超声波检测设备及原理

超声检测主要是利用超声波在工件中的传播特性，如声波在通过材料时能量会损失衰减,在遇到声阻抗不同的两种介质界面时会发生反射、折射等。其工作原理是：

1).声源产生超声波，超声波以一定的方式进入工件传播。

2）.超声波在工件中传播遇到不同介质界面（包括工件材料中缺陷的分界面），使其传播方向或特征发生改变。

3)。改变后的超声波通过检测设备被接收，并进行处理和分析，评估工件本身及其内部是否存在缺陷及缺陷的特性。

第一节 超声波探伤仪

超声波探伤仪、探头和试块是超声波探伤的重要设备.了解这些设备的原理、构造和作用及其主要性能的测试方法是正确选择探伤设备进行有效探伤的保证。

一、超声波探伤仪概述 1．仪器的作用

超声波探伤仪是超声波探伤的主体设备，它的作用是产生电振荡并加于换能器（探头）上，激励探头发射超声波,同时将探头送回的电信号进行放大，通过一定方式显示出来,从而得到被探工件内部有无缺陷及缺陷位置和大小等信息.

2．仪器的分类

超声仪器分为超声检测仪器和超声处理(或加工)仪器,超声波探伤仪属于超声检测仪器.超声波探伤技术在现代工业中的应用日益广泛，由于探测对象、探测目的、探测场合、探测速度等方面的要求不同，因而有各种不同设计的超声波探伤仪,常见的有以下几种.

1）按超声波的连续性分类

①脉冲波探伤仪：这种仪器通过探头向工件周期性地发射不连续且频率不变的超声波,根据超声波的传播时间及幅度判断工件中缺陷位置和大小，这是目前使用最广泛的探伤仪

②连续波探伤仪：这种仪器通过探头向工件中发射连续且频率不变（或在小范围内周期性变化）的超声波，根据透过工件的超声波强度变化判断工件中有无缺陷及缺陷大小．这种仪器灵敏度低，且不能确定缺陷位置,因而已大多被脉冲波探伤仪所代替，但在超声显像及超声共振测厚等方面仍有应用。

③调频波探伤仪:这种仪器通过探头向工件中发射连续的频率周期性变化的超声波,

根据发射波与反射波的差频变化情况判断工件中有无缺陷。以往的调频式路轨探伤仪便采用这种原理。但由于只适宜检查与探测面平行的缺陷,所以这种仪器也大多被脉冲波探伤仪所代替。

2）按缺陷显示方式分类

① A型显示探伤仪：A型显示是一种波形显示，探伤仪荧光屏的横坐标代表声波的传播时间（或距离），纵坐标代表反射波的幅度。由反射波的位置可以确定缺陷位置，由反射波的幅度可以估算缺陷大小。

② B型显示探伤仪:B型显示是一种图像显示，探伤仪荧光屏的横坐标是靠机械扫描来代表探头的扫查轨迹，纵坐标是靠电子扫描来代表声波的传播时间（或距离)，因而可直观地显示出被探工件任一纵截面上缺陷的分布及缺陷的深度．

③ C型显示探伤仪：C型显示也是一种图像显示，探伤仪荧光屏的横坐标和纵坐标都是靠机械扫描来代表探头在工件表面的位置.探头接收信号幅度以光点辉度表示，因而，当探头在工件表面移动时,荧光屏上便显示出工件内部缺陷的平面图像，但不能显示缺陷的深度．A型、B型、C型三种显示分别如图4—1所示。

图4—1 图像显示分类

A 型显示 B型显示 C型显示

3）按超声波的通道分类

①单通道探伤仪：这种仪器由一个或一对探头单独工作，是目前超声波探伤中应用最广泛的仪器。

②多通道探伤仪：这种仪器由多个或多对探头交替工作,每一通道相当于一台单通道探伤仪，适用于自动化探伤。

目前，探伤中广泛使用的超声波探伤仪，如CTS一22、CTS一26等都是A型显示脉冲反射式探伤仪。

二、A型脉冲反射式超声波探伤仪的一般工作原理 1．仪器方框电路图

图4-2采用方框电路图表示仪器各部分,各方框之间用线条连起来，表示各部分之间的关系,说明仪器的大致结构和工作原理。

图4-2 仪器方框电路图

2．仪器主要组成部分的作用

1）同步电路：同步电路又称触发电路，它每秒钟产生数十至数千个脉冲，用来触发探伤仪扫描电路、发射电路等，使之步调一致、有条不紊地工作。因此，同步电路是整个探伤仪的“中枢”,同步电路出了故障，整个探伤仪便无法工作。

