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(xiang)超聲波探傷換能(neng)器性能(neng)的主要參數

 超聲波換能(neng)(neng)器性(xing)能(neng)(neng)的(de)主(zhu)要參數包(bao)括頻率響(xiang)應(ying)、相(xiang)對(dui)靈敏度、時間域響(xiang)應(ying)、電(dian)阻抗(kang)、聲束擴(kuo)散特性(xing)、斜探頭的(de)入射點和折射角(jiao)、聲軸偏斜角(jiao)和雙峰(feng)等。

a. 頻率響應

  指(zhi)在指(zhi)定物體上測得的(de)超(chao)聲波回波的(de)頻(pin)率特性。在用頻(pin)譜(pu)分析儀測試頻(pin)率特性時，從所得頻(pin)譜(pu)圖(tu)中得到換能(neng)器的(de)中心(xin)頻(pin)率、峰值頻(pin)率、帶寬等參數。

b. 相對靈(ling)敏度

  即在指定的(de)介質(zhi)、聲(sheng)程和反射體上，換(huan)能器將聲(sheng)能轉換(huan)成電能的(de)轉換(huan)效率。

c. 時間域響應

  通過(guo)超聲波(bo)回波(bo)的形狀(zhuang)、寬度、峰(feng)數可以對換能器的時間域相應進行(xing)評估。

d. 超聲波換(huan)能器的聲場特性

  包括距(ju)離(li)幅度特(te)(te)性(xing)(xing)、聲(sheng)(sheng)束擴散特(te)(te)性(xing)(xing)、聲(sheng)(sheng)軸偏斜角等。影(ying)響聲(sheng)(sheng)場特(te)(te)性(xing)(xing)的因(yin)素主(zhu)要(yao)包括超聲(sheng)(sheng)波傳遞介質(zhi)以及(ji)超聲(sheng)(sheng)波換能(neng)器頻率成(cheng)分的非單(dan)一(yi)性(xing)(xing)。

e. 斜探頭的人射點

  斜探頭的(de)人射(she)點(dian)是指斜楔中(zhong)縱波聲(sheng)軸入射(she)到換(huan)能(neng)(neng)(neng)器(qi)底面(mian)的(de)交點(dian)。為(wei)了方便(bian)對缺陷(xian)進(jin)行定(ding)位(wei)和測(ce)定(ding)換(huan)能(neng)(neng)(neng)器(qi)的(de)K值(zhi)，應先測(ce)定(ding)出換(huan)能(neng)(neng)(neng)器(qi)的(de)入射(she)點(dian)和前沿(yan)長度。

f. 斜探頭前沿距離(li)

  斜(xie)(xie)探(tan)(tan)頭(tou)前沿距離是從斜(xie)(xie)探(tan)(tan)頭(tou)人(ren)射點到(dao)換能器底(di)面前端的距離，此值(zhi)在實(shi)際探(tan)(tan)測時可(ke)用來在工件(jian)表面上確定缺(que)陷距換能器前端的水平投影距離。

二、超聲(sheng)波探傷換能(neng)器性能(neng)參數(shu)測(ce)試

超聲波傷換能(neng)器設計完成之后(hou)需要對其性(xing)(xing)能(neng)參數進(jin)行測試，主要測試項目及性(xing)(xing)能(neng)指標(biao)見表3.3。

1. 探頭回波(bo)頻(pin)率及頻(pin)率誤差測量

 a. 直探頭回波頻率的(de)測試（圖3.7)

 ①. 將超聲(sheng)波換能器置(zhi)于1號(hao)標準(zhun)試(shi)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. 斜探頭回波頻率的測量

  將超聲波(bo)(bo)換能器置于1號試(shi)塊上使用示波(bo)(bo)器觀察R100圓弧面(mian)的最高回波(bo)(bo)。其余步(bu)驟與直探頭相同。

2. 分辨力(li)（縱向）測量

 a. 直探頭分辨力的測量(liang)

  ①. 示波器(qi)抑(yi)制置零或關，其他旋鈕(niu)置適當位置，連接(jie)探頭并置于CSK-IA標準試塊上(shang)，觀(guan)察(cha)聲程分別為85mm和91mm反射面的回波波形（圖3.8),移動(dong)探頭使兩波等高。

