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)、影響超聲波探傷換能器性能的(de)主要參數(shu)

 超(chao)聲波換能器性能的(de)主要參數包括(kuo)頻率響應、相對靈敏度(du)、時(shi)間(jian)域響應、電(dian)阻抗(kang)、聲束(shu)擴散特性、斜探頭的(de)入(ru)射點和折射角、聲軸偏斜角和雙峰等(deng)。

a. 頻率響應

  指在(zai)指定物體上測(ce)得(de)的超(chao)聲波回波的頻率(lv)特性(xing)。在(zai)用(yong)頻譜(pu)分析儀測(ce)試頻率(lv)特性(xing)時(shi)，從(cong)所(suo)得(de)頻譜(pu)圖中(zhong)(zhong)得(de)到換(huan)能器的中(zhong)(zhong)心頻率(lv)、峰值(zhi)頻率(lv)、帶(dai)寬(kuan)等(deng)參數。

b. 相對靈敏度

  即在指定的(de)介質、聲(sheng)程和反射(she)體上，換能器將聲(sheng)能轉(zhuan)(zhuan)換成電能的(de)轉(zhuan)(zhuan)換效率。

c. 時間域(yu)響應

  通過超聲波回波的形狀、寬度、峰(feng)數可以對(dui)換能(neng)器的時間域相應進行評估。

d. 超(chao)聲(sheng)波換能器的聲(sheng)場特(te)性

  包括(kuo)距(ju)離幅度特(te)性(xing)、聲束擴散(san)特(te)性(xing)、聲軸偏斜(xie)角等(deng)。影(ying)響聲場特(te)性(xing)的因素主(zhu)要(yao)包括(kuo)超(chao)聲波傳遞介質以及超(chao)聲波換(huan)能器(qi)頻(pin)率(lv)成分的非(fei)單一性(xing)。

e. 斜探(tan)頭的人射點

  斜探頭(tou)的人射(she)點是指(zhi)斜楔中縱波聲軸入射(she)到換能器(qi)(qi)底面的交點。為(wei)了方便(bian)對缺陷進行定位和測(ce)定換能器(qi)(qi)的K值，應先測(ce)定出換能器(qi)(qi)的入射(she)點和前沿長度。

f. 斜探頭前沿(yan)距離

  斜探頭(tou)前沿(yan)距(ju)離是從斜探頭(tou)人射點(dian)到換能(neng)器底面前端的距(ju)離，此(ci)值(zhi)在實際探測時可用來在工件表面上確定缺陷距(ju)換能(neng)器前端的水平投影距(ju)離。

二、超聲波探(tan)傷換能器性能參數測試

超聲波傷換能(neng)(neng)器設計完(wan)成之后需要(yao)(yao)對其性(xing)能(neng)(neng)參數(shu)進行測試，主(zhu)要(yao)(yao)測試項目(mu)及性(xing)能(neng)(neng)指標見表3.3。

1. 探頭回波(bo)頻率(lv)及頻率(lv)誤(wu)差測(ce)量(liang)

 a. 直探頭(tou)回波(bo)頻率(lv)的測試（圖3.7)

 ①. 將超聲(sheng)波換能器置于1號標(biao)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(hui)波頻(pin)率的測量

  將超聲波換(huan)能器置于1號(hao)試塊上(shang)使用示波器觀察R100圓弧面的最高回波。其(qi)余(yu)步(bu)驟與直探頭相同。

2. 分辨力(li)（縱向）測量

 a. 直探頭分辨力的測量(liang)

  ①. 示波(bo)(bo)器抑制置零或關，其他旋鈕置適當位(wei)置，連接探頭并(bing)置于CSK-IA標準試塊上，觀察聲程分別為(wei)85mm和91mm反射(she)面的回波(bo)(bo)波(bo)(bo)形(xing)（圖3.8),移(yi)動探頭使兩波(bo)(bo)等高(gao)。

 ②. 改變靈(ling)敏度使兩次波(bo)(bo)幅(fu)同(tong)時達(da)到滿幅(fu)度的100%,然(ran)后測量波(bo)(bo)谷高度h,則該超聲波(bo)(bo)換(huan)能(neng)器的分辨(bian)力R為   R = 20lg(100/h) ， 若h=0或兩波能完全(quan)分開(kai)，則取R>30dB。

 b. 斜探頭(tou)分(fen)辨力的測量(liang)

