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、影響超聲波(bo)探傷換能(neng)器性能(neng)的(de)主要(yao)參數(shu)

 超(chao)聲波換能(neng)器性能(neng)的主要參數包括頻率響應、相對靈敏度、時(shi)間域響應、電(dian)阻抗(kang)、聲束擴散特性、斜探(tan)頭的入射(she)點和折射(she)角、聲軸偏(pian)斜角和雙峰等(deng)。

a. 頻率響應

  指(zhi)在指(zhi)定物(wu)體上測得(de)的超聲波(bo)回波(bo)的頻率(lv)特性。在用頻譜分析儀測試頻率(lv)特性時，從所得(de)頻譜圖中得(de)到(dao)換(huan)能器的中心頻率(lv)、峰值頻率(lv)、帶寬等參數。

b. 相對(dui)靈(ling)敏(min)度

  即在(zai)指定(ding)的介質、聲程和反射體上，換能(neng)器將聲能(neng)轉換成電(dian)能(neng)的轉換效(xiao)率(lv)。

c. 時間域響(xiang)應

  通過超聲(sheng)波回波的形狀、寬度、峰數可以對換(huan)能器的時間域(yu)相應進行評(ping)估。

d. 超聲(sheng)波換能器的聲(sheng)場(chang)特性

  包括距離幅度特(te)性(xing)、聲(sheng)(sheng)束擴散特(te)性(xing)、聲(sheng)(sheng)軸偏斜角等。影(ying)響聲(sheng)(sheng)場特(te)性(xing)的因素(su)主(zhu)要包括超聲(sheng)(sheng)波傳遞介質以及超聲(sheng)(sheng)波換能器頻(pin)率成分(fen)的非單一(yi)性(xing)。

e. 斜探頭的人射點(dian)

  斜探頭的人射點是指斜楔中(zhong)縱波(bo)聲軸入射到換(huan)能器(qi)(qi)底面的交(jiao)點。為(wei)了方便對缺陷進行定(ding)位和測定(ding)換(huan)能器(qi)(qi)的K值，應先測定(ding)出(chu)換(huan)能器(qi)(qi)的入射點和前沿長度。

f. 斜(xie)探(tan)頭前沿距離(li)

  斜探(tan)頭前沿(yan)距離(li)(li)是從斜探(tan)頭人(ren)射點(dian)到換能器(qi)底面前端的(de)(de)距離(li)(li)，此值在實際探(tan)測時可用(yong)來(lai)在工件表面上確(que)定缺(que)陷距換能器(qi)前端的(de)(de)水平投影距離(li)(li)。

二、超(chao)聲波探傷換(huan)能器性(xing)能參數測試

超(chao)聲(sheng)波(bo)傷換能器設計完成之后需(xu)要對其性(xing)能參數進行測試，主要測試項目及性(xing)能指標見表3.3。

1. 探(tan)頭回波頻率(lv)及頻率(lv)誤差測量

 a. 直探頭回波(bo)頻(pin)率的測試（圖(tu)3.7)

 ①. 將超聲波換能器置于(yu)1號標準試塊(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)波頻率(lv)的測量

  將超聲(sheng)波(bo)換能器置于1號試塊上(shang)使用示波(bo)器觀察(cha)R100圓弧面的最高回波(bo)。其余(yu)步驟與直探頭相同。

2. 分辨力(li)（縱(zong)向）測(ce)量

 a. 直探頭分辨力的測量

  ①. 示波(bo)器抑制置零或關，其他旋(xuan)鈕置適當位置，連接探(tan)頭并置于CSK-IA標準試塊上，觀察聲程分別為85mm和91mm反射面的回波(bo)波(bo)形（圖(tu)3.8),移動探(tan)頭使兩波(bo)等高。

 ②. 改變靈敏度(du)使兩次波幅同時達(da)到滿幅度(du)的100%,然后(hou)測(ce)量(liang)波谷高度(du)h,則該超聲波換能(neng)器的分辨力R為   R = 20lg(100/h) ， 若h=0或兩波能完(wan)全分開，則取R>30dB。

 b. 斜(xie)探頭(tou)分辨力的(de)測量

  ①. 如圖3.9所(suo)示，將超聲波換能器置(zhi)于CSK-IA試(shi)(shi)塊(kuai)的K值測量位置(zhi)，確認耦(ou)合良好的情況下，觀察試(shi)(shi)塊(kuai)上A(Φ50)、B(Φ44)兩(liang)孔的回波波形(xing)，移動探頭使兩(liang)波等高。

