超聲波斜探頭結構、工作原理及影響探頭性能的因素

超聲波探頭根據不同的用途分為許多種類，有縱波直探頭、縱波斜探頭、橫波斜探頭、表面波探頭、爬坡探頭等等。其中縱波直探頭和橫波斜探頭在工作檢測中最為常見。直探頭與橫波斜探頭在結構與工作原理等方面有諸多相似之處，本文介紹橫波斜探頭的結構、探頭工作原理以及影響探頭性能的主要因素。

1、探頭結構

超聲波斜探頭由吸聲材料、外殼、阻尼塊、斜楔塊和產生超聲波的壓電晶片等原件組成。

吸聲材料作用是吸收晶片背面、斜塊四周發散的超聲波噪聲;探頭外殼有金屬外殼和塑料外殼，外殼起到支撐固定、保護以及電磁屏蔽等作用。探頭阻尼對壓電晶片的振動起阻尼作用，一是可使晶片起振后盡快停下來，減少晶片余震，減小超聲波脈沖寬度，提高超聲檢測分辨力;二是吸收晶片向背面發射的超聲波，減少始脈沖雜波;三是同樣起到支撐晶片的作用。斜楔塊一般采用機玻璃制成，其作用是改變晶片產生的聲束角度。壓電晶片是整個探頭的“心臟”，是探頭產生超聲波的最關鍵的元件，一般壓電晶片采用石英、壓電陶瓷等具有壓電效應的材料制作而成。

2、工作原理

超聲波儀器電路產生的電脈沖作到具有壓電效應的晶片，使壓電晶片產生逆壓電效，晶片發生軸線方向和垂直軸線的徑向振動，如圖2所示。晶片徑向振動產生雜波被吸聲材料吸收，而軸向振動產生的超聲波聲束才是有用的聲束。晶片振動方向即為超聲波質點振動方向，質點振動方向與超聲波聲束傳輸方向相同，則可推斷出晶片軸向振動產生的有用聲束為縱波聲束，斜楔塊的超聲波聲速為有機玻璃的縱波聲速。當晶片接收到一個電脈沖完成一次逆壓電效應，將被固定在晶片上的阻尼塊阻止余震，減少超聲波余波，從而較小超聲波脈沖寬度。

晶片產生的縱波聲束通過具有一定角度的斜楔塊和耦合劑層進入工件，聲束在耦合劑與工件接觸界面發生波形轉換。當縱波聲束以小于第一臨界角的角度進入工件，工件的聲束為縱波和橫波，且縱波聲束的角度大于橫波。入射角大于第一臨界角小于第二臨界角，工件的聲束為純橫波。圖3  為入射縱波聲束角度小于第一臨界角，圖4為入射縱波聲束角度大于第一臨界角且小于第二臨界角。

                                                             圖4 入射縱波聲束角度大于第一臨界角且小于第二臨界角

3、影響探頭性能的因素

探頭性能的優良主要從探頭的靈敏度、性噪比、分辨率、始波寬度、盲區大小等性能因素。影響探頭性能的因素在于制作探頭元件的材料性能，比如：采用壓電陶瓷比石英制作的晶片靈敏度、分辨率、性噪比都要高，復合材料制成的壓電晶片又比壓電陶瓷性能好。國內的常規檢測探頭大部分采用壓電陶瓷制成，TOFD和超聲相控陣探頭多采用性能更好的復合材料制。影響探頭性能因素還有吸聲材料、外殼、阻尼塊的材料性能以及探頭制作工藝水平。國外的探頭制作工藝水平要高于國產探頭，其價格也比國產探頭貴不少。隨著國內探頭的制作工藝水平不斷提高，國產探頭性能正在追趕甚至比肩于進口探頭。