 ②. 改變靈敏度使兩次波(bo)幅(fu)同時達到滿幅(fu)度的100%,然后測量波(bo)谷高(gao)度h,則該超聲波(bo)換能(neng)器的分辨力R為(wei)   R = 20lg(100/h) ， 若h=0或兩波能(neng)完全分(fen)開(kai)，則取R>30dB。

 b. 斜探(tan)頭分辨力的測量

  ①. 如圖3.9所示，將超聲波換能器置于CSK-IA試塊(kuai)的K值測量位(wei)置，確認(ren)耦合良好(hao)的情況下，觀(guan)察試塊(kuai)上A(Φ50)、B(Φ44)兩(liang)孔的回波波形，移動探頭使兩(liang)波等(deng)高。

 ②. 適當調節衰減(jian)或者增益，使A、B波(bo)幅(fu)同時達(da)到滿(man)幅(fu)度的100%,然后測量波(bo)谷(gu)高(gao)度h,則該探頭(tou)的分(fen)辨力(li)R用上式(shi)計算。若h=0或兩(liang)波(bo)能完全分(fen)開，則取R>30 dB。

 c. 小角度探頭分辨力的測量

  將換能(neng)器放置于(yu)K<1.5的位置，后續步(bu)驟與(yu)斜探頭測試步(bu)驟相(xiang)同。

3. 直探頭聲軸偏斜(xie)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)頭的(de)參考(kao)方(fang)(fang)向，以(yi)橫通(tong)孔的(de)中(zhong)心軸為參考(kao)點，將探(tan)頭的(de)幾何中(zhong)心與(yu)其對準，然后使探(tan)頭分別(bie)沿x的(de)左右(you)兩個方(fang)(fang)向的(de)試塊中(zhong)心線上移動，記錄孔波最高點時(shi)探(tan)頭距(ju)離(li)(li)參考(kao)點的(de)距(ju)離(li)(li)D,其中(zhong)孔波幅度最高點在x右(you)邊(bian)時(shi)加上（十(shi)）號，在x左邊(bian)時(shi)加上（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

 a. 橫(heng)波斜探頭

   連接待測量換能器，選取CSK-IA型準(zhun)或CSK-I型標準(zhun)試(shi)塊(kuai)，對試(shi)塊(kuai)R100圓(yuan)弧面進行探(tan)測，如圖3.11所(suo)示(shi)。保持探(tan)頭與試(shi)塊(kuai)側(ce)(ce)面平(ping)行，沿(yan)左右兩個方向移(yi)動(dong)探(tan)頭，觀察R100圓(yuan)弧面的回波幅(fu)度達到(dao)最高(gao)時候的位置，則此時換能器的入射點為R100圓(yuan)心(xin)刻線所(suo)對應的探(tan)頭側(ce)(ce)棱上的點。讀數精確到(dao)0.5mm。

 b. 小角度縱波探頭

  連接帶測(ce)量換能器，選取TZS-R試塊(kuai)(kuai)的(de)(de)R面，測(ce)量試塊(kuai)(kuai)A面下棱(leng)(leng)角(jiao)，保持探(tan)頭(tou)聲束與試塊(kuai)(kuai)側面平行，前(qian)后(hou)移動探(tan)頭(tou)，記錄A面下棱(leng)(leng)角(jiao)回(hui)波達到(dao)最高(gao)的(de)(de)位(wei)(wei)置，此時探(tan)頭(tou)前(qian)沿至試塊(kuai)(kuai)A端的(de)(de)距(ju)離為(wei)x1,然后(hou)用二次(ci)反射波探(tan)測(ce)A面上棱(leng)(leng)角(jiao)，同樣找到(dao)A面上棱(leng)(leng)角(jiao)回(hui)波達到(dao)最高(gao)的(de)(de)位(wei)(wei)置，此時探(tan)頭(tou)前(qian)沿至試塊(kuai)(kuai)前(qian)端（A端）的(de)(de)距(ju)離為(wei)x2,則入射點至探(tan)頭(tou)前(qian)沿的(de)(de)距(ju)離為(wei)  a = x₂ - 2x_{1  。}

