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(xiang)超聲波探傷換能器(qi)性能的主(zhu)要參數

 超(chao)聲(sheng)波換能(neng)器性能(neng)的主要參數包括頻率(lv)響應、相(xiang)對(dui)靈敏度、時間(jian)域(yu)響應、電阻抗、聲(sheng)束(shu)擴散特性、斜探頭(tou)的入射(she)點和(he)折射(she)角(jiao)(jiao)、聲(sheng)軸偏斜角(jiao)(jiao)和(he)雙(shuang)峰等(deng)。

a. 頻率響應

  指(zhi)在指(zhi)定物體上(shang)測(ce)得(de)(de)的超聲波(bo)回波(bo)的頻率(lv)特性。在用頻譜(pu)分析(xi)儀測(ce)試頻率(lv)特性時，從所得(de)(de)頻譜(pu)圖中(zhong)得(de)(de)到換能(neng)器的中(zhong)心(xin)頻率(lv)、峰值頻率(lv)、帶寬(kuan)等參(can)數。

b. 相對靈敏度

  即(ji)在指定(ding)的介質、聲(sheng)程和反射體上(shang)，換(huan)能器將聲(sheng)能轉換(huan)成電能的轉換(huan)效率(lv)。

c. 時間域響(xiang)應

  通(tong)過超聲波回波的(de)形狀(zhuang)、寬度、峰數可以對換能器的(de)時間域相應進行評估。

d. 超(chao)聲波換(huan)能器的聲場特性

  包(bao)括距離(li)幅度特性(xing)、聲(sheng)(sheng)束(shu)擴散特性(xing)、聲(sheng)(sheng)軸偏斜角(jiao)等(deng)。影響(xiang)聲(sheng)(sheng)場(chang)特性(xing)的因素主要(yao)包(bao)括超聲(sheng)(sheng)波(bo)傳(chuan)遞(di)介質(zhi)以及超聲(sheng)(sheng)波(bo)換(huan)能器頻(pin)率成分的非單一(yi)性(xing)。

e. 斜探頭的(de)人射點

  斜(xie)探頭的人(ren)射(she)點是(shi)指斜(xie)楔中(zhong)縱波(bo)聲軸入(ru)射(she)到換(huan)能器底面的交點。為了方(fang)便對缺(que)陷進(jin)行定位和(he)(he)測(ce)定換(huan)能器的K值，應先(xian)測(ce)定出換(huan)能器的入(ru)射(she)點和(he)(he)前沿長(chang)度。

f. 斜探頭前(qian)沿距(ju)離(li)

  斜探頭前沿距(ju)離(li)是從斜探頭人射點到換能(neng)(neng)器底面前端(duan)的距(ju)離(li)，此(ci)值(zhi)在(zai)實際探測(ce)時可(ke)用來在(zai)工件表面上確定缺陷距(ju)換能(neng)(neng)器前端(duan)的水平投影距(ju)離(li)。

二(er)、超聲波探傷換能器性能參(can)數測(ce)試(shi)

超聲波傷(shang)換能(neng)(neng)器(qi)設計完成之后需(xu)要對(dui)其(qi)性(xing)能(neng)(neng)參數進行測試，主(zhu)要測試項目(mu)及性(xing)能(neng)(neng)指標見表(biao)3.3。

1. 探頭回波頻率(lv)及頻率(lv)誤差(cha)測量

 a. 直探頭(tou)回波頻率的測試（圖3.7)

 ①. 將(jiang)超聲波(bo)換(huan)能器(qi)置于1號(hao)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. 斜探頭回波頻率的測(ce)量

  將超聲波(bo)換能器置于(yu)1號試塊上使用示波(bo)器觀察R100圓弧面的最(zui)高回波(bo)。其(qi)余步驟與直探(tan)頭相同。

2. 分辨力（縱向(xiang)）測量

 a. 直探頭分辨(bian)力的(de)測量

  ①. 示波器抑制置(zhi)零或關，其他(ta)旋(xuan)鈕置(zhi)適(shi)當位置(zhi)，連接探頭并置(zhi)于CSK-IA標(biao)準試塊上(shang)，觀察聲程分別為85mm和91mm反(fan)射(she)面的(de)回波波形（圖3.8),移動探頭使兩波等高。

 ②. 改(gai)變靈敏度使(shi)兩次波幅同(tong)時達到滿幅度的100%,然后測量波谷(gu)高度h,則該超聲波換能(neng)器的分辨力R為   R = 20lg(100/h) ， 若h=0或兩波能完全分開，則(ze)取R>30dB。

 b. 斜探頭分辨力的測量

  ①. 如(ru)圖3.9所示(shi)，將超聲波(bo)換能(neng)器置(zhi)于CSK-IA試塊的K值測(ce)量(liang)位置(zhi)，確認耦合良好(hao)的情(qing)況(kuang)下，觀察(cha)試塊上A(Φ50)、B(Φ44)兩孔的回(hui)波(bo)波(bo)形，移動探頭使兩波(bo)等高(gao)。

