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)響超聲波探傷換能器性能的主要參數

 超(chao)聲(sheng)波換能器(qi)性能的主(zhu)要參數包(bao)括頻率(lv)響(xiang)應、相對(dui)靈敏(min)度、時間域響(xiang)應、電阻抗、聲(sheng)束擴(kuo)散特性、斜探(tan)頭的入射點和折射角、聲(sheng)軸偏斜角和雙峰等(deng)。

a. 頻率響(xiang)應

  指在指定物體上(shang)測得(de)(de)的(de)(de)超聲波回波的(de)(de)頻率(lv)特性。在用(yong)頻譜(pu)分析儀測試頻率(lv)特性時，從(cong)所得(de)(de)頻譜(pu)圖中得(de)(de)到(dao)換(huan)能器的(de)(de)中心頻率(lv)、峰(feng)值頻率(lv)、帶寬(kuan)等參數(shu)。

b. 相對(dui)靈敏度(du)

  即在指定的介(jie)質、聲程(cheng)和反射(she)體上，換能器(qi)將聲能轉換成電能的轉換效率。

c. 時間域響(xiang)應

  通過(guo)超聲波回(hui)波的(de)形狀、寬度(du)、峰數可以(yi)對(dui)換能器的(de)時間域(yu)相應進(jin)行評估(gu)。

d. 超聲波換能器的聲場(chang)特性(xing)

  包括(kuo)距離幅(fu)度特(te)性、聲束擴散特(te)性、聲軸(zhou)偏斜角等。影(ying)響聲場特(te)性的(de)因素(su)主要包括(kuo)超(chao)聲波傳遞(di)介質以(yi)及超(chao)聲波換能(neng)器頻率成分的(de)非單一性。

e. 斜探頭(tou)的人射點

  斜(xie)探頭的(de)人射(she)點(dian)是指斜(xie)楔中縱波聲軸入射(she)到換能(neng)器底面的(de)交點(dian)。為了(le)方便對(dui)缺陷進行定(ding)(ding)位和測定(ding)(ding)換能(neng)器的(de)K值(zhi)，應(ying)先測定(ding)(ding)出(chu)換能(neng)器的(de)入射(she)點(dian)和前沿長度。

f. 斜探頭前沿距(ju)離(li)

  斜探(tan)頭(tou)(tou)前沿距(ju)離是從斜探(tan)頭(tou)(tou)人(ren)射(she)點到換能器底面(mian)前端的距(ju)離，此值在實(shi)際探(tan)測時可用來在工(gong)件(jian)表面(mian)上確定缺陷距(ju)換能器前端的水平投影距(ju)離。

二、超聲波探傷換能器(qi)性能參數測(ce)試(shi)

超聲波傷換能器設計(ji)完成之后需(xu)要對其性(xing)能參(can)數進(jin)行(xing)測(ce)試，主要測(ce)試項目及性(xing)能指(zhi)標見表3.3。

1. 探頭回波頻率(lv)及頻率(lv)誤(wu)差測量

 a. 直探頭回(hui)波(bo)頻率的測試(shi)（圖(tu)3.7)

 ①. 將超聲波(bo)換能器置于(yu)1號(hao)標準(zhun)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(tan)頭回波頻率的測(ce)量(liang)

  將超聲波(bo)換能器置于1號試塊上使用示波(bo)器觀察R100圓(yuan)弧面的最高回波(bo)。其余步驟與直(zhi)探頭相同(tong)。

2. 分辨力（縱(zong)向）測量

 a. 直探頭(tou)分辨力的測(ce)量

  ①. 示(shi)波器(qi)抑制置(zhi)零或關，其他旋鈕(niu)置(zhi)適當位置(zhi)，連接探(tan)(tan)頭(tou)并置(zhi)于CSK-IA標準試塊上，觀察聲程分別為85mm和91mm反射面的回(hui)波波形(xing)（圖3.8),移動探(tan)(tan)頭(tou)使兩波等高。

 ②. 改變靈(ling)敏度(du)使兩次波幅(fu)同時達到(dao)滿幅(fu)度(du)的(de)100%,然后測量波谷高度(du)h,則(ze)該(gai)超(chao)聲波換能器的(de)分(fen)辨力R為   R = 20lg(100/h) ， 若h=0或兩波能完全(quan)分開，則取(qu)R>30dB。

 b. 斜(xie)探頭分辨(bian)力的測量

  ①. 如圖3.9所示，將超聲波換能器置于CSK-IA試塊的K值測量(liang)位置，確(que)認耦合良好的情況(kuang)下，觀察試塊上A(Φ50)、B(Φ44)兩孔的回波波形，移(yi)動探頭使兩波等高。

