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(yi)、影(ying)響超聲波探(tan)傷換能(neng)器性能(neng)的主要參數

 超聲波(bo)換(huan)能器性(xing)能的(de)主要參數包括頻率響應、相對靈敏度、時間域響應、電阻(zu)抗、聲束擴散特性(xing)、斜(xie)探頭(tou)的(de)入射(she)點和折射(she)角、聲軸偏(pian)斜(xie)角和雙峰等。

a. 頻率響應

  指在指定物體上測得(de)的(de)超(chao)聲波(bo)回波(bo)的(de)頻率(lv)特(te)性(xing)。在用頻譜分析儀測試頻率(lv)特(te)性(xing)時，從所得(de)頻譜圖中得(de)到換能(neng)器的(de)中心頻率(lv)、峰值頻率(lv)、帶寬等參(can)數。

b. 相(xiang)對(dui)靈敏度

  即(ji)在指定(ding)的介(jie)質、聲程和(he)反(fan)射體上，換能(neng)器將聲能(neng)轉換成電能(neng)的轉換效率。

c. 時(shi)間域響應

  通(tong)過(guo)超聲波回波的(de)形(xing)狀、寬度、峰(feng)數可以對換能器的(de)時間域相應進行(xing)評估。

d. 超聲波換能器的(de)聲場(chang)特性

  包括距離幅度特性(xing)、聲束擴散特性(xing)、聲軸偏(pian)斜角等。影響(xiang)聲場(chang)特性(xing)的(de)因素主要包括超聲波傳遞介質以及(ji)超聲波換能器頻率成分的(de)非單一性(xing)。

e. 斜探頭的人射點(dian)

  斜探頭的(de)人射點是指斜楔中(zhong)縱波(bo)聲(sheng)軸入射到換(huan)能(neng)器底(di)面的(de)交(jiao)點。為(wei)了方便對缺陷進行(xing)定位(wei)和(he)測定換(huan)能(neng)器的(de)K值(zhi)，應先測定出(chu)換(huan)能(neng)器的(de)入射點和(he)前沿(yan)長度。

f. 斜探頭前沿(yan)距離(li)

  斜(xie)探頭(tou)前沿距(ju)(ju)離是從斜(xie)探頭(tou)人射(she)點到(dao)換能器底面前端的距(ju)(ju)離，此值在(zai)實際探測時可用來在(zai)工件表面上(shang)確定缺陷(xian)距(ju)(ju)換能器前端的水平投影距(ju)(ju)離。

二、超(chao)聲波探傷換能器性能參數測(ce)試

超(chao)聲波(bo)傷換能(neng)器設計完成之(zhi)后(hou)需(xu)要(yao)(yao)對其(qi)性能(neng)參(can)數進行(xing)測(ce)試，主要(yao)(yao)測(ce)試項目及(ji)性能(neng)指標見表3.3。

1. 探頭(tou)回波頻率及頻率誤差測量

 a. 直探頭(tou)回波頻率的測試（圖(tu)3.7)

 ①. 將超聲波換能器置于1號標準(zhun)試(shi)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(tou)回波頻率(lv)的測量(liang)

  將超(chao)聲波換能器置于1號試塊上使用(yong)示(shi)波器觀(guan)察R100圓弧面的(de)最高回波。其余步驟(zou)與直探頭相同。

2. 分辨力（縱向）測量

 a. 直探(tan)頭分(fen)辨力(li)的(de)測(ce)量

  ①. 示(shi)波器抑制置(zhi)零或(huo)關，其他旋鈕置(zhi)適當位(wei)置(zhi)，連(lian)接探頭并置(zhi)于CSK-IA標準試(shi)塊上，觀察聲程分別為85mm和91mm反(fan)射面的回波波形（圖3.8),移動(dong)探頭使兩波等高。

 ②. 改變(bian)靈敏度使兩次(ci)波幅同時達到(dao)滿幅度的100%,然后(hou)測量波谷高度h,則(ze)該超聲(sheng)波換(huan)能器的分辨力R為   R = 20lg(100/h) ， 若h=0或兩波能完全分開(kai)，則(ze)取(qu)R>30dB。

 b. 斜探頭分辨力(li)的測量

  ①. 如圖3.9所示，將超(chao)聲(sheng)波換能器置于CSK-IA試(shi)(shi)塊(kuai)的K值測量位置，確認(ren)耦合良好(hao)的情況下，觀察試(shi)(shi)塊(kuai)上A(Φ50)、B(Φ44)兩孔的回波波形，移動探頭(tou)使兩波等高。

