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)超聲波探傷換能器(qi)性能的主要(yao)參數

 超聲波換能(neng)器性能(neng)的主要(yao)參(can)數包括頻(pin)率響(xiang)應、相對靈敏度、時間域響(xiang)應、電阻(zu)抗(kang)、聲束(shu)擴散(san)特(te)性、斜探頭的入(ru)射點和折(zhe)射角、聲軸(zhou)偏斜角和雙峰等。

a. 頻率響(xiang)應

  指(zhi)在指(zhi)定物體上(shang)測得(de)(de)的(de)超(chao)聲波回波的(de)頻率(lv)特(te)性。在用(yong)頻譜分析儀測試頻率(lv)特(te)性時(shi)，從所得(de)(de)頻譜圖中得(de)(de)到換能器的(de)中心頻率(lv)、峰值頻率(lv)、帶(dai)寬等參(can)數。

b. 相對靈敏度

  即(ji)在(zai)指定的介質、聲程和(he)反射體上，換能(neng)(neng)器將聲能(neng)(neng)轉換成電能(neng)(neng)的轉換效率。

c. 時間(jian)域(yu)響(xiang)應(ying)

  通過超聲(sheng)波回波的(de)形狀、寬度、峰數可以對(dui)換能(neng)器的(de)時間域相應進(jin)行評(ping)估。

d. 超(chao)聲波換能(neng)器的聲場特性

  包括(kuo)距(ju)離幅度(du)特性(xing)、聲(sheng)束擴散特性(xing)、聲(sheng)軸(zhou)偏斜角(jiao)等。影響(xiang)聲(sheng)場特性(xing)的因(yin)素(su)主(zhu)要包括(kuo)超(chao)聲(sheng)波傳遞介質以及超(chao)聲(sheng)波換能器頻率成分的非單一性(xing)。

e. 斜探(tan)頭的人射點

  斜探(tan)頭(tou)的(de)人射(she)點是指斜楔中(zhong)縱波(bo)聲軸入(ru)射(she)到換能器(qi)底(di)面的(de)交(jiao)點。為(wei)了方便對缺陷進行定(ding)(ding)位和測(ce)定(ding)(ding)換能器(qi)的(de)K值(zhi)，應先測(ce)定(ding)(ding)出換能器(qi)的(de)入(ru)射(she)點和前沿長(chang)度。

f. 斜探頭前沿距離

  斜(xie)探(tan)(tan)頭前(qian)(qian)沿距(ju)離是從斜(xie)探(tan)(tan)頭人射點到換能器底面(mian)前(qian)(qian)端的(de)距(ju)離，此值在實(shi)際探(tan)(tan)測時可(ke)用來(lai)在工件表面(mian)上確定缺陷(xian)距(ju)換能器前(qian)(qian)端的(de)水(shui)平(ping)投影距(ju)離。

二、超聲波探傷(shang)換(huan)能器性能參(can)數測試

超聲(sheng)波傷換(huan)能器設計完成(cheng)之(zhi)后需要(yao)對其性(xing)能參數進行測(ce)試，主要(yao)測(ce)試項目及性(xing)能指標見表(biao)3.3。

1. 探(tan)頭回波(bo)頻率及頻率誤差(cha)測量

 a. 直探頭(tou)回波頻率的測試（圖3.7)

 ①. 將(jiang)超聲波換(huan)能器置(zhi)于1號(hao)標準試塊的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)探頭(tou)回波頻率的(de)測量(liang)

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

2. 分辨力（縱(zong)向）測量

 a. 直探頭(tou)分辨力的測量

  ①. 示波(bo)器抑制置零或(huo)關，其他(ta)旋鈕置適當位置，連接探頭(tou)(tou)并置于CSK-IA標(biao)準試塊(kuai)上，觀察(cha)聲程分別為85mm和91mm反射(she)面的回波(bo)波(bo)形（圖3.8),移動探頭(tou)(tou)使兩波(bo)等高。

