(tan)頭前沿(yan)至試(shi)(shi)(shi)塊(kuai)A端(duan)(duan)的(de)(de)(de)距(ju)(ju)離(li)(li)為(wei)(wei)x1,然(ran)后用二(er)次反射波(bo)(bo)探(tan)(tan)測A面(mian)上棱(leng)角(jiao)，同樣找到A面(mian)上棱(leng)角(jiao)回波(bo)(bo)達(da)到最(zui)高的(de)(de)(de)位(wei)置，此時探(tan)(tan)頭前沿(yan)至試(shi)(shi)(shi)塊(kuai)前端(duan)(duan)（A端(duan)(duan)）的(de)(de)(de)距(ju)(ju)離(li)(li)為(wei)(wei)x2,則入(ru)射點至探(tan)(tan)頭前沿(yan)的(de)(de)(de)距(ju)(ju)離(li)(li)為(wei)(wei)  a = x₂ - 2x_{1  。}

5. 斜(xie)探頭折(zhe)射(she)角(jiao)的測量

 測試(shi)設備(bei)包括(kuo)探(tan)傷儀、1號(hao)標(biao)準試(shi)塊和刻度尺。

 測(ce)試(shi)步(bu)驟：選取1號標準(zhun)試(shi)塊觀察(cha)φ50mm孔(kong)(kong)的回波(bo)(bo)，探(tan)頭(tou)的位置(zhi)(zhi)(zhi)按如(ru)下(xia)情況放置(zhi)(zhi)(zhi)：當K≤1.5時，觀察(cha)圖(tu)3.12a的通(tong)孔(kong)(kong)回波(bo)(bo)；1.5<K≤2.5時，觀察(cha)圖(tu)3.12b的通(tong)孔(kong)(kong)回波(bo)(bo)；當K>2.5時，探(tan)頭(tou)放置(zhi)(zhi)(zhi)在如(ru)圖(tu)3.12c的位置(zhi)(zhi)(zhi)，觀察(cha)φ1.5mm橫通(tong)孔(kong)(kong)的回波(bo)(bo)。前(qian)后移動探(tan)頭(tou)，找到孔(kong)(kong)的回波(bo)(bo)最高位置(zhi)(zhi)(zhi)并固定下(xia)來，讀出此時入射(she)點相對應(ying)的角(jiao)度刻度β，β即(ji)為被測(ce)探(tan)頭(tou)折射(she)角(jiao)，讀數精確到0.5°。

 6. 測量小(xiao)角度(du)縱波探頭的(de)β角和K值

  選取TZS-R試(shi)塊的(de)(de)C面(mian)(mian)或B面(mian)(mian)，并(bing)在測定(ding)探(tan)頭的(de)(de)前沿距離a之(zhi)后(hou)，再(zai)按圖3.13所展示的(de)(de)方法(fa)，找到端面(mian)(mian)（A面(mian)(mian)）上棱角的(de)(de)最大反射波高位置，則探(tan)頭的(de)(de)K值和(he)β角分別(bie)用下式(shi)計算。

小(xiao)角(jiao)度探頭(tou)人(ren)射角(jiao)α和折射角(jiao)β對應(ying)關系見表3.4 (斜塊聲速取2730m/s)。

相對靈敏(min)度測試(shi)如(ru)下：

 a. 直(zhi)探頭相(xiang)對靈敏度（等同(tong)于探傷(shang)靈敏度余量）測(ce)量（圖(tu)3.14).

  ①. 使用(yong)2.5MHz、Φ20直探頭和CS-1-5或DB-PZ20-2型(xing)標(biao)準(zhun)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(tan)頭相(xiang)對靈敏度測量（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. 小角度縱波探頭(tou)相對靈敏度測量(liang)

  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(xing)能(neng)措施(shi)

  優良(liang)信噪比(bi)是(shi)高(gao)性能換(huan)能器的(de)基本(ben)要求(qiu)。常(chang)用以(yi)(yi)下兩種方(fang)法來提高(gao)換(huan)能器的(de)信噪比(bi)：一是(shi)增加(jia)激勵(li)脈沖的(de)電(dian)壓幅值(zhi)，這樣可以(yi)(yi)增加(jia)發(fa)射聲功率，考慮到對待檢測物體(ti)與人體(ti)的(de)影響以(yi)(yi)及實際(ji)電(dian)路的(de)實現，不可能無(wu)限地(di)增加(jia)發(fa)射功率；二是(shi)提高(gao)換(huan)能器本(ben)身的(de)靈(ling)敏度。

 換(huan)(huan)能器(qi)(qi)和電源內阻(zu)間的(de)阻(zu)抗匹(pi)配(pei)影響(xiang)著換(huan)(huan)能器(qi)(qi)的(de)靈(ling)敏度(du)。由于待(dai)探測物體的(de)聲(sheng)阻(zu)抗與換(huan)(huan)能器(qi)(qi)材料的(de)聲(sheng)阻(zu)抗嚴重失配(pei)，這就造(zao)成了(le)靈(ling)敏度(du)較低。一般(ban)需要采用聲(sheng)匹(pi)配(pei)和電路匹(pi)配(pei)方(fang)法，提高(gao)換(huan)(huan)能器(qi)(qi)的(de)靈(ling)敏度(du)。換(huan)(huan)能器(qi)(qi)的(de)靈(ling)敏度(du)越高(gao)，使用同樣激勵，在(zai)相同的(de)噪聲(sheng)背景下(xia)，信噪比越高(gao)。