 ②. 適當調節衰減或(huo)者增益，使A、B波幅(fu)同時達到(dao)滿(man)幅(fu)度的(de)100%,然后測量(liang)波谷高(gao)度h,則該探頭的(de)分辨力R用上式計(ji)算。若h=0或(huo)兩波能完全分開，則取R>30 dB。

 c. 小角度探頭分(fen)辨力的測量

  將換能器放置于(yu)K<1.5的位置，后續(xu)步驟(zou)與(yu)斜探(tan)頭測(ce)試步驟(zou)相同。

3. 直探頭聲軸偏斜(xie)角的測(ce)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(tan)頭的(de)(de)參考(kao)方向(xiang)，以橫通孔的(de)(de)中心軸為參考(kao)點，將(jiang)探(tan)頭的(de)(de)幾何中心與其對準，然(ran)后使探(tan)頭分別沿x的(de)(de)左右(you)兩個方向(xiang)的(de)(de)試塊中心線上移動，記錄(lu)孔波最高點時(shi)(shi)探(tan)頭距離參考(kao)點的(de)(de)距離D,其中孔波幅度最高點在x右(you)邊(bian)時(shi)(shi)加上（十）號(hao)(hao)，在x左邊(bian)時(shi)(shi)加上（一）號(hao)(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(tou)、小(xiao)角度探頭(tou)入射點(dian)的測定

 a. 橫波斜探頭

   連接待測(ce)量換能(neng)器，選(xuan)取CSK-IA型(xing)準(zhun)(zhun)或CSK-I型(xing)標準(zhun)(zhun)試(shi)塊(kuai)，對試(shi)塊(kuai)R100圓弧面(mian)進行(xing)探(tan)測(ce)，如圖3.11所(suo)示。保持探(tan)頭與試(shi)塊(kuai)側面(mian)平行(xing)，沿左右兩個方向移動探(tan)頭，觀察R100圓弧面(mian)的回波幅度達到(dao)最高(gao)時候的位置，則(ze)此時換能(neng)器的入射點(dian)(dian)為R100圓心刻線所(suo)對應的探(tan)頭側棱上的點(dian)(dian)。讀數(shu)精確到(dao)0.5mm。

 b. 小(xiao)角度縱波(bo)探頭

  連接帶測量換能器，選取(qu)TZS-R試(shi)塊(kuai)的(de)(de)R面(mian)，測量試(shi)塊(kuai)A面(mian)下(xia)棱(leng)角，保持探(tan)(tan)(tan)頭聲束與試(shi)塊(kuai)側面(mian)平行，前后移動探(tan)(tan)(tan)頭，記(ji)錄(lu)A面(mian)下(xia)棱(leng)角回波(bo)達到最(zui)(zui)高的(de)(de)位置(zhi)，此時(shi)探(tan)(tan)(tan)頭前沿(yan)(yan)至(zhi)(zhi)試(shi)塊(kuai)A端的(de)(de)距離為(wei)x1,然后用二次反射波(bo)探(tan)(tan)(tan)測A面(mian)上棱(leng)角，同樣找到A面(mian)上棱(leng)角回波(bo)達到最(zui)(zui)高的(de)(de)位置(zhi)，此時(shi)探(tan)(tan)(tan)頭前沿(yan)(yan)至(zhi)(zhi)試(shi)塊(kuai)前端（A端）的(de)(de)距離為(wei)x2,則入射點至(zhi)(zhi)探(tan)(tan)(tan)頭前沿(yan)(yan)的(de)(de)距離為(wei)  a = x₂ - 2x_{1  。}

