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(yi)、影(ying)響超聲波探(tan)傷(shang)換(huan)能器性能的主要參數

 超聲波(bo)換能(neng)器性能(neng)的主要參數包括(kuo)頻(pin)率(lv)響(xiang)應、相(xiang)對(dui)靈敏度、時間域響(xiang)應、電阻抗(kang)、聲束擴(kuo)散特性、斜(xie)(xie)探頭的入射(she)(she)點和折射(she)(she)角(jiao)、聲軸偏斜(xie)(xie)角(jiao)和雙峰等。

a. 頻率(lv)響應

  指(zhi)在指(zhi)定物體上測得的超聲波回(hui)波的頻(pin)(pin)(pin)率特(te)性。在用頻(pin)(pin)(pin)譜分析儀測試頻(pin)(pin)(pin)率特(te)性時，從(cong)所得頻(pin)(pin)(pin)譜圖中(zhong)(zhong)得到(dao)換能器的中(zhong)(zhong)心頻(pin)(pin)(pin)率、峰值頻(pin)(pin)(pin)率、帶寬等參數。

b. 相對靈敏度(du)

  即在指定的(de)介質、聲程和反射(she)體上，換能器將聲能轉換成(cheng)電(dian)能的(de)轉換效率。

c. 時間域(yu)響應

  通過超聲波回(hui)波的形狀、寬度、峰數可以對換(huan)能器的時間域相應進(jin)行評估。

d. 超聲(sheng)波換能器的聲(sheng)場特性

  包括(kuo)距離幅(fu)度特性(xing)(xing)、聲束(shu)擴散特性(xing)(xing)、聲軸偏斜角等(deng)。影響聲場特性(xing)(xing)的因素(su)主(zhu)要包括(kuo)超(chao)聲波(bo)傳遞介質以及超(chao)聲波(bo)換能器頻率(lv)成分(fen)的非單一性(xing)(xing)。

e. 斜探頭的人射點

  斜探(tan)頭(tou)的人射點(dian)是指斜楔中縱波聲軸(zhou)入射到換(huan)能器底面的交點(dian)。為了(le)方便對缺陷進行定(ding)位和測(ce)定(ding)換(huan)能器的K值，應先(xian)測(ce)定(ding)出換(huan)能器的入射點(dian)和前沿長度。

f. 斜探頭前(qian)沿(yan)距離

  斜探頭前沿距(ju)離(li)是從斜探頭人(ren)射點到(dao)換能(neng)器底面前端(duan)的距(ju)離(li)，此值在實際探測時可用來在工(gong)件(jian)表面上確定(ding)缺陷距(ju)換能(neng)器前端(duan)的水平投影(ying)距(ju)離(li)。

二、超聲波探傷換(huan)能(neng)(neng)器性(xing)能(neng)(neng)參數測試

超(chao)聲波傷(shang)換能器設計完成(cheng)之后需要(yao)對其性(xing)能參(can)數進行測試，主要(yao)測試項(xiang)目(mu)及性(xing)能指(zhi)標見表(biao)3.3。

1. 探頭回(hui)波頻(pin)率及頻(pin)率誤差測量

 a. 直探頭回波頻率的測試（圖(tu)3.7)

 ①. 將(jiang)超聲波換能(neng)器置于1號標準(zhun)試(shi)塊的(de)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(tou)回(hui)波頻(pin)率的測量

  將(jiang)超聲波換能器置于1號(hao)試塊上(shang)使用(yong)示波器觀察(cha)R100圓弧面的(de)最高回波。其(qi)余(yu)步驟(zou)與直探(tan)頭(tou)相同。

2. 分辨力（縱(zong)向(xiang)）測(ce)量

 a. 直探(tan)頭分(fen)辨力的測量

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

 ②. 改(gai)變靈(ling)敏(min)度使兩次波(bo)幅同時達到(dao)滿幅度的(de)100%,然(ran)后測量(liang)波(bo)谷(gu)高度h,則該超聲波(bo)換能器(qi)的(de)分辨力(li)R為(wei)   R = 20lg(100/h) ， 若h=0或兩(liang)波能完全分開，則取(qu)R>30dB。

 b. 斜探頭(tou)分辨力的測(ce)量

  ①. 如(ru)圖3.9所示，將(jiang)超(chao)聲波(bo)換能器置于CSK-IA試(shi)塊(kuai)的(de)(de)K值測量位置，確認耦(ou)合良好的(de)(de)情況下，觀察試(shi)塊(kuai)上A(Φ50)、B(Φ44)兩(liang)孔的(de)(de)回波(bo)波(bo)形(xing)，移動探頭使兩(liang)波(bo)等高。