 ②. 適當(dang)調節衰減(jian)或者增益，使A、B波幅同時(shi)達到(dao)滿幅度的(de)100%,然(ran)后測量波谷(gu)高(gao)度h,則該(gai)探(tan)頭的(de)分辨力R用上式計(ji)算。若h=0或兩(liang)波能(neng)完全分開，則取R>30 dB。

 c. 小角度探(tan)頭分辨力的測(ce)量

  將(jiang)換能(neng)器放(fang)置(zhi)(zhi)于(yu)K<1.5的位(wei)置(zhi)(zhi)，后續步(bu)驟與斜探(tan)頭測試步(bu)驟相同。

3. 直探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. 標出探頭(tou)(tou)的(de)參考(kao)(kao)方(fang)向，以橫通(tong)孔的(de)中(zhong)(zhong)心軸為參考(kao)(kao)點，將探頭(tou)(tou)的(de)幾何中(zhong)(zhong)心與其(qi)對準，然(ran)后使(shi)探頭(tou)(tou)分別(bie)沿(yan)x的(de)左右兩個方(fang)向的(de)試塊(kuai)中(zhong)(zhong)心線上(shang)(shang)移動，記錄孔波(bo)最高點時(shi)探頭(tou)(tou)距離參考(kao)(kao)點的(de)距離D,其(qi)中(zhong)(zhong)孔波(bo)幅度最高點在(zai)x右邊時(shi)加上(shang)(shang)（十）號，在(zai)x左邊時(shi)加上(shang)(shang)（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、小角度探頭入射點的(de)測定

 a. 橫波斜探頭(tou)

   連接待測量換(huan)能器，選取CSK-IA型(xing)準或CSK-I型(xing)標準試(shi)塊(kuai)(kuai)，對試(shi)塊(kuai)(kuai)R100圓(yuan)(yuan)弧面(mian)進行探(tan)測，如圖3.11所示(shi)。保持探(tan)頭(tou)與試(shi)塊(kuai)(kuai)側面(mian)平行，沿左(zuo)右兩個方向移動(dong)探(tan)頭(tou)，觀察R100圓(yuan)(yuan)弧面(mian)的(de)回波幅(fu)度達到(dao)最高時(shi)候(hou)的(de)位置(zhi)，則此時(shi)換(huan)能器的(de)入射(she)點(dian)為R100圓(yuan)(yuan)心刻線所對應的(de)探(tan)頭(tou)側棱上的(de)點(dian)。讀(du)數精(jing)確到(dao)0.5mm。

 b. 小角度縱波探頭(tou)

  連接(jie)帶測量換能器，選(xuan)取TZS-R試(shi)(shi)塊(kuai)的(de)R面(mian)，測量試(shi)(shi)塊(kuai)A面(mian)下棱角，保持探頭聲束與試(shi)(shi)塊(kuai)側面(mian)平(ping)行，前(qian)(qian)(qian)后移動(dong)探頭，記(ji)錄A面(mian)下棱角回波(bo)(bo)達到(dao)最(zui)高(gao)的(de)位置，此(ci)時(shi)探頭前(qian)(qian)(qian)沿(yan)(yan)至試(shi)(shi)塊(kuai)A端的(de)距(ju)離(li)為x1,然后用(yong)二(er)次反(fan)射波(bo)(bo)探測A面(mian)上棱角，同樣找到(dao)A面(mian)上棱角回波(bo)(bo)達到(dao)最(zui)高(gao)的(de)位置，此(ci)時(shi)探頭前(qian)(qian)(qian)沿(yan)(yan)至試(shi)(shi)塊(kuai)前(qian)(qian)(qian)端（A端）的(de)距(ju)離(li)為x2,則入(ru)射點(dian)至探頭前(qian)(qian)(qian)沿(yan)(yan)的(de)距(ju)離(li)為  a = x₂ - 2x_{1  。}