  ①. 如圖3.9所示(shi)，將(jiang)超聲(sheng)波換能器置于CSK-IA試塊的(de)K值(zhi)測量(liang)位置，確認耦(ou)合良好的(de)情況下，觀察試塊上A(Φ50)、B(Φ44)兩孔的(de)回波波形(xing)，移動探(tan)頭使兩波等高。

 ②. 適當調節衰(shuai)減或(huo)者增益，使A、B波幅同(tong)時達(da)到滿幅度的100%,然后測(ce)量波谷高度h,則該探頭(tou)的分辨(bian)力R用上式計算。若h=0或(huo)兩波能完全分開，則取(qu)R>30 dB。

 c. 小角度探頭分辨(bian)力的(de)測量

  將換能器放置于K<1.5的(de)位置，后續(xu)步(bu)(bu)驟與斜探頭測試步(bu)(bu)驟相同(tong)。

3. 直探頭聲軸偏斜角(jiao)的測(ce)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(tan)頭(tou)的參(can)(can)考方(fang)向，以橫(heng)通孔(kong)的中心(xin)軸為參(can)(can)考點(dian)(dian)，將(jiang)探(tan)頭(tou)的幾何中心(xin)與其對準(zhun)，然后(hou)使探(tan)頭(tou)分(fen)別沿x的左右兩個(ge)方(fang)向的試(shi)塊中心(xin)線上移動，記錄孔(kong)波(bo)(bo)最(zui)高點(dian)(dian)時(shi)探(tan)頭(tou)距(ju)(ju)離參(can)(can)考點(dian)(dian)的距(ju)(ju)離D,其中孔(kong)波(bo)(bo)幅度最(zui)高點(dian)(dian)在x右邊時(shi)加上（十）號，在x左邊時(shi)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、小(xiao)角度(du)探頭入射點的測定(ding)

 a. 橫波(bo)斜(xie)探頭(tou)

   連(lian)接(jie)待測量換能(neng)器(qi)，選取CSK-IA型準或CSK-I型標準試塊(kuai)，對(dui)(dui)試塊(kuai)R100圓(yuan)弧面進行(xing)探(tan)測，如圖3.11所示(shi)。保(bao)持探(tan)頭(tou)與試塊(kuai)側(ce)面平(ping)行(xing)，沿左右兩個方向移(yi)動探(tan)頭(tou)，觀察R100圓(yuan)弧面的回波(bo)幅度達到最高時候的位置，則此(ci)時換能(neng)器(qi)的入(ru)射點(dian)為R100圓(yuan)心刻(ke)線所對(dui)(dui)應的探(tan)頭(tou)側(ce)棱上的點(dian)。讀數精(jing)確到0.5mm。

 b. 小(xiao)角度縱波(bo)探頭

  連(lian)接帶測(ce)量(liang)換能器(qi)，選取TZS-R試(shi)(shi)塊的(de)R面(mian)，測(ce)量(liang)試(shi)(shi)塊A面(mian)下(xia)棱(leng)角，保(bao)持探(tan)頭聲束與試(shi)(shi)塊側面(mian)平行(xing)，前(qian)(qian)后移動探(tan)頭，記錄A面(mian)下(xia)棱(leng)角回波(bo)達到最高的(de)位置，此時探(tan)頭前(qian)(qian)沿(yan)至(zhi)試(shi)(shi)塊A端的(de)距(ju)離(li)(li)為(wei)x1,然后用二次反射波(bo)探(tan)測(ce)A面(mian)上棱(leng)角，同樣找到A面(mian)上棱(leng)角回波(bo)達到最高的(de)位置，此時探(tan)頭前(qian)(qian)沿(yan)至(zhi)試(shi)(shi)塊前(qian)(qian)端（A端）的(de)距(ju)離(li)(li)為(wei)x2,則入射點至(zhi)探(tan)頭前(qian)(qian)沿(yan)的(de)距(ju)離(li)(li)為(wei)  a = x₂ - 2x_{1  。}

