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)、影響超聲波探(tan)傷(shang)換(huan)能器性能的(de)主要參數(shu)

 超聲(sheng)(sheng)波(bo)換能器(qi)性能的(de)(de)主要參數包括頻率響應(ying)、相對靈敏(min)度、時間(jian)域響應(ying)、電(dian)阻抗、聲(sheng)(sheng)束擴散(san)特性、斜探(tan)頭(tou)的(de)(de)入射(she)點和折(zhe)射(she)角、聲(sheng)(sheng)軸偏斜角和雙峰(feng)等。

a. 頻(pin)率響應(ying)

  指在指定物體上測(ce)得(de)的(de)(de)超聲波(bo)回波(bo)的(de)(de)頻(pin)率特性。在用頻(pin)譜分析儀測(ce)試(shi)頻(pin)率特性時(shi)，從所得(de)頻(pin)譜圖中得(de)到換能(neng)器的(de)(de)中心頻(pin)率、峰值頻(pin)率、帶寬等(deng)參數。

b. 相對靈(ling)敏度

  即在(zai)指定的介質、聲程和反射體(ti)上，換(huan)能(neng)器將(jiang)聲能(neng)轉換(huan)成電能(neng)的轉換(huan)效(xiao)率。

c. 時間域(yu)響應

  通過超聲波(bo)回波(bo)的形(xing)狀、寬度、峰數可以對換能(neng)器的時間域相應進行評估。

d. 超聲波(bo)換能器的聲場特性

  包(bao)括(kuo)距(ju)離(li)幅度特性、聲束(shu)擴散特性、聲軸偏斜角等。影響聲場特性的(de)因素主(zhu)要包(bao)括(kuo)超聲波傳遞(di)介(jie)質以(yi)及超聲波換能器頻率成(cheng)分(fen)的(de)非單一(yi)性。

e. 斜探頭的(de)人射點

  斜(xie)探頭(tou)的(de)(de)(de)人射點是(shi)指斜(xie)楔中縱波(bo)聲軸(zhou)入射到換能(neng)(neng)器(qi)底面的(de)(de)(de)交點。為了方便對缺陷(xian)進行定位(wei)和(he)測(ce)定換能(neng)(neng)器(qi)的(de)(de)(de)K值，應先測(ce)定出換能(neng)(neng)器(qi)的(de)(de)(de)入射點和(he)前沿長度。

f. 斜(xie)探頭前沿距離

  斜探(tan)頭(tou)前沿距離是(shi)從(cong)斜探(tan)頭(tou)人射點到換能器(qi)底(di)面前端的距離，此(ci)值在實(shi)際探(tan)測(ce)時可用來在工(gong)件表面上確定缺(que)陷距換能器(qi)前端的水平(ping)投影距離。

二、超聲波(bo)探傷換能器性能參數測試

超聲波(bo)傷換能器設計完成之(zhi)后需要對其性能參數進行測(ce)試(shi)，主要測(ce)試(shi)項目及性能指(zhi)標見表3.3。

1. 探頭回波頻率及頻率誤差(cha)測量

 a. 直探頭(tou)回波頻率(lv)的(de)測試(shi)（圖3.7)

 ①. 將超(chao)聲(sheng)波(bo)換能器置于1號標準試塊的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(pin)率(lv)的(de)測量

  將超聲波換能器置于1號試(shi)塊上使用示波器觀(guan)察(cha)R100圓弧面的(de)最高回波。其余步(bu)驟(zou)與直探頭相同。

2. 分辨力(li)（縱向）測(ce)量(liang)

 a. 直(zhi)探頭分辨力的測(ce)量

  ①. 示(shi)波(bo)器抑制(zhi)置零或(huo)關，其(qi)他旋(xuan)鈕置適當位置，連接探頭并置于(yu)CSK-IA標準試塊上，觀察聲(sheng)程分別為85mm和91mm反射面(mian)的(de)回(hui)波(bo)波(bo)形（圖3.8),移動探頭使兩波(bo)等高。

