超聲探傷儀、超聲波探頭、測(cè)試塊和耦合劑等是超聲檢測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分。超聲波檢測(cè)的主要設(shè)備是超聲波探傷儀，它可以快速、方便、無(wú)損傷地檢測(cè)、定位、評(píng)估和診斷工件中的各種缺陷。由于超聲波探頭可實(shí)現(xiàn)電聲轉(zhuǎn)換，所以超聲波探頭也叫超聲波換能器，其電聲轉(zhuǎn)換是可逆的，且轉(zhuǎn)換時(shí)間極短，可以忽略不計(jì)。根據(jù)超聲波的產(chǎn)生方式和電聲轉(zhuǎn)換的不同，超聲波換能器有很多種。這些電聲轉(zhuǎn)換方式有：利用某些金屬（鐵磁性材料）在交變磁場(chǎng)中的磁致伸縮，產(chǎn)生和接收超聲波；利用電磁感應(yīng)原理產(chǎn)生電磁超聲以及利用機(jī)械振動(dòng)、熱效應(yīng)和靜電法等都能產(chǎn)生和接收超聲波，利用壓電效應(yīng)原理制成的壓電材料是目前用得最多的超聲換能器。

一、影響超聲波探傷換能器性能的主要參數(shù)

 超聲波換能器性能的主要參數(shù)包括頻率響應(yīng)、相對(duì)靈敏度、時(shí)間域響應(yīng)、電阻抗、聲束擴(kuò)散特性、斜探頭的入射點(diǎn)和折射角、聲軸偏斜角和雙峰等。

a. 頻率響應(yīng)

  指在指定物體上測(cè)得的超聲波回波的頻率特性。在用頻譜分析儀測(cè)試頻率特性時(shí)，從所得頻譜圖中得到換能器的中心頻率、峰值頻率、帶寬等參數(shù)。

b. 相對(duì)靈敏度

  即在指定的介質(zhì)、聲程和反射體上，換能器將聲能轉(zhuǎn)換成電能的轉(zhuǎn)換效率。

c. 時(shí)間域響應(yīng)

  通過(guò)超聲波回波的形狀、寬度、峰數(shù)可以對(duì)換能器的時(shí)間域相應(yīng)進(jìn)行評(píng)估。

d. 超聲波換能器的聲場(chǎng)特性

  包括距離幅度特性、聲束擴(kuò)散特性、聲軸偏斜角等。影響聲場(chǎng)特性的因素主要包括超聲波傳遞介質(zhì)以及超聲波換能器頻率成分的非單一性。

e. 斜探頭的人射點(diǎn)

  斜探頭的人射點(diǎn)是指斜楔中縱波聲軸入射到換能器底面的交點(diǎn)。為了方便對(duì)缺陷進(jìn)行定位和測(cè)定換能器的K值，應(yīng)先測(cè)定出換能器的入射點(diǎn)和前沿長(zhǎng)度。

f. 斜探頭前沿距離

  斜探頭前沿距離是從斜探頭人射點(diǎn)到換能器底面前端的距離，此值在實(shí)際探測(cè)時(shí)可用來(lái)在工件表面上確定缺陷距換能器前端的水平投影距離。

二、超聲波探傷換能器性能參數(shù)測(cè)試

超聲波傷換能器設(shè)計(jì)完成之后需要對(duì)其性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，主要測(cè)試項(xiàng)目及性能指標(biāo)見(jiàn)表3.3。

1. 探頭回波頻率及頻率誤差測(cè)量

 a. 直探頭回波頻率的測(cè)試（圖3.7)

 ①. 將超聲波換能器置于1號(hào)標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)P為基準(zhǔn)，讀出P點(diǎn)前一個(gè)周期與后兩個(gè)周期共三個(gè)周期的時(shí)間T₃,則回波頻率為f_e=3/T₃，進(jìn)而計(jì)算出回波頻率誤差

 b. 斜探頭回波頻率的測(cè)量

  將超聲波換能器置于1號(hào)試塊上使用示波器觀察R100圓弧面的最高回波。其余步驟與直探頭相同。

2. 分辨力（縱向）測(cè)量

 a. 直探頭分辨力的測(cè)量

  ①. 示波器抑制置零或關(guān)，其他旋鈕置適當(dāng)位置，連接探頭并置于CSK-IA標(biāo)準(zhǔn)試塊上，觀察聲程分別為85mm和91mm反射面的回波波形（圖3.8),移動(dòng)探頭使兩波等高。