2）扫描电路：见图4-3，扫描电路又称时基电路，用来产生锯齿波电压，加在示波管水平偏转板上，使示波管荧光屏上的光点沿水平方向作等速移动，产生一条水平扫描时基线。探伤仪面板上的深度粗调、微调、扫描延迟旋钮都是扫描电路的控制旋钮。探

伤时，应根据被探工件的探测深度范围选择适当的深度档级,井配合微调旋钮调整,使刻度板水平轴上每一格代表一定的距离.扫描电路的方框图及其波形见图。

图4-3 扫描电路图

3）发射电路：见图4—4，发射电路利用闸流管或晶闸管的开关特性，产生几百伏至上千伏的电脉冲.电脉冲加于发射探头，激励压电晶片振动,使之发射超声波，可控硅发射电路的典型电路如图所示。

图4—4 发射电路图

发射电路中的电阻R0称为阻尼电阻,用发射强度旋钮可改变R0的阻值。阻值大发射强度高,阻值小发射强度低,因R0与探头并联，改变R0同时也改变了探头电阻尼大小,即影响探头的分辨力。

4）接收电路：见图4—5,接收电路由衰减器、射频放大器、检波器和视频放大器等组成。它将来自探头的电信号进行放大、检波，最后加至示波管的垂直偏转板上,井在荧光屏上显示。由于接收的电信号非常微弱，通常只有数百微伏到数伏，而示波管全调制所需电压要几百伏，所以接收电路必须具有约105的放大能力.

接收电路的性能对探伤仪性能影响极大,它直接影响到探伤仪的垂直线性、动态范围、探伤灵敏度、分辨力等重要技术指标。

接收电路的方框图及其波形如图所示.

图4-5 接收电路图

由大小不等的缺陷所产生的回波信号电压大约有几百微伏到几伏，为了使变化范围如此大的缺陷回波在放大器内得到正常的放大，并能在示波管荧光屏的有效观察范围内正常显示,可使用衰减器改变输入到某级放大器信号的电平。一般把放大器的电压放大倍数用分贝来表示：

式中 Kv——电压放大倍数的分贝值； U出——放大器的输出电压; U

入

—-放大器的输入电压，一般探伤仪的电压放大倍数可达10～10倍，相当于

45

80~100dB。

探伤仪面板上的增益、衰减器、抑制等旋钮是放大电路的控制旋钮。增益旋钮用来改变放大器的增益,增益数值大，探伤灵敏度高。衰减器旋钮用来改变衰减器的衰减量。一般说来，衰减读数大，灵敏度低。但是，有的探伤仪为了使用时读数方便统一起见，衰减器读数按增益方式标出，在这种情况下，衰减读数大,灵敏度高。抑制旋钮的作用是抑制草状杂波。但应注意，使用抑制时，仪器的垂直线性和动态范围均会下降。

5）显示电路：见图4—6,显示电路主要由示波管及外围电路组成.

示波管用来显示探伤图形,示波管由电子枪、偏转系统和荧光屏等三部分组成。

图4-6 显示电路图

电子枪发射的聚束电子以很高的速度轰击荧光屏时，使荧光物质发光，在荧光屏上

形成亮点.扫描电路的扫描电压和接收电路的信号电压分别加至水平偏转板和垂直偏转板，使电子束发生偏转,因而亮点就在荧光屏上移动，描出探伤图形。由于扫描速度非常快，肉眼看上去就好象是静止的图像。

6）电源：电源的作用是给探伤仪各部分电路提供适当的电能，使整机电路工作。标准探伤仪一般用220伏或110伏交流市电，探伤仪内部有供各部分电路使用的变压、整流及稳压电路。携带式探伤仪多用蓄电池供电，用充电器给蓄电池充电。

除上述基本组成部分之外，探伤仪还有各种辅助电路，如延迟电路、标距电路，闸门电路、深度补偿电路等，这些辅助电路的作用在此不一一赘述。

三、模拟式与数字式超声波探伤仪工作原理区别

1．仪器结构区别

超声波探伤仪的主要工作原理：以一定的脉冲重复周期发射激发超声波的高压电子脉冲:同步接收超声波电信号波形；衰减和放大波形信号;对信号进行检波和滤波:在显示屏上显示回波信号波形；读出波形的幅度和延时时间;判读回波的大小和产生回波的位置。

