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(chao)聲波探傷換能(neng)(neng)器性能(neng)(neng)的主要參數

 超聲(sheng)波換能器性能的主要參數(shu)包括頻(pin)率響應、相對靈敏度、時間域響應、電阻(zu)抗、聲(sheng)束(shu)擴散特性、斜探(tan)頭(tou)的入射點和折(zhe)射角、聲(sheng)軸偏斜角和雙峰等。

a. 頻率響應(ying)

  指在指定(ding)物體上(shang)測(ce)得的超(chao)聲波回波的頻(pin)率(lv)特(te)性。在用頻(pin)譜(pu)分析儀測(ce)試頻(pin)率(lv)特(te)性時(shi)，從所得頻(pin)譜(pu)圖(tu)中得到(dao)換能器的中心頻(pin)率(lv)、峰值頻(pin)率(lv)、帶寬等參數。

b. 相(xiang)對靈(ling)敏(min)度

  即(ji)在(zai)指定(ding)的介質、聲(sheng)程和(he)反射體(ti)上，換能(neng)器將聲(sheng)能(neng)轉換成電能(neng)的轉換效率。

c. 時(shi)間域(yu)響(xiang)應

  通過(guo)超聲(sheng)波回波的形狀(zhuang)、寬(kuan)度、峰數可以對(dui)換能器的時間域相應進行評估(gu)。

d. 超聲波(bo)換能器(qi)的聲場特性

  包括距(ju)離幅度特(te)(te)性(xing)、聲(sheng)(sheng)(sheng)束擴散特(te)(te)性(xing)、聲(sheng)(sheng)(sheng)軸偏斜角等(deng)。影響聲(sheng)(sheng)(sheng)場特(te)(te)性(xing)的(de)因(yin)素主要包括超(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)傳(chuan)遞介質以及超(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)換能器頻率成分的(de)非單一(yi)性(xing)。

e. 斜探頭的人射(she)點

  斜(xie)探(tan)頭(tou)的人射點是(shi)指斜(xie)楔中縱波聲軸(zhou)入射到換能器底面的交(jiao)點。為了方便對缺(que)陷進(jin)行定位和測定換能器的K值，應先測定出(chu)換能器的入射點和前沿長(chang)度。

f. 斜探頭前沿(yan)距離

  斜探(tan)頭(tou)前沿距(ju)(ju)離是從斜探(tan)頭(tou)人(ren)射點到換能(neng)器底(di)面(mian)前端(duan)的距(ju)(ju)離，此值在實際探(tan)測時可用(yong)來(lai)在工(gong)件表面(mian)上確定(ding)缺陷(xian)距(ju)(ju)換能(neng)器前端(duan)的水平投影距(ju)(ju)離。

二、超(chao)聲波(bo)探傷換(huan)能(neng)器性能(neng)參數測試(shi)

超聲波傷換能器設計(ji)完成之后需要(yao)對(dui)其性(xing)能參數進行測試，主要(yao)測試項(xiang)目及性(xing)能指標見表3.3。

1. 探頭回波頻率及(ji)頻率誤差測量

 a. 直探頭回(hui)波頻率的測試（圖3.7)

 ①. 將超(chao)聲波換能(neng)器置于1號標(biao)準試塊的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. 斜探頭回波頻率(lv)的測量

  將(jiang)超聲波(bo)(bo)換能器置于(yu)1號試(shi)塊上使用示(shi)波(bo)(bo)器觀察R100圓弧面的最高回波(bo)(bo)。其余步驟與直探頭(tou)相同。

2. 分辨力（縱向(xiang)）測量

 a. 直探(tan)頭分辨力(li)的測(ce)量

  ①. 示(shi)波(bo)器抑(yi)制置零(ling)或關，其他旋鈕置適當位置，連接探頭(tou)并置于CSK-IA標準試塊上，觀(guan)察聲程分別為85mm和91mm反射面的回波(bo)波(bo)形(xing)（圖3.8),移動探頭(tou)使兩波(bo)等高。