 ②. 適當調節衰減或(huo)者增益，使A、B波(bo)幅同時(shi)達到滿幅度的100%,然后(hou)測量波(bo)谷(gu)高度h,則該探頭的分辨(bian)力R用上式計(ji)算(suan)。若h=0或(huo)兩波(bo)能完全分開，則取(qu)R>30 dB。

 c. 小角(jiao)度探頭分辨力的測量

  將換能器放置于(yu)K<1.5的(de)位置，后續步(bu)(bu)驟(zou)與斜探頭(tou)測試步(bu)(bu)驟(zou)相同(tong)。

3. 直探頭聲軸(zhou)偏斜角的測量

  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(chu)探(tan)頭(tou)的(de)參考方(fang)向，以(yi)橫通孔的(de)中(zhong)(zhong)心(xin)軸為(wei)參考點，將(jiang)探(tan)頭(tou)的(de)幾(ji)何中(zhong)(zhong)心(xin)與其對準，然后使探(tan)頭(tou)分別沿x的(de)左右(you)(you)兩(liang)個方(fang)向的(de)試塊中(zhong)(zhong)心(xin)線(xian)上移動，記錄(lu)孔波(bo)最(zui)高點時(shi)探(tan)頭(tou)距離(li)參考點的(de)距離(li)D,其中(zhong)(zhong)孔波(bo)幅度最(zui)高點在x右(you)(you)邊時(shi)加上（十）號，在x左邊時(shi)加上（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. 斜探頭(tou)、小角度(du)探頭(tou)入(ru)射(she)點(dian)的測定

 a. 橫波斜探頭

   連接待測(ce)量換能器，選取CSK-IA型準(zhun)或CSK-I型標準(zhun)試(shi)塊，對試(shi)塊R100圓弧面(mian)進行探(tan)測(ce)，如圖3.11所示。保持(chi)探(tan)頭(tou)與(yu)試(shi)塊側面(mian)平(ping)行，沿左右兩個方(fang)向(xiang)移動探(tan)頭(tou)，觀察R100圓弧面(mian)的(de)(de)回波幅度達(da)到最高時候(hou)的(de)(de)位置，則此時換能器的(de)(de)入射點為R100圓心刻線所對應的(de)(de)探(tan)頭(tou)側棱上的(de)(de)點。讀數精(jing)確到0.5mm。

 b. 小(xiao)角度縱波探(tan)頭

  連接帶測(ce)量換能器，選取TZS-R試(shi)塊的(de)(de)R面(mian)(mian)，測(ce)量試(shi)塊A面(mian)(mian)下棱(leng)角，保持探(tan)頭聲束與試(shi)塊側面(mian)(mian)平(ping)行(xing)，前后(hou)移動探(tan)頭，記錄A面(mian)(mian)下棱(leng)角回波達到(dao)最高(gao)的(de)(de)位(wei)置，此時(shi)探(tan)頭前沿(yan)(yan)至試(shi)塊A端的(de)(de)距(ju)離為x1,然(ran)后(hou)用二次反射波探(tan)測(ce)A面(mian)(mian)上(shang)棱(leng)角，同(tong)樣(yang)找到(dao)A面(mian)(mian)上(shang)棱(leng)角回波達到(dao)最高(gao)的(de)(de)位(wei)置，此時(shi)探(tan)頭前沿(yan)(yan)至試(shi)塊前端（A端）的(de)(de)距(ju)離為x2,則入(ru)射點至探(tan)頭前沿(yan)(yan)的(de)(de)距(ju)離為  a = x₂ - 2x_{1  。}