传统模拟超声波探伤仪的基本结构如图4-2所示,是由发射、接收、衰减、放大、检波、滤波、显示、闸门、比较、报警等电路组成。各部分电路的参数设置都是独立地通过面板旋钮或档位开关控制的，并且只能显示出超声回波信号的电子扫描波形。而数字化的超声波探伤仪主要是指包括了具有所有模拟超声波探伤仪功能模块的电脑化仪器。采用模／数转换电路，数字逻辑电路，微型计算机及计算机接口，使超声波探伤仪的发射、接收、衰减、放大、检波、滤波、显示、闸门、比较、报警等电路的控制参数能由微机键盘和显示屏人机对话输入，简化了操作,同时实现了超声波探伤波形和数据的数字化输出.除此以外，数字式超声波探伤仪还能增加记忆，打印，通信等电脑化仪器特有的功能。

超声波探伤仪的数字化主要体现在读数数字化，波形显示数字化和电脑化数据处理三个方面。

2．仪器读数区别

模拟超声波探伤仪只能显示出超声回波信号的电子扫描波形。 这里回顾一下获取模拟超声波探伤仪数据的途径:模拟超声波探伤仪对波幅的读出过程是：通过将回波调整到一定的百分比高度线(30％或80%等）,然后读出衰减器的位置读数.模拟波形相对刻度线的读数精度比较低，一般大于2%.模拟探伤仪对回波位置的读出过程是：将已知距离的参考回波调整到整数格上，再将探伤回波在屏幕上的位置刻度读出，按比例计算位置。

读数误差大于1%.在使用模拟超声波探伤仪时，探伤所需的其他一些间接参数（如缺陷当量)的估计需要操作人员进行手工计算。精度更低,过程复杂，不容易掌握。而数字式超声波探伤仪除了能显示出超声回波信号的数字化波形外，还能显示出一些探伤所需的直观数据，包括回波幅度和回波位置。数探仪对波幅的读出过程是：将模拟波形电信号放大到合适的量程后<30％〈h<100%.用模／数转换器转换成数字信号，由计算机计算该数字信号和参考数字的比值或分贝值，自动加上放大器或衰减器的读数,用数字显示出来。读数误差以8位数字采样为例能小于0。4%。数探仪对回波位置的读出过程是：由计算机读取回波峰值点或上升沿处相对同步脉冲的延时记数值，记数脉冲由晶体振荡器产生。计算机将延时数字扣除探头的延时，乘以声速的一半,得到回波的声程。再根据折射角度和有关几何关系，计算出相应的水平距离的垂直深度,在屏幕上数值显示出来。相对精度优于0.5％。微电脑能够利用相关的参数自动计算更多的检测数据，包括缺陷当量,缺陷坐标，缺陷大小，折射角度等。更加准确，直观，操作简单，容易掌握.

3．波形显示区别

模拟探伤仪用示波管显示波形，波形信号在检波后通过高压视频放大,作为Y轴偏转电压：同步的锯齿信号也通过高压视频放大，作为X轴偏转电压;使波形在示波管上显示出来。高压放大器的线性性能直接影响波形的显示质量和人工判读.波形显示和脉冲重复频率同步。重复频率高则波形显示亮度高，重复频率低则波形显示亮度暗。数探仪的波形显示是用模／数转换器将波形信号转换成数字信号，由数字逻辑电路或计算机将数字波形画在计算机显示器上。显示器可以是电磁偏转的监视器，也可以是平板显示器。前者虽然有偏转失真，但相对同样偏转的坐标格，没有误差；后者则根本不会失真.数字化波形显示频率和视频同步，亮度均匀。数字式超声波探伤仪在波形显示窗口能独立显示探伤闸门，距离波幅曲线等辅助标识，比模拟超声波探伤仪的显示要灵活和准确得多。

4．记录方式区别

使用模拟探伤仪时,探伤记录需人工填写：抄录仪器旋钮设置， 手描或拍照记录波形，用记录仪画出峰值曲线。 上述工作用数探仪时，都能由计算机轻易地完成。长期存储在机内或打印出来,传输给外部计算机。

5．模拟仪器与数字仪器操作面板区别

图4-7 CTS—22型模拟式超声波探伤仪面板图

图4-8 PXUT—350B+数字式超声波探伤仪面板图

如图4—7和图4—8可见模拟式探伤仪操作、读数通过诸多旋钮且无法保存其状态。数字式超探仪过通中文热健及数码旋钮，操作简易，轻松读数无需人为计算，且能存储各种数据，更轻巧的体积和超长工作时间使探伤工作更为轻松。

四、数字式超声波探伤仪的功能特点 1）读数更准确、直观

计算机自动读数精度高，结合探伤参数计算出最终结果，简单，直观，快速,准确。自动报警定量合理.