 ②. 改變靈敏度(du)使兩次波幅(fu)(fu)同時達到滿幅(fu)(fu)度(du)的100%,然后測量波谷高度(du)h,則該超聲波換(huan)能器的分辨(bian)力R為   R = 20lg(100/h) ， 若h=0或兩波能完全(quan)分開，則取R>30dB。

 b. 斜探頭分(fen)辨力的測量

  ①. 如(ru)圖(tu)3.9所示(shi)，將超聲波(bo)換能器置于CSK-IA試(shi)(shi)塊的K值測(ce)量位置，確認(ren)耦合良好的情況下，觀察試(shi)(shi)塊上A(Φ50)、B(Φ44)兩孔的回波(bo)波(bo)形(xing)，移動探(tan)頭使兩波(bo)等高。

 ②. 適當調節衰(shuai)減或(huo)者增益(yi)，使A、B波幅(fu)同時達到滿(man)幅(fu)度的100%,然后測量波谷高(gao)度h,則(ze)該探頭的分辨力R用上式計算。若h=0或(huo)兩波能完全分開(kai)，則(ze)取R>30 dB。

 c. 小角度(du)探頭分辨力的測量

  將換能(neng)器(qi)放(fang)置于K<1.5的(de)位置，后續(xu)步驟與斜探頭測試步驟相同。

3. 直探頭(tou)聲軸偏斜角(jiao)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(biao)出探頭(tou)的(de)參(can)考(kao)方(fang)向，以橫(heng)通孔的(de)中(zhong)心軸(zhou)為(wei)參(can)考(kao)點(dian)，將(jiang)探頭(tou)的(de)幾何中(zhong)心與其(qi)對準，然后使探頭(tou)分別(bie)沿x的(de)左右兩個方(fang)向的(de)試(shi)塊中(zhong)心線上移(yi)動，記(ji)錄(lu)孔波(bo)最高點(dian)時(shi)(shi)探頭(tou)距(ju)離參(can)考(kao)點(dian)的(de)距(ju)離D,其(qi)中(zhong)孔波(bo)幅度最高點(dian)在x右邊(bian)時(shi)(shi)加上（十(shi)）號，在x左邊(bian)時(shi)(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. 斜探頭、小(xiao)角度探頭入射點的測(ce)定

 a. 橫(heng)波斜(xie)探頭

   連接待(dai)測量(liang)換(huan)能器，選取CSK-IA型(xing)準或CSK-I型(xing)標準試(shi)(shi)塊(kuai)，對試(shi)(shi)塊(kuai)R100圓弧面進行探測，如圖3.11所(suo)示(shi)。保持探頭與試(shi)(shi)塊(kuai)側(ce)面平行，沿左右兩(liang)個方向移動探頭，觀察R100圓弧面的回波(bo)幅度(du)達到(dao)最(zui)高時(shi)候的位(wei)置，則此時(shi)換(huan)能器的入射(she)點為R100圓心刻線所(suo)對應(ying)的探頭側(ce)棱上的點。讀數精確到(dao)0.5mm。

 b. 小角度縱波探頭

  連(lian)接帶測量換能器，選取TZS-R試(shi)(shi)塊的(de)R面(mian)，測量試(shi)(shi)塊A面(mian)下棱角(jiao)，保持探(tan)(tan)(tan)頭(tou)聲束與試(shi)(shi)塊側(ce)面(mian)平(ping)行(xing)，前(qian)(qian)后移動探(tan)(tan)(tan)頭(tou)，記錄(lu)A面(mian)下棱角(jiao)回(hui)波達(da)到最高的(de)位(wei)置，此時探(tan)(tan)(tan)頭(tou)前(qian)(qian)沿至試(shi)(shi)塊A端的(de)距(ju)離為x1,然后用二次反射波探(tan)(tan)(tan)測A面(mian)上(shang)棱角(jiao)，同樣找到A面(mian)上(shang)棱角(jiao)回(hui)波達(da)到最高的(de)位(wei)置，此時探(tan)(tan)(tan)頭(tou)前(qian)(qian)沿至試(shi)(shi)塊前(qian)(qian)端（A端）的(de)距(ju)離為x2,則入射點至探(tan)(tan)(tan)頭(tou)前(qian)(qian)沿的(de)距(ju)離為  a = x₂ - 2x_{1  。}