 ②. 適(shi)當調節衰減(jian)或者(zhe)增益，使(shi)A、B波(bo)(bo)幅同時達(da)到(dao)滿幅度的(de)100%,然后測量波(bo)(bo)谷高度h,則該探頭(tou)的(de)分辨力R用上式計(ji)算。若h=0或兩波(bo)(bo)能完全分開，則取R>30 dB。

 c. 小角(jiao)度探頭(tou)分辨力的測量

  將換能器放置于K<1.5的位(wei)置，后續步驟與斜探頭測(ce)試步驟相同。

3. 直(zhi)探頭聲軸偏(pian)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. 標出探頭的參考(kao)方(fang)向(xiang)，以橫(heng)通孔(kong)的中心(xin)軸為參考(kao)點，將(jiang)探頭的幾(ji)何中心(xin)與其對準，然后(hou)使(shi)探頭分別沿x的左右兩(liang)個方(fang)向(xiang)的試(shi)塊中心(xin)線上移動，記(ji)錄孔(kong)波(bo)(bo)最高(gao)點時探頭距(ju)離參考(kao)點的距(ju)離D,其中孔(kong)波(bo)(bo)幅(fu)度最高(gao)點在x右邊(bian)(bian)時加(jia)上（十(shi)）號，在x左邊(bian)(bian)時加(jia)上（一(yi)）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(tou)、小(xiao)角度探(tan)頭(tou)入(ru)射(she)點的測(ce)定

 a. 橫波斜(xie)探頭

   連(lian)接待測量換(huan)能(neng)器，選取CSK-IA型(xing)準(zhun)或(huo)CSK-I型(xing)標準(zhun)試(shi)塊(kuai)，對試(shi)塊(kuai)R100圓弧(hu)面進行探(tan)(tan)測，如圖3.11所(suo)示。保持探(tan)(tan)頭(tou)與試(shi)塊(kuai)側(ce)面平行，沿左右兩個方向移(yi)動探(tan)(tan)頭(tou)，觀察(cha)R100圓弧(hu)面的回波幅度(du)達到(dao)最高時(shi)候的位置，則此時(shi)換(huan)能(neng)器的入射點為(wei)R100圓心(xin)刻線所(suo)對應(ying)的探(tan)(tan)頭(tou)側(ce)棱上的點。讀(du)數精(jing)確到(dao)0.5mm。

 b. 小角度(du)縱波探頭(tou)

  連(lian)接帶測量(liang)換能器，選取(qu)TZS-R試塊(kuai)(kuai)(kuai)的(de)(de)(de)(de)(de)R面(mian)(mian)，測量(liang)試塊(kuai)(kuai)(kuai)A面(mian)(mian)下棱(leng)角(jiao)，保持(chi)探(tan)(tan)頭聲(sheng)束與(yu)試塊(kuai)(kuai)(kuai)側面(mian)(mian)平行(xing)，前(qian)(qian)后移動探(tan)(tan)頭，記(ji)錄A面(mian)(mian)下棱(leng)角(jiao)回(hui)波(bo)達到最高的(de)(de)(de)(de)(de)位置，此時(shi)探(tan)(tan)頭前(qian)(qian)沿至試塊(kuai)(kuai)(kuai)A端(duan)的(de)(de)(de)(de)(de)距離(li)為(wei)x1,然后用二次反射波(bo)探(tan)(tan)測A面(mian)(mian)上棱(leng)角(jiao)，同(tong)樣找到A面(mian)(mian)上棱(leng)角(jiao)回(hui)波(bo)達到最高的(de)(de)(de)(de)(de)位置，此時(shi)探(tan)(tan)頭前(qian)(qian)沿至試塊(kuai)(kuai)(kuai)前(qian)(qian)端(duan)（A端(duan)）的(de)(de)(de)(de)(de)距離(li)為(wei)x2,則(ze)入射點至探(tan)(tan)頭前(qian)(qian)沿的(de)(de)(de)(de)(de)距離(li)為(wei)  a = x₂ - 2x_{1  。}