5. 斜探頭折射角的測量

 測(ce)試(shi)設備包括探傷儀、1號(hao)標準試(shi)塊和刻度尺。

 測試步驟：選(xuan)取(qu)1號標準試塊觀察(cha)(cha)φ50mm孔的(de)(de)回(hui)波(bo)(bo)，探頭的(de)(de)位置(zhi)按如(ru)下情況放置(zhi)：當(dang)K≤1.5時，觀察(cha)(cha)圖(tu)(tu)3.12a的(de)(de)通(tong)(tong)孔回(hui)波(bo)(bo)；1.5<K≤2.5時，觀察(cha)(cha)圖(tu)(tu)3.12b的(de)(de)通(tong)(tong)孔回(hui)波(bo)(bo)；當(dang)K>2.5時，探頭放置(zhi)在如(ru)圖(tu)(tu)3.12c的(de)(de)位置(zhi)，觀察(cha)(cha)φ1.5mm橫(heng)通(tong)(tong)孔的(de)(de)回(hui)波(bo)(bo)。前后移動探頭，找(zhao)到孔的(de)(de)回(hui)波(bo)(bo)最高位置(zhi)并固定下來(lai)，讀出此時入射(she)點相對(dui)應(ying)的(de)(de)角度刻度β，β即為(wei)被測探頭折射(she)角，讀數精確到0.5°。

 6. 測量小角度(du)縱波探頭(tou)的β角和K值

  選取TZS-R試塊(kuai)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之后，再按圖3.13所展示的(de)方法，找到端面(mian)（A面(mian)）上棱角的(de)最大反(fan)射波(bo)高(gao)位置，則探(tan)頭(tou)的(de)K值和(he)β角分(fen)別用下(xia)式計算。

小角(jiao)度探頭人射(she)角(jiao)α和折射(she)角(jiao)β對應關系(xi)見(jian)表3.4 (斜塊聲速取2730m/s)。

相對靈敏度測試如下：

 a. 直探(tan)頭(tou)相對(dui)靈敏(min)度（等(deng)同(tong)于探(tan)傷靈敏(min)度余量）測量（圖(tu)3.14).

  ①. 使用2.5MHz、Φ20直(zhi)探頭(tou)和CS-1-5或DB-PZ20-2型(xing)標準(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)頭相對靈敏度(du)測(ce)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. 小角度縱波探頭(tou)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(ti)高換能(neng)器性能(neng)措施

  優良信噪(zao)比(bi)是(shi)高性能(neng)換能(neng)器的(de)(de)基本(ben)要求。常用以(yi)(yi)(yi)下兩種方法來提(ti)高換能(neng)器的(de)(de)信噪(zao)比(bi)：一是(shi)增加(jia)激勵(li)脈沖的(de)(de)電壓(ya)幅值，這樣可以(yi)(yi)(yi)增加(jia)發射聲功(gong)(gong)率，考慮到對(dui)待檢測物(wu)體(ti)與人體(ti)的(de)(de)影(ying)響以(yi)(yi)(yi)及實際電路的(de)(de)實現，不可能(neng)無限地增加(jia)發射功(gong)(gong)率；二是(shi)提(ti)高換能(neng)器本(ben)身的(de)(de)靈敏度。

 換(huan)(huan)能(neng)器和電源(yuan)內阻間的(de)(de)阻抗匹配(pei)影響著換(huan)(huan)能(neng)器的(de)(de)靈(ling)敏(min)度(du)。由于待探測物體的(de)(de)聲(sheng)阻抗與(yu)換(huan)(huan)能(neng)器材料的(de)(de)聲(sheng)阻抗嚴重失配(pei)，這就(jiu)造成了靈(ling)敏(min)度(du)較(jiao)低。一(yi)般需要(yao)采(cai)用(yong)聲(sheng)匹配(pei)和電路匹配(pei)方法，提高(gao)換(huan)(huan)能(neng)器的(de)(de)靈(ling)敏(min)度(du)。換(huan)(huan)能(neng)器的(de)(de)靈(ling)敏(min)度(du)越(yue)高(gao)，使用(yong)同(tong)樣激勵，在相同(tong)的(de)(de)噪(zao)聲(sheng)背景下，信噪(zao)比越(yue)高(gao)。

 提高(gao)超聲波換(huan)能(neng)(neng)(neng)器(qi)的(de)(de)縱向(xiang)和(he)橫向(xiang)分辨(bian)(bian)率(lv)(lv)也能(neng)(neng)(neng)改善換(huan)能(neng)(neng)(neng)器(qi)的(de)(de)性能(neng)(neng)(neng)。目前主要是(shi)通過提高(gao)換(huan)能(neng)(neng)(neng)器(qi)的(de)(de)工作頻(pin)率(lv)(lv)以及改善換(huan)能(neng)(neng)(neng)器(qi)的(de)(de)脈沖響應，實現(xian)寬(kuan)帶(dai)窄脈沖。縱向(xiang)分辨(bian)(bian)率(lv)(lv)的(de)(de)提高(gao)主要是(shi)通過聲電匹配(pei)。換(huan)能(neng)(neng)(neng)器(qi)的(de)(de)聲束寬(kuan)度決定(ding)了(le)超聲檢測(ce)系統的(de)(de)橫向(xiang)分辨(bian)(bian)率(lv)(lv)，采(cai)用聚(ju)焦超聲換(huan)能(neng)(neng)(neng)器(qi)，是(shi)提高(gao)換(huan)能(neng)(neng)(neng)器(qi)橫向(xiang)分辨(bian)(bian)率(lv)(lv)最有效的(de)(de)方法(fa)。