 ②. 改變(bian)靈敏度使兩次波幅同(tong)時(shi)達(da)到滿(man)幅度的100%,然后測量(liang)波谷(gu)高(gao)度h,則該超(chao)聲(sheng)波換能器的分辨(bian)力R為(wei)   R = 20lg(100/h) ， 若h=0或(huo)兩波能完全分開，則取R>30dB。

 b. 斜探頭(tou)分辨(bian)力的測量

  ①. 如圖3.9所示，將(jiang)超聲波換(huan)能器置于CSK-IA試塊(kuai)的K值測量(liang)位置，確認耦合良好的情況下，觀(guan)察試塊(kuai)上A(Φ50)、B(Φ44)兩孔的回波波形，移(yi)動探頭使兩波等高。

 ②. 適當(dang)調節衰減或者增益(yi)，使A、B波(bo)(bo)幅同時達(da)到滿幅度的(de)100%,然后(hou)測(ce)量(liang)波(bo)(bo)谷高度h,則該探頭的(de)分辨力R用上(shang)式計算。若h=0或兩波(bo)(bo)能完全分開，則取R>30 dB。

 c. 小角度探(tan)頭分辨力的測(ce)量

  將換能器放置于K<1.5的位置，后續(xu)步驟(zou)與斜探頭測試步驟(zou)相(xiang)同。

3. 直探頭聲軸偏斜角的測量

  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(de)參(can)考(kao)方(fang)向，以橫通孔(kong)(kong)的(de)中(zhong)(zhong)心(xin)軸為參(can)考(kao)點(dian)(dian)，將探頭(tou)的(de)幾何中(zhong)(zhong)心(xin)與其對準，然后使探頭(tou)分別沿(yan)x的(de)左右兩個(ge)方(fang)向的(de)試塊中(zhong)(zhong)心(xin)線上(shang)移動(dong)，記錄(lu)孔(kong)(kong)波(bo)最高點(dian)(dian)時(shi)探頭(tou)距(ju)(ju)離(li)參(can)考(kao)點(dian)(dian)的(de)距(ju)(ju)離(li)D,其中(zhong)(zhong)孔(kong)(kong)波(bo)幅度最高點(dian)(dian)在x右邊(bian)時(shi)加(jia)上(shang)（十(shi)）號(hao)，在x左邊(bian)時(shi)加(jia)上(shang)（一(yi)）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(tan)頭、小(xiao)角度探(tan)頭入射點的測定

 a. 橫(heng)波斜探頭

   連接(jie)待測量換(huan)能(neng)器，選取CSK-IA型(xing)(xing)準或CSK-I型(xing)(xing)標準試(shi)塊，對試(shi)塊R100圓弧面(mian)(mian)進行探(tan)(tan)測，如(ru)圖3.11所(suo)示。保持探(tan)(tan)頭與試(shi)塊側面(mian)(mian)平行，沿左(zuo)右(you)兩個方(fang)向(xiang)移動探(tan)(tan)頭，觀察R100圓弧面(mian)(mian)的(de)(de)回波幅度(du)達到最高時(shi)候(hou)的(de)(de)位置，則此時(shi)換(huan)能(neng)器的(de)(de)入射點(dian)為R100圓心(xin)刻線所(suo)對應(ying)的(de)(de)探(tan)(tan)頭側棱上的(de)(de)點(dian)。讀數精確到0.5mm。

 b. 小角度縱波(bo)探頭

  連接帶測(ce)(ce)量換能器，選取TZS-R試(shi)塊(kuai)(kuai)的(de)(de)R面(mian)(mian)，測(ce)(ce)量試(shi)塊(kuai)(kuai)A面(mian)(mian)下(xia)(xia)棱(leng)角(jiao)，保持探(tan)(tan)頭聲束與試(shi)塊(kuai)(kuai)側面(mian)(mian)平行，前后移動探(tan)(tan)頭，記錄A面(mian)(mian)下(xia)(xia)棱(leng)角(jiao)回(hui)波達(da)到(dao)最高的(de)(de)位置，此時探(tan)(tan)頭前沿(yan)(yan)至(zhi)(zhi)試(shi)塊(kuai)(kuai)A端(duan)(duan)的(de)(de)距(ju)離為x1,然后用二次反射波探(tan)(tan)測(ce)(ce)A面(mian)(mian)上(shang)棱(leng)角(jiao)，同樣找到(dao)A面(mian)(mian)上(shang)棱(leng)角(jiao)回(hui)波達(da)到(dao)最高的(de)(de)位置，此時探(tan)(tan)頭前沿(yan)(yan)至(zhi)(zhi)試(shi)塊(kuai)(kuai)前端(duan)(duan)（A端(duan)(duan)）的(de)(de)距(ju)離為x2,則入射點至(zhi)(zhi)探(tan)(tan)頭前沿(yan)(yan)的(de)(de)距(ju)離為  a = x₂ - 2x_{1  。}