 ②. 改變靈敏度使兩次波幅同時(shí)達(dá)到滿幅度的100%,然后測(cè)量波谷高度h,則該超聲波換能器的分辨力R為   R = 20lg(100/h) ， 若h=0或兩波能完全分開(kāi)，則取R>30dB。

 b. 斜探頭分辨力的測(cè)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(cè)量位置，確認(rèn)耦合良好的情況下，觀察試塊上A(Φ50)、B(Φ44)兩孔的回波波形，移動(dòng)探頭使兩波等高。

 ②. 適當(dāng)調(diào)節(jié)衰減或者增益，使A、B波幅同時(shí)達(dá)到滿幅度的100%,然后測(cè)量波谷高度h,則該探頭的分辨力R用上式計(jì)算。若h=0或兩波能完全分開(kāi)，則取R>30 dB。

 c. 小角度探頭分辨力的測(cè)量

  將換能器放置于K<1.5的位置，后續(xù)步驟與斜探頭測(cè)試步驟相同。

3. 直探頭聲軸偏斜角的測(cè)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(cè)探頭近場(chǎng)長(zhǎng)度。

  b. 標(biāo)出探頭的參考方向，以橫通孔的中心軸為參考點(diǎn)，將探頭的幾何中心與其對(duì)準(zhǔn)，然后使探頭分別沿x的左右兩個(gè)方向的試塊中心線上移動(dòng)，記錄孔波最高點(diǎn)時(shí)探頭距離參考點(diǎn)的距離D,其中孔波幅度最高點(diǎn)在x右邊時(shí)加上（十）號(hào)，在x左邊時(shí)加上（一）號(hào)。

 c. 繼續(xù)沿x的兩個(gè)方向移動(dòng)探頭，分別測(cè)出孔波幅度最高點(diǎn)與兩側(cè)孔波幅度下降6dB時(shí)的位置，分別標(biāo)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(dòng)，分別測(cè)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、小角度探頭入射點(diǎn)的測(cè)定

 a. 橫波斜探頭

   連接待測(cè)量換能器，選取CSK-IA型準(zhǔn)或CSK-I型標(biāo)準(zhǔn)試塊，對(duì)試塊R100圓弧面進(jìn)行探測(cè)，如圖3.11所示。保持探頭與試塊側(cè)面平行，沿左右兩個(gè)方向移動(dòng)探頭，觀察R100圓弧面的回波幅度達(dá)到最高時(shí)候的位置，則此時(shí)換能器的入射點(diǎn)為R100圓心刻線所對(duì)應(yīng)的探頭側(cè)棱上的點(diǎn)。讀數(shù)精確到0.5mm。

 b. 小角度縱波探頭

  連接帶測(cè)量換能器，選取TZS-R試塊的R面，測(cè)量試塊A面下棱角，保持探頭聲束與試塊側(cè)面平行，前后移動(dòng)探頭，記錄A面下棱角回波達(dá)到最高的位置，此時(shí)探頭前沿至試塊A端的距離為x1,然后用二次反射波探測(cè)A面上棱角，同樣找到A面上棱角回波達(dá)到最高的位置，此時(shí)探頭前沿至試塊前端（A端）的距離為x2,則入射點(diǎn)至探頭前沿的距離為  a = x₂ - 2x_{1  。}

5. 斜探頭折射角的測(cè)量

 測(cè)試設(shè)備包括探傷儀、1號(hào)標(biāo)準(zhǔn)試塊和刻度尺。

 測(cè)試步驟：選取1號(hào)標(biāo)準(zhǔn)試塊觀察φ50mm孔的回波，探頭的位置按如下情況放置：當(dāng)K≤1.5時(shí)，觀察圖3.12a的通孔回波；1.5<K≤2.5時(shí)，觀察圖3.12b的通孔回波；當(dāng)K>2.5時(shí)，探頭放置在如圖3.12c的位置，觀察φ1.5mm橫通孔的回波。前后移動(dòng)探頭，找到孔的回波最高位置并固定下來(lái)，讀出此時(shí)入射點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的角度刻度β，β即為被測(cè)探頭折射角，讀數(shù)精確到0.5°。

 6. 測(cè)量小角度縱波探頭的β角和K值

  選取TZS-R試塊的C面或B面，并在測(cè)定探頭的前沿距離a之后，再按圖3.13所展示的方法，找到端面（A面）上棱角的最大反射波高位置，則探頭的K值和β角分別用下式計(jì)算。

小角度探頭人射角α和折射角β對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表3.4 (斜塊聲速取2730m/s)。

相對(duì)靈敏度測(cè)試如下：

 a. 直探頭相對(duì)靈敏度（等同于探傷靈敏度余量）測(cè)量（圖3.14).