 ②. 適(shi)當調節衰減或(huo)(huo)者(zhe)增益(yi)，使A、B波(bo)幅同時達到滿幅度的100%,然(ran)后測量波(bo)谷(gu)高度h,則(ze)(ze)該探頭的分辨力R用(yong)上式計算(suan)。若h=0或(huo)(huo)兩波(bo)能(neng)完全分開，則(ze)(ze)取R>30 dB。

 c. 小(xiao)角(jiao)度探頭分辨(bian)力的(de)測量

  將換能(neng)器放(fang)置(zhi)于(yu)K<1.5的位置(zhi)，后續步(bu)驟(zou)與斜探頭測試步(bu)驟(zou)相同(tong)。

3. 直探頭(tou)聲(sheng)軸偏(pian)斜(xie)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)(tan)頭(tou)(tou)的(de)(de)參(can)考方向(xiang)，以橫通孔(kong)的(de)(de)中心(xin)軸為參(can)考點(dian)，將(jiang)探(tan)(tan)頭(tou)(tou)的(de)(de)幾何(he)中心(xin)與其(qi)對準(zhun)，然后使探(tan)(tan)頭(tou)(tou)分別沿(yan)x的(de)(de)左右兩個方向(xiang)的(de)(de)試塊(kuai)中心(xin)線上(shang)移動(dong)，記錄孔(kong)波最高點(dian)時探(tan)(tan)頭(tou)(tou)距離(li)參(can)考點(dian)的(de)(de)距離(li)D,其(qi)中孔(kong)波幅度最高點(dian)在(zai)x右邊(bian)時加上(shang)（十(shi)）號(hao)，在(zai)x左邊(bian)時加上(shang)（一）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(tou)、小角(jiao)度探(tan)頭(tou)入(ru)射(she)點的測(ce)定

 a. 橫波斜探頭

   連接(jie)待(dai)測量換能(neng)器，選取CSK-IA型(xing)準(zhun)或CSK-I型(xing)標準(zhun)試(shi)(shi)塊(kuai)，對(dui)試(shi)(shi)塊(kuai)R100圓弧面進(jin)行探測，如圖3.11所示。保持(chi)探頭與試(shi)(shi)塊(kuai)側(ce)(ce)面平行，沿左右兩個方向移動探頭，觀察R100圓弧面的(de)回(hui)波幅度達到最高時(shi)候的(de)位置，則此(ci)時(shi)換能(neng)器的(de)入射(she)點(dian)為(wei)R100圓心刻線所對(dui)應的(de)探頭側(ce)(ce)棱上的(de)點(dian)。讀(du)數精確到0.5mm。

 b. 小角度縱波探頭

  連接帶測(ce)量(liang)換能器(qi)，選取(qu)TZS-R試(shi)(shi)塊(kuai)(kuai)的(de)(de)R面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)，測(ce)量(liang)試(shi)(shi)塊(kuai)(kuai)A面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)下棱角(jiao)，保持探(tan)頭(tou)聲束與試(shi)(shi)塊(kuai)(kuai)側面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)平(ping)行(xing)，前后(hou)移動(dong)探(tan)頭(tou)，記錄A面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)下棱角(jiao)回波達到最高(gao)的(de)(de)位置，此時探(tan)頭(tou)前沿(yan)(yan)至試(shi)(shi)塊(kuai)(kuai)A端的(de)(de)距(ju)離(li)為(wei)x1,然后(hou)用二次反射波探(tan)測(ce)A面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)上棱角(jiao)，同樣找(zhao)到A面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)上棱角(jiao)回波達到最高(gao)的(de)(de)位置，此時探(tan)頭(tou)前沿(yan)(yan)至試(shi)(shi)塊(kuai)(kuai)前端（A端）的(de)(de)距(ju)離(li)為(wei)x2,則(ze)入射點至探(tan)頭(tou)前沿(yan)(yan)的(de)(de)距(ju)離(li)為(wei)  a = x₂ - 2x_{1  。}

5. 斜探頭折(zhe)射角的測量(liang)

