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(zhu)要參(can)數

 超聲波換(huan)能器性能的主要(yao)參數(shu)包括頻率響應、相對(dui)靈敏(min)度、時間(jian)域(yu)響應、電阻抗(kang)、聲束擴散特性、斜探頭的入射點(dian)和(he)折射角(jiao)、聲軸(zhou)偏斜角(jiao)和(he)雙峰等(deng)。

a. 頻率響應

  指(zhi)在指(zhi)定物體上測得的(de)超聲波回波的(de)頻率(lv)特性。在用頻譜(pu)分(fen)析儀(yi)測試頻率(lv)特性時，從(cong)所得頻譜(pu)圖中得到換能器(qi)的(de)中心(xin)頻率(lv)、峰(feng)值頻率(lv)、帶寬等(deng)參數。

b. 相(xiang)對靈敏度

  即在指(zhi)定的介質、聲(sheng)程和反(fan)射體上，換(huan)(huan)能器將聲(sheng)能轉換(huan)(huan)成電能的轉換(huan)(huan)效率(lv)。

c. 時(shi)間(jian)域(yu)響應(ying)

  通過超聲波(bo)(bo)回波(bo)(bo)的(de)形(xing)狀、寬度(du)、峰數可以對換能器(qi)的(de)時(shi)間域相(xiang)應進行評估。

d. 超聲(sheng)波換能器的聲(sheng)場(chang)特性

  包(bao)括距離幅度特(te)性(xing)(xing)、聲束擴散特(te)性(xing)(xing)、聲軸偏斜角等。影響聲場特(te)性(xing)(xing)的因素主要包(bao)括超(chao)聲波(bo)傳遞(di)介質以及超(chao)聲波(bo)換能器頻率成(cheng)分的非單一性(xing)(xing)。

e. 斜探頭(tou)的人射點(dian)

  斜探頭的人射(she)點(dian)(dian)是指斜楔中縱波聲軸入射(she)到換(huan)能(neng)器(qi)底面的交點(dian)(dian)。為了(le)方便(bian)對缺陷(xian)進行定(ding)位和(he)(he)測(ce)定(ding)換(huan)能(neng)器(qi)的K值，應先測(ce)定(ding)出換(huan)能(neng)器(qi)的入射(she)點(dian)(dian)和(he)(he)前沿長度(du)。

f. 斜探頭(tou)前沿距離

  斜探(tan)(tan)頭前(qian)沿距離(li)(li)是從斜探(tan)(tan)頭人射點到換能(neng)器(qi)底面前(qian)端(duan)的(de)距離(li)(li)，此值(zhi)在(zai)實際探(tan)(tan)測(ce)時(shi)可用來在(zai)工件表面上確(que)定(ding)缺陷(xian)距換能(neng)器(qi)前(qian)端(duan)的(de)水平投影(ying)距離(li)(li)。

二、超(chao)聲(sheng)波探傷換能器性(xing)能參數(shu)測試(shi)

超聲波傷換能器設(she)計完成之后需要對其性能參數(shu)進行測試，主要測試項目及性能指標見(jian)表3.3。

1. 探頭回波(bo)頻率及頻率誤差測量(liang)

 a. 直探頭回波頻率(lv)的測試（圖3.7)

 ①. 將超聲波(bo)換能(neng)器置于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(bo)頻率的測量

  將(jiang)超聲波換(huan)能器(qi)置于1號(hao)試塊上(shang)使用示波器(qi)觀察(cha)R100圓弧面的最高回波。其余(yu)步(bu)驟與直探頭相(xiang)同。

2. 分辨(bian)力（縱向）測量

 a. 直探頭分辨力的(de)測量

  ①. 示波(bo)器抑(yi)制(zhi)置(zhi)零或關，其他(ta)旋鈕置(zhi)適當位置(zhi)，連(lian)接探(tan)頭并(bing)置(zhi)于CSK-IA標(biao)準試塊上(shang)，觀察聲程分(fen)別為85mm和91mm反射面的回(hui)波(bo)波(bo)形（圖3.8),移動(dong)探(tan)頭使(shi)兩波(bo)等(deng)高。

 ②. 改變靈敏度使兩次波幅同時達(da)到滿幅度的(de)100%,然后(hou)測量(liang)波谷(gu)高度h,則該超聲(sheng)波換能(neng)器的(de)分辨力R為   R = 20lg(100/h) ， 若h=0或兩波能(neng)完全分開，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(sheng)波換能器置(zhi)(zhi)于CSK-IA試塊(kuai)的(de)(de)K值測量位置(zhi)(zhi)，確(que)認耦合(he)良好的(de)(de)情(qing)況下，觀察(cha)試塊(kuai)上A(Φ50)、B(Φ44)兩孔的(de)(de)回波波形，移動探(tan)頭使兩波等高。