 ②. 改變靈敏度(du)使兩(liang)次波(bo)幅(fu)同時(shi)達到(dao)滿(man)幅(fu)度(du)的100%,然(ran)后測量波(bo)谷高度(du)h,則該超聲波(bo)換能器的分(fen)辨力R為   R = 20lg(100/h) ， 若h=0或兩(liang)波能完全分(fen)開，則取(qu)R>30dB。

 b. 斜探頭分辨力的(de)測(ce)量

  ①. 如(ru)圖3.9所示，將超聲波(bo)換(huan)能器置于CSK-IA試(shi)塊的K值測量位(wei)置，確(que)認耦合良好的情況下，觀(guan)察試(shi)塊上A(Φ50)、B(Φ44)兩(liang)孔的回(hui)波(bo)波(bo)形(xing)，移動探頭使兩(liang)波(bo)等高。

 ②. 適當調(diao)節(jie)衰減或者增(zeng)益，使A、B波幅同時達到滿(man)幅度的(de)100%,然(ran)后測量(liang)波谷高度h,則(ze)該探頭的(de)分辨力R用上式(shi)計算。若h=0或兩(liang)波能完全(quan)分開，則(ze)取R>30 dB。

 c. 小(xiao)角(jiao)度探頭分辨(bian)力的測量

  將換能(neng)器(qi)放置于K<1.5的位置，后續步驟與斜探頭測試步驟相同。

3. 直(zhi)探頭聲軸偏斜角的測(ce)量(liang)

  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(biao)出探頭(tou)(tou)的(de)參(can)(can)考方向(xiang)，以橫(heng)通孔(kong)的(de)中心軸(zhou)為參(can)(can)考點(dian)(dian)，將探頭(tou)(tou)的(de)幾(ji)何(he)中心與其對(dui)準(zhun)，然后使探頭(tou)(tou)分別沿x的(de)左右兩個方向(xiang)的(de)試塊中心線上(shang)(shang)移動，記(ji)錄孔(kong)波最高點(dian)(dian)時探頭(tou)(tou)距離(li)參(can)(can)考點(dian)(dian)的(de)距離(li)D,其中孔(kong)波幅度最高點(dian)(dian)在(zai)x右邊時加上(shang)(shang)（十）號(hao)，在(zai)x左邊時加上(shang)(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)(tan)頭(tou)、小角度探(tan)(tan)頭(tou)入射點的測定

 a. 橫波(bo)斜探頭

   連(lian)接待測(ce)(ce)量換能(neng)器，選(xuan)取CSK-IA型(xing)準(zhun)或CSK-I型(xing)標準(zhun)試(shi)塊(kuai)，對(dui)試(shi)塊(kuai)R100圓(yuan)弧(hu)面(mian)(mian)進行(xing)探(tan)測(ce)(ce)，如(ru)圖(tu)3.11所示。保持探(tan)頭與試(shi)塊(kuai)側面(mian)(mian)平行(xing)，沿左右兩個方向移(yi)動(dong)探(tan)頭，觀察R100圓(yuan)弧(hu)面(mian)(mian)的(de)(de)(de)回波(bo)幅度達到最高時候的(de)(de)(de)位置，則此(ci)時換能(neng)器的(de)(de)(de)入射點(dian)為R100圓(yuan)心刻線所對(dui)應的(de)(de)(de)探(tan)頭側棱(leng)上的(de)(de)(de)點(dian)。讀數精確到0.5mm。

 b. 小角度縱波探頭(tou)

  連接(jie)帶測量換能器(qi)，選取TZS-R試塊的(de)R面(mian)(mian)，測量試塊A面(mian)(mian)下棱(leng)角(jiao)，保持探頭(tou)(tou)聲束與試塊側面(mian)(mian)平行，前(qian)后移(yi)動探頭(tou)(tou)，記(ji)錄A面(mian)(mian)下棱(leng)角(jiao)回波(bo)達到最高的(de)位置，此時(shi)探頭(tou)(tou)前(qian)沿(yan)(yan)至試塊A端(duan)的(de)距離為(wei)x1,然(ran)后用二次反射(she)波(bo)探測A面(mian)(mian)上(shang)棱(leng)角(jiao)，同樣找到A面(mian)(mian)上(shang)棱(leng)角(jiao)回波(bo)達到最高的(de)位置，此時(shi)探頭(tou)(tou)前(qian)沿(yan)(yan)至試塊前(qian)端(duan)（A端(duan)）的(de)距離為(wei)x2,則入(ru)射(she)點至探頭(tou)(tou)前(qian)沿(yan)(yan)的(de)距離為(wei)  a = x₂ - 2x_{1  。}