5. 斜探頭(tou)折射角的(de)測(ce)量

 測(ce)試(shi)設(she)備包括探傷儀、1號標準試(shi)塊(kuai)和(he)刻度尺。

 測試(shi)步(bu)驟：選取(qu)1號標準(zhun)試(shi)塊觀(guan)察φ50mm孔的回(hui)波，探頭的位(wei)置(zhi)(zhi)按如下情況放置(zhi)(zhi)：當(dang)K≤1.5時(shi)，觀(guan)察圖3.12a的通(tong)孔回(hui)波；1.5<K≤2.5時(shi)，觀(guan)察圖3.12b的通(tong)孔回(hui)波；當(dang)K>2.5時(shi)，探頭放置(zhi)(zhi)在如圖3.12c的位(wei)置(zhi)(zhi)，觀(guan)察φ1.5mm橫通(tong)孔的回(hui)波。前后(hou)移動探頭，找到孔的回(hui)波最高位(wei)置(zhi)(zhi)并固(gu)定下來，讀(du)出此(ci)時(shi)入射點(dian)相對應的角(jiao)度刻度β，β即為被測探頭折射角(jiao)，讀(du)數精確到0.5°。

 6. 測量(liang)小角度縱波探頭的β角和K值(zhi)

  選取TZS-R試塊的C面或(huo)B面，并在(zai)測定探頭(tou)的前沿(yan)距離a之后(hou)，再按圖3.13所展示的方法(fa)，找到端(duan)面（A面）上棱角的最(zui)大反射波高位置(zhi)，則探頭(tou)的K值和β角分(fen)別用(yong)下(xia)式計算(suan)。

小(xiao)角度探頭人射角α和折射角β對應關系(xi)見表3.4 (斜塊聲速(su)取2730m/s)。

相對(dui)靈敏度(du)測試如下：

 a. 直探(tan)頭(tou)相對靈敏度（等同于探(tan)傷靈敏度余(yu)量）測量（圖3.14).

  ①. 使(shi)用2.5MHz、Φ20直(zhi)探頭和CS-1-5或DB-PZ20-2型標準試(shi)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(jiao)度縱波探頭相對靈敏度測量

  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、提高換能器性能措施(shi)

  優良信噪比是(shi)高(gao)性能(neng)換能(neng)器(qi)的(de)(de)基本要求。常(chang)用以(yi)下兩種方法來(lai)提高(gao)換能(neng)器(qi)的(de)(de)信噪比：一(yi)是(shi)增(zeng)(zeng)加激勵脈(mo)沖的(de)(de)電壓幅值，這樣可(ke)以(yi)增(zeng)(zeng)加發射聲功率(lv)，考慮到對待檢(jian)測物體與人體的(de)(de)影響以(yi)及實(shi)際電路的(de)(de)實(shi)現，不可(ke)能(neng)無限地(di)增(zeng)(zeng)加發射功率(lv)；二是(shi)提高(gao)換能(neng)器(qi)本身(shen)的(de)(de)靈敏(min)度(du)。

 換(huan)能(neng)器(qi)和(he)電(dian)源內阻(zu)間的(de)阻(zu)抗匹配(pei)影響著換(huan)能(neng)器(qi)的(de)靈敏度(du)。由于待探測物體的(de)聲阻(zu)抗與換(huan)能(neng)器(qi)材(cai)料的(de)聲阻(zu)抗嚴重失配(pei)，這就造成(cheng)了靈敏度(du)較低。一般(ban)需要采用聲匹配(pei)和(he)電(dian)路(lu)匹配(pei)方法，提高換(huan)能(neng)器(qi)的(de)靈敏度(du)。換(huan)能(neng)器(qi)的(de)靈敏度(du)越(yue)高，使用同樣激勵，在相(xiang)同的(de)噪(zao)聲背景(jing)下，信噪(zao)比越(yue)高。

