探傷用的超聲波是一種頻率高達幾百到上千千赫甚至到幾萬千赫的高頻脈沖彈性波，超聲波換能器是一種可逆的聲電轉換元件，在探傷中起到發射與接收高頻脈沖彈性波的作用。
1. 超聲波換能(neng)器(qi)的基(ji)本構造(zao)
超聲波換(huan)能器(qi)由(you)壓電晶片、保(bao)護膜、吸收(shou)塊和外殼(ke)等組成。
a. 壓電晶片(pian)
壓電(dian)(dian)晶(jing)片具有壓電(dian)(dian)效應，它的(de)作用是發(fa)射(she)和接(jie)收超聲(sheng)波，實現電(dian)(dian)能與聲(sheng)能的(de)轉(zhuan)換(huan)。由(you)壓電(dian)(dian)材料制成(cheng)，分為單晶(jing)與雙晶(jing)。晶(jing)片的(de)兩個(ge)表(biao)面都有銀層作為電(dian)(dian)極，“一”極引出的(de)導線(xian)接(jie)發(fa)射(she)端，“＋”極接(jie)地。常見壓電(dian)(dian)材料與探頭代號見表(biao)3.2。
b. 保護(hu)膜
保(bao)(bao)護(hu)膜(mo)的基本功能(neng)是保(bao)(bao)護(hu)壓(ya)電晶片不致磨(mo)損。保(bao)(bao)護(hu)膜(mo)分為(wei)硬(ying)(ying)、軟(ruan)(ruan)(ruan)兩類。硬(ying)(ying)保(bao)(bao)護(hu)膜(mo)主要用于(yu)對(dui)表面光潔(jie)度(du)較(jiao)(jiao)高(gao)、表面平整工(gong)件進行檢(jian)測。硬(ying)(ying)保(bao)(bao)護(hu)膜(mo)被用于(yu)粗糙表面檢(jian)測時，聲能(neng)的損失(shi)達(da)20~30 dB.軟(ruan)(ruan)(ruan)保(bao)(bao)護(hu)膜(mo)可用于(yu)表面光潔(jie)度(du)較(jiao)(jiao)低或有(you)一(yi)定(ding)曲率(lv)的工(gong)件探傷。軟(ruan)(ruan)(ruan)保(bao)(bao)護(hu)膜(mo)通(tong)常含有(you)聚氨酯軟(ruan)(ruan)(ruan)塑料等，因此可以改善聲能(neng)耦合，提高(gao)聲能(neng)傳遞效率(lv)，并且檢(jian)測結果的重復性好，磨(mo)損后易于(yu)更(geng)換。軟(ruan)(ruan)(ruan)保(bao)(bao)護(hu)膜(mo)對(dui)聲能(neng)的損失(shi)為(wei)6~7dB.保(bao)(bao)護(hu)膜(mo)材(cai)料應耐磨(mo)，衰減小，厚(hou)度(du)適當。
c. 吸收塊
吸(xi)收(shou)塊(kuai)附(fu)著在(zai)壓電(dian)晶(jing)片(pian)上(shang)，對(dui)壓電(dian)晶(jing)片(pian)的震動進行阻(zu)(zu)尼(ni)，故(gu)又稱(cheng)阻(zu)(zu)尼(ni)塊(kuai)。由(you)于晶(jing)片(pian)共振周期過大(da)會(hui)導致脈沖變寬(kuan)、盲區增大(da)、因此，使用阻(zu)(zu)尼(ni)塊(kuai)會(hui)使得晶(jing)片(pian)起振后盡(jin)快地停下來，從(cong)而(er)使得脈沖寬(kuan)度變小，分辨率(lv)提高(gao)。吸(xi)收(shou)塊(kuai)的聲阻(zu)(zu)抗(kang)應該盡(jin)量接近壓電(dian)晶(jing)片(pian)的聲阻(zu)(zu)抗(kang)。
d. 外殼
由金屬或者塑料制成，并裝有小(xiao)電(dian)纜連(lian)接器插頭(tou)。主要作用就(jiu)是保護以上探頭(tou)組成部(bu)分。
2. 幾(ji)種常用的超聲波換能(neng)器
圖3.4為(wei)換能器的(de)(de)基本構(gou)造(zao)。超聲波(bo)探(tan)(tan)(tan)(tan)傷(shang)采用(yong)多種探(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)形狀，根據不同(tong)的(de)(de)波(bo)形可分(fen)為(wei)縱波(bo)探(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)、橫(heng)波(bo)探(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)、表面(mian)波(bo)探(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)等。根據耦合方式的(de)(de)不同(tong)進行分(fen)類：接觸式探(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)和液浸式探(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)。根據波(bo)束的(de)(de)不同(tong)分(fen)為(wei)聚(ju)焦探(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)和非聚(ju)焦探(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)。根據晶(jing)片的(de)(de)數量，可分(fen)為(wei)單晶(jing)探(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)與雙晶(jing)探(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)。此外還有根據實際生產需要所發明(ming)的(de)(de)高溫探(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)，微型探(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)等特殊探(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)。下面(mian)簡單介(jie)紹幾種常用(yong)的(de)(de)探(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)。