 ②. 適當調節衰減或者增益，使A、B波幅同時(shi)達到滿幅度的100%,然(ran)后(hou)測量波谷高度h,則該探頭(tou)的分(fen)辨力R用上式計算。若(ruo)h=0或兩波能(neng)完(wan)全(quan)分(fen)開，則取R>30 dB。

 c. 小角(jiao)度探頭(tou)分辨力的測量

  將換(huan)能器(qi)放置于K<1.5的位置，后續步(bu)驟與斜探頭測試步(bu)驟相同(tong)。

3. 直(zhi)探頭聲軸偏(pian)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. 標出探頭(tou)的參考(kao)方向，以(yi)橫通孔(kong)的中心軸為參考(kao)點(dian)，將(jiang)探頭(tou)的幾(ji)何(he)中心與其對準，然后使探頭(tou)分別沿(yan)x的左(zuo)(zuo)右(you)兩個方向的試塊中心線上(shang)(shang)移動，記錄孔(kong)波(bo)(bo)最高點(dian)時探頭(tou)距離(li)參考(kao)點(dian)的距離(li)D,其中孔(kong)波(bo)(bo)幅度最高點(dian)在x右(you)邊(bian)時加(jia)上(shang)(shang)（十）號(hao)，在x左(zuo)(zuo)邊(bian)時加(jia)上(shang)(shang)（一）號(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(jiao)度探頭(tou)入射點的測定

 a. 橫波斜探頭

   連接(jie)待測量換能器，選取CSK-IA型準(zhun)或(huo)CSK-I型標準(zhun)試(shi)塊，對(dui)(dui)試(shi)塊R100圓弧面(mian)進行探測，如(ru)圖(tu)3.11所示(shi)。保持探頭(tou)與試(shi)塊側(ce)面(mian)平行，沿左右兩個方向移動探頭(tou)，觀察R100圓弧面(mian)的(de)回波幅度達到(dao)最高(gao)時(shi)候的(de)位置，則此時(shi)換能器的(de)入射點(dian)為R100圓心刻線(xian)所對(dui)(dui)應的(de)探頭(tou)側(ce)棱上的(de)點(dian)。讀數精(jing)確到(dao)0.5mm。

 b. 小角度縱(zong)波(bo)探頭

  連接帶測(ce)量換能器，選取TZS-R試塊(kuai)的(de)(de)R面(mian)，測(ce)量試塊(kuai)A面(mian)下(xia)棱角(jiao)(jiao)，保(bao)持探(tan)頭(tou)聲(sheng)束(shu)與試塊(kuai)側(ce)面(mian)平行，前(qian)(qian)后(hou)移動(dong)探(tan)頭(tou)，記錄A面(mian)下(xia)棱角(jiao)(jiao)回波達到(dao)最高的(de)(de)位(wei)置(zhi)，此(ci)(ci)時探(tan)頭(tou)前(qian)(qian)沿(yan)至(zhi)試塊(kuai)A端的(de)(de)距(ju)離(li)(li)為x1,然后(hou)用二次(ci)反射波探(tan)測(ce)A面(mian)上(shang)棱角(jiao)(jiao)，同樣找到(dao)A面(mian)上(shang)棱角(jiao)(jiao)回波達到(dao)最高的(de)(de)位(wei)置(zhi)，此(ci)(ci)時探(tan)頭(tou)前(qian)(qian)沿(yan)至(zhi)試塊(kuai)前(qian)(qian)端（A端）的(de)(de)距(ju)離(li)(li)為x2,則入射點至(zhi)探(tan)頭(tou)前(qian)(qian)沿(yan)的(de)(de)距(ju)離(li)(li)為  a = x₂ - 2x_{1  。}