5. 斜探頭折射角的(de)測(ce)量

 測(ce)試設備包(bao)括探傷(shang)儀、1號標(biao)準(zhun)試塊(kuai)和刻度尺。

 測(ce)試(shi)步驟：選(xuan)取1號(hao)標(biao)準試(shi)塊觀(guan)察(cha)φ50mm孔的(de)(de)(de)回波，探(tan)頭的(de)(de)(de)位(wei)置(zhi)(zhi)(zhi)按如(ru)下情況放(fang)置(zhi)(zhi)(zhi)：當K≤1.5時(shi)，觀(guan)察(cha)圖3.12a的(de)(de)(de)通孔回波；1.5<K≤2.5時(shi)，觀(guan)察(cha)圖3.12b的(de)(de)(de)通孔回波；當K>2.5時(shi)，探(tan)頭放(fang)置(zhi)(zhi)(zhi)在如(ru)圖3.12c的(de)(de)(de)位(wei)置(zhi)(zhi)(zhi)，觀(guan)察(cha)φ1.5mm橫通孔的(de)(de)(de)回波。前后移動探(tan)頭，找到(dao)孔的(de)(de)(de)回波最高(gao)位(wei)置(zhi)(zhi)(zhi)并固定(ding)下來，讀出(chu)此時(shi)入射點相(xiang)對應的(de)(de)(de)角度刻度β，β即為被測(ce)探(tan)頭折射角，讀數(shu)精(jing)確到(dao)0.5°。

 6. 測量小(xiao)角(jiao)度縱波探頭的(de)β角(jiao)和K值

  選取TZS-R試塊的C面(mian)或(huo)B面(mian)，并在測(ce)定探(tan)(tan)頭(tou)的前沿距離a之(zhi)后(hou)，再按圖3.13所展示(shi)的方法，找到端面(mian)（A面(mian)）上棱角的最大(da)反射(she)波(bo)高位置，則探(tan)(tan)頭(tou)的K值和(he)β角分別用下式計(ji)算。

小角(jiao)度探(tan)頭人射(she)角(jiao)α和折(zhe)射(she)角(jiao)β對應關系見表3.4 (斜塊(kuai)聲速取2730m/s)。

相對靈敏(min)度測試(shi)如下：

 a. 直探頭相對靈(ling)(ling)敏度（等同于探傷靈(ling)(ling)敏度余量(liang)）測量(liang)（圖3.14).

  ①. 使(shi)用2.5MHz、Φ20直探頭(tou)和CS-1-5或DB-PZ20-2型標(biao)準試塊(kuai)。

  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(tou)相(xiang)對靈(ling)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(zong)波(bo)探(tan)頭相對靈敏度測量

  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(gao)換能器性能措施(shi)

  優(you)良信噪比(bi)是高(gao)性(xing)能換(huan)能器(qi)的(de)(de)基本要求。常用以下兩種方法來提(ti)高(gao)換(huan)能器(qi)的(de)(de)信噪比(bi)：一是增加激勵脈沖的(de)(de)電壓幅值，這樣可(ke)以增加發(fa)射聲功率，考慮到(dao)對(dui)待檢測物體與人體的(de)(de)影響(xiang)以及實際電路(lu)的(de)(de)實現，不可(ke)能無限地增加發(fa)射功率；二是提(ti)高(gao)換(huan)能器(qi)本身的(de)(de)靈敏度。

 換(huan)(huan)能器(qi)(qi)和電源(yuan)內阻(zu)間的(de)(de)阻(zu)抗匹(pi)配影響(xiang)著換(huan)(huan)能器(qi)(qi)的(de)(de)靈敏(min)度。由于待探測物(wu)體的(de)(de)聲(sheng)阻(zu)抗與換(huan)(huan)能器(qi)(qi)材料的(de)(de)聲(sheng)阻(zu)抗嚴重(zhong)失(shi)配，這就造成(cheng)了靈敏(min)度較低。一般需(xu)要采用聲(sheng)匹(pi)配和電路匹(pi)配方法(fa)，提高換(huan)(huan)能器(qi)(qi)的(de)(de)靈敏(min)度。換(huan)(huan)能器(qi)(qi)的(de)(de)靈敏(min)度越高，使用同(tong)樣激(ji)勵，在(zai)相同(tong)的(de)(de)噪聲(sheng)背景下，信噪比越高。

