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(huan)能器性能的主要參(can)數

 超聲(sheng)波換能器(qi)性能的(de)主(zhu)要(yao)參(can)數包括頻(pin)率響應(ying)、相對(dui)靈(ling)敏度、時間域響應(ying)、電阻(zu)抗、聲(sheng)束擴散特(te)性、斜探(tan)頭(tou)的(de)入射(she)點和(he)折(zhe)射(she)角、聲(sheng)軸偏(pian)斜角和(he)雙峰等。

a. 頻率(lv)響應

  指(zhi)在(zai)指(zhi)定(ding)物體上(shang)測得(de)(de)的(de)超聲波回(hui)波的(de)頻率特性(xing)。在(zai)用頻譜(pu)分析(xi)儀測試頻率特性(xing)時，從所得(de)(de)頻譜(pu)圖中得(de)(de)到換能器(qi)的(de)中心(xin)頻率、峰(feng)值頻率、帶寬等參數。

b. 相對靈敏度

  即(ji)在(zai)指(zhi)定的(de)介(jie)質、聲(sheng)程和反射體上，換(huan)能器將聲(sheng)能轉換(huan)成電能的(de)轉換(huan)效率。

c. 時間域響應(ying)

  通過超聲波回(hui)波的(de)形狀、寬度(du)、峰(feng)數(shu)可以對換能(neng)器的(de)時間(jian)域相應進行評估。

d. 超(chao)聲波換能器的聲場特(te)性

  包括(kuo)距(ju)離幅度(du)特性、聲(sheng)束擴散特性、聲(sheng)軸偏斜角等。影(ying)響聲(sheng)場特性的因素主要包括(kuo)超(chao)聲(sheng)波(bo)傳(chuan)遞介質以及(ji)超(chao)聲(sheng)波(bo)換能器頻率成分的非單一性。

e. 斜探頭(tou)的人射點

  斜(xie)探頭的(de)人(ren)射點是指斜(xie)楔中(zhong)縱波(bo)聲(sheng)軸入(ru)(ru)射到換能(neng)器底(di)面的(de)交點。為了方便對缺陷進行(xing)定(ding)位和(he)測(ce)定(ding)換能(neng)器的(de)K值，應先(xian)測(ce)定(ding)出(chu)換能(neng)器的(de)入(ru)(ru)射點和(he)前沿長度(du)。

f. 斜探頭前沿(yan)距離

  斜探(tan)頭前沿距離(li)是從斜探(tan)頭人射點到換能器底面(mian)前端的(de)距離(li)，此值在實際探(tan)測時可用來在工(gong)件表面(mian)上(shang)確定缺陷距換能器前端的(de)水平投影距離(li)。

二、超聲波探傷(shang)換能(neng)器性能(neng)參數測(ce)試

超聲波(bo)傷換能器(qi)設計完成(cheng)之后需(xu)要對其性(xing)能參數(shu)進行測試，主要測試項目及性(xing)能指標(biao)見(jian)表3.3。

1. 探頭回波頻率及頻率誤(wu)差測量

 a. 直(zhi)探頭回波(bo)頻率的測試（圖3.7)

 ①. 將(jiang)超聲(sheng)波換(huan)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(xie)探(tan)頭回(hui)波(bo)頻率(lv)的測量

  將超聲波換(huan)能(neng)器(qi)置于1號(hao)試塊上使用示波器(qi)觀察R100圓(yuan)弧面的最高回波。其余步驟與(yu)直探頭相同。

2. 分辨(bian)力（縱向）測量

 a. 直探頭分辨力的(de)測量(liang)

  ①. 示(shi)波器抑制置零或關，其他旋(xuan)鈕置適當(dang)位置，連接探(tan)頭(tou)并置于CSK-IA標準試塊(kuai)上(shang)，觀(guan)察聲程分別(bie)為85mm和91mm反射面的回波波形（圖3.8),移動探(tan)頭(tou)使兩波等高(gao)。

