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要參數

 超聲(sheng)波換能(neng)器性(xing)(xing)能(neng)的主(zhu)要(yao)參數(shu)包括頻(pin)率響應(ying)、相對靈敏度、時間域響應(ying)、電阻(zu)抗、聲(sheng)束擴散特(te)性(xing)(xing)、斜探(tan)頭的入射點和折射角、聲(sheng)軸(zhou)偏斜角和雙峰等(deng)。

a. 頻率響應(ying)

  指(zhi)在指(zhi)定(ding)物體上測得(de)的(de)超聲波回波的(de)頻(pin)(pin)率(lv)特性。在用頻(pin)(pin)譜(pu)分析儀測試頻(pin)(pin)率(lv)特性時，從(cong)所得(de)頻(pin)(pin)譜(pu)圖中得(de)到換能器的(de)中心頻(pin)(pin)率(lv)、峰值頻(pin)(pin)率(lv)、帶寬等參數。

b. 相對(dui)靈敏度

  即在指定的(de)介質、聲(sheng)程(cheng)和反射體上，換(huan)(huan)能器(qi)將(jiang)聲(sheng)能轉換(huan)(huan)成(cheng)電能的(de)轉換(huan)(huan)效率。

c. 時間域響應

  通(tong)過超聲波回(hui)波的形狀、寬度、峰數可以對(dui)換能器的時間域相應進(jin)行評估(gu)。

d. 超聲波換能器(qi)的聲場特性

  包括(kuo)距(ju)離幅(fu)度特性、聲(sheng)束擴(kuo)散特性、聲(sheng)軸偏斜角(jiao)等。影響(xiang)聲(sheng)場特性的因素主要包括(kuo)超(chao)聲(sheng)波傳遞介質以及(ji)超(chao)聲(sheng)波換能器(qi)頻率成分(fen)的非單(dan)一性。

e. 斜探頭的(de)人射點(dian)

  斜(xie)(xie)探頭的人射點(dian)是指斜(xie)(xie)楔中縱波聲軸(zhou)入射到換(huan)能器(qi)底面的交點(dian)。為了方便對缺陷(xian)進行定(ding)位和(he)測定(ding)換(huan)能器(qi)的K值，應先(xian)測定(ding)出換(huan)能器(qi)的入射點(dian)和(he)前沿長度。

f. 斜探頭前沿距離(li)

  斜探頭前(qian)沿距(ju)離(li)是(shi)從斜探頭人射點到換(huan)能器底面前(qian)端的(de)距(ju)離(li)，此值在實(shi)際探測(ce)時可用來(lai)在工件表面上確定缺陷距(ju)換(huan)能器前(qian)端的(de)水平投影(ying)距(ju)離(li)。

二、超聲(sheng)波探傷換能器性能參數測試(shi)

超聲波傷換(huan)能器設計完成之后(hou)需要對其性能參數進行(xing)測試(shi)，主要測試(shi)項目及性能指標見表3.3。

1. 探(tan)頭回(hui)波頻率及頻率誤差測量

 a. 直探頭回波頻率的測試（圖3.7)

 ①. 將(jiang)超聲波換(huan)能(neng)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(xie)探頭回波頻率的(de)測(ce)量

  將超聲波換(huan)能器(qi)置于1號(hao)試塊上使用示波器(qi)觀(guan)察(cha)R100圓弧(hu)面的最高(gao)回波。其(qi)余步(bu)驟與(yu)直探頭相同。

2. 分辨力（縱向）測量(liang)

 a. 直探頭(tou)分辨力的測量(liang)

  ①. 示波器抑(yi)制置(zhi)零(ling)或關(guan)，其(qi)他(ta)旋(xuan)鈕置(zhi)適當位置(zhi)，連接探頭并置(zhi)于CSK-IA標準(zhun)試塊上，觀察聲程分別為(wei)85mm和91mm反射面的回波波形（圖3.8),移(yi)動探頭使兩波等高。

 ②. 改變靈敏度(du)(du)使兩(liang)次波幅(fu)同時達到滿幅(fu)度(du)(du)的100%,然后測量波谷高度(du)(du)h,則該(gai)超(chao)聲波換能器的分辨力R為   R = 20lg(100/h) ， 若(ruo)h=0或兩(liang)波能完(wan)全(quan)分開(kai)，則取R>30dB。

 b. 斜探頭分辨力的測量

  ①. 如圖3.9所(suo)示(shi)，將超聲(sheng)波(bo)換能器置于CSK-IA試(shi)塊的(de)K值(zhi)測(ce)量位置，確認耦合良好的(de)情況下，觀察試(shi)塊上A(Φ50)、B(Φ44)兩孔的(de)回波(bo)波(bo)形，移動探頭(tou)使兩波(bo)等(deng)高。