5. 斜探頭折射角的測(ce)量

 測(ce)試(shi)設備包括探傷儀(yi)、1號標準試(shi)塊和刻度(du)尺。

 測(ce)試步驟：選取1號(hao)標準試塊觀察φ50mm孔(kong)的回(hui)(hui)(hui)(hui)波，探(tan)(tan)頭(tou)(tou)的位置按(an)如下情況放置：當K≤1.5時(shi)(shi)，觀察圖3.12a的通孔(kong)回(hui)(hui)(hui)(hui)波；1.5<K≤2.5時(shi)(shi)，觀察圖3.12b的通孔(kong)回(hui)(hui)(hui)(hui)波；當K>2.5時(shi)(shi)，探(tan)(tan)頭(tou)(tou)放置在如圖3.12c的位置，觀察φ1.5mm橫通孔(kong)的回(hui)(hui)(hui)(hui)波。前(qian)后移動探(tan)(tan)頭(tou)(tou)，找到孔(kong)的回(hui)(hui)(hui)(hui)波最高位置并固(gu)定下來，讀(du)出此時(shi)(shi)入(ru)射點(dian)相對應的角度刻度β，β即(ji)為(wei)被測(ce)探(tan)(tan)頭(tou)(tou)折射角，讀(du)數精確到0.5°。

 6. 測量小角(jiao)度(du)縱(zong)波(bo)探頭的(de)β角(jiao)和K值(zhi)

  選取TZS-R試塊的(de)C面(mian)(mian)或(huo)B面(mian)(mian)，并(bing)在測(ce)定探頭的(de)前沿距離a之后，再(zai)按圖3.13所(suo)展示的(de)方法，找到端面(mian)(mian)（A面(mian)(mian)）上棱角的(de)最(zui)大反(fan)射(she)波高位置，則探頭的(de)K值和β角分(fen)別用(yong)下式計算。

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

相對靈(ling)敏(min)度測試如下：

 a. 直(zhi)探(tan)頭(tou)相對靈敏(min)度(du)（等同于(yu)探(tan)傷靈敏(min)度(du)余量）測量（圖3.14).

  ①. 使(shi)用2.5MHz、Φ20直探頭(tou)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(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(du)(du)縱波探頭相對靈敏度(du)(du)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(san)、提(ti)高換能器性(xing)能措施

  優良信噪比是高(gao)性能(neng)(neng)換能(neng)(neng)器(qi)的(de)(de)基本要求。常用以下(xia)兩種方法來提(ti)高(gao)換能(neng)(neng)器(qi)的(de)(de)信噪比：一是增(zeng)加激勵(li)脈沖的(de)(de)電(dian)壓幅值(zhi)，這樣(yang)可(ke)(ke)以增(zeng)加發射聲功(gong)率(lv)，考慮到(dao)對待(dai)檢測物體(ti)與人體(ti)的(de)(de)影響(xiang)以及實(shi)(shi)際(ji)電(dian)路的(de)(de)實(shi)(shi)現(xian)，不可(ke)(ke)能(neng)(neng)無限地增(zeng)加發射功(gong)率(lv)；二是提(ti)高(gao)換能(neng)(neng)器(qi)本身的(de)(de)靈敏度(du)。

 換能(neng)(neng)器(qi)和電源內(nei)阻(zu)(zu)間的(de)(de)阻(zu)(zu)抗匹(pi)配(pei)影響著(zhu)換能(neng)(neng)器(qi)的(de)(de)靈敏度。由于待探測物體的(de)(de)聲(sheng)(sheng)阻(zu)(zu)抗與換能(neng)(neng)器(qi)材(cai)料的(de)(de)聲(sheng)(sheng)阻(zu)(zu)抗嚴重失配(pei)，這就造成了(le)靈敏度較低。一般需要采用(yong)聲(sheng)(sheng)匹(pi)配(pei)和電路匹(pi)配(pei)方法，提高(gao)換能(neng)(neng)器(qi)的(de)(de)靈敏度。換能(neng)(neng)器(qi)的(de)(de)靈敏度越(yue)高(gao)，使用(yong)同樣激勵，在相同的(de)(de)噪聲(sheng)(sheng)背景下，信噪比(bi)越(yue)高(gao)。

