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、影響超聲波探傷換能器性能的主(zhu)要參數

 超聲(sheng)波換(huan)能(neng)器(qi)性能(neng)的主要參數(shu)包括頻率響(xiang)應、相對(dui)靈敏度(du)、時間域響(xiang)應、電(dian)阻抗、聲(sheng)束擴散特性、斜(xie)探頭的入射點和(he)折射角、聲(sheng)軸偏(pian)斜(xie)角和(he)雙峰等。

a. 頻率響應

  指在指定物體上測(ce)得(de)的(de)超聲波回波的(de)頻(pin)(pin)(pin)率(lv)特(te)性。在用(yong)頻(pin)(pin)(pin)譜(pu)分析儀測(ce)試頻(pin)(pin)(pin)率(lv)特(te)性時，從所得(de)頻(pin)(pin)(pin)譜(pu)圖中(zhong)得(de)到換能器的(de)中(zhong)心頻(pin)(pin)(pin)率(lv)、峰值頻(pin)(pin)(pin)率(lv)、帶寬(kuan)等參數。

b. 相(xiang)對靈敏度

  即在指(zhi)定的(de)(de)介質、聲(sheng)(sheng)程和反(fan)射體(ti)上，換(huan)(huan)能(neng)器將聲(sheng)(sheng)能(neng)轉換(huan)(huan)成電(dian)能(neng)的(de)(de)轉換(huan)(huan)效率。

c. 時間(jian)域響(xiang)應

  通過(guo)超聲波回波的形狀、寬度、峰數可以對換能器(qi)的時間(jian)域相應進行評估(gu)。

d. 超(chao)聲波換能器的聲場特(te)性

  包(bao)括距離幅度特性(xing)、聲束(shu)擴散(san)特性(xing)、聲軸(zhou)偏斜角(jiao)等。影響聲場特性(xing)的(de)因素主(zhu)要包(bao)括超聲波傳遞介質以(yi)及超聲波換能(neng)器頻率(lv)成分的(de)非(fei)單一(yi)性(xing)。

e. 斜探頭(tou)的人射點

  斜(xie)探頭的(de)人射點是(shi)指斜(xie)楔中縱波聲軸入(ru)射到換能器(qi)底面的(de)交點。為(wei)了(le)方便(bian)對缺陷進行定位和(he)測定換能器(qi)的(de)K值(zhi)，應先測定出(chu)換能器(qi)的(de)入(ru)射點和(he)前沿長度。

f. 斜探(tan)頭前沿距離

  斜探頭(tou)前沿(yan)距(ju)(ju)離(li)是從斜探頭(tou)人射點到(dao)換能器底(di)面(mian)前端的距(ju)(ju)離(li)，此值在實際探測(ce)時(shi)可用來在工(gong)件(jian)表面(mian)上確定缺(que)陷距(ju)(ju)換能器前端的水平投影(ying)距(ju)(ju)離(li)。

二(er)、超聲波(bo)探傷換能器性能參數測試

超聲波傷換(huan)能(neng)器設計完成之(zhi)后需要(yao)對(dui)其性能(neng)參數進(jin)行測試，主要(yao)測試項(xiang)目及(ji)性能(neng)指標見表3.3。

1. 探(tan)頭回波頻(pin)率及頻(pin)率誤(wu)差(cha)測量

 a. 直(zhi)探頭回波頻率的測試（圖3.7)

 ①. 將超聲(sheng)波換(huan)能器置于1號標準試塊的(de)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. 斜探頭回波頻率的測量(liang)

  將超(chao)聲波(bo)換能(neng)器(qi)置于1號試塊上使(shi)用(yong)示波(bo)器(qi)觀察R100圓弧面的最高(gao)回(hui)波(bo)。其余步(bu)驟與(yu)直探(tan)頭相同。

2. 分(fen)辨力（縱向）測量

 a. 直探(tan)頭分辨力的測量

  ①. 示波(bo)(bo)器抑制置(zhi)零(ling)或關，其他(ta)旋鈕置(zhi)適(shi)當位置(zhi)，連接探頭(tou)并置(zhi)于CSK-IA標(biao)準(zhun)試塊上，觀察聲(sheng)程分別為(wei)85mm和91mm反射面的(de)回波(bo)(bo)波(bo)(bo)形（圖(tu)3.8),移動探頭(tou)使兩波(bo)(bo)等高。

