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(xiang)超聲波探傷換能(neng)器(qi)性能(neng)的主要參(can)數

 超聲波換(huan)能器性能的主要參數(shu)包括頻率響(xiang)應、相對靈敏度(du)、時(shi)間域(yu)響(xiang)應、電(dian)阻抗(kang)、聲束(shu)擴散特性、斜探頭的入射(she)點(dian)和折射(she)角(jiao)、聲軸(zhou)偏斜角(jiao)和雙(shuang)峰等。

a. 頻(pin)率響(xiang)應

  指在指定物體(ti)上測(ce)得(de)的(de)超聲波回波的(de)頻(pin)率(lv)特性。在用頻(pin)譜(pu)(pu)分析(xi)儀測(ce)試頻(pin)率(lv)特性時，從(cong)所(suo)得(de)頻(pin)譜(pu)(pu)圖中(zhong)得(de)到換(huan)能(neng)器的(de)中(zhong)心頻(pin)率(lv)、峰(feng)值頻(pin)率(lv)、帶(dai)寬等參數。

b. 相對靈敏度

  即在指定的介質、聲程(cheng)和反射(she)體上(shang)，換(huan)能(neng)(neng)器(qi)將(jiang)聲能(neng)(neng)轉換(huan)成電能(neng)(neng)的轉換(huan)效率。

c. 時間域響應(ying)

  通過超(chao)聲波(bo)回波(bo)的形(xing)狀、寬(kuan)度、峰數可以對換能器的時間域相應進行評估(gu)。

d. 超聲波換能器的(de)聲場特性

  包括(kuo)距離幅度(du)特(te)性、聲(sheng)束擴(kuo)散(san)特(te)性、聲(sheng)軸偏斜角(jiao)等。影響聲(sheng)場(chang)特(te)性的因素主(zhu)要包括(kuo)超聲(sheng)波傳遞介(jie)質以及超聲(sheng)波換(huan)能器頻率成分(fen)的非單(dan)一性。

e. 斜探(tan)頭的人射點(dian)

  斜(xie)探頭(tou)的(de)人射(she)點(dian)(dian)是指斜(xie)楔中縱波聲軸入射(she)到換能(neng)器底(di)面的(de)交(jiao)點(dian)(dian)。為了方便對缺陷進(jin)行定(ding)位(wei)和(he)(he)測定(ding)換能(neng)器的(de)K值(zhi)，應先(xian)測定(ding)出換能(neng)器的(de)入射(she)點(dian)(dian)和(he)(he)前沿長(chang)度。

f. 斜探頭前沿距離

  斜探頭前(qian)沿(yan)距(ju)離(li)是從斜探頭人射點到換能器(qi)底面(mian)前(qian)端的(de)距(ju)離(li)，此(ci)值(zhi)在(zai)實際探測時可用來在(zai)工(gong)件(jian)表面(mian)上確定缺陷距(ju)換能器(qi)前(qian)端的(de)水平投影距(ju)離(li)。

二、超聲波探(tan)傷換能器性能參數(shu)測試

超聲波傷換能(neng)(neng)器設計完成之(zhi)后需要對其性能(neng)(neng)參數進行測試，主要測試項(xiang)目(mu)及(ji)性能(neng)(neng)指標見(jian)表3.3。

1. 探頭回波頻率(lv)(lv)及頻率(lv)(lv)誤差(cha)測量

 a. 直探頭回波(bo)頻率的測試（圖3.7)

 ①. 將超聲(sheng)波換能器置(zhi)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. 斜探頭回波頻率的測量

  將超聲(sheng)波換能器置于1號試塊(kuai)上使用示(shi)波器觀察R100圓弧面的最高(gao)回波。其余步(bu)驟與直探頭相同(tong)。

2. 分辨力（縱向）測量

 a. 直探(tan)頭分辨力(li)的測量

  ①. 示波(bo)(bo)器(qi)抑制(zhi)置零或關，其他旋(xuan)鈕置適當位(wei)置，連接探(tan)頭(tou)并置于CSK-IA標準(zhun)試塊(kuai)上，觀察聲程分別為85mm和91mm反(fan)射面的回波(bo)(bo)波(bo)(bo)形（圖3.8),移動探(tan)頭(tou)使兩(liang)波(bo)(bo)等(deng)高。

