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)響超聲波探(tan)傷換(huan)能(neng)器性能(neng)的主(zhu)要參數

 超聲(sheng)波(bo)換能器性能的主要參數包(bao)括頻(pin)率(lv)響應、相對靈敏度、時間域響應、電阻(zu)抗、聲(sheng)束(shu)擴散特性、斜(xie)探頭的入射點(dian)和折射角(jiao)、聲(sheng)軸偏斜(xie)角(jiao)和雙峰等。

a. 頻率(lv)響應

  指在指定物體上測得的超聲波回波的頻(pin)率特(te)性。在用頻(pin)譜分析儀測試(shi)頻(pin)率特(te)性時，從所得頻(pin)譜圖中得到(dao)換能器(qi)的中心頻(pin)率、峰值頻(pin)率、帶寬等參數。

b. 相對靈敏(min)度

  即在(zai)指定的(de)介質、聲程和反射體上，換(huan)能器將聲能轉(zhuan)換(huan)成電能的(de)轉(zhuan)換(huan)效率。

c. 時(shi)間域響應(ying)

  通過(guo)超聲(sheng)波回波的形(xing)狀、寬(kuan)度(du)、峰(feng)數可以(yi)對換能器的時(shi)間(jian)域相應進行評(ping)估。

d. 超聲(sheng)波(bo)換(huan)能器的聲(sheng)場特性

  包括距離幅(fu)度(du)特性(xing)(xing)、聲束(shu)擴(kuo)散特性(xing)(xing)、聲軸偏斜角等(deng)。影響聲場特性(xing)(xing)的(de)因素主要包括超(chao)聲波傳遞介質以及(ji)超(chao)聲波換能器頻(pin)率成(cheng)分的(de)非單一性(xing)(xing)。

e. 斜探頭(tou)的(de)人射點

  斜探頭的(de)(de)人射(she)點(dian)是(shi)指斜楔中縱波(bo)聲軸入(ru)射(she)到換(huan)能器(qi)(qi)底面的(de)(de)交點(dian)。為(wei)了(le)方便(bian)對缺陷(xian)進(jin)行定(ding)位和測定(ding)換(huan)能器(qi)(qi)的(de)(de)K值，應先測定(ding)出換(huan)能器(qi)(qi)的(de)(de)入(ru)射(she)點(dian)和前沿(yan)長度(du)。

f. 斜探頭前沿距(ju)離(li)

  斜探頭前(qian)沿(yan)距離(li)是從斜探頭人射(she)點到換能器(qi)底面(mian)前(qian)端的距離(li)，此(ci)值(zhi)在(zai)實際(ji)探測時可用(yong)來在(zai)工件表面(mian)上確(que)定缺陷(xian)距換能器(qi)前(qian)端的水平投(tou)影距離(li)。

二、超聲波探傷換能器性能參(can)數測試

超(chao)聲(sheng)波傷換能(neng)器(qi)設計完成之(zhi)后需要對其性(xing)能(neng)參數進行測試(shi)，主要測試(shi)項目及性(xing)能(neng)指標見表3.3。

1. 探(tan)頭回波(bo)頻率及頻率誤(wu)差測量

 a. 直(zhi)探頭回波頻率的測試（圖3.7)

 ①. 將(jiang)超聲波換能器(qi)置于(yu)1號(hao)標(biao)準試(shi)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(xie)探(tan)頭回波頻率的測(ce)量

  將(jiang)超聲波換能(neng)器(qi)置于1號試塊上使(shi)用示波器(qi)觀(guan)察R100圓弧面的最高回(hui)波。其余步驟與直探頭相同(tong)。

2. 分(fen)辨力（縱向）測量(liang)

 a. 直探頭分辨力的測量

  ①. 示(shi)波(bo)(bo)器抑(yi)制置零或關，其他旋鈕置適當位(wei)置，連(lian)接探(tan)(tan)頭并置于CSK-IA標準試塊上，觀察聲(sheng)程分別為(wei)85mm和91mm反射面的回波(bo)(bo)波(bo)(bo)形(xing)（圖(tu)3.8),移動探(tan)(tan)頭使兩(liang)波(bo)(bo)等高。

