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、影(ying)響超聲波探傷(shang)換能器性能的主要參數

 超聲波(bo)換(huan)能器(qi)性能的主要參數(shu)包括頻(pin)率響(xiang)應、相對靈敏(min)度、時間域響(xiang)應、電阻抗、聲束擴散特性、斜探頭的入射點和折射角(jiao)、聲軸偏(pian)斜角(jiao)和雙峰等。

a. 頻率響應

  指在指定物體上測(ce)得(de)(de)的超聲(sheng)波回(hui)波的頻率特性(xing)。在用頻譜分析儀測(ce)試(shi)頻率特性(xing)時，從所(suo)得(de)(de)頻譜圖(tu)中得(de)(de)到換能器的中心頻率、峰(feng)值(zhi)頻率、帶寬等(deng)參(can)數。

b. 相對靈(ling)敏度

  即(ji)在指(zhi)定的介質、聲(sheng)程和反(fan)射體上(shang)，換能器將聲(sheng)能轉(zhuan)換成電(dian)能的轉(zhuan)換效率。

c. 時間(jian)域響應

  通過超聲波回波的形狀、寬度、峰(feng)數(shu)可(ke)以對換(huan)能(neng)器(qi)的時間(jian)域相應進(jin)行(xing)評(ping)估。

d. 超(chao)聲波換能器的聲場特性

  包括距離幅度(du)特(te)性、聲(sheng)束(shu)擴(kuo)散特(te)性、聲(sheng)軸(zhou)偏(pian)斜角等。影響聲(sheng)場特(te)性的(de)因素主要包括超聲(sheng)波傳遞介質以及超聲(sheng)波換能器(qi)頻(pin)率成分的(de)非(fei)單一性。

e. 斜(xie)探(tan)頭的人射點

  斜(xie)探頭的人(ren)射(she)點(dian)是指斜(xie)楔中縱波聲軸入射(she)到換能器(qi)底面的交(jiao)點(dian)。為了方便對缺陷進(jin)行(xing)定位和測定換能器(qi)的K值，應先測定出換能器(qi)的入射(she)點(dian)和前(qian)沿長度。

f. 斜探頭前沿(yan)距離

  斜探(tan)頭前(qian)沿(yan)距(ju)(ju)離是從斜探(tan)頭人射點到換能(neng)器底面(mian)前(qian)端的距(ju)(ju)離，此值(zhi)在實(shi)際探(tan)測時(shi)可(ke)用來在工(gong)件表面(mian)上確定缺陷距(ju)(ju)換能(neng)器前(qian)端的水平投影距(ju)(ju)離。

二、超聲波探(tan)傷換(huan)能器性能參數測試

超聲波傷(shang)換能器設計完成(cheng)之后需要對其性(xing)能參數進(jin)行(xing)測試，主要測試項目及性(xing)能指標見表3.3。

1. 探頭回波頻率(lv)及頻率(lv)誤差(cha)測量

 a. 直探(tan)頭回波頻率的測(ce)試（圖(tu)3.7)

 ①. 將超(chao)聲波(bo)換能器置于1號標準試塊(kuai)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(bo)頻率的測量(liang)

  將超(chao)聲波換能器置于1號試塊上使(shi)用示波器觀(guan)察R100圓弧面的(de)最高回(hui)波。其余步驟與直探頭相同。

2. 分辨力（縱向）測量(liang)

 a. 直探頭(tou)分辨力的(de)測量

  ①. 示波(bo)器抑制置(zhi)零(ling)或關，其(qi)他(ta)旋鈕置(zhi)適當位置(zhi)，連接探頭并置(zhi)于(yu)CSK-IA標準試塊上，觀察聲(sheng)程分別為85mm和91mm反射面的回(hui)波(bo)波(bo)形（圖3.8),移動探頭使(shi)兩(liang)波(bo)等高。

 ②. 改變(bian)靈敏度使(shi)兩次波幅同(tong)時(shi)達(da)到滿幅度的100%,然后測量波谷高度h,則該超(chao)聲波換能器的分(fen)辨力R為(wei)   R = 20lg(100/h) ， 若(ruo)h=0或兩波能完全分開，則取R>30dB。

 b. 斜探頭(tou)分辨力的測(ce)量

  ①. 如圖3.9所(suo)示，將超聲波(bo)(bo)換(huan)能器(qi)置于(yu)CSK-IA試塊的K值測量(liang)位置，確認耦合良好的情況(kuang)下，觀察(cha)試塊上A(Φ50)、B(Φ44)兩孔的回波(bo)(bo)波(bo)(bo)形，移動探頭使兩波(bo)(bo)等高。