 ②. 適(shi)當調節衰減或者增益，使A、B波幅同時達到滿幅度(du)的100%,然后測量波谷高度(du)h,則該探(tan)頭的分辨力(li)R用(yong)上式(shi)計算(suan)。若h=0或兩(liang)波能完(wan)全分開，則取(qu)R>30 dB。

 c. 小(xiao)角(jiao)度(du)探頭(tou)分辨(bian)力(li)的(de)測量(liang)

  將(jiang)換能(neng)器放(fang)置于K<1.5的位(wei)置，后續步(bu)驟與斜探頭測試(shi)步(bu)驟相(xiang)同。

3. 直探頭聲軸偏斜(xie)角(jiao)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. 標出探頭(tou)的參(can)考方(fang)向，以(yi)橫通孔的中(zhong)(zhong)心(xin)軸為(wei)參(can)考點，將探頭(tou)的幾何中(zhong)(zhong)心(xin)與(yu)其對(dui)準，然后使探頭(tou)分別(bie)沿x的左右兩(liang)個方(fang)向的試(shi)塊中(zhong)(zhong)心(xin)線上移動，記錄孔波最(zui)高點時探頭(tou)距離參(can)考點的距離D,其中(zhong)(zhong)孔波幅度最(zui)高點在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、小角度(du)探頭入(ru)射點的(de)測定

 a. 橫波斜探頭(tou)

   連接(jie)待測量換(huan)能器，選取CSK-IA型準或CSK-I型標準試(shi)塊，對(dui)試(shi)塊R100圓弧(hu)面(mian)進行探(tan)(tan)測，如圖3.11所示。保持探(tan)(tan)頭(tou)與(yu)試(shi)塊側面(mian)平行，沿左右(you)兩個方向移動(dong)探(tan)(tan)頭(tou)，觀察R100圓弧(hu)面(mian)的回(hui)波(bo)幅度達到最(zui)高(gao)時候的位置，則此(ci)時換(huan)能器的入(ru)射點(dian)為R100圓心刻線所對(dui)應的探(tan)(tan)頭(tou)側棱上的點(dian)。讀數(shu)精確到0.5mm。

 b. 小角度縱波探頭

  連接帶測(ce)量(liang)換能器，選取(qu)TZS-R試塊(kuai)(kuai)(kuai)的R面，測(ce)量(liang)試塊(kuai)(kuai)(kuai)A面下棱角，保持探(tan)(tan)頭(tou)(tou)聲(sheng)束與(yu)試塊(kuai)(kuai)(kuai)側面平行，前(qian)(qian)后移動探(tan)(tan)頭(tou)(tou)，記錄A面下棱角回波達到最高(gao)的位(wei)(wei)置(zhi)，此(ci)時(shi)探(tan)(tan)頭(tou)(tou)前(qian)(qian)沿(yan)至(zhi)試塊(kuai)(kuai)(kuai)A端的距(ju)離(li)為(wei)x1,然后用二次反(fan)射(she)波探(tan)(tan)測(ce)A面上(shang)棱角，同樣找到A面上(shang)棱角回波達到最高(gao)的位(wei)(wei)置(zhi)，此(ci)時(shi)探(tan)(tan)頭(tou)(tou)前(qian)(qian)沿(yan)至(zhi)試塊(kuai)(kuai)(kuai)前(qian)(qian)端（A端）的距(ju)離(li)為(wei)x2,則入射(she)點至(zhi)探(tan)(tan)頭(tou)(tou)前(qian)(qian)沿(yan)的距(ju)離(li)為(wei)  a = x₂ - 2x_{1  。}

5. 斜探(tan)頭折射角的測量

 測試設備包括探(tan)傷儀、1號標準試塊(kuai)和刻度尺。

 測試步(bu)驟：選取1號(hao)標(biao)準試塊觀(guan)察(cha)φ50mm孔的(de)(de)(de)(de)(de)回波(bo)，探頭的(de)(de)(de)(de)(de)位(wei)(wei)置(zhi)按如下情況(kuang)放置(zhi)：當(dang)K≤1.5時(shi)(shi)，觀(guan)察(cha)圖3.12a的(de)(de)(de)(de)(de)通(tong)孔回波(bo)；1.5<K≤2.5時(shi)(shi)，觀(guan)察(cha)圖3.12b的(de)(de)(de)(de)(de)通(tong)孔回波(bo)；當(dang)K>2.5時(shi)(shi)，探頭放置(zhi)在如圖3.12c的(de)(de)(de)(de)(de)位(wei)(wei)置(zhi)，觀(guan)察(cha)φ1.5mm橫通(tong)孔的(de)(de)(de)(de)(de)回波(bo)。前后(hou)移(yi)動探頭，找到孔的(de)(de)(de)(de)(de)回波(bo)最高位(wei)(wei)置(zhi)并固定下來，讀出此時(shi)(shi)入射(she)點相對(dui)應的(de)(de)(de)(de)(de)角度刻度β，β即為被測探頭折射(she)角，讀數(shu)精確到0.5°。

