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)響超聲(sheng)波探傷換能(neng)器性能(neng)的主(zhu)要參數

 超聲(sheng)(sheng)波換(huan)能器性(xing)能的主要參(can)數包括頻率響(xiang)應、相對(dui)靈敏(min)度、時間域響(xiang)應、電阻抗(kang)、聲(sheng)(sheng)束擴散(san)特性(xing)、斜(xie)探頭的入射點和折射角、聲(sheng)(sheng)軸偏(pian)斜(xie)角和雙峰(feng)等。

a. 頻率(lv)響應

  指在指定物(wu)體上(shang)測得的超聲波回波的頻(pin)(pin)(pin)率特性。在用頻(pin)(pin)(pin)譜(pu)分析儀測試(shi)頻(pin)(pin)(pin)率特性時，從(cong)所得頻(pin)(pin)(pin)譜(pu)圖(tu)中得到換能器的中心頻(pin)(pin)(pin)率、峰(feng)值頻(pin)(pin)(pin)率、帶寬(kuan)等參數。

b. 相對(dui)靈敏度(du)

  即在指定(ding)的(de)介質(zhi)、聲程和(he)反射體(ti)上(shang)，換能(neng)(neng)器(qi)將聲能(neng)(neng)轉換成(cheng)電能(neng)(neng)的(de)轉換效率(lv)。

c. 時間域響(xiang)應(ying)

  通(tong)過超聲(sheng)波回波的形狀、寬(kuan)度(du)、峰數可以對換能器的時(shi)間域(yu)相應進行評估。

d. 超聲(sheng)波換能器(qi)的聲(sheng)場(chang)特性

  包括(kuo)距離(li)幅(fu)度特性、聲(sheng)(sheng)束擴散特性、聲(sheng)(sheng)軸偏斜角(jiao)等(deng)。影響(xiang)聲(sheng)(sheng)場特性的(de)因素主要包括(kuo)超(chao)聲(sheng)(sheng)波傳(chuan)遞(di)介質(zhi)以及超(chao)聲(sheng)(sheng)波換能(neng)器(qi)頻率成分(fen)的(de)非單一(yi)性。

e. 斜探頭的(de)人射點

  斜(xie)探(tan)頭的(de)(de)人射點是(shi)指斜(xie)楔中(zhong)縱(zong)波聲軸入(ru)射到(dao)換(huan)能(neng)器底面的(de)(de)交(jiao)點。為了方便對缺陷進行定位(wei)和測定換(huan)能(neng)器的(de)(de)K值(zhi)，應(ying)先測定出換(huan)能(neng)器的(de)(de)入(ru)射點和前沿長度。

f. 斜(xie)探(tan)頭前沿距離

  斜(xie)(xie)探(tan)(tan)頭前沿距(ju)(ju)離(li)是從斜(xie)(xie)探(tan)(tan)頭人射點到換(huan)能(neng)器(qi)底面前端的(de)距(ju)(ju)離(li)，此值在實際探(tan)(tan)測(ce)時可用來在工(gong)件表面上確定缺陷距(ju)(ju)換(huan)能(neng)器(qi)前端的(de)水平投影(ying)距(ju)(ju)離(li)。

二、超聲波探傷換能器性能參數(shu)測試(shi)

超聲波傷換能(neng)器設計完成之后需(xu)要對其性能(neng)參數進(jin)行測試(shi)，主要測試(shi)項目及性能(neng)指(zhi)標見表3.3。

1. 探頭回波(bo)頻率及(ji)頻率誤差測量

 a. 直探頭回波頻率(lv)的測試（圖3.7)

 ①. 將超聲波(bo)換能器置于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(tou)回(hui)波(bo)頻率的(de)測量

  將超聲(sheng)波(bo)換能器(qi)置于1號試塊上使用示波(bo)器(qi)觀(guan)察R100圓弧面(mian)的最高回波(bo)。其余(yu)步驟與直探頭相同。

2. 分辨力（縱向(xiang)）測(ce)量

 a. 直探(tan)頭(tou)分辨力的(de)測(ce)量

  ①. 示(shi)波器抑(yi)制置(zhi)(zhi)(zhi)零或(huo)關(guan)，其他旋(xuan)鈕(niu)置(zhi)(zhi)(zhi)適當位置(zhi)(zhi)(zhi)，連接探頭(tou)并置(zhi)(zhi)(zhi)于CSK-IA標準試塊上，觀察聲程分別為85mm和91mm反射(she)面的回波波形（圖3.8),移(yi)動探頭(tou)使(shi)兩波等高。