 ②. 改變(bian)靈敏(min)度使兩次波(bo)幅(fu)同時達到滿幅(fu)度的100%,然(ran)后測量波(bo)谷(gu)高(gao)度h,則該超聲波(bo)換能器的分辨力(li)R為   R = 20lg(100/h) ， 若h=0或(huo)兩波能完全分開，則取R>30dB。

 b. 斜探頭分(fen)辨力的測量

  ①. 如圖3.9所示，將超聲波(bo)(bo)換能器(qi)置(zhi)于CSK-IA試(shi)(shi)塊的K值測量位置(zhi)，確(que)認耦合(he)良好(hao)的情況(kuang)下，觀察試(shi)(shi)塊上A(Φ50)、B(Φ44)兩孔(kong)的回(hui)波(bo)(bo)波(bo)(bo)形，移(yi)動探(tan)頭使(shi)兩波(bo)(bo)等高。

 ②. 適當調節衰減(jian)或者增益，使A、B波(bo)幅同時達到滿(man)幅度的100%,然后(hou)測量波(bo)谷高(gao)度h,則(ze)該探頭的分辨力R用上式計算。若h=0或兩波(bo)能完全分開(kai)，則(ze)取R>30 dB。

 c. 小角度(du)探頭分辨力的測(ce)量

  將換(huan)能器放置于K<1.5的位置，后(hou)續步(bu)驟(zou)與(yu)斜探頭(tou)測試步(bu)驟(zou)相同(tong)。

3. 直(zhi)探頭聲軸(zhou)偏斜角的(de)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)出探頭的(de)(de)參考(kao)方向，以橫通孔(kong)(kong)的(de)(de)中(zhong)心(xin)(xin)軸為(wei)參考(kao)點，將探頭的(de)(de)幾(ji)何(he)中(zhong)心(xin)(xin)與其(qi)對準(zhun)，然后使探頭分別沿x的(de)(de)左右兩(liang)個方向的(de)(de)試塊(kuai)中(zhong)心(xin)(xin)線上移動(dong)，記錄孔(kong)(kong)波最高(gao)點時探頭距(ju)離參考(kao)點的(de)(de)距(ju)離D,其(qi)中(zhong)孔(kong)(kong)波幅度最高(gao)點在x右邊時加上（十）號，在x左邊時加上（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(tou)、小角(jiao)度(du)探頭(tou)入射點的(de)測定

 a. 橫波斜探(tan)頭

   連接待測量換能器，選取CSK-IA型準或CSK-I型標準試塊，對試塊R100圓(yuan)弧面進(jin)行探(tan)測，如圖3.11所(suo)示(shi)。保持探(tan)頭(tou)與(yu)試塊側面平行，沿左右(you)兩個(ge)方向(xiang)移動探(tan)頭(tou)，觀察R100圓(yuan)弧面的(de)回波幅度達到最高時候的(de)位置，則(ze)此時換能器的(de)入射點為R100圓(yuan)心刻線(xian)所(suo)對應的(de)探(tan)頭(tou)側棱上的(de)點。讀數精確到0.5mm。

 b. 小角(jiao)度縱波探頭(tou)

  連接帶測量(liang)換能器，選取TZS-R試塊(kuai)的(de)R面，測量(liang)試塊(kuai)A面下(xia)棱(leng)角(jiao)(jiao)，保(bao)持探(tan)(tan)頭(tou)聲束與試塊(kuai)側面平行，前(qian)后移(yi)動探(tan)(tan)頭(tou)，記錄A面下(xia)棱(leng)角(jiao)(jiao)回(hui)波達到最(zui)高的(de)位(wei)置(zhi)，此(ci)時(shi)探(tan)(tan)頭(tou)前(qian)沿(yan)至試塊(kuai)A端(duan)(duan)的(de)距(ju)離為(wei)x1,然后用二次反射波探(tan)(tan)測A面上(shang)棱(leng)角(jiao)(jiao)，同(tong)樣(yang)找(zhao)到A面上(shang)棱(leng)角(jiao)(jiao)回(hui)波達到最(zui)高的(de)位(wei)置(zhi)，此(ci)時(shi)探(tan)(tan)頭(tou)前(qian)沿(yan)至試塊(kuai)前(qian)端(duan)(duan)（A端(duan)(duan)）的(de)距(ju)離為(wei)x2,則入射點(dian)至探(tan)(tan)頭(tou)前(qian)沿(yan)的(de)距(ju)離為(wei)  a = x₂ - 2x_{1  。}