 6. 測量小角度(du)縱波探(tan)頭的β角和K值

  選取TZS-R試塊的(de)C面(mian)(mian)或B面(mian)(mian)，并在測定探(tan)頭(tou)(tou)的(de)前沿距離a之后(hou)，再按圖(tu)3.13所展(zhan)示的(de)方法(fa)，找(zhao)到端面(mian)(mian)（A面(mian)(mian)）上棱角(jiao)的(de)最(zui)大反射波高(gao)位置(zhi)，則探(tan)頭(tou)(tou)的(de)K值和β角(jiao)分別用(yong)下式計(ji)算。

小角度探頭人射(she)角α和折射(she)角β對應關系(xi)見表3.4 (斜塊(kuai)聲速取2730m/s)。

相對(dui)靈敏度測(ce)試如下：

 a. 直探頭相對靈(ling)敏度(du)（等(deng)同于探傷靈(ling)敏度(du)余量）測量（圖3.14).

  ①. 使(shi)用(yong)2.5MHz、Φ20直(zhi)探(tan)頭和CS-1-5或(huo)DB-PZ20-2型標(biao)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(tan)頭(tou)相對靈敏度測量(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. 小角度縱波(bo)探頭相對靈敏度測(ce)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(xing)能措(cuo)施

  優良信噪(zao)比是高性能(neng)換能(neng)器的(de)(de)基本要求。常用(yong)以下兩種(zhong)方法來提高換能(neng)器的(de)(de)信噪(zao)比：一是增加激勵脈沖的(de)(de)電(dian)壓幅值，這樣(yang)可(ke)(ke)以增加發射聲功率(lv)，考慮(lv)到對待檢測物體與人(ren)體的(de)(de)影響以及實際(ji)電(dian)路的(de)(de)實現，不(bu)可(ke)(ke)能(neng)無限地增加發射功率(lv)；二是提高換能(neng)器本身的(de)(de)靈敏(min)度。

 換(huan)(huan)能(neng)器(qi)和(he)電源內阻(zu)間的(de)阻(zu)抗(kang)(kang)匹(pi)(pi)配(pei)影響(xiang)著換(huan)(huan)能(neng)器(qi)的(de)靈(ling)(ling)敏(min)度(du)(du)。由于待探測(ce)物體的(de)聲(sheng)阻(zu)抗(kang)(kang)與換(huan)(huan)能(neng)器(qi)材(cai)料的(de)聲(sheng)阻(zu)抗(kang)(kang)嚴重失配(pei)，這就造成(cheng)了靈(ling)(ling)敏(min)度(du)(du)較低。一般需要采用聲(sheng)匹(pi)(pi)配(pei)和(he)電路匹(pi)(pi)配(pei)方法，提高(gao)換(huan)(huan)能(neng)器(qi)的(de)靈(ling)(ling)敏(min)度(du)(du)。換(huan)(huan)能(neng)器(qi)的(de)靈(ling)(ling)敏(min)度(du)(du)越高(gao)，使用同樣激勵，在(zai)相同的(de)噪聲(sheng)背景(jing)下，信噪比(bi)越高(gao)。

 提(ti)(ti)高(gao)(gao)超(chao)聲(sheng)波換(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)(qi)(qi)的縱(zong)向(xiang)(xiang)(xiang)和橫向(xiang)(xiang)(xiang)分辨(bian)(bian)率(lv)也能(neng)(neng)改善(shan)換(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)(qi)(qi)的性(xing)能(neng)(neng)。目前主要(yao)是(shi)通過提(ti)(ti)高(gao)(gao)換(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)(qi)(qi)的工(gong)作頻率(lv)以及改善(shan)換(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)(qi)(qi)的脈沖(chong)響(xiang)應，實現寬帶窄(zhai)脈沖(chong)。縱(zong)向(xiang)(xiang)(xiang)分辨(bian)(bian)率(lv)的提(ti)(ti)高(gao)(gao)主要(yao)是(shi)通過聲(sheng)電匹(pi)配。換(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)(qi)(qi)的聲(sheng)束寬度決定了超(chao)聲(sheng)檢測系(xi)統的橫向(xiang)(xiang)(xiang)分辨(bian)(bian)率(lv)，采用聚(ju)焦超(chao)聲(sheng)換(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)(qi)(qi)，是(shi)提(ti)(ti)高(gao)(gao)換(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)(qi)(qi)橫向(xiang)(xiang)(xiang)分辨(bian)(bian)率(lv)最有效的方法。