5. 斜探頭折射(she)角的測量

 測(ce)試設(she)備包(bao)括探(tan)傷(shang)儀、1號標準試塊和刻度(du)尺。

 測(ce)試步驟：選取1號標準試塊(kuai)觀(guan)察φ50mm孔(kong)的(de)(de)(de)(de)回(hui)波(bo)(bo)(bo)，探頭的(de)(de)(de)(de)位(wei)置按如下(xia)情(qing)況放(fang)置：當(dang)K≤1.5時(shi)(shi)，觀(guan)察圖3.12a的(de)(de)(de)(de)通(tong)孔(kong)回(hui)波(bo)(bo)(bo)；1.5<K≤2.5時(shi)(shi)，觀(guan)察圖3.12b的(de)(de)(de)(de)通(tong)孔(kong)回(hui)波(bo)(bo)(bo)；當(dang)K>2.5時(shi)(shi)，探頭放(fang)置在如圖3.12c的(de)(de)(de)(de)位(wei)置，觀(guan)察φ1.5mm橫通(tong)孔(kong)的(de)(de)(de)(de)回(hui)波(bo)(bo)(bo)。前后移動探頭，找(zhao)到孔(kong)的(de)(de)(de)(de)回(hui)波(bo)(bo)(bo)最高位(wei)置并固(gu)定下(xia)來，讀出此時(shi)(shi)入射點相對應的(de)(de)(de)(de)角度(du)刻度(du)β，β即為(wei)被測(ce)探頭折(zhe)射角，讀數(shu)精確(que)到0.5°。

 6. 測量(liang)小角(jiao)度縱波探頭的β角(jiao)和K值

  選取TZS-R試(shi)塊的C面(mian)或B面(mian)，并(bing)在測定探頭(tou)的前沿距離(li)a之后，再按圖3.13所展示的方法，找(zhao)到(dao)端面(mian)（A面(mian)）上棱角(jiao)的最大反(fan)射波高位置，則探頭(tou)的K值和β角(jiao)分(fen)別用下式計(ji)算。

小(xiao)角(jiao)(jiao)度探頭人射(she)角(jiao)(jiao)α和折(zhe)射(she)角(jiao)(jiao)β對應關系見表(biao)3.4 (斜(xie)塊聲速取2730m/s)。

相對靈(ling)敏度測試如下：

 a. 直探頭相對靈(ling)敏(min)(min)度（等同于探傷(shang)靈(ling)敏(min)(min)度余量）測量（圖3.14).

  ①. 使(shi)用(yong)2.5MHz、Φ20直探頭(tou)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(xie)探頭相對靈(ling)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. 小角(jiao)度縱波探頭相對靈(ling)敏度測量(liang)

  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(gao)換能器(qi)性能措(cuo)施(shi)

  優良信噪比(bi)是高(gao)性能換(huan)能器的(de)(de)基(ji)本要(yao)求。常用以下兩種方法來提高(gao)換(huan)能器的(de)(de)信噪比(bi)：一是增加激勵脈沖的(de)(de)電(dian)(dian)壓幅(fu)值，這樣可以增加發射聲功(gong)率，考(kao)慮到對待檢(jian)測物體(ti)與(yu)人體(ti)的(de)(de)影響以及實際電(dian)(dian)路的(de)(de)實現，不可能無(wu)限地增加發射功(gong)率；二是提高(gao)換(huan)能器本身的(de)(de)靈敏度。

 換能(neng)器和(he)電(dian)源內阻間的(de)(de)阻抗匹配影響著換能(neng)器的(de)(de)靈敏度(du)。由于待探測物(wu)體的(de)(de)聲(sheng)阻抗與(yu)換能(neng)器材料的(de)(de)聲(sheng)阻抗嚴重失(shi)配，這就造(zao)成了靈敏度(du)較低(di)。一般需要(yao)采用聲(sheng)匹配和(he)電(dian)路匹配方法，提高(gao)換能(neng)器的(de)(de)靈敏度(du)。換能(neng)器的(de)(de)靈敏度(du)越高(gao)，使用同(tong)(tong)樣激(ji)勵(li)，在相同(tong)(tong)的(de)(de)噪(zao)聲(sheng)背景下，信噪(zao)比越高(gao)。

 提(ti)(ti)高超聲(sheng)波換(huan)(huan)(huan)能(neng)器(qi)的(de)(de)縱向和橫(heng)向分辨(bian)率也(ye)能(neng)改善(shan)換(huan)(huan)(huan)能(neng)器(qi)的(de)(de)性能(neng)。目前主要是通過提(ti)(ti)高換(huan)(huan)(huan)能(neng)器(qi)的(de)(de)工(gong)作(zuo)頻率以及改善(shan)換(huan)(huan)(huan)能(neng)器(qi)的(de)(de)脈沖(chong)響(xiang)應，實現寬帶窄脈沖(chong)。縱向分辨(bian)率的(de)(de)提(ti)(ti)高主要是通過聲(sheng)電匹(pi)配。換(huan)(huan)(huan)能(neng)器(qi)的(de)(de)聲(sheng)束寬度決定了超聲(sheng)檢測系統的(de)(de)橫(heng)向分辨(bian)率，采用(yong)聚焦超聲(sheng)換(huan)(huan)(huan)能(neng)器(qi)，是提(ti)(ti)高換(huan)(huan)(huan)能(neng)器(qi)橫(heng)向分辨(bian)率最有效的(de)(de)方法(fa)。