 ②. 改變靈敏(min)度(du)使兩次(ci)波(bo)(bo)幅同時達到(dao)滿(man)幅度(du)的(de)100%,然后測量波(bo)(bo)谷(gu)高(gao)度(du)h,則(ze)該(gai)超聲波(bo)(bo)換能(neng)器(qi)的(de)分(fen)辨力R為   R = 20lg(100/h) ， 若h=0或兩波能(neng)完全分開，則取R>30dB。

 b. 斜探頭(tou)分辨力的測量

  ①. 如圖3.9所示，將(jiang)超聲波(bo)換能器(qi)置于(yu)CSK-IA試塊的(de)K值測量(liang)位置，確認耦合(he)良好的(de)情況下，觀察(cha)試塊上A(Φ50)、B(Φ44)兩孔(kong)的(de)回波(bo)波(bo)形，移動探頭使(shi)兩波(bo)等高。

 ②. 適當調(diao)節衰減或(huo)者增益(yi)，使A、B波(bo)幅同時達到(dao)滿幅度(du)的100%,然后測(ce)量(liang)波(bo)谷高度(du)h,則該探頭的分辨(bian)力R用上(shang)式(shi)計算(suan)。若(ruo)h=0或(huo)兩波(bo)能完(wan)全(quan)分開(kai)，則取R>30 dB。

 c. 小角度探頭(tou)分辨(bian)力的測(ce)量(liang)

  將換(huan)能器放置于K<1.5的位置，后續步驟與(yu)斜探頭測(ce)試步驟相同。

3. 直探頭聲軸(zhou)偏(pian)斜角的(de)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)參考(kao)方向，以橫(heng)通孔(kong)的(de)中(zhong)心(xin)軸為參考(kao)點(dian)(dian)，將探(tan)頭(tou)的(de)幾何中(zhong)心(xin)與其對準，然后使探(tan)頭(tou)分別沿x的(de)左右兩個方向的(de)試塊中(zhong)心(xin)線上(shang)移動(dong)，記錄孔(kong)波(bo)最高(gao)點(dian)(dian)時(shi)探(tan)頭(tou)距離參考(kao)點(dian)(dian)的(de)距離D,其中(zhong)孔(kong)波(bo)幅度最高(gao)點(dian)(dian)在x右邊(bian)時(shi)加上(shang)（十）號(hao)，在x左邊(bian)時(shi)加上(shang)（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(ce)定

 a. 橫波斜探(tan)頭

   連接待測(ce)量換能器，選取CSK-IA型準或CSK-I型標準試塊(kuai)，對(dui)試塊(kuai)R100圓(yuan)弧(hu)面進行(xing)探(tan)測(ce)，如圖3.11所示。保持探(tan)頭(tou)(tou)與試塊(kuai)側(ce)面平行(xing)，沿(yan)左(zuo)右(you)兩個方向移動(dong)探(tan)頭(tou)(tou)，觀察R100圓(yuan)弧(hu)面的回波幅度達到最(zui)高時候的位(wei)置，則此(ci)時換能器的入射點為R100圓(yuan)心刻線所對(dui)應的探(tan)頭(tou)(tou)側(ce)棱上的點。讀(du)數(shu)精確到0.5mm。

 b. 小角度縱波探頭

  連接帶測(ce)量(liang)換能(neng)器，選(xuan)取TZS-R試(shi)塊的(de)(de)(de)R面(mian)(mian)，測(ce)量(liang)試(shi)塊A面(mian)(mian)下棱(leng)(leng)(leng)角，保(bao)持探(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)聲束與試(shi)塊側面(mian)(mian)平行，前后移動(dong)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)，記(ji)錄A面(mian)(mian)下棱(leng)(leng)(leng)角回波達到最高(gao)的(de)(de)(de)位置(zhi)，此時(shi)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)前沿至試(shi)塊A端的(de)(de)(de)距(ju)離(li)為x1,然后用二次反射(she)波探(tan)(tan)(tan)測(ce)A面(mian)(mian)上棱(leng)(leng)(leng)角，同樣(yang)找到A面(mian)(mian)上棱(leng)(leng)(leng)角回波達到最高(gao)的(de)(de)(de)位置(zhi)，此時(shi)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)前沿至試(shi)塊前端（A端）的(de)(de)(de)距(ju)離(li)為x2,則入(ru)射(she)點至探(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)前沿的(de)(de)(de)距(ju)離(li)為  a = x₂ - 2x_{1  。}

5. 斜(xie)探頭(tou)折(zhe)射角的測量(liang)