  ①. 使用2.5MHz、Φ20直探頭和CS-1-5或DB-PZ20-2型標(biāo)準(zhǔn)試塊。

  ②. 將儀器發(fā)射置強(qiáng)，抑制置零或關(guān)，增益置最大以達(dá)到儀器最大靈敏度。連接待測(cè)探頭。觀察此時(shí)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(diào)節(jié)衰減或增益，在噪聲電平等于滿幅度的10%時(shí)，記下衰減器的讀數(shù)S₀。

  ③. 將探頭置于試塊端面上探測(cè)200mm處的Φ2平底孔。移動(dòng)探頭使中62平底孔反射波幅最高，并用衰減器將它調(diào)至滿幅度的50%,記下此時(shí)衰減器的讀數(shù)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(duì)靈敏度測(cè)量（圖3.15)

  連接好待測(cè)斜探頭，首先按照按直探頭的方法測(cè)量噪聲電平S₀,然后將待測(cè)斜探頭放置在CSK-IA標(biāo)準(zhǔn)試塊上，探測(cè)R100圓弧面，保證耦合良好的情況下，保持聲束方向與試塊側(cè)面平行，移動(dòng)待測(cè)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(shí)衰減器的讀數(shù)為S₂.則斜探頭的相對(duì)靈敏度S為  S = S₂-S₀  。

c. 小角度縱波探頭相對(duì)靈敏度測(cè)量

  測(cè)量方法同橫波探頭的情況，但是基準(zhǔn)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(shù)S₃，則S₃-S₀ 的值即為被測(cè)探頭的相對(duì)靈敏度。

三、提高換能器性能措施

  優(yōu)良信噪比是高性能換能器的基本要求。常用以下兩種方法來(lái)提高換能器的信噪比：一是增加激勵(lì)脈沖的電壓幅值，這樣可以增加發(fā)射聲功率，考慮到對(duì)待檢測(cè)物體與人體的影響以及實(shí)際電路的實(shí)現(xiàn)，不可能無(wú)限地增加發(fā)射功率；二是提高換能器本身的靈敏度。

 換能器和電源內(nèi)阻間的阻抗匹配影響著換能器的靈敏度。由于待探測(cè)物體的聲阻抗與換能器材料的聲阻抗嚴(yán)重失配，這就造成了靈敏度較低。一般需要采用聲匹配和電路匹配方法，提高換能器的靈敏度。換能器的靈敏度越高，使用同樣激勵(lì)，在相同的噪聲背景下，信噪比越高。

 提高超聲波換能器的縱向和橫向分辨率也能改善換能器的性能。目前主要是通過(guò)提高換能器的工作頻率以及改善換能器的脈沖響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)寬帶窄脈沖?？v向分辨率的提高主要是通過(guò)聲電匹配。換能器的聲束寬度決定了超聲檢測(cè)系統(tǒng)的橫向分辨率，采用聚焦超聲換能器，是提高換能器橫向分辨率最有效的方法。

四、換能器的評(píng)價(jià)

  在超聲波技術(shù)中，超聲波換能器是一個(gè)非常重要的部分，可以說(shuō)超聲技術(shù)的發(fā)展直接取決于其研發(fā)水平。超聲換能器的研究與現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)密切相關(guān)。超聲換能器發(fā)展水平越來(lái)越受到電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及新材料技術(shù)發(fā)展的影響。超聲波換能器中最重要的就是換能器的材料，高效、廉價(jià)、無(wú)污染的新型換能器材料的研制是目前的主要發(fā)展方向。在換能器的材料研發(fā)方面，弛豫型壓電單晶材料具有較好的發(fā)展前景，如鈮鎂酸鉛－鈦酸鉛以及鈮鋅酸鉛－鈦酸鉛等，有望在超聲等技術(shù)中獲得更為廣泛的應(yīng)用。換能器的測(cè)試技術(shù)則主要體現(xiàn)在如何實(shí)現(xiàn)大功率超聲換能器性能的實(shí)時(shí)測(cè)試與定量測(cè)試，這也和超聲波換能器的發(fā)展有著密切的關(guān)系。

 總之，超聲技術(shù)中的兩個(gè)主要的研究方面就是超聲波的產(chǎn)生與測(cè)試，兩者的發(fā)展是相互影響的。目前的情況是超聲的測(cè)試技術(shù)發(fā)展滯后于超聲的產(chǎn)生技術(shù)研究，可以預(yù)見(jiàn)，隨著超聲換能器技術(shù)水平提高，超聲技術(shù)的發(fā)展一定會(huì)隨之進(jìn)人新的階段。