四、換(huan)能器(qi)的評價(jia)

  在超(chao)(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)波技術(shu)(shu)(shu)中，超(chao)(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)波換(huan)(huan)(huan)(huan)能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)器是一個非常(chang)重(zhong)要(yao)的(de)(de)(de)部分，可(ke)以說超(chao)(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)技術(shu)(shu)(shu)的(de)(de)(de)發(fa)(fa)展直接(jie)取決于其(qi)研(yan)發(fa)(fa)水平(ping)。超(chao)(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)換(huan)(huan)(huan)(huan)能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)器的(de)(de)(de)研(yan)究與(yu)現(xian)代科(ke)學(xue)技術(shu)(shu)(shu)密切相關(guan)。超(chao)(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)換(huan)(huan)(huan)(huan)能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)器發(fa)(fa)展水平(ping)越來(lai)越受(shou)到電子技術(shu)(shu)(shu)、自(zi)動控制技術(shu)(shu)(shu)、計算機技術(shu)(shu)(shu)以及(ji)新(xin)材(cai)(cai)料技術(shu)(shu)(shu)發(fa)(fa)展的(de)(de)(de)影(ying)響。超(chao)(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)波換(huan)(huan)(huan)(huan)能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)器中最重(zhong)要(yao)的(de)(de)(de)就是換(huan)(huan)(huan)(huan)能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)器的(de)(de)(de)材(cai)(cai)料，高效、廉價、無污染的(de)(de)(de)新(xin)型(xing)換(huan)(huan)(huan)(huan)能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)器材(cai)(cai)料的(de)(de)(de)研(yan)制是目(mu)前(qian)的(de)(de)(de)主(zhu)要(yao)發(fa)(fa)展方向。在換(huan)(huan)(huan)(huan)能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)器的(de)(de)(de)材(cai)(cai)料研(yan)發(fa)(fa)方面(mian)，弛(chi)豫型(xing)壓電單(dan)晶(jing)材(cai)(cai)料具有較好的(de)(de)(de)發(fa)(fa)展前(qian)景，如鈮(ni)鎂酸鉛－鈦(tai)酸鉛以及(ji)鈮(ni)鋅酸鉛－鈦(tai)酸鉛等(deng)，有望(wang)在超(chao)(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)等(deng)技術(shu)(shu)(shu)中獲得更為(wei)廣泛(fan)的(de)(de)(de)應用。換(huan)(huan)(huan)(huan)能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)器的(de)(de)(de)測(ce)試技術(shu)(shu)(shu)則主(zhu)要(yao)體現(xian)在如何實現(xian)大(da)功(gong)率超(chao)(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)換(huan)(huan)(huan)(huan)能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)器性(xing)能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)的(de)(de)(de)實時測(ce)試與(yu)定量測(ce)試，這也和超(chao)(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)波換(huan)(huan)(huan)(huan)能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)器的(de)(de)(de)發(fa)(fa)展有著密切的(de)(de)(de)關(guan)系。

 總之，超(chao)(chao)(chao)(chao)聲(sheng)技術(shu)中的(de)(de)兩(liang)個主要(yao)的(de)(de)研究(jiu)方面就是(shi)超(chao)(chao)(chao)(chao)聲(sheng)波(bo)的(de)(de)產(chan)生與測試，兩(liang)者的(de)(de)發展(zhan)(zhan)是(shi)相互影響(xiang)的(de)(de)。目前的(de)(de)情(qing)況是(shi)超(chao)(chao)(chao)(chao)聲(sheng)的(de)(de)測試技術(shu)發展(zhan)(zhan)滯后(hou)于超(chao)(chao)(chao)(chao)聲(sheng)的(de)(de)產(chan)生技術(shu)研究(jiu)，可以(yi)預見(jian)，隨(sui)著超(chao)(chao)(chao)(chao)聲(sheng)換能器(qi)技術(shu)水平提高(gao)，超(chao)(chao)(chao)(chao)聲(sheng)技術(shu)的(de)(de)發展(zhan)(zhan)一(yi)定會隨(sui)之進人新的(de)(de)階段。