 測試(shi)設備包括(kuo)探傷儀、1號標準(zhun)試(shi)塊和刻度尺。

 測(ce)試(shi)步驟：選取1號標準試(shi)塊觀(guan)察φ50mm孔的回(hui)波，探(tan)(tan)(tan)頭(tou)的位(wei)(wei)置(zhi)(zhi)按如下(xia)(xia)情(qing)況放(fang)置(zhi)(zhi)：當K≤1.5時(shi)，觀(guan)察圖(tu)3.12a的通(tong)(tong)(tong)孔回(hui)波；1.5<K≤2.5時(shi)，觀(guan)察圖(tu)3.12b的通(tong)(tong)(tong)孔回(hui)波；當K>2.5時(shi)，探(tan)(tan)(tan)頭(tou)放(fang)置(zhi)(zhi)在如圖(tu)3.12c的位(wei)(wei)置(zhi)(zhi)，觀(guan)察φ1.5mm橫通(tong)(tong)(tong)孔的回(hui)波。前后移動探(tan)(tan)(tan)頭(tou)，找到(dao)(dao)孔的回(hui)波最高位(wei)(wei)置(zhi)(zhi)并固定(ding)下(xia)(xia)來(lai)，讀出此時(shi)入射點相對(dui)應(ying)的角(jiao)度刻(ke)度β，β即為被測(ce)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)折射角(jiao)，讀數(shu)精確到(dao)(dao)0.5°。

 6. 測量小(xiao)角度縱波(bo)探頭的β角和K值

  選取TZS-R試塊的(de)C面或B面，并在測定探頭的(de)前沿距離a之后，再按(an)圖3.13所展示的(de)方法，找到端面（A面）上棱角的(de)最(zui)大反射(she)波(bo)高(gao)位置，則探頭的(de)K值和β角分別用下式計算。

小角度探(tan)頭(tou)人射(she)角α和折射(she)角β對應關系見(jian)表3.4 (斜(xie)塊(kuai)聲速取2730m/s)。

相(xiang)對靈敏(min)度(du)測試如下：

 a. 直探頭相對靈(ling)敏(min)度(du)（等(deng)同于探傷靈(ling)敏(min)度(du)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(xing)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(min)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(zong)波探頭相對(dui)靈敏度測量

  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、提高換能器性能措施

  優(you)良信(xin)噪比(bi)是高性能(neng)(neng)換能(neng)(neng)器(qi)(qi)的基本(ben)要求。常用以下兩(liang)種方法來提高換能(neng)(neng)器(qi)(qi)的信(xin)噪比(bi)：一是增(zeng)(zeng)加激勵脈沖(chong)的電壓(ya)幅值，這樣(yang)可以增(zeng)(zeng)加發射(she)聲(sheng)功率(lv)，考慮到(dao)對(dui)待檢測物(wu)體(ti)與人體(ti)的影(ying)響(xiang)以及實際電路的實現(xian)，不可能(neng)(neng)無(wu)限地(di)增(zeng)(zeng)加發射(she)功率(lv)；二是提高換能(neng)(neng)器(qi)(qi)本(ben)身的靈敏度。

 換能器(qi)(qi)(qi)和電(dian)源內(nei)阻間的(de)(de)(de)阻抗匹(pi)配(pei)影(ying)響著換能器(qi)(qi)(qi)的(de)(de)(de)靈敏(min)度(du)(du)。由于待探測物體的(de)(de)(de)聲阻抗與(yu)換能器(qi)(qi)(qi)材料的(de)(de)(de)聲阻抗嚴重失配(pei)，這就造成了靈敏(min)度(du)(du)較低。一般需(xu)要(yao)采用(yong)(yong)聲匹(pi)配(pei)和電(dian)路匹(pi)配(pei)方法，提高換能器(qi)(qi)(qi)的(de)(de)(de)靈敏(min)度(du)(du)。換能器(qi)(qi)(qi)的(de)(de)(de)靈敏(min)度(du)(du)越(yue)高，使用(yong)(yong)同(tong)樣激勵，在相同(tong)的(de)(de)(de)噪聲背(bei)景(jing)下，信(xin)噪比越(yue)高。