 ②. 改變靈敏度(du)使兩次波(bo)幅同時達到滿幅度(du)的100%,然后測(ce)量波(bo)谷高度(du)h,則該超聲波(bo)換(huan)能器的分(fen)辨力R為   R = 20lg(100/h) ， 若(ruo)h=0或兩(liang)波(bo)能完全分開，則取R>30dB。

 b. 斜(xie)探頭(tou)分辨力的(de)測量

  ①. 如圖3.9所示，將超聲波換能器置(zhi)于CSK-IA試塊的(de)K值(zhi)測量(liang)位置(zhi)，確認耦合良好的(de)情況下(xia)，觀(guan)察試塊上A(Φ50)、B(Φ44)兩(liang)孔的(de)回波波形，移動探(tan)頭使兩(liang)波等高。

 ②. 適(shi)當調節衰(shuai)減(jian)或者增益(yi)，使(shi)A、B波(bo)幅同時達到滿幅度(du)的100%,然后測(ce)量波(bo)谷高度(du)h,則(ze)該探頭的分辨力R用(yong)上式(shi)計(ji)算(suan)。若h=0或兩(liang)波(bo)能完全分開，則(ze)取R>30 dB。

 c. 小角度(du)探頭分辨力的測量

  將換能器放置于K<1.5的位置，后續步驟(zou)與斜探頭測試步驟(zou)相同(tong)。

3. 直探頭聲軸(zhou)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. 標出(chu)探頭(tou)的(de)參(can)考方向，以橫通孔的(de)中心(xin)軸為參(can)考點，將探頭(tou)的(de)幾(ji)何(he)中心(xin)與其對準，然(ran)后使探頭(tou)分別沿x的(de)左(zuo)右兩個(ge)方向的(de)試塊中心(xin)線(xian)上(shang)移(yi)動，記錄孔波(bo)最高點時探頭(tou)距離參(can)考點的(de)距離D,其中孔波(bo)幅度最高點在x右邊時加上(shang)（十）號，在x左(zuo)邊時加上(shang)（一(yi)）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(xie)探頭(tou)、小角度探頭(tou)入射點(dian)的(de)測定

 a. 橫波斜探頭

   連接待測(ce)量換能器(qi)，選(xuan)取(qu)CSK-IA型準或(huo)CSK-I型標準試(shi)塊，對試(shi)塊R100圓(yuan)弧面進行(xing)探(tan)測(ce)，如圖(tu)3.11所示。保持探(tan)頭(tou)(tou)與試(shi)塊側面平(ping)行(xing)，沿(yan)左右兩個方向移動(dong)探(tan)頭(tou)(tou)，觀察(cha)R100圓(yuan)弧面的(de)(de)回(hui)波幅(fu)度(du)達到最高時候的(de)(de)位置，則此時換能器(qi)的(de)(de)入射點為R100圓(yuan)心刻線所對應的(de)(de)探(tan)頭(tou)(tou)側棱上的(de)(de)點。讀(du)數精確到0.5mm。

 b. 小角度縱波(bo)探頭

  連接帶(dai)測(ce)量(liang)換能器，選取TZS-R試(shi)塊的R面(mian)(mian)(mian)，測(ce)量(liang)試(shi)塊A面(mian)(mian)(mian)下(xia)棱角(jiao)，保(bao)持探(tan)(tan)頭(tou)聲束與(yu)試(shi)塊側面(mian)(mian)(mian)平行，前(qian)后移(yi)動探(tan)(tan)頭(tou)，記(ji)錄A面(mian)(mian)(mian)下(xia)棱角(jiao)回波(bo)(bo)達到最高的位置，此時探(tan)(tan)頭(tou)前(qian)沿至試(shi)塊A端的距(ju)離為x1,然(ran)后用二(er)次(ci)反射(she)波(bo)(bo)探(tan)(tan)測(ce)A面(mian)(mian)(mian)上棱角(jiao)，同(tong)樣(yang)找到A面(mian)(mian)(mian)上棱角(jiao)回波(bo)(bo)達到最高的位置，此時探(tan)(tan)頭(tou)前(qian)沿至試(shi)塊前(qian)端（A端）的距(ju)離為x2,則入(ru)射(she)點至探(tan)(tan)頭(tou)前(qian)沿的距(ju)離為  a = x₂ - 2x_{1  。}