对超声检测信号波幅具有以下几种读数方式： 波高百分数+当前增益分贝数； 波高分贝数+当前增益分贝数； 波高相对闸门高度分贝数; 波高相对距离波幅曲线分贝数；

缺陷尺寸当量(相当于标准缺陷类型的尺寸)数; 对超声检测信号定位读数具有以下几种读数方式: 相对超声波发射脉冲的延时；

相对工件表面超声波入射点的超声波传输延时； 相对工件表面超声波入射点的反射点埋藏深度; 相对工件表面超声波入射点的超声波传输声程距离; 相对工件表面超声波入射点的沿表面投影距离；

在用户定义的广义平板、圆管截面或圆棒内的缺陷定位。 2）波形显示清晰

数探仪采用计算机的显示器，波形显示明亮清晰，有两种方式,一种是将探伤重复频率和60HZ视频同步，波形动态感好;另一种是采用较高的重复频率探伤，以60HZ或30HZ频率显示峰值波形。

3）数字化探伤参数计算

数字式超声波探伤仪之所以能够显示直观的检测数据，是因为数字式超声波探伤仪具有了计算能力，通过对超声波探伤波形信号的波形高度及波形延迟时间的数字化测量，结合相关先验参数，进行计算,显示出直观的物理量.同时,这些先验参数也能通过标准试块的参考波形测试,自动计算得出,这个过程，是对数字式超声波探伤仪的读数校准过程.数字式超声波探伤仪的定位校准主要计算探头零点，材料声速和折射角度三个参数.

探头零点计算:对试块上两个已知倍数声程距离(S1，nSl）的回波分别测得延时(T1，T2），测量和声程大小无关,和材料声速无关。计算探头入射延时：

这里n一般是2,T0表示超声波检测系统的系统延时，包括计时零点到发射超声波的

电子延时和超声波在超声探头楔块、耦合材料等非被检测材料中的传输延时。电子延时是数字式超声波探伤仪的固有参数，一般小于0.1us：后者和采用的超声波探头、超声波耦合条件有关，接触法探伤时,主要受超声波探头的楔块影响，没有超声波延时楔块的直探头的传输延时小于0.1us,超声横波探头的传输延时从一微秒到十几微秒不等。探头零点延时校准后,数字式超声波探伤仪根据波形延时T，计算超声波在被检工件内的传输延时Ts:

Ts=T—T0.

材料声速测量：对一个已知声程（S）的回波测量延时(T),计算声速：

由上式可知，在测量声速之前要保证探头零点延时的正确。试块要和具体检测材料相同。在一般情况下，材料声速和试块声速可根据超声波型(横波或纵波)，材料种类从有关手册查出后输入。在未知材料声速时，才有必要制作试块和测量声速，横波声速的测量一定需要制作圆弧反射面，因为在未知声速时，折射角度是不确定的.

折射角度测量：对已知深度(H）的回波测量延时(T),计算折射角: 由上式可知，在测量声速之前必须保证探头零点延时和声速的正确。

有一种方法通过两个已知深度（H1,H2）的人工缺陷反射波延时的测量（T1，T2），若已知探头零点延时（T0）、材料声速（C）和折射角度中的任一个参数,可同时计算出另外两个参数。

4）距离波幅曲线

数探仪通过测量不同距离的相同尺寸人工缺陷回波的绝对分贝数建立距离波幅曲线，能自动在不同 灵敏度、扫查范围时将曲线计算出来、显示在屏幕上。比模拟探伤仪在刻度板上画曲线方便得多.

数探仪的曲线是通过各个点的测量值，在对数域用直线相连，形成折线，恢复到线性域时，以指数规律变化，符合声波衰减的自然规律.

数探仪的曲线在有效读数量程时有效，一盘要高地20%～30%屏幕高度，它的优点在于能自动随着灵敏度的提高而上升，但不能增加动态范围。

数探仪的另一项功能自动距离增益补偿能随延时变化增益，使距离波幅曲线变平坦,相对增加动态范围。

5)波形的自动捕获

数探仪在探伤时能自动捕获闸门内峰值最大的波形,锁定在屏幕上，也能将不同距离上的峰值包络保留下来，辅助测量工作。使探伤更加准确，减轻了操作人员的劳动强度.

数探仪还能自动调整增益，使闸门内的回波幅度达到一定的高度，使操作更加简单。 6)波形记录、探伤报告的存储、打印和计算机通讯、建立数据库

数字式超声波探伤仪的一个重要功能就是能够将探伤参数，探伤波形记录下来,存储在文件中，或传输给计算机，建立有关数据库，实现无损检测工件的信息化管理。

7）探伤参数和仪器设置的自动生成

数字式超声波探伤仪具有计算能力，能够根据被检测工件的尺寸、形状和探伤方法自动生成探伤仪参数.