 提高(gao)超(chao)(chao)聲(sheng)波(bo)換能器的(de)(de)(de)縱向(xiang)和橫向(xiang)分辨(bian)率(lv)(lv)也能改善(shan)換能器的(de)(de)(de)性(xing)能。目前主(zhu)要是通(tong)過提高(gao)換能器的(de)(de)(de)工作頻率(lv)(lv)以及改善(shan)換能器的(de)(de)(de)脈沖(chong)響應(ying)，實現寬(kuan)帶(dai)窄脈沖(chong)。縱向(xiang)分辨(bian)率(lv)(lv)的(de)(de)(de)提高(gao)主(zhu)要是通(tong)過聲(sheng)電(dian)匹(pi)配。換能器的(de)(de)(de)聲(sheng)束寬(kuan)度決定了超(chao)(chao)聲(sheng)檢(jian)測系(xi)統的(de)(de)(de)橫向(xiang)分辨(bian)率(lv)(lv)，采(cai)用聚焦超(chao)(chao)聲(sheng)換能器，是提高(gao)換能器橫向(xiang)分辨(bian)率(lv)(lv)最有效的(de)(de)(de)方法。

四、換能器(qi)的(de)評價

  在超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)波(bo)技術中(zhong)，超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)波(bo)換(huan)(huan)能(neng)器(qi)是(shi)一個非(fei)常重(zhong)要(yao)的(de)(de)(de)部分(fen)，可以(yi)說超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)技術的(de)(de)(de)發(fa)(fa)展(zhan)(zhan)直接取決(jue)于其研發(fa)(fa)水(shui)平。超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)換(huan)(huan)能(neng)器(qi)的(de)(de)(de)研究與現(xian)代(dai)科學技術密切相關。超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)換(huan)(huan)能(neng)器(qi)發(fa)(fa)展(zhan)(zhan)水(shui)平越來越受(shou)到電子技術、自動控制(zhi)技術、計(ji)算機技術以(yi)及新(xin)材(cai)料(liao)技術發(fa)(fa)展(zhan)(zhan)的(de)(de)(de)影(ying)響。超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)波(bo)換(huan)(huan)能(neng)器(qi)中(zhong)最重(zhong)要(yao)的(de)(de)(de)就是(shi)換(huan)(huan)能(neng)器(qi)的(de)(de)(de)材(cai)料(liao)，高效、廉價、無污染的(de)(de)(de)新(xin)型換(huan)(huan)能(neng)器(qi)材(cai)料(liao)的(de)(de)(de)研制(zhi)是(shi)目前的(de)(de)(de)主(zhu)要(yao)發(fa)(fa)展(zhan)(zhan)方向。在換(huan)(huan)能(neng)器(qi)的(de)(de)(de)材(cai)料(liao)研發(fa)(fa)方面，弛豫(yu)型壓電單(dan)晶材(cai)料(liao)具有較好的(de)(de)(de)發(fa)(fa)展(zhan)(zhan)前景，如(ru)鈮鎂酸(suan)鉛(qian)(qian)－鈦酸(suan)鉛(qian)(qian)以(yi)及鈮鋅酸(suan)鉛(qian)(qian)－鈦酸(suan)鉛(qian)(qian)等，有望在超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)等技術中(zhong)獲得(de)更為廣泛的(de)(de)(de)應(ying)用。換(huan)(huan)能(neng)器(qi)的(de)(de)(de)測試(shi)技術則主(zhu)要(yao)體(ti)現(xian)在如(ru)何實現(xian)大(da)功率超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)換(huan)(huan)能(neng)器(qi)性(xing)能(neng)的(de)(de)(de)實時測試(shi)與定量測試(shi)，這(zhe)也(ye)和超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)波(bo)換(huan)(huan)能(neng)器(qi)的(de)(de)(de)發(fa)(fa)展(zhan)(zhan)有著密切的(de)(de)(de)關系(xi)。

 總之(zhi)，超聲(sheng)技(ji)(ji)術(shu)中(zhong)的(de)(de)兩個主要的(de)(de)研究方面就是(shi)超聲(sheng)波的(de)(de)產生與測試，兩者的(de)(de)發展是(shi)相互影響的(de)(de)。目前的(de)(de)情況是(shi)超聲(sheng)的(de)(de)測試技(ji)(ji)術(shu)發展滯后于超聲(sheng)的(de)(de)產生技(ji)(ji)術(shu)研究，可以預見，隨著(zhu)超聲(sheng)換能器技(ji)(ji)術(shu)水平提(ti)高，超聲(sheng)技(ji)(ji)術(shu)的(de)(de)發展一定(ding)會隨之(zhi)進人新的(de)(de)階(jie)段。