5. 斜(xie)探(tan)頭折射角的測量

 測試(shi)設備包括探傷儀(yi)、1號標準試(shi)塊和刻(ke)度尺。

 測試步驟：選取(qu)1號標準試塊觀(guan)察(cha)(cha)φ50mm孔(kong)的(de)回(hui)波，探頭(tou)的(de)位(wei)置(zhi)按如下情況放置(zhi)：當(dang)K≤1.5時(shi)，觀(guan)察(cha)(cha)圖3.12a的(de)通(tong)孔(kong)回(hui)波；1.5<K≤2.5時(shi)，觀(guan)察(cha)(cha)圖3.12b的(de)通(tong)孔(kong)回(hui)波；當(dang)K>2.5時(shi)，探頭(tou)放置(zhi)在如圖3.12c的(de)位(wei)置(zhi)，觀(guan)察(cha)(cha)φ1.5mm橫通(tong)孔(kong)的(de)回(hui)波。前(qian)后移動探頭(tou)，找到孔(kong)的(de)回(hui)波最高位(wei)置(zhi)并固定下來，讀(du)出此時(shi)入射點相對應的(de)角(jiao)度(du)刻(ke)度(du)β，β即為被測探頭(tou)折射角(jiao)，讀(du)數精確到0.5°。

 6. 測量小角度(du)縱波(bo)探頭的(de)β角和K值(zhi)

  選(xuan)取TZS-R試塊的(de)(de)C面(mian)或B面(mian)，并在(zai)測定探頭的(de)(de)前沿距離a之后(hou)，再按圖3.13所展(zhan)示的(de)(de)方法，找到端面(mian)（A面(mian)）上(shang)棱角(jiao)的(de)(de)最大(da)反射(she)波高位置，則探頭的(de)(de)K值和(he)β角(jiao)分別用下式計(ji)算(suan)。

小角度探頭(tou)人射角α和(he)折射角β對應關系見(jian)表(biao)3.4 (斜塊聲速(su)取2730m/s)。

相對(dui)靈敏度(du)測試如下：

 a. 直探頭相對(dui)靈(ling)敏度（等同于探傷靈(ling)敏度余量(liang)）測量(liang)（圖3.14).

  ①. 使用(yong)2.5MHz、Φ20直(zhi)探(tan)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(tan)頭相對靈敏度測量(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(jiao)度縱波探(tan)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)噪比是(shi)高性能(neng)換能(neng)器的(de)(de)(de)基本(ben)要(yao)求。常用以(yi)下兩種(zhong)方法來提高換能(neng)器的(de)(de)(de)信(xin)噪比：一是(shi)增(zeng)(zeng)加激(ji)勵(li)脈沖的(de)(de)(de)電壓幅值，這(zhe)樣(yang)可(ke)以(yi)增(zeng)(zeng)加發射聲功(gong)率(lv)，考慮(lv)到(dao)對待(dai)檢測物體(ti)與人體(ti)的(de)(de)(de)影響以(yi)及實(shi)際電路的(de)(de)(de)實(shi)現，不(bu)可(ke)能(neng)無限地增(zeng)(zeng)加發射功(gong)率(lv)；二(er)是(shi)提高換能(neng)器本(ben)身的(de)(de)(de)靈敏度。

 換(huan)能(neng)器(qi)和(he)電源內阻間的(de)(de)(de)阻抗匹(pi)(pi)(pi)配(pei)(pei)影響著換(huan)能(neng)器(qi)的(de)(de)(de)靈敏度。由于(yu)待探(tan)測(ce)物體(ti)的(de)(de)(de)聲阻抗與換(huan)能(neng)器(qi)材料的(de)(de)(de)聲阻抗嚴(yan)重(zhong)失配(pei)(pei)，這就(jiu)造成了靈敏度較低。一般需要采(cai)用聲匹(pi)(pi)(pi)配(pei)(pei)和(he)電路匹(pi)(pi)(pi)配(pei)(pei)方法，提高換(huan)能(neng)器(qi)的(de)(de)(de)靈敏度。換(huan)能(neng)器(qi)的(de)(de)(de)靈敏度越高，使用同樣激(ji)勵(li)，在相同的(de)(de)(de)噪聲背景(jing)下，信噪比越高。

 提(ti)(ti)高超聲波換能(neng)(neng)(neng)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)縱向(xiang)和橫向(xiang)分辨(bian)率(lv)也能(neng)(neng)(neng)改善換能(neng)(neng)(neng)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)性能(neng)(neng)(neng)。目前主要是通過提(ti)(ti)高換能(neng)(neng)(neng)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)工作頻率(lv)以(yi)及改善換能(neng)(neng)(neng)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)脈(mo)沖(chong)響應，實現寬帶窄脈(mo)沖(chong)。縱向(xiang)分辨(bian)率(lv)的(de)(de)(de)提(ti)(ti)高主要是通過聲電(dian)匹(pi)配。換能(neng)(neng)(neng)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)聲束寬度決(jue)定(ding)了超聲檢測系統的(de)(de)(de)橫向(xiang)分辨(bian)率(lv)，采用聚焦超聲換能(neng)(neng)(neng)器(qi)(qi)，是提(ti)(ti)高換能(neng)(neng)(neng)器(qi)(qi)橫向(xiang)分辨(bian)率(lv)最有效的(de)(de)(de)方(fang)法(fa)。