8）排除电磁干扰和数据后期处理

超声波探伤是以脉冲重复频率重复进行的,在短时间内（探头没有很大的移动)探伤波形因超声传输 路径基本相同而肯有相关性，外界电磁干扰等噪声信号是随机出现或不相关的，所以数字式超声波探伤仪经过对回波波形进行多次平均处理能有效排除干扰信号,提高信噪比.

数字式超声波探伤仪还能将超声波形进行滤波、频谱分析、相关分析、小波变换、模式识别等算法处理达到得高信噪比、提高分辨率和缺陷识别分析的目的。

3.3 使用数字式超声波探伤仪的常见问题 1）有关重复频率

脉冲重复频率是单位时间内仪器完成超声波检测的有效次数，即实现独立判伤报警的次数。数字式超声波探伤仪的脉冲频率是发展的,一般手持式数字式超声波探伤仪均做到脉冲重复频率和视频同步，使每次超声检测回波被显示出为，这与模拟探伤仪一致,但重复频率被降到了50HZ-60HZ，在快速扫查和自动探伤时性能不好。

因为是显示同制限制了重复频率，所以有的探伤仪包括一些国外的仪器，采用了较高的重复频率，500HZ-2000KHZ，高速数据外理进行自动捕获最大伤波，再以视频显示出来，于是兼顾了显示性能和扫查性能。

影响模拟超探仪脉冲重复频率的因素只有超声传输延时，波形信号在产生的同时完成了和闸门电平的比较，输出报警。然后就能进行下一次脉冲检测。而一般数字式超探仪的探伤判别往往是经过后处理的,脉冲重复频率要受一数据处理时间的制约。有些进口仪器采用了DSP技术将数据处理时间压缩到很短,感觉不到和模拟超探仪的差别。

2）波形分辨率

探伤仪的波形分辨率受发射波的宽窄、接收匹配阻抗的高低和放大器带宽性有影响。数探仪的数字代波形显示使波形在水平方向分厉有限个占的集合(200-500）,所以每个点要代表附近波形的典型值，为了保证探伤效果，一般取峰值，所以会把标识分辨率的谷值抛弃。使测试分辨率降低,而模拟探伤仪的波形是连续的,谷值能一直保持,反映真正分辨率，所以在测试数探仪的分辨时要将波形适当拉宽,即缩小水平扫描范围,测试到真正的分辨率.为了符合现行标准，就要选择更高分辨率的探头。

3）水平线性误差

数探仪水平读数相对误差取决于波形分辨率，当模拟波形不失真时，是波形序列点数的倒数,0。5%-0.2%。绝对误差取决于采样频率（40MHZ—200MHZ）.数字式超声波探伤仪是帖采样时钟显示和读取水平延时数据的,排除了模拟超声探伤仪由锯齿放大失真引起的线性误差和屏幕辨读误差（2％左右）。

4）垂直线性误差

数探仪的垂直读数误差有三个因素,一是数字化分辨率,一般为8位,256级，或7位128级（数字双向检波检测1位），误差是0。4％－0.8％;第二个因素是数字控制放大器的精度，0.3分贝到0。6分贝，2％－5%；另一个因素是接收放大器的线性误差，采用集成化的数字控制放大器,线性误差可以控制到很小。排除了模拟探伤仪的衰减器误差、视频放大器线性误差、视频放大器线性误差、和屏幕判读误差。

5）衰减器范围和增益范围

模拟探伤仪一般用可调节100分贝的衰减器，固定60分贝放大器，完成—40分贝到+60分贝的增益调节范围，读数用衰减量表示;数探仪用40分贝的固定衰减器(可选），和80分贝到90分贝左右的数控放大器完成-40分贝到+80分贝的增益范围调节，用增益值表示，和国外仪器一致。也有数字式超声波探伤仪使用对数放大器，具有很大的动态范围.

6）采样频率

数字化采样频率影响超声检测波形的真实信息保留，根据奈奎斯特定理和三农定理，数字化采样频率必须高于信号频率或带宽的两倍，就能还原出模拟波形的任意一点信号，但一般超声波探伤的数据处理需要很强的实时性，不采用算法进行还原，所以采样频率应远高于采样定律规定的数值.

最低采样频率应使超声波信号峰值在采样间隔内起伏变化误差小于能允许的误差。例如，我们允许波幅读数误差4％，对于一个频率为F的正弦波,最低采样频率应高于11×F。由于超声波信号是脉冲信号，即带宽信号，所以F应取频率范围内最高的值，也就是上边频率。

对于模拟检波电路,在采样前超声信号经检波电路和滤波电路，形成波形信号的包络，频率范围较低,只需20到40MHz采样频率；对于射频波形或数字检波方式，采样频率要到100到200MHz。

五、数字式超声波探伤仪的发展 1）数字信号处理

数字式超声波探伤仪把超声波探伤和数字信号处理技术、计算机技术结合在一起，使从夹杂各种因素的波形信号中提取对判伤有用的信息的途径大为拓展，有可能采用各种计算方法进行数字信号处理.