 ②. 適當調節衰(shuai)減或者增益，使A、B波(bo)幅同時達到滿幅度的(de)100%,然后測量波(bo)谷高度h,則該探頭的(de)分辨力(li)R用(yong)上(shang)式(shi)計算。若h=0或兩波(bo)能(neng)完全分開(kai)，則取R>30 dB。

 c. 小(xiao)角度探(tan)頭分辨力的測量

  將換能器放置于(yu)K<1.5的(de)位(wei)置，后(hou)續步驟與斜探(tan)頭測試步驟相同。

3. 直(zhi)探(tan)頭聲軸偏(pian)斜角的測量(liang)

  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(chu)探(tan)(tan)頭的(de)參考(kao)(kao)方向，以(yi)橫(heng)通孔(kong)的(de)中(zhong)心軸為(wei)參考(kao)(kao)點，將探(tan)(tan)頭的(de)幾(ji)何中(zhong)心與其對(dui)準(zhun)，然后(hou)使探(tan)(tan)頭分(fen)別沿x的(de)左右兩(liang)個方向的(de)試塊中(zhong)心線上移動，記錄孔(kong)波最高點時(shi)探(tan)(tan)頭距(ju)離參考(kao)(kao)點的(de)距(ju)離D,其中(zhong)孔(kong)波幅度(du)最高點在x右邊時(shi)加(jia)上（十）號，在x左邊時(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)頭、小角度探(tan)頭入射(she)點的測定(ding)

 a. 橫波斜探頭

   連接待測量換能器，選取CSK-IA型準或CSK-I型標準試(shi)塊(kuai)，對(dui)試(shi)塊(kuai)R100圓(yuan)弧面(mian)進行探(tan)測，如圖3.11所示。保(bao)持(chi)探(tan)頭(tou)與(yu)試(shi)塊(kuai)側(ce)面(mian)平行，沿左右兩個方向移動探(tan)頭(tou)，觀察R100圓(yuan)弧面(mian)的回波(bo)幅度達到(dao)最高時候的位置，則此時換能器的入射點為(wei)R100圓(yuan)心刻線(xian)所對(dui)應的探(tan)頭(tou)側(ce)棱上的點。讀(du)數精確(que)到(dao)0.5mm。

 b. 小角度縱波探頭

  連接(jie)帶測(ce)量(liang)換能器，選(xuan)取(qu)TZS-R試塊(kuai)的(de)(de)(de)(de)R面(mian)，測(ce)量(liang)試塊(kuai)A面(mian)下棱(leng)角，保(bao)持探(tan)頭聲束與試塊(kuai)側面(mian)平(ping)行，前后移動探(tan)頭，記錄A面(mian)下棱(leng)角回波(bo)達到(dao)(dao)最高的(de)(de)(de)(de)位置，此時探(tan)頭前沿(yan)至試塊(kuai)A端(duan)的(de)(de)(de)(de)距(ju)(ju)離為(wei)x1,然后用(yong)二次(ci)反射(she)波(bo)探(tan)測(ce)A面(mian)上(shang)棱(leng)角，同樣找到(dao)(dao)A面(mian)上(shang)棱(leng)角回波(bo)達到(dao)(dao)最高的(de)(de)(de)(de)位置，此時探(tan)頭前沿(yan)至試塊(kuai)前端(duan)（A端(duan)）的(de)(de)(de)(de)距(ju)(ju)離為(wei)x2,則入射(she)點至探(tan)頭前沿(yan)的(de)(de)(de)(de)距(ju)(ju)離為(wei)  a = x₂ - 2x_{1  。}

5. 斜探頭折(zhe)射角的測量(liang)