四、換(huan)能器的評價

  在超(chao)(chao)聲(sheng)波(bo)(bo)(bo)技(ji)(ji)(ji)(ji)術(shu)中，超(chao)(chao)聲(sheng)波(bo)(bo)(bo)換(huan)(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)(qi)是(shi)一個非常(chang)重(zhong)要(yao)的(de)(de)(de)(de)(de)部(bu)分，可以(yi)說超(chao)(chao)聲(sheng)技(ji)(ji)(ji)(ji)術(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)發(fa)(fa)展(zhan)直接取(qu)決于其研(yan)(yan)發(fa)(fa)水平。超(chao)(chao)聲(sheng)換(huan)(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)研(yan)(yan)究與(yu)(yu)現代科學技(ji)(ji)(ji)(ji)術(shu)密切相關(guan)。超(chao)(chao)聲(sheng)換(huan)(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)(qi)發(fa)(fa)展(zhan)水平越來越受到(dao)電子(zi)技(ji)(ji)(ji)(ji)術(shu)、自動(dong)控制技(ji)(ji)(ji)(ji)術(shu)、計算(suan)機技(ji)(ji)(ji)(ji)術(shu)以(yi)及新材(cai)(cai)料(liao)技(ji)(ji)(ji)(ji)術(shu)發(fa)(fa)展(zhan)的(de)(de)(de)(de)(de)影響。超(chao)(chao)聲(sheng)波(bo)(bo)(bo)換(huan)(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)(qi)中最重(zhong)要(yao)的(de)(de)(de)(de)(de)就是(shi)換(huan)(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)材(cai)(cai)料(liao)，高效、廉價(jia)、無(wu)污染的(de)(de)(de)(de)(de)新型(xing)換(huan)(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)(qi)材(cai)(cai)料(liao)的(de)(de)(de)(de)(de)研(yan)(yan)制是(shi)目前(qian)(qian)的(de)(de)(de)(de)(de)主(zhu)要(yao)發(fa)(fa)展(zhan)方向。在換(huan)(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)材(cai)(cai)料(liao)研(yan)(yan)發(fa)(fa)方面，弛豫型(xing)壓電單晶材(cai)(cai)料(liao)具有(you)較好(hao)的(de)(de)(de)(de)(de)發(fa)(fa)展(zhan)前(qian)(qian)景(jing)，如(ru)鈮鎂酸鉛(qian)－鈦(tai)酸鉛(qian)以(yi)及鈮鋅酸鉛(qian)－鈦(tai)酸鉛(qian)等，有(you)望在超(chao)(chao)聲(sheng)等技(ji)(ji)(ji)(ji)術(shu)中獲(huo)得更為廣泛的(de)(de)(de)(de)(de)應用。換(huan)(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)測試(shi)技(ji)(ji)(ji)(ji)術(shu)則主(zhu)要(yao)體(ti)現在如(ru)何實現大功率超(chao)(chao)聲(sheng)換(huan)(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)(qi)性能(neng)(neng)的(de)(de)(de)(de)(de)實時測試(shi)與(yu)(yu)定量(liang)測試(shi)，這也和超(chao)(chao)聲(sheng)波(bo)(bo)(bo)換(huan)(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)發(fa)(fa)展(zhan)有(you)著密切的(de)(de)(de)(de)(de)關(guan)系。

 總之，超聲(sheng)(sheng)技(ji)術(shu)(shu)中的(de)(de)兩(liang)個主要的(de)(de)研究方(fang)面就是超聲(sheng)(sheng)波的(de)(de)產生與測試，兩(liang)者的(de)(de)發展是相互影響的(de)(de)。目前的(de)(de)情況(kuang)是超聲(sheng)(sheng)的(de)(de)測試技(ji)術(shu)(shu)發展滯后于(yu)超聲(sheng)(sheng)的(de)(de)產生技(ji)術(shu)(shu)研究，可以預見(jian)，隨著(zhu)超聲(sheng)(sheng)換能器技(ji)術(shu)(shu)水平提高(gao)，超聲(sheng)(sheng)技(ji)術(shu)(shu)的(de)(de)發展一定會(hui)隨之進人新的(de)(de)階段。