 提高超(chao)聲(sheng)波換(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)的(de)縱(zong)向(xiang)和橫(heng)向(xiang)分辨(bian)率也能(neng)(neng)改(gai)善換(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)的(de)性(xing)能(neng)(neng)。目前主(zhu)要是通過(guo)提高換(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)的(de)工(gong)作(zuo)頻率以(yi)及(ji)改(gai)善換(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)的(de)脈沖(chong)響應，實現(xian)寬(kuan)帶窄脈沖(chong)。縱(zong)向(xiang)分辨(bian)率的(de)提高主(zhu)要是通過(guo)聲(sheng)電匹配。換(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)的(de)聲(sheng)束寬(kuan)度決定(ding)了(le)超(chao)聲(sheng)檢(jian)測系統的(de)橫(heng)向(xiang)分辨(bian)率，采(cai)用聚焦(jiao)超(chao)聲(sheng)換(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)，是提高換(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)橫(heng)向(xiang)分辨(bian)率最有效(xiao)的(de)方法。

四(si)、換能(neng)器(qi)的評價

  在(zai)超(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)(bo)技術(shu)(shu)(shu)中(zhong)，超(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)(bo)換能器(qi)是(shi)(shi)一個非常重要(yao)(yao)的(de)部分，可(ke)以說超(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)技術(shu)(shu)(shu)的(de)發展(zhan)直接取決于其研(yan)發水平。超(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)換能器(qi)的(de)研(yan)究與現(xian)(xian)代科學技術(shu)(shu)(shu)密切相關(guan)。超(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)換能器(qi)發展(zhan)水平越來越受到電子(zi)技術(shu)(shu)(shu)、自動控制(zhi)技術(shu)(shu)(shu)、計算機技術(shu)(shu)(shu)以及新材料技術(shu)(shu)(shu)發展(zhan)的(de)影響。超(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)(bo)換能器(qi)中(zhong)最重要(yao)(yao)的(de)就(jiu)是(shi)(shi)換能器(qi)的(de)材料，高效、廉價(jia)、無污染的(de)新型(xing)換能器(qi)材料的(de)研(yan)制(zhi)是(shi)(shi)目前(qian)的(de)主(zhu)(zhu)要(yao)(yao)發展(zhan)方向。在(zai)換能器(qi)的(de)材料研(yan)發方面，弛豫型(xing)壓電單晶材料具有(you)較好的(de)發展(zhan)前(qian)景，如(ru)鈮(ni)鎂酸鉛(qian)－鈦酸鉛(qian)以及鈮(ni)鋅酸鉛(qian)－鈦酸鉛(qian)等，有(you)望(wang)在(zai)超(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)等技術(shu)(shu)(shu)中(zhong)獲得更為廣泛的(de)應用。換能器(qi)的(de)測試(shi)技術(shu)(shu)(shu)則主(zhu)(zhu)要(yao)(yao)體現(xian)(xian)在(zai)如(ru)何實現(xian)(xian)大功(gong)率(lv)超(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)換能器(qi)性(xing)能的(de)實時測試(shi)與定(ding)量測試(shi)，這(zhe)也和超(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)(bo)換能器(qi)的(de)發展(zhan)有(you)著密切的(de)關(guan)系。

 總之，超(chao)(chao)聲技術(shu)(shu)中的(de)(de)(de)兩個主要的(de)(de)(de)研究(jiu)(jiu)方面就是超(chao)(chao)聲波的(de)(de)(de)產生與測(ce)試(shi)，兩者的(de)(de)(de)發展(zhan)是相互影響的(de)(de)(de)。目前的(de)(de)(de)情(qing)況(kuang)是超(chao)(chao)聲的(de)(de)(de)測(ce)試(shi)技術(shu)(shu)發展(zhan)滯后(hou)于超(chao)(chao)聲的(de)(de)(de)產生技術(shu)(shu)研究(jiu)(jiu)，可以預(yu)見，隨著(zhu)超(chao)(chao)聲換(huan)能器技術(shu)(shu)水平(ping)提高(gao)，超(chao)(chao)聲技術(shu)(shu)的(de)(de)(de)發展(zhan)一定會隨之進人新的(de)(de)(de)階段。