5. 斜探頭(tou)折射(she)角的測量

 測(ce)試設備包括探傷儀、1號標準試塊和刻度尺。

 測試(shi)步(bu)驟：選(xuan)取1號標準試(shi)塊觀察(cha)φ50mm孔的(de)(de)回(hui)波，探頭的(de)(de)位置按(an)如(ru)下情(qing)況(kuang)放置：當K≤1.5時(shi)，觀察(cha)圖3.12a的(de)(de)通孔回(hui)波；1.5<K≤2.5時(shi)，觀察(cha)圖3.12b的(de)(de)通孔回(hui)波；當K>2.5時(shi)，探頭放置在如(ru)圖3.12c的(de)(de)位置，觀察(cha)φ1.5mm橫通孔的(de)(de)回(hui)波。前(qian)后移動探頭，找(zhao)到孔的(de)(de)回(hui)波最高位置并(bing)固定下來，讀(du)出(chu)此時(shi)入射點相(xiang)對應的(de)(de)角度刻度β，β即為被(bei)測探頭折射角，讀(du)數精(jing)確到0.5°。

 6. 測(ce)量(liang)小角度縱波探頭的β角和K值

  選取TZS-R試塊的(de)C面(mian)或(huo)B面(mian)，并在測定探頭的(de)前沿距離a之(zhi)后，再(zai)按圖3.13所展(zhan)示的(de)方法，找到端面(mian)（A面(mian)）上棱角的(de)最大反(fan)射波高(gao)位置，則探頭的(de)K值和β角分(fen)別用(yong)下式計算。

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

相對靈(ling)敏度(du)測試如下(xia)：

 a. 直探(tan)頭相對靈(ling)敏度（等同于探(tan)傷(shang)靈(ling)敏度余量(liang)）測(ce)量(liang)（圖3.14).

  ①. 使用2.5MHz、Φ20直探頭和(he)CS-1-5或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(xie)探頭相對靈敏度測(ce)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、提高換能器性能措(cuo)施(shi)

  優良信噪(zao)比(bi)是高(gao)性能(neng)(neng)換能(neng)(neng)器(qi)(qi)的(de)基本(ben)要求(qiu)。常用(yong)以(yi)下兩種方法來提高(gao)換能(neng)(neng)器(qi)(qi)的(de)信噪(zao)比(bi)：一是增加(jia)(jia)激勵脈沖的(de)電(dian)壓幅值(zhi)，這樣可以(yi)增加(jia)(jia)發射聲功率(lv)，考慮到對待檢(jian)測物體與人體的(de)影(ying)響以(yi)及實際(ji)電(dian)路的(de)實現，不可能(neng)(neng)無限地增加(jia)(jia)發射功率(lv)；二(er)是提高(gao)換能(neng)(neng)器(qi)(qi)本(ben)身的(de)靈(ling)敏度。

 換能(neng)(neng)器(qi)(qi)和電源內阻間的阻抗(kang)匹(pi)(pi)配影響著換能(neng)(neng)器(qi)(qi)的靈敏(min)度(du)。由于待(dai)探(tan)測物(wu)體(ti)的聲阻抗(kang)與換能(neng)(neng)器(qi)(qi)材料的聲阻抗(kang)嚴重失配，這就造(zao)成了靈敏(min)度(du)較低。一(yi)般(ban)需(xu)要采用(yong)聲匹(pi)(pi)配和電路匹(pi)(pi)配方法，提高(gao)換能(neng)(neng)器(qi)(qi)的靈敏(min)度(du)。換能(neng)(neng)器(qi)(qi)的靈敏(min)度(du)越(yue)高(gao)，使用(yong)同樣激勵，在相同的噪聲背景下，信(xin)噪比越(yue)高(gao)。