 ②. 改(gai)變靈(ling)敏(min)度(du)使兩次波(bo)幅(fu)同時達到(dao)滿幅(fu)度(du)的100%,然后測量波(bo)谷(gu)高度(du)h,則(ze)該(gai)超聲波(bo)換能器的分辨力R為   R = 20lg(100/h) ， 若h=0或兩波能完全分開，則取R>30dB。

 b. 斜探頭分辨(bian)力的測量

  ①. 如圖3.9所示，將超(chao)聲波(bo)換能器置于CSK-IA試(shi)塊的K值測量(liang)位置，確認耦合良好的情況下，觀察試(shi)塊上A(Φ50)、B(Φ44)兩孔(kong)的回波(bo)波(bo)形，移(yi)動探頭使兩波(bo)等高。

 ②. 適(shi)當調節衰減或者增益，使A、B波幅同時達到滿幅度(du)的100%,然后測量波谷高(gao)度(du)h,則(ze)該(gai)探頭的分辨力R用(yong)上(shang)式(shi)計算。若h=0或兩波能完(wan)全分開，則(ze)取(qu)R>30 dB。

 c. 小角(jiao)度探(tan)頭分辨(bian)力的測量

  將換能器放置(zhi)于K<1.5的位置(zhi)，后續步驟與斜探(tan)頭測試步驟相(xiang)同(tong)。

3. 直探頭聲軸偏(pian)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(tan)頭的(de)(de)參考方向(xiang)，以橫通(tong)孔(kong)的(de)(de)中(zhong)(zhong)心(xin)軸為(wei)參考點，將(jiang)探(tan)頭的(de)(de)幾何中(zhong)(zhong)心(xin)與其(qi)對準，然后使(shi)探(tan)頭分(fen)別(bie)沿(yan)x的(de)(de)左(zuo)右(you)兩個方向(xiang)的(de)(de)試(shi)塊中(zhong)(zhong)心(xin)線(xian)上移動，記錄孔(kong)波最(zui)高(gao)點時(shi)探(tan)頭距(ju)離(li)參考點的(de)(de)距(ju)離(li)D,其(qi)中(zhong)(zhong)孔(kong)波幅(fu)度(du)最(zui)高(gao)點在x右(you)邊(bian)時(shi)加上（十）號，在x左(zuo)邊(bian)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、小角(jiao)度(du)探頭入射(she)點的(de)測(ce)定

 a. 橫(heng)波斜探頭

   連(lian)接待測量換能(neng)器，選(xuan)取CSK-IA型(xing)準(zhun)或CSK-I型(xing)標準(zhun)試塊(kuai)，對(dui)試塊(kuai)R100圓弧面進行探測，如圖3.11所示。保持(chi)探頭(tou)與試塊(kuai)側(ce)面平行，沿左右兩(liang)個方(fang)向移動探頭(tou)，觀察R100圓弧面的(de)回(hui)波幅度達到(dao)最高時(shi)候的(de)位置，則此時(shi)換能(neng)器的(de)入(ru)射點為R100圓心刻線所對(dui)應的(de)探頭(tou)側(ce)棱上的(de)點。讀(du)數精確到(dao)0.5mm。

 b. 小角度(du)縱波探頭

  連接帶(dai)測(ce)量換(huan)能(neng)器，選(xuan)取TZS-R試塊的(de)(de)R面(mian)(mian)，測(ce)量試塊A面(mian)(mian)下棱(leng)(leng)角(jiao)，保持(chi)探(tan)(tan)頭(tou)聲束(shu)與(yu)試塊側面(mian)(mian)平行，前后移動探(tan)(tan)頭(tou)，記錄A面(mian)(mian)下棱(leng)(leng)角(jiao)回(hui)(hui)波(bo)(bo)達到最(zui)高(gao)的(de)(de)位置，此時(shi)探(tan)(tan)頭(tou)前沿至試塊A端的(de)(de)距離為x1,然(ran)后用二次反射(she)波(bo)(bo)探(tan)(tan)測(ce)A面(mian)(mian)上棱(leng)(leng)角(jiao)，同樣找(zhao)到A面(mian)(mian)上棱(leng)(leng)角(jiao)回(hui)(hui)波(bo)(bo)達到最(zui)高(gao)的(de)(de)位置，此時(shi)探(tan)(tan)頭(tou)前沿至試塊前端（A端）的(de)(de)距離為x2,則入射(she)點至探(tan)(tan)頭(tou)前沿的(de)(de)距離為  a = x₂ - 2x_{1  。}