四、換能器的評價(jia)

  在(zai)(zai)(zai)超(chao)聲(sheng)(sheng)波技(ji)(ji)(ji)術(shu)中，超(chao)聲(sheng)(sheng)波換能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)器(qi)是一(yi)個非常重(zhong)要的(de)(de)(de)(de)部分，可以(yi)說(shuo)超(chao)聲(sheng)(sheng)技(ji)(ji)(ji)術(shu)的(de)(de)(de)(de)發(fa)展(zhan)直接取決于其研發(fa)水平。超(chao)聲(sheng)(sheng)換能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)器(qi)的(de)(de)(de)(de)研究與現(xian)代科學技(ji)(ji)(ji)術(shu)密切相關(guan)。超(chao)聲(sheng)(sheng)換能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)器(qi)發(fa)展(zhan)水平越來(lai)越受到電子(zi)技(ji)(ji)(ji)術(shu)、自動控制技(ji)(ji)(ji)術(shu)、計(ji)算(suan)機技(ji)(ji)(ji)術(shu)以(yi)及(ji)新(xin)材(cai)料(liao)(liao)技(ji)(ji)(ji)術(shu)發(fa)展(zhan)的(de)(de)(de)(de)影響(xiang)。超(chao)聲(sheng)(sheng)波換能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)器(qi)中最重(zhong)要的(de)(de)(de)(de)就(jiu)是換能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)器(qi)的(de)(de)(de)(de)材(cai)料(liao)(liao)，高效(xiao)、廉價、無污染的(de)(de)(de)(de)新(xin)型換能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)器(qi)材(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)(de)研制是目前(qian)的(de)(de)(de)(de)主(zhu)要發(fa)展(zhan)方(fang)向。在(zai)(zai)(zai)換能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)器(qi)的(de)(de)(de)(de)材(cai)料(liao)(liao)研發(fa)方(fang)面，弛豫型壓電單(dan)晶(jing)材(cai)料(liao)(liao)具(ju)有較好(hao)的(de)(de)(de)(de)發(fa)展(zhan)前(qian)景，如(ru)鈮(ni)鎂酸鉛(qian)(qian)－鈦酸鉛(qian)(qian)以(yi)及(ji)鈮(ni)鋅酸鉛(qian)(qian)－鈦酸鉛(qian)(qian)等，有望在(zai)(zai)(zai)超(chao)聲(sheng)(sheng)等技(ji)(ji)(ji)術(shu)中獲得更為廣泛的(de)(de)(de)(de)應用(yong)。換能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)器(qi)的(de)(de)(de)(de)測(ce)試(shi)技(ji)(ji)(ji)術(shu)則主(zhu)要體現(xian)在(zai)(zai)(zai)如(ru)何實(shi)現(xian)大功率超(chao)聲(sheng)(sheng)換能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)器(qi)性能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)的(de)(de)(de)(de)實(shi)時測(ce)試(shi)與定量測(ce)試(shi)，這(zhe)也和(he)超(chao)聲(sheng)(sheng)波換能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)器(qi)的(de)(de)(de)(de)發(fa)展(zhan)有著密切的(de)(de)(de)(de)關(guan)系。

 總之，超(chao)(chao)聲(sheng)技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)中的(de)(de)(de)兩個主要的(de)(de)(de)研究方(fang)面(mian)就是(shi)超(chao)(chao)聲(sheng)波的(de)(de)(de)產生(sheng)與(yu)測試，兩者的(de)(de)(de)發展(zhan)是(shi)相互影響的(de)(de)(de)。目前的(de)(de)(de)情(qing)況是(shi)超(chao)(chao)聲(sheng)的(de)(de)(de)測試技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)發展(zhan)滯后于超(chao)(chao)聲(sheng)的(de)(de)(de)產生(sheng)技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)研究，可以預見，隨著超(chao)(chao)聲(sheng)換能器技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)水平提高，超(chao)(chao)聲(sheng)技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)的(de)(de)(de)發展(zhan)一(yi)定會(hui)隨之進人新的(de)(de)(de)階(jie)段。