5. 斜探(tan)頭折射角(jiao)的(de)測量

 測試設備包(bao)括探傷(shang)儀、1號標準試塊(kuai)和刻度尺。

 測試步驟：選(xuan)取(qu)1號標準試塊(kuai)觀(guan)(guan)(guan)察(cha)φ50mm孔(kong)(kong)的(de)(de)回波(bo)，探(tan)(tan)頭的(de)(de)位置(zhi)按如下情況放置(zhi)：當K≤1.5時(shi)，觀(guan)(guan)(guan)察(cha)圖3.12a的(de)(de)通(tong)孔(kong)(kong)回波(bo)；1.5<K≤2.5時(shi)，觀(guan)(guan)(guan)察(cha)圖3.12b的(de)(de)通(tong)孔(kong)(kong)回波(bo)；當K>2.5時(shi)，探(tan)(tan)頭放置(zhi)在如圖3.12c的(de)(de)位置(zhi)，觀(guan)(guan)(guan)察(cha)φ1.5mm橫通(tong)孔(kong)(kong)的(de)(de)回波(bo)。前后移動探(tan)(tan)頭，找到孔(kong)(kong)的(de)(de)回波(bo)最高位置(zhi)并固定(ding)下來，讀出此(ci)時(shi)入射(she)點(dian)相對(dui)應的(de)(de)角(jiao)度刻度β，β即(ji)為被測探(tan)(tan)頭折(zhe)射(she)角(jiao)，讀數(shu)精確到0.5°。

 6. 測量小角度縱波探(tan)頭的β角和K值

  選(xuan)取TZS-R試塊的(de)(de)C面或B面，并在測定探頭(tou)(tou)的(de)(de)前(qian)沿距離(li)a之后，再按圖3.13所展示的(de)(de)方(fang)法(fa)，找(zhao)到端面（A面）上棱角(jiao)的(de)(de)最大反(fan)射波(bo)高位置(zhi)，則(ze)探頭(tou)(tou)的(de)(de)K值和β角(jiao)分別用下式計算。

小角(jiao)度探頭(tou)人射角(jiao)α和折射角(jiao)β對應關系(xi)見表3.4 (斜塊聲速取(qu)2730m/s)。

相(xiang)對靈敏度測試如下(xia)：

 a. 直探(tan)頭相對靈(ling)敏(min)度（等同于探(tan)傷靈(ling)敏(min)度余量）測量（圖3.14).

  ①. 使(shi)用(yong)2.5MHz、Φ20直探頭和CS-1-5或(huo)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. 斜探頭(tou)相(xiang)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(ti)高(gao)換能器性(xing)能措施

  優良(liang)信(xin)噪比是高性能(neng)(neng)換(huan)能(neng)(neng)器的基本要(yao)求。常用以下(xia)兩(liang)種方法來提高換(huan)能(neng)(neng)器的信(xin)噪比：一是增加激(ji)勵(li)脈(mo)沖的電壓幅值，這樣可以增加發射聲(sheng)功(gong)率，考慮到對待檢測物(wu)體與人(ren)體的影響以及實(shi)際電路的實(shi)現，不可能(neng)(neng)無限地增加發射功(gong)率；二是提高換(huan)能(neng)(neng)器本身的靈敏度。

 換(huan)(huan)能器(qi)和電源內阻(zu)間的(de)(de)阻(zu)抗匹配(pei)影響著換(huan)(huan)能器(qi)的(de)(de)靈敏(min)度(du)。由(you)于待探測(ce)物體的(de)(de)聲阻(zu)抗與(yu)換(huan)(huan)能器(qi)材(cai)料(liao)的(de)(de)聲阻(zu)抗嚴重失配(pei)，這就造成(cheng)了靈敏(min)度(du)較低。一(yi)般需要(yao)采用聲匹配(pei)和電路匹配(pei)方法(fa)，提高(gao)換(huan)(huan)能器(qi)的(de)(de)靈敏(min)度(du)。換(huan)(huan)能器(qi)的(de)(de)靈敏(min)度(du)越高(gao)，使用同樣激(ji)勵，在相同的(de)(de)噪聲背景下，信噪比越高(gao)。