许多数字式超声波探伤仪已经具有了数字滤波、频谱分析、波形识别、小波分析等数字信号处理功能用于提高检测信噪比和缺陷识别能力。

2）自动化多通道数字式超声波探伤仪

数字式超声波探伤仪应用于自动化超声波检测，具有巨大的潜力。数字式超声波探伤仪能够协调多个通道的协同工作，各个通道相互独立，互不干扰，并且通过数字信号处理排除工业现场的电磁干扰，识别伤波.完成自动检测和自动判伤。数字式超声波探伤仪在探伤控制计算机协调下工作,能够存储、校准和设置探伤参数,实时将探伤数据传送

给主计算机。在主计算机形成自动探伤的数据记录和探伤报告。这种计算机系统管理模式有助于机电一体化控制,把探伤设备和生产设备的自动化管理溶入一体。数字式超声波探伤仪和自动化机械探伤扫查结合起来，能实现超声检测数据的图形化和图像显示。

3）计算机超声成像

数字式超声波探伤仪和机械扫描或电子控制相结合，实现超声检测数据的各种图形和图像的显示。

A扫图形显示超声探伤波形。

B扫图像显示探头沿一维扫查的超声探伤图像,图像的一维是探头（或声线）扫查位置，另一维是超声波检测的声程深度位置，超声波检测波形的幅度用颜色或灰度表示。

C扫图像显示探头沿两维扫查的超声探伤图像，图像的坐标是探头（或声线)扫查位置，在一定深度范围内的超声波检测波形的幅度用颜色或灰度表示，多层的C扫图像能反映材料中缺陷的立体形态。

超声参数图像重建方法主要分透射法和背向散射法，主要原理建立由超声波传输和材料特性参数相互作用而形成扫查测量值数学模型，通过空间域或空间频域的反向算法重建材料的特性参数图像，一般被称为合成孔径算法。

超声成像的超声波探伤仪器将是超声波无损检测的一片新天地，将建立新的缺陷识别和定量的方法、概念。

4）超声相控阵技术

超声波相控阵技术是指将超声波探头分成阵列排列的小片，各个阵元按一定的延时关系(相位关系）同步发射,然后检测各个阵元的检测信号按一定的延时关系(相位关系）的叠加（干涉）结果。这种技术通过延时关系（相位关系）的控制,能实现超声波束的方向控制、聚焦控制及线性扫描，形成电子扫描的B扫图像。

第二节 超声波探头

在超声波探伤中，如何发射超声波,以及如何接收经被探测材料传播后的超声波，是首先要解决的问题。因为它的好坏直接关系着探伤的水平.

当人们发现超声的存在之后，就寻找获得超声的方法，最早出现的是气体动力式的和液体动力式的方法，但这些方法在应用上都受到局限，直到发现了压电效应，能方便的将电能转换成声能，同时还可以将声能转换成电能的方法之后，才使得超声在无损探伤中得以广泛的应用和发展.

将一种能量转换成另一种能量的器件叫做换能器。能量的形式是各种各样的,因此换能器的类型也是多种多样的。在电的普遍应用和电量的放大和测量、显示技术比较成熟的情况下,当然实现电与声、声与电之间转换的器件是比较理想的，加之这种换能器本身同时具备电与声之间转换的可逆性,这就是目前在超声波探伤中广泛采用电声换能器的主要原因。在特殊的情况下，探伤中也采用首先将电能转换为其他形式的能量而后再转

换为声能的换能器（如磁致伸缩式和静电式换能器等）。

在超声探伤中使用的换能器通常称为超声探头。普通的超声探头在电脉冲信号的激励下能发射超声脉冲。反之，当一个超声脉冲作用在探头上，超声探头也能产生一个相应的电脉冲信号。显示电脉冲信号的方法可以根据不同的要求采取不同的形式，如采用示波管显示或电表指示，也可以用喇叭或信号灯报警等。超声探头加上电脉冲发生和接收、显示仪器就构成了一个完整的装备。但是以往的仪器设计人员和制造厂家多重视仪器本身的参数而忽略探头的研制，走了一些弯路。探头虽小，但它集中了大量声学的基本问题，如超声波的吸收和衰减问题，多层介质声波的传播问题，复合体的基本振动问题,电声能量转换之间的有关问题等.所以，探头的形式,性能,制作工艺，合理使用等,对探伤结果的正确性都会产生直接的影响，使之成为发展超声波探伤技术的重要环节。因而，近年来国内外对超声探头的研制越来越引起人们的重视.