 提(ti)高(gao)(gao)超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)波換(huan)(huan)能器的(de)(de)縱(zong)向和橫(heng)向分辨(bian)率也(ye)能改(gai)善(shan)換(huan)(huan)能器的(de)(de)性能。目前主要是(shi)通過提(ti)高(gao)(gao)換(huan)(huan)能器的(de)(de)工作(zuo)頻率以及改(gai)善(shan)換(huan)(huan)能器的(de)(de)脈沖響應，實現寬帶(dai)窄脈沖。縱(zong)向分辨(bian)率的(de)(de)提(ti)高(gao)(gao)主要是(shi)通過聲(sheng)(sheng)電匹配(pei)。換(huan)(huan)能器的(de)(de)聲(sheng)(sheng)束寬度決定了超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)檢測(ce)系(xi)統的(de)(de)橫(heng)向分辨(bian)率，采用聚焦超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)換(huan)(huan)能器，是(shi)提(ti)高(gao)(gao)換(huan)(huan)能器橫(heng)向分辨(bian)率最有(you)效的(de)(de)方法。

四、換能(neng)器的(de)評價

  在(zai)超(chao)(chao)(chao)(chao)(chao)聲(sheng)波技(ji)術中(zhong)(zhong)，超(chao)(chao)(chao)(chao)(chao)聲(sheng)波換(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)(qi)是一個非常重要(yao)(yao)的(de)部分，可以(yi)說超(chao)(chao)(chao)(chao)(chao)聲(sheng)技(ji)術的(de)發(fa)(fa)展(zhan)直接取決于其研(yan)(yan)發(fa)(fa)水平(ping)。超(chao)(chao)(chao)(chao)(chao)聲(sheng)換(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)(qi)的(de)研(yan)(yan)究與現代科學(xue)技(ji)術密切(qie)相關(guan)。超(chao)(chao)(chao)(chao)(chao)聲(sheng)換(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)(qi)發(fa)(fa)展(zhan)水平(ping)越來越受到電子技(ji)術、自動控制(zhi)技(ji)術、計算(suan)機技(ji)術以(yi)及(ji)新材(cai)(cai)料(liao)技(ji)術發(fa)(fa)展(zhan)的(de)影響。超(chao)(chao)(chao)(chao)(chao)聲(sheng)波換(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)(qi)中(zhong)(zhong)最重要(yao)(yao)的(de)就是換(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)(qi)的(de)材(cai)(cai)料(liao)，高效、廉價、無污染(ran)的(de)新型換(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)(qi)材(cai)(cai)料(liao)的(de)研(yan)(yan)制(zhi)是目(mu)前的(de)主要(yao)(yao)發(fa)(fa)展(zhan)方(fang)向。在(zai)換(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)(qi)的(de)材(cai)(cai)料(liao)研(yan)(yan)發(fa)(fa)方(fang)面(mian)，弛豫型壓(ya)電單晶(jing)材(cai)(cai)料(liao)具有較(jiao)好的(de)發(fa)(fa)展(zhan)前景(jing)，如鈮鎂酸(suan)鉛(qian)－鈦酸(suan)鉛(qian)以(yi)及(ji)鈮鋅酸(suan)鉛(qian)－鈦酸(suan)鉛(qian)等，有望在(zai)超(chao)(chao)(chao)(chao)(chao)聲(sheng)等技(ji)術中(zhong)(zhong)獲得(de)更為廣(guang)泛(fan)的(de)應用。換(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)(qi)的(de)測(ce)試技(ji)術則主要(yao)(yao)體現在(zai)如何實現大功率(lv)超(chao)(chao)(chao)(chao)(chao)聲(sheng)換(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)(qi)性能(neng)(neng)的(de)實時測(ce)試與定量測(ce)試，這(zhe)也和超(chao)(chao)(chao)(chao)(chao)聲(sheng)波換(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)(qi)的(de)發(fa)(fa)展(zhan)有著密切(qie)的(de)關(guan)系。

 總(zong)之，超(chao)(chao)(chao)聲技(ji)術中的(de)(de)(de)(de)兩個(ge)主要的(de)(de)(de)(de)研究(jiu)方面就是超(chao)(chao)(chao)聲波的(de)(de)(de)(de)產生與測試，兩者的(de)(de)(de)(de)發(fa)展(zhan)是相(xiang)互影響的(de)(de)(de)(de)。目前的(de)(de)(de)(de)情況是超(chao)(chao)(chao)聲的(de)(de)(de)(de)測試技(ji)術發(fa)展(zhan)滯后于超(chao)(chao)(chao)聲的(de)(de)(de)(de)產生技(ji)術研究(jiu)，可以預見，隨著超(chao)(chao)(chao)聲換能器技(ji)術水平提高(gao)，超(chao)(chao)(chao)聲技(ji)術的(de)(de)(de)(de)發(fa)展(zhan)一定會隨之進人新(xin)的(de)(de)(de)(de)階段。