5. 斜探頭折射角(jiao)的測(ce)量

 測(ce)試設備包括探傷儀、1號標準試塊和刻度尺。

 測試(shi)步驟(zou)：選取1號標準(zhun)試(shi)塊觀(guan)察φ50mm孔(kong)(kong)的(de)(de)(de)回(hui)波，探(tan)頭的(de)(de)(de)位置按如(ru)下情(qing)況放置：當K≤1.5時(shi)(shi)，觀(guan)察圖3.12a的(de)(de)(de)通(tong)孔(kong)(kong)回(hui)波；1.5<K≤2.5時(shi)(shi)，觀(guan)察圖3.12b的(de)(de)(de)通(tong)孔(kong)(kong)回(hui)波；當K>2.5時(shi)(shi)，探(tan)頭放置在如(ru)圖3.12c的(de)(de)(de)位置，觀(guan)察φ1.5mm橫通(tong)孔(kong)(kong)的(de)(de)(de)回(hui)波。前后(hou)移(yi)動探(tan)頭，找到孔(kong)(kong)的(de)(de)(de)回(hui)波最高位置并固定下來，讀出此(ci)時(shi)(shi)入射(she)(she)點相對應的(de)(de)(de)角度刻度β，β即為被(bei)測探(tan)頭折射(she)(she)角，讀數精(jing)確到0.5°。

 6. 測量小角度縱波探頭的β角和(he)K值

  選取TZS-R試塊(kuai)的(de)C面(mian)或B面(mian)，并在測定探頭(tou)的(de)前沿距(ju)離a之后，再按圖3.13所展示的(de)方法(fa)，找到端面(mian)（A面(mian)）上棱角的(de)最大反射波高(gao)位置，則探頭(tou)的(de)K值和β角分別(bie)用下式計算。

小角(jiao)(jiao)度探(tan)頭(tou)人射(she)角(jiao)(jiao)α和折(zhe)射(she)角(jiao)(jiao)β對(dui)應關系見表3.4 (斜塊聲速(su)取2730m/s)。

相對靈敏度測試如下：

 a. 直探(tan)頭相對靈敏度（等同(tong)于(yu)探(tan)傷靈敏度余量）測量（圖3.14).

  ①. 使用2.5MHz、Φ20直探頭(tou)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. 斜探頭相對靈敏度測量（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. 小角度縱波探(tan)頭(tou)相對靈敏度測量

  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(neng)器性能(neng)措施

  優良信噪比是高性能換(huan)能器(qi)的基本要(yao)求(qiu)。常(chang)用(yong)以下兩種方法(fa)來提高換(huan)能器(qi)的信噪比：一(yi)是增加激勵(li)脈沖的電壓幅值，這樣(yang)可(ke)以增加發射(she)聲(sheng)功率，考慮(lv)到對待檢測物體與人體的影響以及實(shi)際電路的實(shi)現，不可(ke)能無限地增加發射(she)功率；二是提高換(huan)能器(qi)本身的靈敏(min)度。

 換(huan)能(neng)器(qi)和電源內阻間的(de)(de)(de)(de)阻抗(kang)匹配影響(xiang)著換(huan)能(neng)器(qi)的(de)(de)(de)(de)靈敏(min)度。由于(yu)待探測物體的(de)(de)(de)(de)聲阻抗(kang)與換(huan)能(neng)器(qi)材料(liao)的(de)(de)(de)(de)聲阻抗(kang)嚴重失配，這就造成了靈敏(min)度較低。一般(ban)需要采用聲匹配和電路匹配方法，提高換(huan)能(neng)器(qi)的(de)(de)(de)(de)靈敏(min)度。換(huan)能(neng)器(qi)的(de)(de)(de)(de)靈敏(min)度越(yue)高，使用同樣(yang)激勵，在(zai)相同的(de)(de)(de)(de)噪聲背景下，信噪比越(yue)高。

 提(ti)高超聲(sheng)波(bo)換(huan)能(neng)(neng)器的(de)(de)(de)(de)縱(zong)向(xiang)(xiang)和橫(heng)向(xiang)(xiang)分(fen)辨率(lv)也能(neng)(neng)改善(shan)換(huan)能(neng)(neng)器的(de)(de)(de)(de)性能(neng)(neng)。目前(qian)主要是(shi)通(tong)(tong)過提(ti)高換(huan)能(neng)(neng)器的(de)(de)(de)(de)工作(zuo)頻(pin)率(lv)以及(ji)改善(shan)換(huan)能(neng)(neng)器的(de)(de)(de)(de)脈沖(chong)響應(ying)，實(shi)現寬帶(dai)窄脈沖(chong)。縱(zong)向(xiang)(xiang)分(fen)辨率(lv)的(de)(de)(de)(de)提(ti)高主要是(shi)通(tong)(tong)過聲(sheng)電匹配。換(huan)能(neng)(neng)器的(de)(de)(de)(de)聲(sheng)束寬度(du)決(jue)定了超聲(sheng)檢測系(xi)統的(de)(de)(de)(de)橫(heng)向(xiang)(xiang)分(fen)辨率(lv)，采用聚焦超聲(sheng)換(huan)能(neng)(neng)器，是(shi)提(ti)高換(huan)能(neng)(neng)器橫(heng)向(xiang)(xiang)分(fen)辨率(lv)最有(you)效(xiao)的(de)(de)(de)(de)方法。