5. 斜(xie)探(tan)頭(tou)折射角的(de)測(ce)量

 測試設備包(bao)括探傷儀、1號標準試塊和刻度(du)尺。

 測(ce)(ce)試步驟：選(xuan)取1號標準試塊觀(guan)(guan)察(cha)φ50mm孔(kong)(kong)(kong)的回波(bo)(bo)，探(tan)頭(tou)(tou)的位(wei)置按(an)如下(xia)情況放置：當K≤1.5時(shi)，觀(guan)(guan)察(cha)圖(tu)3.12a的通孔(kong)(kong)(kong)回波(bo)(bo)；1.5<K≤2.5時(shi)，觀(guan)(guan)察(cha)圖(tu)3.12b的通孔(kong)(kong)(kong)回波(bo)(bo)；當K>2.5時(shi)，探(tan)頭(tou)(tou)放置在如圖(tu)3.12c的位(wei)置，觀(guan)(guan)察(cha)φ1.5mm橫通孔(kong)(kong)(kong)的回波(bo)(bo)。前后(hou)移(yi)動探(tan)頭(tou)(tou)，找到孔(kong)(kong)(kong)的回波(bo)(bo)最(zui)高位(wei)置并固定下(xia)來(lai)，讀出此時(shi)入射點相對應的角度刻度β，β即為(wei)被測(ce)(ce)探(tan)頭(tou)(tou)折射角，讀數精確到0.5°。

 6. 測量(liang)小角度(du)縱(zong)波探頭的β角和K值

  選取TZS-R試塊(kuai)的(de)(de)C面(mian)或B面(mian)，并在測定探頭(tou)的(de)(de)前(qian)沿距離a之后，再按圖3.13所展(zhan)示的(de)(de)方法，找到端(duan)面(mian)（A面(mian)）上棱角的(de)(de)最大反(fan)射波高位(wei)置，則(ze)探頭(tou)的(de)(de)K值和β角分(fen)別用下(xia)式計算。

小(xiao)角度探頭人射(she)角α和折射(she)角β對應關系見表(biao)3.4 (斜塊聲速(su)取(qu)2730m/s)。

相對靈(ling)敏度測試如下：

 a. 直探頭相對靈敏度（等(deng)同(tong)于(yu)探傷靈敏度余量）測量（圖(tu)3.14).

  ①. 使用2.5MHz、Φ20直(zhi)探頭和CS-1-5或DB-PZ20-2型標準試(shi)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(xiang)對(dui)靈敏度測量（圖(tu)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(jiao)度縱(zong)波(bo)探(tan)頭相對靈敏(min)度測(ce)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(zao)比是(shi)高(gao)性能(neng)換(huan)能(neng)器的(de)(de)(de)基本要求。常用以(yi)下兩種方法(fa)來提高(gao)換(huan)能(neng)器的(de)(de)(de)信噪(zao)比：一是(shi)增(zeng)加(jia)激勵脈沖的(de)(de)(de)電壓幅值(zhi)，這樣可以(yi)增(zeng)加(jia)發射聲功率(lv)，考慮到(dao)對待檢測(ce)物(wu)體(ti)與人體(ti)的(de)(de)(de)影響以(yi)及實際電路的(de)(de)(de)實現，不可能(neng)無限地增(zeng)加(jia)發射功率(lv)；二是(shi)提高(gao)換(huan)能(neng)器本身的(de)(de)(de)靈敏度。

 換(huan)能器(qi)(qi)和電源(yuan)內阻(zu)間的(de)阻(zu)抗(kang)匹(pi)配影響著換(huan)能器(qi)(qi)的(de)靈敏(min)度(du)。由于待探測物體的(de)聲(sheng)阻(zu)抗(kang)與(yu)換(huan)能器(qi)(qi)材料的(de)聲(sheng)阻(zu)抗(kang)嚴(yan)重失配，這(zhe)就(jiu)造(zao)成了靈敏(min)度(du)較(jiao)低。一般(ban)需要采(cai)用聲(sheng)匹(pi)配和電路匹(pi)配方法，提高(gao)換(huan)能器(qi)(qi)的(de)靈敏(min)度(du)。換(huan)能器(qi)(qi)的(de)靈敏(min)度(du)越(yue)高(gao)，使(shi)用同(tong)樣激(ji)勵(li)，在相同(tong)的(de)噪聲(sheng)背(bei)景(jing)下，信噪比越(yue)高(gao)。