 測試(shi)設備包(bao)括探傷儀、1號(hao)標準試(shi)塊和刻(ke)度尺(chi)。

 測試(shi)步驟：選取(qu)1號標準試(shi)塊觀(guan)(guan)察(cha)(cha)φ50mm孔的(de)(de)回(hui)波(bo)，探(tan)頭的(de)(de)位置(zhi)按如下情況放置(zhi)：當K≤1.5時，觀(guan)(guan)察(cha)(cha)圖3.12a的(de)(de)通(tong)(tong)孔回(hui)波(bo)；1.5<K≤2.5時，觀(guan)(guan)察(cha)(cha)圖3.12b的(de)(de)通(tong)(tong)孔回(hui)波(bo)；當K>2.5時，探(tan)頭放置(zhi)在如圖3.12c的(de)(de)位置(zhi)，觀(guan)(guan)察(cha)(cha)φ1.5mm橫(heng)通(tong)(tong)孔的(de)(de)回(hui)波(bo)。前(qian)后移(yi)動探(tan)頭，找到孔的(de)(de)回(hui)波(bo)最高位置(zhi)并固定下來，讀出此(ci)時入射點相對應的(de)(de)角度刻度β，β即為被測探(tan)頭折(zhe)射角，讀數精確到0.5°。

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

  選取TZS-R試塊的(de)(de)(de)C面(mian)或(huo)B面(mian)，并(bing)在(zai)測定探(tan)頭的(de)(de)(de)前沿距(ju)離a之(zhi)后，再按(an)圖(tu)3.13所展示的(de)(de)(de)方法，找到端(duan)面(mian)（A面(mian)）上棱角的(de)(de)(de)最大反(fan)射波高位(wei)置，則探(tan)頭的(de)(de)(de)K值(zhi)和β角分別用下式計算。

小角度探頭(tou)人射角α和折(zhe)射角β對(dui)應關(guan)系見表3.4 (斜(xie)塊聲速取2730m/s)。

相對靈敏度(du)測試如下：

 a. 直探(tan)頭相對靈敏度（等同于探(tan)傷靈敏度余量）測量（圖(tu)3.14).

  ①. 使(shi)用2.5MHz、Φ20直(zhi)探頭和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(xiao)角度縱波探頭相對靈敏(min)度測量

  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)(neng)器性能(neng)(neng)措施(shi)

  優良信(xin)噪(zao)比是(shi)高(gao)性能(neng)(neng)換(huan)能(neng)(neng)器(qi)的(de)基本要求。常(chang)用(yong)以(yi)下兩(liang)種方法來提高(gao)換(huan)能(neng)(neng)器(qi)的(de)信(xin)噪(zao)比：一是(shi)增(zeng)(zeng)加(jia)激勵脈沖的(de)電壓幅值，這樣可以(yi)增(zeng)(zeng)加(jia)發射聲功(gong)率(lv)，考慮到(dao)對待檢測物體與(yu)人(ren)體的(de)影(ying)響以(yi)及實際電路的(de)實現，不(bu)可能(neng)(neng)無限地增(zeng)(zeng)加(jia)發射功(gong)率(lv)；二是(shi)提高(gao)換(huan)能(neng)(neng)器(qi)本身的(de)靈(ling)敏度。

 換(huan)能(neng)(neng)器(qi)(qi)(qi)和電(dian)源(yuan)內阻間的阻抗匹(pi)配(pei)(pei)影響(xiang)著換(huan)能(neng)(neng)器(qi)(qi)(qi)的靈(ling)(ling)敏(min)度(du)。由于待探測物(wu)體的聲(sheng)(sheng)阻抗與換(huan)能(neng)(neng)器(qi)(qi)(qi)材料的聲(sheng)(sheng)阻抗嚴(yan)重失配(pei)(pei)，這就造成了(le)靈(ling)(ling)敏(min)度(du)較低。一般需(xu)要(yao)采用聲(sheng)(sheng)匹(pi)配(pei)(pei)和電(dian)路匹(pi)配(pei)(pei)方(fang)法，提高換(huan)能(neng)(neng)器(qi)(qi)(qi)的靈(ling)(ling)敏(min)度(du)。換(huan)能(neng)(neng)器(qi)(qi)(qi)的靈(ling)(ling)敏(min)度(du)越高，使用同樣激勵(li)，在(zai)相同的噪(zao)聲(sheng)(sheng)背景下，信噪(zao)比越高。