 測試設備包括(kuo)探傷儀、1號標準試塊和刻度尺。

 測試步驟：選(xuan)取1號(hao)標準試塊觀(guan)察(cha)φ50mm孔(kong)的(de)(de)回(hui)波(bo)(bo)，探(tan)頭(tou)的(de)(de)位(wei)置(zhi)按如(ru)下(xia)情況放置(zhi)：當K≤1.5時(shi)(shi)，觀(guan)察(cha)圖(tu)3.12a的(de)(de)通(tong)孔(kong)回(hui)波(bo)(bo)；1.5<K≤2.5時(shi)(shi)，觀(guan)察(cha)圖(tu)3.12b的(de)(de)通(tong)孔(kong)回(hui)波(bo)(bo)；當K>2.5時(shi)(shi)，探(tan)頭(tou)放置(zhi)在如(ru)圖(tu)3.12c的(de)(de)位(wei)置(zhi)，觀(guan)察(cha)φ1.5mm橫通(tong)孔(kong)的(de)(de)回(hui)波(bo)(bo)。前后(hou)移動探(tan)頭(tou)，找(zhao)到(dao)孔(kong)的(de)(de)回(hui)波(bo)(bo)最(zui)高位(wei)置(zhi)并(bing)固定(ding)下(xia)來，讀出此時(shi)(shi)入射點相對應的(de)(de)角度刻度β，β即為被(bei)測探(tan)頭(tou)折(zhe)射角，讀數精(jing)確到(dao)0.5°。

 6. 測量小角度縱(zong)波探頭的β角和K值

  選取TZS-R試(shi)塊的(de)C面(mian)或(huo)B面(mian)，并在測定探頭的(de)前沿(yan)距離a之后，再按圖3.13所展示的(de)方(fang)法，找到端面(mian)（A面(mian)）上棱角(jiao)的(de)最大反射(she)波高位置，則探頭的(de)K值和β角(jiao)分別用下式計算。

小角(jiao)(jiao)度探頭人射(she)角(jiao)(jiao)α和折射(she)角(jiao)(jiao)β對應(ying)關系見表3.4 (斜塊聲速取2730m/s)。

相對靈(ling)敏度測試如(ru)下：

 a. 直探(tan)頭相對靈(ling)敏度(du)（等同于探(tan)傷靈(ling)敏度(du)余量）測(ce)量（圖3.14).

  ①. 使(shi)用2.5MHz、Φ20直探頭和CS-1-5或DB-PZ20-2型標(biao)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. 斜探頭相對(dui)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(jiao)度縱(zong)波探(tan)頭相對靈敏度測量(liang)

  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(xing)能(neng)措施

  優良(liang)信(xin)噪比是高(gao)性能換能器的(de)(de)(de)基本(ben)要求。常(chang)用以(yi)下兩種方(fang)法來提高(gao)換能器的(de)(de)(de)信(xin)噪比：一是增加激勵脈沖的(de)(de)(de)電壓幅值，這樣(yang)可以(yi)增加發射(she)聲功率(lv)，考慮到對待檢測物體(ti)與(yu)人體(ti)的(de)(de)(de)影響以(yi)及(ji)實際電路(lu)的(de)(de)(de)實現，不可能無(wu)限地增加發射(she)功率(lv)；二是提高(gao)換能器本(ben)身的(de)(de)(de)靈敏(min)度。

 換(huan)(huan)(huan)能(neng)(neng)器和電源內阻間的(de)(de)(de)阻抗(kang)(kang)匹(pi)配影響著(zhu)換(huan)(huan)(huan)能(neng)(neng)器的(de)(de)(de)靈敏度(du)。由于待探測物體的(de)(de)(de)聲(sheng)阻抗(kang)(kang)與(yu)換(huan)(huan)(huan)能(neng)(neng)器材料的(de)(de)(de)聲(sheng)阻抗(kang)(kang)嚴重失配，這(zhe)就造成了(le)靈敏度(du)較低。一(yi)般需要采用聲(sheng)匹(pi)配和電路匹(pi)配方法(fa)，提(ti)高(gao)換(huan)(huan)(huan)能(neng)(neng)器的(de)(de)(de)靈敏度(du)。換(huan)(huan)(huan)能(neng)(neng)器的(de)(de)(de)靈敏度(du)越(yue)高(gao)，使用同(tong)樣激勵，在相同(tong)的(de)(de)(de)噪聲(sheng)背景下，信(xin)噪比越(yue)高(gao)。