四(si)、換能(neng)器的評(ping)價

  在超(chao)(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)(bo)(bo)技(ji)術(shu)中(zhong)，超(chao)(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)(bo)(bo)換(huan)(huan)(huan)(huan)(huan)(huan)能(neng)(neng)(neng)器是(shi)一個非常重要的(de)(de)部分，可以(yi)(yi)說超(chao)(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)技(ji)術(shu)的(de)(de)發展直接(jie)取決于其研(yan)(yan)發水平(ping)。超(chao)(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)換(huan)(huan)(huan)(huan)(huan)(huan)能(neng)(neng)(neng)器的(de)(de)研(yan)(yan)究與(yu)現代科學技(ji)術(shu)密(mi)切相關(guan)。超(chao)(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)換(huan)(huan)(huan)(huan)(huan)(huan)能(neng)(neng)(neng)器發展水平(ping)越來(lai)越受到電子(zi)技(ji)術(shu)、自動控(kong)制(zhi)(zhi)技(ji)術(shu)、計算機(ji)技(ji)術(shu)以(yi)(yi)及新材料(liao)技(ji)術(shu)發展的(de)(de)影響。超(chao)(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)(bo)(bo)換(huan)(huan)(huan)(huan)(huan)(huan)能(neng)(neng)(neng)器中(zhong)最(zui)重要的(de)(de)就是(shi)換(huan)(huan)(huan)(huan)(huan)(huan)能(neng)(neng)(neng)器的(de)(de)材料(liao)，高效(xiao)、廉(lian)價、無污染的(de)(de)新型換(huan)(huan)(huan)(huan)(huan)(huan)能(neng)(neng)(neng)器材料(liao)的(de)(de)研(yan)(yan)制(zhi)(zhi)是(shi)目前的(de)(de)主要發展方(fang)(fang)向。在換(huan)(huan)(huan)(huan)(huan)(huan)能(neng)(neng)(neng)器的(de)(de)材料(liao)研(yan)(yan)發方(fang)(fang)面，弛豫型壓(ya)電單晶材料(liao)具有(you)(you)較好的(de)(de)發展前景，如鈮鎂(mei)酸鉛－鈦酸鉛以(yi)(yi)及鈮鋅(xin)酸鉛－鈦酸鉛等(deng)，有(you)(you)望在超(chao)(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)等(deng)技(ji)術(shu)中(zhong)獲得(de)更為廣(guang)泛的(de)(de)應(ying)用。換(huan)(huan)(huan)(huan)(huan)(huan)能(neng)(neng)(neng)器的(de)(de)測(ce)試(shi)技(ji)術(shu)則主要體現在如何實現大功率(lv)超(chao)(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)換(huan)(huan)(huan)(huan)(huan)(huan)能(neng)(neng)(neng)器性能(neng)(neng)(neng)的(de)(de)實時測(ce)試(shi)與(yu)定量測(ce)試(shi)，這(zhe)也(ye)和超(chao)(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)(bo)(bo)換(huan)(huan)(huan)(huan)(huan)(huan)能(neng)(neng)(neng)器的(de)(de)發展有(you)(you)著(zhu)密(mi)切的(de)(de)關(guan)系。

 總之，超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)技(ji)術(shu)(shu)中的(de)(de)兩個主要的(de)(de)研究(jiu)方面就(jiu)是(shi)(shi)(shi)超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)波(bo)的(de)(de)產生與測(ce)試(shi)，兩者的(de)(de)發(fa)展是(shi)(shi)(shi)相互影(ying)響(xiang)的(de)(de)。目前(qian)的(de)(de)情況是(shi)(shi)(shi)超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)的(de)(de)測(ce)試(shi)技(ji)術(shu)(shu)發(fa)展滯(zhi)后于超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)的(de)(de)產生技(ji)術(shu)(shu)研究(jiu)，可(ke)以預見，隨著超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)換能器技(ji)術(shu)(shu)水平(ping)提高，超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)技(ji)術(shu)(shu)的(de)(de)發(fa)展一定會隨之進人新(xin)的(de)(de)階(jie)段。