四、換能器(qi)的(de)評價

  在(zai)超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)技(ji)(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)中，超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)換(huan)能(neng)(neng)(neng)器(qi)(qi)是一個非常重要(yao)的(de)(de)(de)部分，可以說超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)技(ji)(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)的(de)(de)(de)發(fa)展(zhan)(zhan)直(zhi)接取決(jue)于(yu)其研(yan)(yan)發(fa)水平。超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)換(huan)能(neng)(neng)(neng)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)研(yan)(yan)究與現(xian)代(dai)科學技(ji)(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)密(mi)切相關。超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)換(huan)能(neng)(neng)(neng)器(qi)(qi)發(fa)展(zhan)(zhan)水平越來越受(shou)到(dao)電(dian)子技(ji)(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)、自動控制技(ji)(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)、計算機技(ji)(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)以及新(xin)材(cai)(cai)料技(ji)(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)發(fa)展(zhan)(zhan)的(de)(de)(de)影響。超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)換(huan)能(neng)(neng)(neng)器(qi)(qi)中最重要(yao)的(de)(de)(de)就是換(huan)能(neng)(neng)(neng)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)材(cai)(cai)料，高(gao)效、廉價、無污(wu)染的(de)(de)(de)新(xin)型換(huan)能(neng)(neng)(neng)器(qi)(qi)材(cai)(cai)料的(de)(de)(de)研(yan)(yan)制是目前的(de)(de)(de)主要(yao)發(fa)展(zhan)(zhan)方(fang)向。在(zai)換(huan)能(neng)(neng)(neng)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)材(cai)(cai)料研(yan)(yan)發(fa)方(fang)面，弛豫型壓電(dian)單晶材(cai)(cai)料具有(you)較好(hao)的(de)(de)(de)發(fa)展(zhan)(zhan)前景(jing)，如(ru)鈮鎂酸(suan)鉛－鈦(tai)酸(suan)鉛以及鈮鋅酸(suan)鉛－鈦(tai)酸(suan)鉛等，有(you)望(wang)在(zai)超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)等技(ji)(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)中獲得(de)更為廣(guang)泛的(de)(de)(de)應用。換(huan)能(neng)(neng)(neng)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)測(ce)試技(ji)(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)則主要(yao)體現(xian)在(zai)如(ru)何實現(xian)大功(gong)率(lv)超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)換(huan)能(neng)(neng)(neng)器(qi)(qi)性能(neng)(neng)(neng)的(de)(de)(de)實時測(ce)試與定(ding)量(liang)測(ce)試，這也和超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)換(huan)能(neng)(neng)(neng)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)發(fa)展(zhan)(zhan)有(you)著密(mi)切的(de)(de)(de)關系(xi)。

 總之(zhi)，超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)技(ji)(ji)術中(zhong)的(de)兩個(ge)主要的(de)研究方面就是(shi)超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)波的(de)產生(sheng)與測(ce)(ce)試，兩者的(de)發展(zhan)(zhan)是(shi)相互影響(xiang)的(de)。目前的(de)情況是(shi)超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)的(de)測(ce)(ce)試技(ji)(ji)術發展(zhan)(zhan)滯(zhi)后(hou)于(yu)超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)的(de)產生(sheng)技(ji)(ji)術研究，可以預(yu)見，隨(sui)著超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)換(huan)能器技(ji)(ji)術水平(ping)提高，超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)技(ji)(ji)術的(de)發展(zhan)(zhan)一(yi)定會隨(sui)之(zhi)進人新(xin)的(de)階段。