5. 斜(xie)探頭折射(she)角的測量

 測試(shi)設(she)備包(bao)括探傷(shang)儀、1號(hao)標準試(shi)塊和刻度尺。

 測試(shi)步驟：選取1號標準試(shi)塊觀察φ50mm孔(kong)(kong)的(de)回波(bo)，探(tan)頭的(de)位(wei)置按如下情況(kuang)放(fang)(fang)置：當(dang)K≤1.5時，觀察圖(tu)3.12a的(de)通孔(kong)(kong)回波(bo)；1.5<K≤2.5時，觀察圖(tu)3.12b的(de)通孔(kong)(kong)回波(bo)；當(dang)K>2.5時，探(tan)頭放(fang)(fang)置在如圖(tu)3.12c的(de)位(wei)置，觀察φ1.5mm橫通孔(kong)(kong)的(de)回波(bo)。前后移動探(tan)頭，找到孔(kong)(kong)的(de)回波(bo)最高位(wei)置并固(gu)定下來，讀出此時入射(she)(she)點相對應(ying)的(de)角度刻度β，β即為被測探(tan)頭折射(she)(she)角，讀數精(jing)確到0.5°。

 6. 測量(liang)小(xiao)角度(du)縱波(bo)探頭的β角和K值

  選取TZS-R試(shi)塊(kuai)的(de)C面(mian)或(huo)B面(mian)，并(bing)在測定探頭的(de)前沿距(ju)離(li)a之(zhi)后，再按圖3.13所展示的(de)方法，找到端面(mian)（A面(mian)）上棱角的(de)最大反射波高位置，則探頭的(de)K值和(he)β角分別用下式計算。

小角度(du)探(tan)頭(tou)人射角α和(he)折射角β對應關系見表3.4 (斜塊(kuai)聲速取2730m/s)。

相對靈敏度測試如下：

 a. 直探頭(tou)相對靈敏度（等同(tong)于探傷靈敏度余量(liang)）測量(liang)（圖3.14).

  ①. 使用2.5MHz、Φ20直探頭和CS-1-5或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. 斜探頭相對(dui)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(xiao)角度(du)(du)縱波探頭(tou)相對(dui)靈敏度(du)(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(ti)高(gao)換能(neng)器性能(neng)措(cuo)施(shi)

  優良信噪比是高(gao)性能(neng)(neng)換(huan)能(neng)(neng)器(qi)的(de)基本(ben)要求。常用以(yi)下兩種方(fang)法來提高(gao)換(huan)能(neng)(neng)器(qi)的(de)信噪比：一是增(zeng)加(jia)(jia)激勵脈沖的(de)電(dian)壓幅值，這樣可以(yi)增(zeng)加(jia)(jia)發射聲功率，考慮到對待檢測物體與人體的(de)影響以(yi)及(ji)實(shi)際電(dian)路的(de)實(shi)現，不可能(neng)(neng)無限(xian)地(di)增(zeng)加(jia)(jia)發射功率；二是提高(gao)換(huan)能(neng)(neng)器(qi)本(ben)身的(de)靈敏度。

 換(huan)(huan)(huan)能器(qi)和電源內阻間的(de)阻抗匹配影響著換(huan)(huan)(huan)能器(qi)的(de)靈(ling)敏(min)度(du)(du)。由于待探測物體的(de)聲阻抗與換(huan)(huan)(huan)能器(qi)材料的(de)聲阻抗嚴重失配，這就造(zao)成了靈(ling)敏(min)度(du)(du)較低(di)。一般需(xu)要采(cai)用(yong)聲匹配和電路匹配方(fang)法，提高換(huan)(huan)(huan)能器(qi)的(de)靈(ling)敏(min)度(du)(du)。換(huan)(huan)(huan)能器(qi)的(de)靈(ling)敏(min)度(du)(du)越高，使(shi)用(yong)同樣激勵，在相同的(de)噪(zao)聲背景下，信噪(zao)比(bi)越高。