 提(ti)(ti)(ti)高超聲(sheng)(sheng)波(bo)換(huan)能(neng)(neng)(neng)器(qi)的(de)縱向(xiang)(xiang)和橫向(xiang)(xiang)分(fen)辨(bian)(bian)率也(ye)能(neng)(neng)(neng)改(gai)(gai)善(shan)換(huan)能(neng)(neng)(neng)器(qi)的(de)性能(neng)(neng)(neng)。目前主要是通過提(ti)(ti)(ti)高換(huan)能(neng)(neng)(neng)器(qi)的(de)工作(zuo)頻率以及改(gai)(gai)善(shan)換(huan)能(neng)(neng)(neng)器(qi)的(de)脈沖響應(ying)，實(shi)現寬帶窄脈沖。縱向(xiang)(xiang)分(fen)辨(bian)(bian)率的(de)提(ti)(ti)(ti)高主要是通過聲(sheng)(sheng)電匹配。換(huan)能(neng)(neng)(neng)器(qi)的(de)聲(sheng)(sheng)束寬度決定(ding)了超聲(sheng)(sheng)檢測系統(tong)的(de)橫向(xiang)(xiang)分(fen)辨(bian)(bian)率，采用聚焦超聲(sheng)(sheng)換(huan)能(neng)(neng)(neng)器(qi)，是提(ti)(ti)(ti)高換(huan)能(neng)(neng)(neng)器(qi)橫向(xiang)(xiang)分(fen)辨(bian)(bian)率最有(you)效的(de)方法(fa)。

四、換能(neng)器的(de)評(ping)價

  在超(chao)聲(sheng)(sheng)波技(ji)(ji)術(shu)(shu)中(zhong)，超(chao)聲(sheng)(sheng)波換(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)(qi)是一個非常重(zhong)要(yao)(yao)的(de)(de)(de)部(bu)分，可以說(shuo)超(chao)聲(sheng)(sheng)技(ji)(ji)術(shu)(shu)的(de)(de)(de)發(fa)(fa)(fa)展(zhan)(zhan)直接取決于其研發(fa)(fa)(fa)水(shui)平(ping)。超(chao)聲(sheng)(sheng)換(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)研究與現代科學技(ji)(ji)術(shu)(shu)密(mi)切(qie)相(xiang)關。超(chao)聲(sheng)(sheng)換(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)(qi)發(fa)(fa)(fa)展(zhan)(zhan)水(shui)平(ping)越來越受到電子技(ji)(ji)術(shu)(shu)、自(zi)動控制技(ji)(ji)術(shu)(shu)、計算(suan)機技(ji)(ji)術(shu)(shu)以及新(xin)材料(liao)技(ji)(ji)術(shu)(shu)發(fa)(fa)(fa)展(zhan)(zhan)的(de)(de)(de)影響。超(chao)聲(sheng)(sheng)波換(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)(qi)中(zhong)最重(zhong)要(yao)(yao)的(de)(de)(de)就是換(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)材料(liao)，高效、廉價(jia)、無污染的(de)(de)(de)新(xin)型換(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)(qi)材料(liao)的(de)(de)(de)研制是目(mu)前的(de)(de)(de)主(zhu)要(yao)(yao)發(fa)(fa)(fa)展(zhan)(zhan)方向。在換(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)材料(liao)研發(fa)(fa)(fa)方面，弛豫型壓電單晶(jing)材料(liao)具有(you)較好的(de)(de)(de)發(fa)(fa)(fa)展(zhan)(zhan)前景(jing)，如鈮(ni)鎂酸鉛(qian)－鈦酸鉛(qian)以及鈮(ni)鋅(xin)酸鉛(qian)－鈦酸鉛(qian)等，有(you)望在超(chao)聲(sheng)(sheng)等技(ji)(ji)術(shu)(shu)中(zhong)獲得(de)更為廣泛的(de)(de)(de)應用(yong)。換(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)測(ce)試技(ji)(ji)術(shu)(shu)則主(zhu)要(yao)(yao)體(ti)現在如何(he)實現大功率超(chao)聲(sheng)(sheng)換(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)(qi)性能(neng)(neng)的(de)(de)(de)實時測(ce)試與定量(liang)測(ce)試，這也和超(chao)聲(sheng)(sheng)波換(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)發(fa)(fa)(fa)展(zhan)(zhan)有(you)著(zhu)密(mi)切(qie)的(de)(de)(de)關系(xi)。

 總之，超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)技術(shu)中的(de)兩個主要的(de)研究方(fang)面就(jiu)是(shi)超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)波的(de)產(chan)生(sheng)與測試(shi)，兩者(zhe)的(de)發(fa)展(zhan)是(shi)相互影響的(de)。目前的(de)情(qing)況是(shi)超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)的(de)測試(shi)技術(shu)發(fa)展(zhan)滯后于超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)的(de)產(chan)生(sheng)技術(shu)研究，可以預見，隨(sui)(sui)著(zhu)超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)換能(neng)器技術(shu)水平提高，超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)技術(shu)的(de)發(fa)展(zhan)一定會隨(sui)(sui)之進人(ren)新的(de)階段。