5. 斜探頭折射角的測量

 測試(shi)設備包括(kuo)探傷(shang)儀、1號標準試(shi)塊和(he)刻(ke)度尺。

 測(ce)試步(bu)驟：選取1號標準(zhun)試塊觀察φ50mm孔(kong)(kong)的(de)(de)回(hui)(hui)波(bo)，探頭(tou)的(de)(de)位(wei)置(zhi)按如(ru)下情況(kuang)放置(zhi)：當K≤1.5時，觀察圖(tu)3.12a的(de)(de)通(tong)孔(kong)(kong)回(hui)(hui)波(bo)；1.5<K≤2.5時，觀察圖(tu)3.12b的(de)(de)通(tong)孔(kong)(kong)回(hui)(hui)波(bo)；當K>2.5時，探頭(tou)放置(zhi)在如(ru)圖(tu)3.12c的(de)(de)位(wei)置(zhi)，觀察φ1.5mm橫通(tong)孔(kong)(kong)的(de)(de)回(hui)(hui)波(bo)。前(qian)后移動探頭(tou)，找到孔(kong)(kong)的(de)(de)回(hui)(hui)波(bo)最高位(wei)置(zhi)并固(gu)定下來(lai)，讀出(chu)此時入射點(dian)相對應(ying)的(de)(de)角度(du)刻(ke)度(du)β，β即(ji)為被測(ce)探頭(tou)折射角，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)C面(mian)或B面(mian)，并在測定(ding)探(tan)頭(tou)的(de)(de)前沿距離a之(zhi)后，再按(an)圖3.13所展示的(de)(de)方(fang)法，找到端面(mian)（A面(mian)）上棱角的(de)(de)最大(da)反射波高位(wei)置(zhi)，則探(tan)頭(tou)的(de)(de)K值和β角分(fen)別用下式計算。

小角度(du)探頭人射角α和折射角β對應關系見表3.4 (斜塊聲速取(qu)2730m/s)。

相對靈敏度(du)測試如下：

 a. 直(zhi)探(tan)頭相對靈(ling)敏度（等同于探(tan)傷靈(ling)敏度余量(liang)）測量(liang)（圖(tu)3.14).

  ①. 使用2.5MHz、Φ20直探頭和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(xiang)對靈敏度(du)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(du)縱波探頭相對靈敏度(du)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

  優良信噪(zao)比(bi)是(shi)(shi)高性(xing)能換(huan)能器的(de)基本(ben)要(yao)求。常用以下兩種方(fang)法來提(ti)高換(huan)能器的(de)信噪(zao)比(bi)：一是(shi)(shi)增(zeng)(zeng)加激勵脈沖的(de)電壓幅值，這樣可以增(zeng)(zeng)加發射聲(sheng)功率，考慮到對待檢測物體(ti)與人體(ti)的(de)影響以及實際電路(lu)的(de)實現，不可能無(wu)限地增(zeng)(zeng)加發射功率；二是(shi)(shi)提(ti)高換(huan)能器本(ben)身的(de)靈敏(min)度。

 換能(neng)器和(he)(he)電源內(nei)阻(zu)(zu)間的(de)(de)(de)(de)阻(zu)(zu)抗匹配影(ying)響著換能(neng)器的(de)(de)(de)(de)靈(ling)敏度(du)。由于待探測物體的(de)(de)(de)(de)聲(sheng)阻(zu)(zu)抗與換能(neng)器材料(liao)的(de)(de)(de)(de)聲(sheng)阻(zu)(zu)抗嚴重(zhong)失配，這就造成了靈(ling)敏度(du)較低。一般需(xu)要采用聲(sheng)匹配和(he)(he)電路匹配方法(fa)，提(ti)高換能(neng)器的(de)(de)(de)(de)靈(ling)敏度(du)。換能(neng)器的(de)(de)(de)(de)靈(ling)敏度(du)越(yue)(yue)高，使用同(tong)樣激(ji)勵，在相同(tong)的(de)(de)(de)(de)噪聲(sheng)背景下，信噪比越(yue)(yue)高。