a. 直探(tan)頭（縱波探(tan)頭）
直(zhi)(zhi)探(tan)(tan)頭(tou)用于發射和接(jie)受縱波，所以(yi)又稱為縱波探(tan)(tan)頭(tou)。直(zhi)(zhi)探(tan)(tan)頭(tou)主(zhu)要用于與(yu)探(tan)(tan)測平(ping)面平(ping)行(xing)的缺陷(xian)探(tan)(tan)測，如(ru)鋼板。
b. 斜探頭(tou)（橫波探頭(tou)）
使聲束通過斜(xie)楔塊與工件表面成一定(ding)角(jiao)度射入工件的探(tan)頭(tou)(tou)稱為斜(xie)探(tan)頭(tou)(tou)。它(ta)可以發射和接收橫波(bo)，因此又稱為橫波(bo)探(tan)頭(tou)(tou)。主要用于檢(jian)測焊縫(feng)、鋼管等與檢(jian)測表面垂直或(huo)成一定(ding)角(jiao)度的缺(que)陷。
c. 雙晶探頭（分(fen)割(ge)探頭）
雙晶(jing)探(tan)(tan)頭(tou)有(you)兩塊壓電晶(jing)片，一個(ge)用(yong)來(lai)發射超聲(sheng)波(bo)，另一個(ge)用(yong)來(lai)接收超聲(sheng)波(bo)。根據人射角aL不同，分(fen)為(wei)雙晶(jing)縱波(bo)探(tan)(tan)頭(tou)（aL<aI)和雙晶(jing)橫波(bo)探(tan)(tan)頭(tou)（aL=aI~aII).雙晶(jing)探(tan)(tan)頭(tou)基本構造如(ru)圖(tu)3.5所示(shi)。
d. 聚焦探頭
超聲波聚(ju)焦探頭(tou)(tou)是把壓電晶(jing)片（換能(neng)器(qi)）產生的(de)超聲波能(neng)量聚(ju)焦成一條線狀(zhuang)或一個(ge)點狀(zhuang)的(de)超聲束。在(zai)焦點處，聲波能(neng)量集中，提高(gao)了探傷(shang)的(de)靈敏度和分辨率(lv)。它(ta)適合用于(yu)小直徑圓棒(bang)、管材的(de)探傷(shang)。并在(zai)冶金、航空等工(gong)業部門(men)的(de)應用也(ye)頗(po)為廣(guang)泛。聚(ju)焦式(shi)探頭(tou)(tou)構造組成如(ru)圖3.6所示。
根據聚(ju)(ju)(ju)焦(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)原理(li)，聚(ju)(ju)(ju)焦(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)探(tan)(tan)頭(tou)可(ke)分為(wei)(wei)(wei)點聚(ju)(ju)(ju)焦(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)和線(xian)聚(ju)(ju)(ju)焦(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)探(tan)(tan)頭(tou)。點聚(ju)(ju)(ju)焦(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)的(de)(de)理(li)想(xiang)(xiang)焦(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)點是(shi)聲透鏡(jing)為(wei)(wei)(wei)球面的(de)(de)一點，線(xian)聚(ju)(ju)(ju)焦(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)的(de)(de)理(li)想(xiang)(xiang)焦(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)點是(shi)聲透鏡(jing)為(wei)(wei)(wei)圓(yuan)柱(zhu)體的(de)(de)直線(xian)。根據耦(ou)合(he)條件的(de)(de)不同，可(ke)分為(wei)(wei)(wei)水(shui)浸(jin)聚(ju)(ju)(ju)焦(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)和接觸(chu)聚(ju)(ju)(ju)焦(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)，水(shui)浸(jin)聚(ju)(ju)(ju)焦(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)以水(shui)為(wei)(wei)(wei)介質進行耦(ou)合(he)，探(tan)(tan)頭(tou)與工件不直接接觸(chu)。接觸(chu)聚(ju)(ju)(ju)焦(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)是(shi)探(tan)(tan)頭(tou)與工件通過薄(bo)層(ceng)耦(ou)合(he)介質接觸(chu)。按接觸(chu)聚(ju)(ju)(ju)焦(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)方式(shi)(shi)不同又分為(wei)(wei)(wei)透鏡(jing)式(shi)(shi)聚(ju)(ju)(ju)焦(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)探(tan)(tan)頭(tou)、反射式(shi)(shi)聚(ju)(ju)(ju)焦(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)探(tan)(tan)頭(tou)和曲面晶片式(shi)(shi)聚(ju)(ju)(ju)焦(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)探(tan)(tan)頭(tou)。