 提(ti)高(gao)超(chao)聲(sheng)(sheng)波(bo)換能(neng)(neng)(neng)器(qi)的(de)縱向和橫(heng)向分(fen)辨(bian)率(lv)也能(neng)(neng)(neng)改(gai)善換能(neng)(neng)(neng)器(qi)的(de)性能(neng)(neng)(neng)。目前主要是(shi)通過提(ti)高(gao)換能(neng)(neng)(neng)器(qi)的(de)工作頻率(lv)以(yi)及改(gai)善換能(neng)(neng)(neng)器(qi)的(de)脈沖(chong)響應，實(shi)現寬帶窄脈沖(chong)。縱向分(fen)辨(bian)率(lv)的(de)提(ti)高(gao)主要是(shi)通過聲(sheng)(sheng)電(dian)匹配。換能(neng)(neng)(neng)器(qi)的(de)聲(sheng)(sheng)束寬度決定了超(chao)聲(sheng)(sheng)檢(jian)測系(xi)統的(de)橫(heng)向分(fen)辨(bian)率(lv)，采用聚(ju)焦超(chao)聲(sheng)(sheng)換能(neng)(neng)(neng)器(qi)，是(shi)提(ti)高(gao)換能(neng)(neng)(neng)器(qi)橫(heng)向分(fen)辨(bian)率(lv)最有效的(de)方(fang)法。

四、換能器的評價

  在超(chao)聲(sheng)波(bo)技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)中，超(chao)聲(sheng)波(bo)換(huan)(huan)(huan)能器(qi)(qi)(qi)是一個(ge)非常重要(yao)(yao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)部分，可以說超(chao)聲(sheng)技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)發展(zhan)直接取決于其研發水平(ping)。超(chao)聲(sheng)換(huan)(huan)(huan)能器(qi)(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)研究與(yu)現代科學(xue)技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)密切(qie)相關(guan)。超(chao)聲(sheng)換(huan)(huan)(huan)能器(qi)(qi)(qi)發展(zhan)水平(ping)越來越受到電(dian)子(zi)技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)、自動控制技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)、計算機技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)以及新材料(liao)技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)發展(zhan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)影(ying)響(xiang)。超(chao)聲(sheng)波(bo)換(huan)(huan)(huan)能器(qi)(qi)(qi)中最重要(yao)(yao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)就是換(huan)(huan)(huan)能器(qi)(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)材料(liao)，高效、廉價、無污染的(de)(de)(de)(de)(de)(de)新型換(huan)(huan)(huan)能器(qi)(qi)(qi)材料(liao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)研制是目前的(de)(de)(de)(de)(de)(de)主(zhu)(zhu)要(yao)(yao)發展(zhan)方向。在換(huan)(huan)(huan)能器(qi)(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)材料(liao)研發方面(mian)，弛豫型壓電(dian)單晶材料(liao)具有較好(hao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)發展(zhan)前景，如鈮鎂酸(suan)(suan)鉛(qian)(qian)－鈦酸(suan)(suan)鉛(qian)(qian)以及鈮鋅(xin)酸(suan)(suan)鉛(qian)(qian)－鈦酸(suan)(suan)鉛(qian)(qian)等(deng)(deng)，有望在超(chao)聲(sheng)等(deng)(deng)技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)中獲得更為廣泛的(de)(de)(de)(de)(de)(de)應用。換(huan)(huan)(huan)能器(qi)(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)測試(shi)技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)則(ze)主(zhu)(zhu)要(yao)(yao)體現在如何實(shi)現大功率超(chao)聲(sheng)換(huan)(huan)(huan)能器(qi)(qi)(qi)性能的(de)(de)(de)(de)(de)(de)實(shi)時測試(shi)與(yu)定量測試(shi)，這也和超(chao)聲(sheng)波(bo)換(huan)(huan)(huan)能器(qi)(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)發展(zhan)有著密切(qie)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)關(guan)系。

 總之，超(chao)聲(sheng)(sheng)技術(shu)中的兩(liang)個主要的研究方面就是(shi)(shi)超(chao)聲(sheng)(sheng)波的產生與測試(shi)，兩(liang)者的發展(zhan)(zhan)是(shi)(shi)相互影響的。目前(qian)的情況是(shi)(shi)超(chao)聲(sheng)(sheng)的測試(shi)技術(shu)發展(zhan)(zhan)滯后于超(chao)聲(sheng)(sheng)的產生技術(shu)研究，可以(yi)預見，隨著超(chao)聲(sheng)(sheng)換能器(qi)技術(shu)水平提(ti)高，超(chao)聲(sheng)(sheng)技術(shu)的發展(zhan)(zhan)一(yi)定會(hui)隨之進人(ren)新的階段(duan)。