 提高超(chao)聲波換(huan)能(neng)器(qi)的縱向(xiang)和橫向(xiang)分(fen)辨(bian)率(lv)也能(neng)改善換(huan)能(neng)器(qi)的性能(neng)。目前主要(yao)是(shi)通過提高換(huan)能(neng)器(qi)的工作頻率(lv)以及改善換(huan)能(neng)器(qi)的脈沖(chong)響應，實現寬帶窄脈沖(chong)。縱向(xiang)分(fen)辨(bian)率(lv)的提高主要(yao)是(shi)通過聲電匹配。換(huan)能(neng)器(qi)的聲束寬度決定了超(chao)聲檢測系統的橫向(xiang)分(fen)辨(bian)率(lv)，采用聚焦超(chao)聲換(huan)能(neng)器(qi)，是(shi)提高換(huan)能(neng)器(qi)橫向(xiang)分(fen)辨(bian)率(lv)最有效的方法(fa)。

四、換能(neng)器的評價

  在(zai)超(chao)(chao)聲(sheng)波(bo)技(ji)術中，超(chao)(chao)聲(sheng)波(bo)換(huan)(huan)能(neng)器是(shi)一個非常重要的(de)(de)(de)部分，可(ke)以(yi)(yi)說超(chao)(chao)聲(sheng)技(ji)術的(de)(de)(de)發(fa)(fa)(fa)展直接取決于其研發(fa)(fa)(fa)水平。超(chao)(chao)聲(sheng)換(huan)(huan)能(neng)器的(de)(de)(de)研究(jiu)與現代科(ke)學技(ji)術密切(qie)相關。超(chao)(chao)聲(sheng)換(huan)(huan)能(neng)器發(fa)(fa)(fa)展水平越(yue)來越(yue)受(shou)到電子(zi)技(ji)術、自動(dong)控制(zhi)技(ji)術、計算機技(ji)術以(yi)(yi)及(ji)新材(cai)料(liao)技(ji)術發(fa)(fa)(fa)展的(de)(de)(de)影響。超(chao)(chao)聲(sheng)波(bo)換(huan)(huan)能(neng)器中最重要的(de)(de)(de)就是(shi)換(huan)(huan)能(neng)器的(de)(de)(de)材(cai)料(liao)，高效、廉(lian)價、無污染的(de)(de)(de)新型換(huan)(huan)能(neng)器材(cai)料(liao)的(de)(de)(de)研制(zhi)是(shi)目前的(de)(de)(de)主要發(fa)(fa)(fa)展方(fang)向。在(zai)換(huan)(huan)能(neng)器的(de)(de)(de)材(cai)料(liao)研發(fa)(fa)(fa)方(fang)面，弛(chi)豫型壓電單晶材(cai)料(liao)具有(you)較好的(de)(de)(de)發(fa)(fa)(fa)展前景，如鈮鎂酸(suan)鉛(qian)－鈦(tai)酸(suan)鉛(qian)以(yi)(yi)及(ji)鈮鋅酸(suan)鉛(qian)－鈦(tai)酸(suan)鉛(qian)等，有(you)望在(zai)超(chao)(chao)聲(sheng)等技(ji)術中獲(huo)得更(geng)為廣泛的(de)(de)(de)應用。換(huan)(huan)能(neng)器的(de)(de)(de)測試(shi)技(ji)術則(ze)主要體現在(zai)如何實現大(da)功率超(chao)(chao)聲(sheng)換(huan)(huan)能(neng)器性能(neng)的(de)(de)(de)實時測試(shi)與定量測試(shi)，這也和超(chao)(chao)聲(sheng)波(bo)換(huan)(huan)能(neng)器的(de)(de)(de)發(fa)(fa)(fa)展有(you)著密切(qie)的(de)(de)(de)關系。

 總之，超(chao)聲(sheng)技(ji)(ji)術(shu)中的(de)兩(liang)個主要(yao)的(de)研(yan)究方面就是(shi)超(chao)聲(sheng)波的(de)產(chan)生與測試，兩(liang)者的(de)發(fa)展(zhan)(zhan)是(shi)相互影響的(de)。目前的(de)情(qing)況是(shi)超(chao)聲(sheng)的(de)測試技(ji)(ji)術(shu)發(fa)展(zhan)(zhan)滯(zhi)后于超(chao)聲(sheng)的(de)產(chan)生技(ji)(ji)術(shu)研(yan)究，可以預見，隨(sui)著超(chao)聲(sheng)換能器技(ji)(ji)術(shu)水平(ping)提高，超(chao)聲(sheng)技(ji)(ji)術(shu)的(de)發(fa)展(zhan)(zhan)一(yi)定會隨(sui)之進人新的(de)階段。