一、压电效应

1880年居里兄弟发现，当在某些物体上施加拉力或压力而发生形变时，在其表面上就会出现电荷,这种现象称为正压电效应。

1881年又证实压电效应是可逆的，即能产生正压电效应的物体在电场的作用下会产生应变或应力，这种现象称为逆压电效应。

正压电效应，逆压电效应统称压电效应。凡是能够产生压电效应的材料称为压电材料。

由于压电材料具有可逆压电效应，所以正、逆压电效应同时存在于同一材料之中。压电效应在一般情况下是线性的，即电场和形变的依赖关系成线性关系。通常把压电效应近似的认为是即时发生的，当在压电材料某个方向上施加交变应力时，它将会产生同步的交变电场,当一定取向的交变电场加于压电材料某一方向上，它将产生与交变电场同频率的机械振动。当外加频率与压电材料固有频率一致时,则发生共振,此时获得最大形变或电荷量。超声波探头就是利用在固有频率下的逆压电效应发射超声波，同时利用正压电效应的原理接受来自被探测物的超声波使之提供电讯号的。

压电材料必定是非金属、电介质晶体结构，故又称为压电晶体。压电晶体有单晶体及多晶体之分。单晶体系各向异性体，其压电效应与结晶轴向有关。它可以是天然形成的，如石英、电气石等,也可以由人工培养和提拉制成的单晶材料，如硫酸锂、碘酸锂，铌酸锂、酒石酸钾钠等。多晶体系各向同性体是由人工烧结的铁电体压电材料，俗称压电陶瓷， 目前超声探伤中常用的有钛酸钡BaTiO3，钛酸铅PbTiO3、锆钛酸铅Pb（ZrxTi1—x)O3（国外商用型号为PZT)等。下面对单晶体压电材料和多晶体压电材料压电效应发生的机理分别作以微观定性的解释.

1．压电单晶体的压电效应

压电单晶体的压电效应可以石英为例来作以说明。石英的化学成分是二氧化硅 （SiO2）,属于三角晶系。它有一个光学对称轴（光轴）Z；在垂直于Z轴的平面上,通过相对两个棱角有三个轴X1、X2，X3，沿这些轴的方向的压电效应格外显著称为极化轴,此外还有三个垂直于相对棱边，且与XZ平面相垂直的y1，y2、y3轴(如图4—9所示）.

图4-9 石英晶体

为了微观定性的说明石英的压电效应，可以把石英晶胞原子排列的等效电性看成是如图4—10所示的样子。

图4—10 石英晶胞原子排列的等效电性示意图

在正常情况下，各原子的电荷相互平衡，整个晶胞呈中性，如图4-10(a）。当在x方向施加压力，由于原子的位置的变更，电平衡遭到破坏,于是在表面A呈现负电荷，表面B呈现正电荷,如图4—10（b)。当在x1方向施加拉力或在垂直于x1方向施加压力时,表面A、B上出现电荷相反的情况,如图4—10（c）.这就形成所谓的正压电效应.反之,当石英受到外界电场作用，则电场不仅使离子本身极化，而且使晶胞中的离子产生相对位移，这个位移使得晶胞内部产生内应力，最后引起宏观形变。这就是所谓逆压电效应。

实际使用的石英元件都是从石英晶体中按一定方向和切割方式截取的。由于石英晶体是各向异性的，即一块石英晶体在不同方位上表现出来的物理性能,如电学、光学、力学性能各不相同，其压电效应的强弱和性质同样与结晶轴向有关，在有的方向上甚至没有压电效应。因此不同的切割方式就可以获得适应不同用途的石英元件，例如有的切割方式可以获得极小的频率，温度系数，可制成稳定度极高在电子技术中广泛应用的稳频晶片，有的切割方式特别适宜制作各种不同性能的机械滤波器,近年来发展的LC切割方式可以在很宽的温度范围内线性良好的频率温度关系，可制做超声测温元件。作为超声探头的石英晶片主要采取X切割和Y切割二种方式。所谓X切割如图4—11（a），就是指垂直于X1,X2、X3轴中任一轴线切割下来的晶片，它具有纵向正压电效应及纵向逆压电效应，若晶片的边缘分别平行于Y轴及Z轴则称之为0°X一切割，如图4-11（b）。

图4-11 石英晶片的X切割

同样，Y切割就是指垂直于Y1、Y2，Y3轴中任一轴线切割下来的晶片，它具有横向正压电效应和横向逆压电效应。

纵向压电效应如图4-12（a）所示,沿着X轴方向在X切割晶片上施加交变应力，则在垂直于X轴平面产生交变电场。反之，如果在垂直于X轴平面施加交变电压，则晶片沿X轴方向将会产生与交变电压同频率的形变，形成机械振动.