 提(ti)(ti)高(gao)超聲(sheng)波換(huan)能器的(de)縱向(xiang)和(he)橫向(xiang)分辨率(lv)也能改(gai)善(shan)換(huan)能器的(de)性能。目前主(zhu)要是通過提(ti)(ti)高(gao)換(huan)能器的(de)工作頻率(lv)以及改(gai)善(shan)換(huan)能器的(de)脈沖響(xiang)應，實現(xian)寬帶窄脈沖。縱向(xiang)分辨率(lv)的(de)提(ti)(ti)高(gao)主(zhu)要是通過聲(sheng)電匹配。換(huan)能器的(de)聲(sheng)束寬度決定(ding)了(le)超聲(sheng)檢測系統的(de)橫向(xiang)分辨率(lv)，采(cai)用聚焦超聲(sheng)換(huan)能器，是提(ti)(ti)高(gao)換(huan)能器橫向(xiang)分辨率(lv)最有效的(de)方法。

四、換(huan)能器的評價

  在超(chao)(chao)聲波(bo)技(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)中(zhong)(zhong)，超(chao)(chao)聲波(bo)換(huan)能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)器是(shi)一個非常(chang)重要(yao)(yao)(yao)的(de)(de)(de)(de)部分，可(ke)以說(shuo)超(chao)(chao)聲技(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)發(fa)展(zhan)直接取決(jue)于其(qi)研(yan)(yan)發(fa)水(shui)平。超(chao)(chao)聲換(huan)能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)器的(de)(de)(de)(de)研(yan)(yan)究與現(xian)(xian)代科學(xue)技(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)密(mi)切(qie)相關(guan)。超(chao)(chao)聲換(huan)能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)器發(fa)展(zhan)水(shui)平越來越受到電子技(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)、自動控制(zhi)技(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)、計算機技(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)以及新(xin)材料(liao)(liao)技(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)發(fa)展(zhan)的(de)(de)(de)(de)影響(xiang)。超(chao)(chao)聲波(bo)換(huan)能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)器中(zhong)(zhong)最重要(yao)(yao)(yao)的(de)(de)(de)(de)就是(shi)換(huan)能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)器的(de)(de)(de)(de)材料(liao)(liao)，高效、廉價、無污染(ran)的(de)(de)(de)(de)新(xin)型換(huan)能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)器材料(liao)(liao)的(de)(de)(de)(de)研(yan)(yan)制(zhi)是(shi)目前的(de)(de)(de)(de)主要(yao)(yao)(yao)發(fa)展(zhan)方(fang)向。在換(huan)能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)器的(de)(de)(de)(de)材料(liao)(liao)研(yan)(yan)發(fa)方(fang)面，弛豫型壓電單晶材料(liao)(liao)具有較好的(de)(de)(de)(de)發(fa)展(zhan)前景，如鈮(ni)鎂酸(suan)鉛(qian)－鈦酸(suan)鉛(qian)以及鈮(ni)鋅酸(suan)鉛(qian)－鈦酸(suan)鉛(qian)等，有望(wang)在超(chao)(chao)聲等技(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)中(zhong)(zhong)獲得更為廣(guang)泛的(de)(de)(de)(de)應用。換(huan)能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)器的(de)(de)(de)(de)測試(shi)技(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)則主要(yao)(yao)(yao)體現(xian)(xian)在如何(he)實(shi)現(xian)(xian)大功率超(chao)(chao)聲換(huan)能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)器性能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)的(de)(de)(de)(de)實(shi)時測試(shi)與定量測試(shi)，這也和超(chao)(chao)聲波(bo)換(huan)能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)器的(de)(de)(de)(de)發(fa)展(zhan)有著密(mi)切(qie)的(de)(de)(de)(de)關(guan)系。

 總(zong)之，超聲技(ji)術中的兩(liang)個主要的研(yan)究方面就是超聲波的產(chan)生(sheng)與(yu)測試，兩(liang)者的發(fa)展是相互影響(xiang)的。目(mu)前的情況是超聲的測試技(ji)術發(fa)展滯后于超聲的產(chan)生(sheng)技(ji)術研(yan)究，可以預見，隨著超聲換能(neng)器(qi)技(ji)術水平提高，超聲技(ji)術的發(fa)展一(yi)定會隨之進人(ren)新的階段。