5. 斜探頭(tou)折射角的測量

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

 測試步(bu)驟：選取1號標準試塊觀(guan)察(cha)(cha)φ50mm孔(kong)的回(hui)(hui)(hui)(hui)波，探頭的位置按如下情(qing)況放(fang)置：當K≤1.5時(shi)，觀(guan)察(cha)(cha)圖3.12a的通(tong)孔(kong)回(hui)(hui)(hui)(hui)波；1.5<K≤2.5時(shi)，觀(guan)察(cha)(cha)圖3.12b的通(tong)孔(kong)回(hui)(hui)(hui)(hui)波；當K>2.5時(shi)，探頭放(fang)置在如圖3.12c的位置，觀(guan)察(cha)(cha)φ1.5mm橫通(tong)孔(kong)的回(hui)(hui)(hui)(hui)波。前后移動探頭，找到(dao)孔(kong)的回(hui)(hui)(hui)(hui)波最高位置并固定下來，讀(du)(du)出此時(shi)入射(she)點相對應的角(jiao)度(du)刻度(du)β，β即(ji)為(wei)被測探頭折射(she)角(jiao)，讀(du)(du)數精確到(dao)0.5°。

 6. 測量小角度縱波探頭的(de)β角和(he)K值(zhi)

  選取TZS-R試塊的(de)C面(mian)(mian)或B面(mian)(mian)，并在測(ce)定探(tan)頭(tou)的(de)前沿距離a之(zhi)后，再按圖(tu)3.13所(suo)展(zhan)示(shi)的(de)方(fang)法，找到端面(mian)(mian)（A面(mian)(mian)）上棱角(jiao)的(de)最大反射波高位置，則(ze)探(tan)頭(tou)的(de)K值和β角(jiao)分別用下式計算(suan)。

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

相對(dui)靈(ling)敏度測試如(ru)下：

 a. 直(zhi)探頭相對靈(ling)敏(min)度（等同于(yu)探傷靈(ling)敏(min)度余量）測量（圖3.14).

  ①. 使用2.5MHz、Φ20直(zhi)探頭和CS-1-5或DB-PZ20-2型標(biao)準試(shi)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(tan)頭相(xiang)對(dui)靈敏度測(ce)量(liang)（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(jiao)度(du)縱(zong)波(bo)探頭相對靈敏(min)度(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、提高(gao)換能(neng)器性能(neng)措施

  優良(liang)信噪(zao)比是高(gao)性能(neng)換(huan)能(neng)器(qi)的(de)(de)(de)基(ji)本要求。常用以下兩種方法來(lai)提高(gao)換(huan)能(neng)器(qi)的(de)(de)(de)信噪(zao)比：一是增(zeng)(zeng)加激勵(li)脈沖的(de)(de)(de)電壓幅值，這樣可以增(zeng)(zeng)加發射(she)聲功(gong)率(lv)，考慮到對待檢測物體與人體的(de)(de)(de)影響以及(ji)實(shi)際電路的(de)(de)(de)實(shi)現，不可能(neng)無限地增(zeng)(zeng)加發射(she)功(gong)率(lv)；二是提高(gao)換(huan)能(neng)器(qi)本身的(de)(de)(de)靈敏(min)度。

 換(huan)能器(qi)和(he)電源內阻(zu)間的阻(zu)抗匹配(pei)影(ying)響著(zhu)換(huan)能器(qi)的靈(ling)敏度。由于待探(tan)測物體的聲阻(zu)抗與換(huan)能器(qi)材料的聲阻(zu)抗嚴重失配(pei)，這就造(zao)成了靈(ling)敏度較低。一般(ban)需要采用(yong)聲匹配(pei)和(he)電路匹配(pei)方法，提高換(huan)能器(qi)的靈(ling)敏度。換(huan)能器(qi)的靈(ling)敏度越高，使(shi)用(yong)同(tong)樣(yang)激勵，在相同(tong)的噪聲背景下，信噪比越高。