 提高超(chao)聲波換能(neng)器(qi)(qi)的縱(zong)向和橫向分(fen)(fen)辨(bian)率(lv)也能(neng)改(gai)善(shan)換能(neng)器(qi)(qi)的性能(neng)。目前主要是(shi)(shi)通過提高換能(neng)器(qi)(qi)的工作頻率(lv)以及改(gai)善(shan)換能(neng)器(qi)(qi)的脈(mo)沖響應，實現(xian)寬帶(dai)窄脈(mo)沖。縱(zong)向分(fen)(fen)辨(bian)率(lv)的提高主要是(shi)(shi)通過聲電匹配。換能(neng)器(qi)(qi)的聲束寬度決定了超(chao)聲檢測系統(tong)的橫向分(fen)(fen)辨(bian)率(lv)，采用聚焦超(chao)聲換能(neng)器(qi)(qi)，是(shi)(shi)提高換能(neng)器(qi)(qi)橫向分(fen)(fen)辨(bian)率(lv)最(zui)有效(xiao)的方法。

四、換能器的評價

  在(zai)超(chao)聲(sheng)波技(ji)(ji)術(shu)中，超(chao)聲(sheng)波換(huan)(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)(qi)是一個(ge)非常(chang)重要(yao)(yao)的(de)(de)(de)部(bu)分，可以(yi)說(shuo)超(chao)聲(sheng)技(ji)(ji)術(shu)的(de)(de)(de)發展(zhan)直接取(qu)決(jue)于其研(yan)發水(shui)平。超(chao)聲(sheng)換(huan)(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)研(yan)究與現代科學技(ji)(ji)術(shu)密(mi)切相關(guan)。超(chao)聲(sheng)換(huan)(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)(qi)發展(zhan)水(shui)平越來越受到電子技(ji)(ji)術(shu)、自動(dong)控(kong)制技(ji)(ji)術(shu)、計(ji)算機技(ji)(ji)術(shu)以(yi)及新材料(liao)技(ji)(ji)術(shu)發展(zhan)的(de)(de)(de)影響(xiang)。超(chao)聲(sheng)波換(huan)(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)(qi)中最重要(yao)(yao)的(de)(de)(de)就是換(huan)(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)材料(liao)，高(gao)效、廉(lian)價、無污染(ran)的(de)(de)(de)新型換(huan)(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)(qi)材料(liao)的(de)(de)(de)研(yan)制是目前(qian)的(de)(de)(de)主要(yao)(yao)發展(zhan)方(fang)向(xiang)。在(zai)換(huan)(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)材料(liao)研(yan)發方(fang)面，弛豫型壓電單晶材料(liao)具有(you)較好的(de)(de)(de)發展(zhan)前(qian)景，如(ru)鈮鎂酸鉛－鈦酸鉛以(yi)及鈮鋅酸鉛－鈦酸鉛等，有(you)望在(zai)超(chao)聲(sheng)等技(ji)(ji)術(shu)中獲得(de)更為廣泛(fan)的(de)(de)(de)應用。換(huan)(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)測試(shi)(shi)技(ji)(ji)術(shu)則主要(yao)(yao)體現在(zai)如(ru)何實(shi)現大功率超(chao)聲(sheng)換(huan)(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)(qi)性能(neng)(neng)的(de)(de)(de)實(shi)時測試(shi)(shi)與定量測試(shi)(shi)，這也和超(chao)聲(sheng)波換(huan)(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)發展(zhan)有(you)著密(mi)切的(de)(de)(de)關(guan)系。

 總之，超(chao)(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)技(ji)(ji)術中(zhong)的(de)(de)兩(liang)個主(zhu)要的(de)(de)研(yan)究方面(mian)就是超(chao)(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)波的(de)(de)產生(sheng)與測試(shi)，兩(liang)者(zhe)的(de)(de)發展是相互影響的(de)(de)。目前的(de)(de)情況是超(chao)(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)的(de)(de)測試(shi)技(ji)(ji)術發展滯后(hou)于超(chao)(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)的(de)(de)產生(sheng)技(ji)(ji)術研(yan)究，可以預見，隨著超(chao)(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)換能(neng)器技(ji)(ji)術水平(ping)提高，超(chao)(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)技(ji)(ji)術的(de)(de)發展一定(ding)會隨之進人新的(de)(de)階段(duan)。