 提高超(chao)聲波(bo)換能(neng)(neng)器(qi)的(de)(de)縱向(xiang)和橫(heng)向(xiang)分辨(bian)率(lv)(lv)(lv)也能(neng)(neng)改(gai)善換能(neng)(neng)器(qi)的(de)(de)性能(neng)(neng)。目(mu)前主要是(shi)通過提高換能(neng)(neng)器(qi)的(de)(de)工作(zuo)頻率(lv)(lv)(lv)以及改(gai)善換能(neng)(neng)器(qi)的(de)(de)脈沖(chong)響應，實現寬(kuan)帶窄脈沖(chong)。縱向(xiang)分辨(bian)率(lv)(lv)(lv)的(de)(de)提高主要是(shi)通過聲電匹配。換能(neng)(neng)器(qi)的(de)(de)聲束(shu)寬(kuan)度決定(ding)了(le)超(chao)聲檢測系統的(de)(de)橫(heng)向(xiang)分辨(bian)率(lv)(lv)(lv)，采用聚焦超(chao)聲換能(neng)(neng)器(qi)，是(shi)提高換能(neng)(neng)器(qi)橫(heng)向(xiang)分辨(bian)率(lv)(lv)(lv)最有效的(de)(de)方法。

四、換能(neng)器的評價

  在(zai)超(chao)(chao)(chao)聲(sheng)波(bo)技(ji)術(shu)(shu)(shu)中(zhong)，超(chao)(chao)(chao)聲(sheng)波(bo)換(huan)(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)是一個非常重(zhong)要(yao)的(de)(de)部分，可以說(shuo)超(chao)(chao)(chao)聲(sheng)技(ji)術(shu)(shu)(shu)的(de)(de)發(fa)展直接取決于其研發(fa)水平。超(chao)(chao)(chao)聲(sheng)換(huan)(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)的(de)(de)研究與現(xian)代科學技(ji)術(shu)(shu)(shu)密(mi)切(qie)相關。超(chao)(chao)(chao)聲(sheng)換(huan)(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)發(fa)展水平越來(lai)越受到電(dian)子技(ji)術(shu)(shu)(shu)、自動控(kong)制(zhi)技(ji)術(shu)(shu)(shu)、計算機技(ji)術(shu)(shu)(shu)以及新材料技(ji)術(shu)(shu)(shu)發(fa)展的(de)(de)影響(xiang)。超(chao)(chao)(chao)聲(sheng)波(bo)換(huan)(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)中(zhong)最重(zhong)要(yao)的(de)(de)就是換(huan)(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)的(de)(de)材料，高效、廉價、無(wu)污染(ran)的(de)(de)新型換(huan)(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)材料的(de)(de)研制(zhi)是目前的(de)(de)主要(yao)發(fa)展方向。在(zai)換(huan)(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)的(de)(de)材料研發(fa)方面，弛豫型壓電(dian)單(dan)晶材料具(ju)有較好的(de)(de)發(fa)展前景(jing)，如(ru)鈮鎂酸(suan)鉛－鈦酸(suan)鉛以及鈮鋅酸(suan)鉛－鈦酸(suan)鉛等，有望在(zai)超(chao)(chao)(chao)聲(sheng)等技(ji)術(shu)(shu)(shu)中(zhong)獲得更為廣泛的(de)(de)應(ying)用(yong)。換(huan)(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)的(de)(de)測(ce)試(shi)技(ji)術(shu)(shu)(shu)則主要(yao)體現(xian)在(zai)如(ru)何實(shi)現(xian)大功率超(chao)(chao)(chao)聲(sheng)換(huan)(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)性能(neng)(neng)的(de)(de)實(shi)時測(ce)試(shi)與定(ding)量測(ce)試(shi)，這(zhe)也(ye)和超(chao)(chao)(chao)聲(sheng)波(bo)換(huan)(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)的(de)(de)發(fa)展有著密(mi)切(qie)的(de)(de)關系(xi)。

 總之，超(chao)(chao)聲(sheng)技(ji)(ji)(ji)術中的(de)(de)(de)(de)兩個主要的(de)(de)(de)(de)研(yan)究方(fang)面就是(shi)超(chao)(chao)聲(sheng)波的(de)(de)(de)(de)產生與測(ce)試，兩者的(de)(de)(de)(de)發展(zhan)是(shi)相(xiang)互影(ying)響的(de)(de)(de)(de)。目前的(de)(de)(de)(de)情況(kuang)是(shi)超(chao)(chao)聲(sheng)的(de)(de)(de)(de)測(ce)試技(ji)(ji)(ji)術發展(zhan)滯后(hou)于超(chao)(chao)聲(sheng)的(de)(de)(de)(de)產生技(ji)(ji)(ji)術研(yan)究，可以預見，隨著(zhu)超(chao)(chao)聲(sheng)換能器技(ji)(ji)(ji)術水(shui)平提高，超(chao)(chao)聲(sheng)技(ji)(ji)(ji)術的(de)(de)(de)(de)發展(zhan)一定(ding)會隨之進人新的(de)(de)(de)(de)階段。