 ②. 改變靈(ling)敏度使兩(liang)次波幅同時達到(dao)滿幅度的100%,然后(hou)測量波谷高度h,則該超聲波換能器的分辨(bian)力R為   R = 20lg(100/h) ， 若h=0或兩波能完全分開，則取(qu)R>30dB。

 b. 斜探頭(tou)分辨力的測量

  ①. 如圖3.9所示，將(jiang)超(chao)聲波(bo)換(huan)能(neng)器(qi)置于CSK-IA試(shi)塊的K值測量位置，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(tou)使兩波(bo)等(deng)高。

 ②. 適當調節(jie)衰減(jian)或(huo)者增益(yi)，使(shi)A、B波幅同時達到(dao)滿幅度的(de)100%,然后測量波谷高度h,則該探頭的(de)分(fen)辨力(li)R用上式計(ji)算(suan)。若h=0或(huo)兩波能完全分(fen)開，則取R>30 dB。

 c. 小角度探(tan)頭(tou)分辨力的測量

  將換能器放(fang)置于K<1.5的位置，后續步驟與(yu)斜探頭測試步驟相同。

3. 直(zhi)探頭聲(sheng)軸偏斜角的(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. 標出探(tan)頭(tou)的(de)(de)(de)(de)參考方(fang)向(xiang)，以橫通孔的(de)(de)(de)(de)中心(xin)軸(zhou)為參考點(dian)，將(jiang)探(tan)頭(tou)的(de)(de)(de)(de)幾(ji)何中心(xin)與(yu)其對準，然后使探(tan)頭(tou)分別沿x的(de)(de)(de)(de)左(zuo)右兩個(ge)方(fang)向(xiang)的(de)(de)(de)(de)試塊中心(xin)線(xian)上移動(dong)，記錄(lu)孔波最(zui)高(gao)(gao)點(dian)時探(tan)頭(tou)距離參考點(dian)的(de)(de)(de)(de)距離D,其中孔波幅度(du)最(zui)高(gao)(gao)點(dian)在(zai)x右邊(bian)時加(jia)(jia)上（十）號，在(zai)x左(zuo)邊(bian)時加(jia)(jia)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(tan)頭、小(xiao)角度(du)探(tan)頭入射點的(de)測定

 a. 橫波斜(xie)探頭

   連接待測量(liang)換能器，選取CSK-IA型準或CSK-I型標(biao)準試(shi)塊，對(dui)試(shi)塊R100圓弧面(mian)進行(xing)探測，如(ru)圖(tu)3.11所(suo)示。保持探頭與試(shi)塊側面(mian)平行(xing)，沿左右兩個(ge)方向移動(dong)探頭，觀(guan)察R100圓弧面(mian)的(de)回波幅度達到最高(gao)時候的(de)位置，則此時換能器的(de)入射(she)點為R100圓心刻線所(suo)對(dui)應的(de)探頭側棱上的(de)點。讀數精(jing)確到0.5mm。

 b. 小角(jiao)度縱波探(tan)頭

  連接帶(dai)測(ce)量(liang)換能(neng)器，選取TZS-R試(shi)塊(kuai)的(de)(de)R面(mian)，測(ce)量(liang)試(shi)塊(kuai)A面(mian)下(xia)棱(leng)(leng)角(jiao)，保持探頭聲束與試(shi)塊(kuai)側面(mian)平行，前(qian)后(hou)移動(dong)探頭，記(ji)錄(lu)A面(mian)下(xia)棱(leng)(leng)角(jiao)回波(bo)達到最(zui)(zui)高(gao)的(de)(de)位(wei)置，此時探頭前(qian)沿至(zhi)試(shi)塊(kuai)A端(duan)(duan)的(de)(de)距(ju)離為(wei)x1,然后(hou)用(yong)二次反射(she)波(bo)探測(ce)A面(mian)上(shang)(shang)棱(leng)(leng)角(jiao)，同樣找到A面(mian)上(shang)(shang)棱(leng)(leng)角(jiao)回波(bo)達到最(zui)(zui)高(gao)的(de)(de)位(wei)置，此時探頭前(qian)沿至(zhi)試(shi)塊(kuai)前(qian)端(duan)(duan)（A端(duan)(duan)）的(de)(de)距(ju)離為(wei)x2,則入射(she)點至(zhi)探頭前(qian)沿的(de)(de)距(ju)離為(wei)  a = x₂ - 2x_{1  。}

5. 斜(xie)探(tan)頭折射角的測(ce)量(liang)