 提高(gao)超聲(sheng)波換(huan)能(neng)(neng)(neng)器(qi)(qi)(qi)的(de)(de)(de)縱向(xiang)(xiang)(xiang)和橫(heng)向(xiang)(xiang)(xiang)分(fen)(fen)辨(bian)率(lv)(lv)也能(neng)(neng)(neng)改善換(huan)能(neng)(neng)(neng)器(qi)(qi)(qi)的(de)(de)(de)性能(neng)(neng)(neng)。目前主(zhu)要是(shi)通(tong)過(guo)提高(gao)換(huan)能(neng)(neng)(neng)器(qi)(qi)(qi)的(de)(de)(de)工作(zuo)頻(pin)率(lv)(lv)以(yi)及改善換(huan)能(neng)(neng)(neng)器(qi)(qi)(qi)的(de)(de)(de)脈沖(chong)響應(ying)，實(shi)現寬帶(dai)窄(zhai)脈沖(chong)。縱向(xiang)(xiang)(xiang)分(fen)(fen)辨(bian)率(lv)(lv)的(de)(de)(de)提高(gao)主(zhu)要是(shi)通(tong)過(guo)聲(sheng)電(dian)匹(pi)配。換(huan)能(neng)(neng)(neng)器(qi)(qi)(qi)的(de)(de)(de)聲(sheng)束(shu)寬度決定了超聲(sheng)檢(jian)測系統(tong)的(de)(de)(de)橫(heng)向(xiang)(xiang)(xiang)分(fen)(fen)辨(bian)率(lv)(lv)，采用(yong)聚焦超聲(sheng)換(huan)能(neng)(neng)(neng)器(qi)(qi)(qi)，是(shi)提高(gao)換(huan)能(neng)(neng)(neng)器(qi)(qi)(qi)橫(heng)向(xiang)(xiang)(xiang)分(fen)(fen)辨(bian)率(lv)(lv)最有效的(de)(de)(de)方(fang)法。

四、換(huan)能(neng)器的(de)評價(jia)

  在(zai)超(chao)聲(sheng)(sheng)波(bo)技(ji)(ji)(ji)(ji)術(shu)中，超(chao)聲(sheng)(sheng)波(bo)換(huan)(huan)能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)器(qi)(qi)(qi)(qi)是(shi)一個非(fei)常重要(yao)的(de)部分，可以說超(chao)聲(sheng)(sheng)技(ji)(ji)(ji)(ji)術(shu)的(de)發(fa)(fa)展直接取決于其研發(fa)(fa)水平。超(chao)聲(sheng)(sheng)換(huan)(huan)能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)器(qi)(qi)(qi)(qi)的(de)研究與(yu)現(xian)代科(ke)學技(ji)(ji)(ji)(ji)術(shu)密切(qie)相關(guan)。超(chao)聲(sheng)(sheng)換(huan)(huan)能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)器(qi)(qi)(qi)(qi)發(fa)(fa)展水平越來(lai)越受到電子技(ji)(ji)(ji)(ji)術(shu)、自動控制(zhi)(zhi)技(ji)(ji)(ji)(ji)術(shu)、計算機技(ji)(ji)(ji)(ji)術(shu)以及新材料(liao)技(ji)(ji)(ji)(ji)術(shu)發(fa)(fa)展的(de)影(ying)響。超(chao)聲(sheng)(sheng)波(bo)換(huan)(huan)能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)器(qi)(qi)(qi)(qi)中最重要(yao)的(de)就(jiu)是(shi)換(huan)(huan)能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)器(qi)(qi)(qi)(qi)的(de)材料(liao)，高效、廉價(jia)、無污染的(de)新型(xing)(xing)換(huan)(huan)能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)器(qi)(qi)(qi)(qi)材料(liao)的(de)研制(zhi)(zhi)是(shi)目前(qian)的(de)主要(yao)發(fa)(fa)展方向。在(zai)換(huan)(huan)能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)器(qi)(qi)(qi)(qi)的(de)材料(liao)研發(fa)(fa)方面(mian)，弛豫型(xing)(xing)壓電單晶材料(liao)具(ju)有(you)較好(hao)的(de)發(fa)(fa)展前(qian)景，如(ru)鈮鎂(mei)酸鉛(qian)－鈦(tai)(tai)酸鉛(qian)以及鈮鋅酸鉛(qian)－鈦(tai)(tai)酸鉛(qian)等(deng)，有(you)望在(zai)超(chao)聲(sheng)(sheng)等(deng)技(ji)(ji)(ji)(ji)術(shu)中獲得更為廣泛的(de)應用。換(huan)(huan)能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)器(qi)(qi)(qi)(qi)的(de)測(ce)試(shi)技(ji)(ji)(ji)(ji)術(shu)則主要(yao)體現(xian)在(zai)如(ru)何實現(xian)大功率超(chao)聲(sheng)(sheng)換(huan)(huan)能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)器(qi)(qi)(qi)(qi)性能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)的(de)實時(shi)測(ce)試(shi)與(yu)定(ding)量測(ce)試(shi)，這(zhe)也和超(chao)聲(sheng)(sheng)波(bo)換(huan)(huan)能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)器(qi)(qi)(qi)(qi)的(de)發(fa)(fa)展有(you)著密切(qie)的(de)關(guan)系。

 總之，超(chao)聲(sheng)技(ji)術(shu)中的兩個主要(yao)的研究(jiu)方面(mian)就(jiu)是超(chao)聲(sheng)波的產生(sheng)與(yu)測(ce)(ce)試，兩者的發展是相(xiang)互影響(xiang)的。目前的情況是超(chao)聲(sheng)的測(ce)(ce)試技(ji)術(shu)發展滯后于超(chao)聲(sheng)的產生(sheng)技(ji)術(shu)研究(jiu)，可以預見，隨(sui)著(zhu)超(chao)聲(sheng)換能(neng)器技(ji)術(shu)水平提高，超(chao)聲(sheng)技(ji)術(shu)的發展一定(ding)會隨(sui)之進(jin)人(ren)新的階段。