 提(ti)(ti)高(gao)(gao)超(chao)聲(sheng)(sheng)波(bo)換能(neng)器(qi)的(de)(de)縱向(xiang)和橫(heng)(heng)向(xiang)分(fen)(fen)辨(bian)率也能(neng)改善換能(neng)器(qi)的(de)(de)性能(neng)。目前(qian)主要是通過(guo)提(ti)(ti)高(gao)(gao)換能(neng)器(qi)的(de)(de)工作頻率以及(ji)改善換能(neng)器(qi)的(de)(de)脈沖響應，實(shi)現寬(kuan)帶窄脈沖。縱向(xiang)分(fen)(fen)辨(bian)率的(de)(de)提(ti)(ti)高(gao)(gao)主要是通過(guo)聲(sheng)(sheng)電匹配。換能(neng)器(qi)的(de)(de)聲(sheng)(sheng)束寬(kuan)度決定了(le)超(chao)聲(sheng)(sheng)檢測(ce)系統(tong)的(de)(de)橫(heng)(heng)向(xiang)分(fen)(fen)辨(bian)率，采用聚焦超(chao)聲(sheng)(sheng)換能(neng)器(qi)，是提(ti)(ti)高(gao)(gao)換能(neng)器(qi)橫(heng)(heng)向(xiang)分(fen)(fen)辨(bian)率最有(you)效的(de)(de)方法。

四、換能器的評價

  在(zai)超(chao)聲(sheng)(sheng)波技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)中，超(chao)聲(sheng)(sheng)波換(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)是(shi)(shi)(shi)一(yi)個非(fei)常重(zhong)要的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)部分，可(ke)以說超(chao)聲(sheng)(sheng)技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)發(fa)(fa)(fa)展直(zhi)接取決于(yu)其研發(fa)(fa)(fa)水平(ping)。超(chao)聲(sheng)(sheng)換(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)研究與(yu)現代(dai)科學技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)密切(qie)相(xiang)關。超(chao)聲(sheng)(sheng)換(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)發(fa)(fa)(fa)展水平(ping)越(yue)來越(yue)受到電子技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)、自動控制技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)、計算機(ji)技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)以及(ji)(ji)新材料技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)發(fa)(fa)(fa)展的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)影(ying)響(xiang)。超(chao)聲(sheng)(sheng)波換(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)中最(zui)重(zhong)要的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)就(jiu)是(shi)(shi)(shi)換(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)材料，高效、廉價、無污染的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)新型(xing)換(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)材料的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)研制是(shi)(shi)(shi)目前的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)主要發(fa)(fa)(fa)展方向(xiang)。在(zai)換(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)材料研發(fa)(fa)(fa)方面，弛豫型(xing)壓電單晶材料具(ju)有(you)較好(hao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)發(fa)(fa)(fa)展前景，如鈮鎂酸(suan)(suan)鉛(qian)－鈦(tai)酸(suan)(suan)鉛(qian)以及(ji)(ji)鈮鋅酸(suan)(suan)鉛(qian)－鈦(tai)酸(suan)(suan)鉛(qian)等，有(you)望(wang)在(zai)超(chao)聲(sheng)(sheng)等技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)中獲得更為(wei)廣泛的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)應用。換(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)測(ce)試(shi)(shi)技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)則主要體現在(zai)如何實(shi)現大功率超(chao)聲(sheng)(sheng)換(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)性能(neng)(neng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)實(shi)時測(ce)試(shi)(shi)與(yu)定量測(ce)試(shi)(shi)，這也和超(chao)聲(sheng)(sheng)波換(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)發(fa)(fa)(fa)展有(you)著(zhu)密切(qie)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)關系(xi)。

 總之，超(chao)(chao)聲技術(shu)中的(de)(de)(de)(de)(de)(de)兩(liang)個主要(yao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)研(yan)究(jiu)(jiu)方面(mian)就是超(chao)(chao)聲波的(de)(de)(de)(de)(de)(de)產生與測(ce)試(shi)，兩(liang)者(zhe)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)發(fa)展是相互影(ying)響(xiang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)。目(mu)前(qian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)情況是超(chao)(chao)聲的(de)(de)(de)(de)(de)(de)測(ce)試(shi)技術(shu)發(fa)展滯后于超(chao)(chao)聲的(de)(de)(de)(de)(de)(de)產生技術(shu)研(yan)究(jiu)(jiu)，可(ke)以預見，隨著(zhu)超(chao)(chao)聲換能(neng)器技術(shu)水平提(ti)高，超(chao)(chao)聲技術(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)發(fa)展一定會(hui)隨之進人新的(de)(de)(de)(de)(de)(de)階(jie)段(duan)。