 測試設備包(bao)括探(tan)傷儀、1號標準(zhun)試塊和刻度尺(chi)。

 測(ce)試(shi)步驟(zou)：選取1號(hao)標準(zhun)試(shi)塊觀(guan)察φ50mm孔(kong)的(de)(de)回(hui)波，探(tan)頭的(de)(de)位(wei)置按(an)如(ru)下情況放(fang)置：當(dang)K≤1.5時(shi)(shi)，觀(guan)察圖(tu)3.12a的(de)(de)通孔(kong)回(hui)波；1.5<K≤2.5時(shi)(shi)，觀(guan)察圖(tu)3.12b的(de)(de)通孔(kong)回(hui)波；當(dang)K>2.5時(shi)(shi)，探(tan)頭放(fang)置在如(ru)圖(tu)3.12c的(de)(de)位(wei)置，觀(guan)察φ1.5mm橫(heng)通孔(kong)的(de)(de)回(hui)波。前后(hou)移動探(tan)頭，找(zhao)到孔(kong)的(de)(de)回(hui)波最高位(wei)置并固定下來(lai)，讀出此時(shi)(shi)入(ru)射(she)點相對應的(de)(de)角度刻度β，β即為被測(ce)探(tan)頭折射(she)角，讀數精確到0.5°。

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

  選取TZS-R試塊的C面(mian)(mian)或B面(mian)(mian)，并在(zai)測定探頭(tou)的前沿距離a之后(hou)，再按(an)圖3.13所(suo)展示的方法，找到端面(mian)(mian)（A面(mian)(mian)）上棱(leng)角的最大反射波高位置，則(ze)探頭(tou)的K值和β角分別用下式計算。

小角(jiao)(jiao)度(du)探頭人射(she)角(jiao)(jiao)α和折射(she)角(jiao)(jiao)β對(dui)應關系(xi)見表3.4 (斜塊聲速取2730m/s)。

相對靈敏度測試(shi)如下：

 a. 直探(tan)頭相(xiang)對靈敏度(du)（等同于(yu)探(tan)傷靈敏度(du)余量）測量（圖3.14).

  ①. 使用2.5MHz、Φ20直探頭和CS-1-5或DB-PZ20-2型標準試塊(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(tan)頭相對靈敏(min)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. 小角度縱(zong)波探頭相對靈(ling)敏度測(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、提高換能器性能措施

  優良信噪比是(shi)高性能(neng)(neng)換(huan)(huan)能(neng)(neng)器的基本(ben)要求。常用(yong)以(yi)下兩種方法(fa)來提高換(huan)(huan)能(neng)(neng)器的信噪比：一是(shi)增加(jia)激勵脈沖的電壓幅值，這樣可以(yi)增加(jia)發射聲(sheng)功率(lv)，考慮到對待檢測物體(ti)與(yu)人(ren)體(ti)的影響以(yi)及實際電路(lu)的實現，不可能(neng)(neng)無限地增加(jia)發射功率(lv)；二是(shi)提高換(huan)(huan)能(neng)(neng)器本(ben)身的靈(ling)敏度(du)。

 換(huan)(huan)(huan)能器(qi)(qi)和(he)電源內阻(zu)(zu)間的(de)阻(zu)(zu)抗(kang)(kang)匹配(pei)影響著換(huan)(huan)(huan)能器(qi)(qi)的(de)靈(ling)敏度(du)。由于待(dai)探測物(wu)體(ti)的(de)聲阻(zu)(zu)抗(kang)(kang)與換(huan)(huan)(huan)能器(qi)(qi)材料的(de)聲阻(zu)(zu)抗(kang)(kang)嚴重失(shi)配(pei)，這就造成了靈(ling)敏度(du)較低。一般(ban)需要采用聲匹配(pei)和(he)電路匹配(pei)方法，提高換(huan)(huan)(huan)能器(qi)(qi)的(de)靈(ling)敏度(du)。換(huan)(huan)(huan)能器(qi)(qi)的(de)靈(ling)敏度(du)越高，使(shi)用同樣激勵，在(zai)相(xiang)同的(de)噪聲背景下，信噪比越高。