 提高超聲波換(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)(qi)的(de)(de)縱向和橫向分(fen)辨率(lv)也(ye)能(neng)(neng)改善(shan)換(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)(qi)的(de)(de)性能(neng)(neng)。目前(qian)主(zhu)(zhu)要是通過提高換(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)(qi)的(de)(de)工作頻率(lv)以及改善(shan)換(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)(qi)的(de)(de)脈(mo)(mo)沖響應(ying)，實(shi)現寬帶窄脈(mo)(mo)沖。縱向分(fen)辨率(lv)的(de)(de)提高主(zhu)(zhu)要是通過聲電匹配。換(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)(qi)的(de)(de)聲束寬度(du)決定了超聲檢測(ce)系統的(de)(de)橫向分(fen)辨率(lv)，采用聚焦超聲換(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)(qi)，是提高換(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)(qi)橫向分(fen)辨率(lv)最有效的(de)(de)方法。

四、換能器的(de)評價

  在超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)波技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)中，超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)波換(huan)(huan)能(neng)(neng)(neng)(neng)器(qi)是(shi)(shi)一個非常重要的(de)(de)部分(fen)，可以說(shuo)超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)的(de)(de)發(fa)展(zhan)(zhan)直(zhi)接取決于其研(yan)發(fa)水(shui)平。超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)換(huan)(huan)能(neng)(neng)(neng)(neng)器(qi)的(de)(de)研(yan)究與現(xian)代科學(xue)技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)密切相(xiang)關(guan)。超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)換(huan)(huan)能(neng)(neng)(neng)(neng)器(qi)發(fa)展(zhan)(zhan)水(shui)平越(yue)來越(yue)受到電子技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)、自動控制技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)、計算機技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)以及(ji)新(xin)材(cai)(cai)(cai)料技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)發(fa)展(zhan)(zhan)的(de)(de)影響。超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)波換(huan)(huan)能(neng)(neng)(neng)(neng)器(qi)中最(zui)重要的(de)(de)就(jiu)是(shi)(shi)換(huan)(huan)能(neng)(neng)(neng)(neng)器(qi)的(de)(de)材(cai)(cai)(cai)料，高效(xiao)、廉價(jia)、無污(wu)染的(de)(de)新(xin)型(xing)(xing)換(huan)(huan)能(neng)(neng)(neng)(neng)器(qi)材(cai)(cai)(cai)料的(de)(de)研(yan)制是(shi)(shi)目前的(de)(de)主要發(fa)展(zhan)(zhan)方(fang)向。在換(huan)(huan)能(neng)(neng)(neng)(neng)器(qi)的(de)(de)材(cai)(cai)(cai)料研(yan)發(fa)方(fang)面(mian)，弛豫型(xing)(xing)壓電單晶(jing)材(cai)(cai)(cai)料具有較好(hao)的(de)(de)發(fa)展(zhan)(zhan)前景，如(ru)(ru)鈮鎂酸鉛(qian)(qian)－鈦酸鉛(qian)(qian)以及(ji)鈮鋅(xin)酸鉛(qian)(qian)－鈦酸鉛(qian)(qian)等(deng)(deng)，有望在超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)等(deng)(deng)技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)中獲得更為廣(guang)泛的(de)(de)應用。換(huan)(huan)能(neng)(neng)(neng)(neng)器(qi)的(de)(de)測(ce)試技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)則主要體現(xian)在如(ru)(ru)何實現(xian)大功率超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)換(huan)(huan)能(neng)(neng)(neng)(neng)器(qi)性能(neng)(neng)(neng)(neng)的(de)(de)實時測(ce)試與定量測(ce)試，這也和超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)波換(huan)(huan)能(neng)(neng)(neng)(neng)器(qi)的(de)(de)發(fa)展(zhan)(zhan)有著密切的(de)(de)關(guan)系。

 總之(zhi)，超聲技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)中的(de)(de)兩個主要(yao)的(de)(de)研究方面就是(shi)(shi)超聲波的(de)(de)產生與(yu)測試，兩者的(de)(de)發(fa)展(zhan)是(shi)(shi)相(xiang)互(hu)影響(xiang)的(de)(de)。目(mu)前的(de)(de)情況是(shi)(shi)超聲的(de)(de)測試技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)發(fa)展(zhan)滯后于(yu)超聲的(de)(de)產生技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)研究，可以預見，隨(sui)著超聲換能器(qi)技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)水平提(ti)高，超聲技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)的(de)(de)發(fa)展(zhan)一(yi)定會隨(sui)之(zhi)進人(ren)新(xin)的(de)(de)階段。