 提(ti)高(gao)超(chao)聲波(bo)換(huan)能(neng)(neng)(neng)(neng)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)縱向(xiang)(xiang)和橫(heng)向(xiang)(xiang)分辨(bian)率也能(neng)(neng)(neng)(neng)改善換(huan)能(neng)(neng)(neng)(neng)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)性(xing)能(neng)(neng)(neng)(neng)。目(mu)前(qian)主要是(shi)通(tong)(tong)過提(ti)高(gao)換(huan)能(neng)(neng)(neng)(neng)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)工作(zuo)頻率以及(ji)改善換(huan)能(neng)(neng)(neng)(neng)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)脈沖(chong)響應，實現寬(kuan)帶(dai)窄脈沖(chong)。縱向(xiang)(xiang)分辨(bian)率的(de)(de)(de)提(ti)高(gao)主要是(shi)通(tong)(tong)過聲電匹配(pei)。換(huan)能(neng)(neng)(neng)(neng)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)聲束(shu)寬(kuan)度決定了超(chao)聲檢(jian)測(ce)系統的(de)(de)(de)橫(heng)向(xiang)(xiang)分辨(bian)率，采用聚(ju)焦超(chao)聲換(huan)能(neng)(neng)(neng)(neng)器(qi)(qi)，是(shi)提(ti)高(gao)換(huan)能(neng)(neng)(neng)(neng)器(qi)(qi)橫(heng)向(xiang)(xiang)分辨(bian)率最有效(xiao)的(de)(de)(de)方(fang)法。

四、換能器的評價

  在超(chao)(chao)(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)(bo)技術中(zhong)，超(chao)(chao)(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)(bo)換(huan)(huan)(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)(qi)(qi)是(shi)一個非(fei)常重要的(de)(de)(de)(de)部分(fen)，可以(yi)說超(chao)(chao)(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)技術的(de)(de)(de)(de)發(fa)(fa)展直接取決(jue)于其研(yan)發(fa)(fa)水平。超(chao)(chao)(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)換(huan)(huan)(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)研(yan)究與(yu)現(xian)(xian)(xian)代(dai)科學技術密切(qie)相關。超(chao)(chao)(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)換(huan)(huan)(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)(qi)(qi)發(fa)(fa)展水平越來越受到電子(zi)技術、自動控制技術、計算機技術以(yi)及新材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)技術發(fa)(fa)展的(de)(de)(de)(de)影響。超(chao)(chao)(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)(bo)換(huan)(huan)(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)(qi)(qi)中(zhong)最重要的(de)(de)(de)(de)就是(shi)換(huan)(huan)(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)，高效、廉價、無污染的(de)(de)(de)(de)新型(xing)(xing)換(huan)(huan)(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)(qi)(qi)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)(de)研(yan)制是(shi)目(mu)前的(de)(de)(de)(de)主(zhu)要發(fa)(fa)展方向。在換(huan)(huan)(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)研(yan)發(fa)(fa)方面，弛豫型(xing)(xing)壓電單晶材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)具有較好(hao)的(de)(de)(de)(de)發(fa)(fa)展前景，如鈮鎂酸鉛(qian)(qian)－鈦(tai)酸鉛(qian)(qian)以(yi)及鈮鋅(xin)酸鉛(qian)(qian)－鈦(tai)酸鉛(qian)(qian)等，有望在超(chao)(chao)(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)等技術中(zhong)獲得更為廣泛的(de)(de)(de)(de)應用。換(huan)(huan)(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)測試技術則主(zhu)要體現(xian)(xian)(xian)在如何實(shi)現(xian)(xian)(xian)大(da)功率超(chao)(chao)(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)換(huan)(huan)(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)(qi)(qi)性能(neng)(neng)的(de)(de)(de)(de)實(shi)時測試與(yu)定量測試，這(zhe)也(ye)和超(chao)(chao)(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)(bo)換(huan)(huan)(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)發(fa)(fa)展有著密切(qie)的(de)(de)(de)(de)關系(xi)。

 總之(zhi)(zhi)，超(chao)(chao)聲技(ji)(ji)術(shu)(shu)中的兩個主要的研究方(fang)面就(jiu)是超(chao)(chao)聲波的產生(sheng)(sheng)與測(ce)試，兩者的發(fa)展(zhan)是相(xiang)互(hu)影響的。目前的情況是超(chao)(chao)聲的測(ce)試技(ji)(ji)術(shu)(shu)發(fa)展(zhan)滯后于超(chao)(chao)聲的產生(sheng)(sheng)技(ji)(ji)術(shu)(shu)研究，可以預(yu)見，隨著超(chao)(chao)聲換能器技(ji)(ji)術(shu)(shu)水平提(ti)高，超(chao)(chao)聲技(ji)(ji)術(shu)(shu)的發(fa)展(zhan)一定會隨之(zhi)(zhi)進人(ren)新的階段(duan)。