 提(ti)高超(chao)(chao)聲(sheng)波換(huan)能器(qi)的(de)(de)縱向(xiang)(xiang)(xiang)和橫向(xiang)(xiang)(xiang)分(fen)(fen)辨率也(ye)能改善換(huan)能器(qi)的(de)(de)性能。目(mu)前主要是(shi)通過提(ti)高換(huan)能器(qi)的(de)(de)工(gong)作頻率以(yi)及改善換(huan)能器(qi)的(de)(de)脈沖響應，實現寬帶窄脈沖。縱向(xiang)(xiang)(xiang)分(fen)(fen)辨率的(de)(de)提(ti)高主要是(shi)通過聲(sheng)電(dian)匹(pi)配(pei)。換(huan)能器(qi)的(de)(de)聲(sheng)束寬度決定了超(chao)(chao)聲(sheng)檢測系統的(de)(de)橫向(xiang)(xiang)(xiang)分(fen)(fen)辨率，采用聚焦超(chao)(chao)聲(sheng)換(huan)能器(qi)，是(shi)提(ti)高換(huan)能器(qi)橫向(xiang)(xiang)(xiang)分(fen)(fen)辨率最有效(xiao)的(de)(de)方法。

四、換能器的(de)評價

  在超(chao)(chao)(chao)聲(sheng)波技(ji)(ji)術(shu)(shu)中，超(chao)(chao)(chao)聲(sheng)波換(huan)(huan)能(neng)器(qi)(qi)是一個非常重(zhong)(zhong)要(yao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)部(bu)分，可以(yi)說超(chao)(chao)(chao)聲(sheng)技(ji)(ji)術(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)發(fa)(fa)(fa)展(zhan)(zhan)直接取決于其研(yan)發(fa)(fa)(fa)水(shui)平。超(chao)(chao)(chao)聲(sheng)換(huan)(huan)能(neng)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)研(yan)究與現(xian)代(dai)科學技(ji)(ji)術(shu)(shu)密切相關。超(chao)(chao)(chao)聲(sheng)換(huan)(huan)能(neng)器(qi)(qi)發(fa)(fa)(fa)展(zhan)(zhan)水(shui)平越來越受到電子技(ji)(ji)術(shu)(shu)、自動控(kong)制技(ji)(ji)術(shu)(shu)、計算(suan)機技(ji)(ji)術(shu)(shu)以(yi)及(ji)新材(cai)料(liao)技(ji)(ji)術(shu)(shu)發(fa)(fa)(fa)展(zhan)(zhan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)影響。超(chao)(chao)(chao)聲(sheng)波換(huan)(huan)能(neng)器(qi)(qi)中最重(zhong)(zhong)要(yao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)就(jiu)是換(huan)(huan)能(neng)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)材(cai)料(liao)，高效、廉價、無污染(ran)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)新型換(huan)(huan)能(neng)器(qi)(qi)材(cai)料(liao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)研(yan)制是目(mu)前的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)主要(yao)發(fa)(fa)(fa)展(zhan)(zhan)方向。在換(huan)(huan)能(neng)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)材(cai)料(liao)研(yan)發(fa)(fa)(fa)方面，弛豫型壓電單晶材(cai)料(liao)具(ju)有較(jiao)好的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)發(fa)(fa)(fa)展(zhan)(zhan)前景(jing)，如鈮鎂(mei)酸鉛－鈦酸鉛以(yi)及(ji)鈮鋅酸鉛－鈦酸鉛等，有望(wang)在超(chao)(chao)(chao)聲(sheng)等技(ji)(ji)術(shu)(shu)中獲(huo)得(de)更為(wei)廣泛的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)應用。換(huan)(huan)能(neng)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)測試(shi)(shi)技(ji)(ji)術(shu)(shu)則(ze)主要(yao)體現(xian)在如何(he)實(shi)現(xian)大功率超(chao)(chao)(chao)聲(sheng)換(huan)(huan)能(neng)器(qi)(qi)性能(neng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)實(shi)時測試(shi)(shi)與定量(liang)測試(shi)(shi)，這也(ye)和(he)超(chao)(chao)(chao)聲(sheng)波換(huan)(huan)能(neng)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)發(fa)(fa)(fa)展(zhan)(zhan)有著密切的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)關系。

 總(zong)之，超(chao)(chao)聲(sheng)技術(shu)中的兩(liang)個(ge)主要的研(yan)究方面就是超(chao)(chao)聲(sheng)波的產生(sheng)(sheng)與(yu)測試，兩(liang)者的發展是相互影響的。目(mu)前的情況(kuang)是超(chao)(chao)聲(sheng)的測試技術(shu)發展滯后(hou)于(yu)超(chao)(chao)聲(sheng)的產生(sheng)(sheng)技術(shu)研(yan)究，可以預見，隨著超(chao)(chao)聲(sheng)換能(neng)器技術(shu)水(shui)平提高，超(chao)(chao)聲(sheng)技術(shu)的發展一定會隨之進人新(xin)的階段。