图4—12 纵向、横向压电效应

横向压电效应如图4—12（b）所示,当沿X轴方向对Y切割晶片施加交变应力时，在与Y 轴垂直的平面上将呈现交变电场.反之，如果在垂直Y轴平面上施加交变电场时，

沿X轴方向将会产生同频率的形变。Y切割的晶片在探伤中常用来制作表面探头.

2．压电陶瓷的压电效应

压电陶瓷是由许多小晶粒组成的多晶体。目前探伤中常用的压电陶瓷,其晶胞是钡钛矿型晶胞,如图4—13（a）所示，所有的压电材料当温度升高到一定值后，压电效应会自行消失，物理学上称这温度为材料的居里点，以TC表示。当压电陶瓷的温度在居里点以上时，晶胞属于立方晶系，其正负电荷分配如图4—13（b）所示。由于立方体对称性很高，钛离子即使偏离中心位置，但从各方面偏离中心位置的几率是相同的，所以由立方体晶胞组成的晶粒的平均。

图4—13 压电陶瓷的压电效应说明图

电荷为零，不出现电极化.若压电陶瓷的温度在居里点以下时，它的晶胞形状变长，立方晶胞变为四方晶胞，其电荷分布如图4—13(c）所示。此时，钛离子向长轴方向偏离的几率就大，于是正负电荷中心不再重合，出现了电极化现象,这种电极化是自发形成的称为自极化。在居里点以下,立方晶胞的三个晶轴中的任何一个均可成为四方晶胞较长的晶轴，因而晶粒中各晶胞自极化的取向是杂乱的，其综合作用的结果不呈现极化，没有压电效应。若在一定温度下，以每毫米1，000～3，000伏的强电场加在压电陶瓷的两端,使各晶胞极化方向沿外加电场方向重新排列，整个压电陶瓷晶胞的极化方向趋于一致,这种处理称为极化处理。若经极化处理后仍能保持其极化强度的性质称为铁电性，压电陶瓷具有铁电性，经极化处理后的压电陶瓷就能产生压电效应。

二、压电方程和压电材料的有关常数 1．压电方程

晶体材料的物理效应主要有

（1）力学效应，即应力T与应变S之间存在着一定的关系

(4—1） （4-2)

式中:——弹性顺从常数,脚注i，j表示各分量；

—-弹性刚度常数。

（2)电学效应，即电场量E与电位移量0之间存在一定的关系

（4—3） (4—4）

式中： -—介电常数，脚注m、k表示各分量；

——介电隔离率。

（3）磁学效应，即磁场强度H和磁感应强度B之间存在着一定的关系

（4-5）

式中：——导磁率

（4）热学效应，即温度9与熵.之间存在着一定的关系

（4-6）

式中: Q—-热量；

P—-介质密度， C—-比热.

对于压电晶体来说,不考虑磁学效应，并认为在压电效应过程中无热交换,因此只考虑其力学效应和电学效应。但又有别于力学材料和电学材料，因为在压电材料中这二种效应之间又是相互作用的，必须同时考虑。为了定量的描述各物理量之间的关系而确立的压电材料物理效应的数学表达式,称之为压电方程。

要仔细了解压电晶体是如何工作的，就需要根据已知的原始电学和力学的物理量求解相应的压电方程式，才能得到其力学状态和电学状态的变化情况.但是，要讨论完整的压电方程是非常复杂的。这里仅就从热力学理论推导的四种不同形式的压电方程，从压电方程各物理量的定义及有关物理意义的角度作以简略的介绍。通常提到的压电方程，一般是指这四组方程中的一组，它们是从不同的角度描述同一物理量，为了简洁起见各物理量不标以分量。

以上式中SE、CD、εT、βS……等上角标E、D、T、S表示以该字母代表的物理量(电场E、电位移D，应力T、应变S）保持不变为条件。ht、dt……等下脚标t表示转置矩阵。d，g，e、h为压电常数。

以上各压电常数d、g、e,h；弹性常数c、s；介电常数ε、β之间的关系为：

D=esE=εTg （4—7）

G=βTd=hsD (4-8) E=εSh=dcE （4-9） H=βSe=gcD (4—10）

2．压电方程有关常数物理意义 1）压电常数.

压电常数有d、g、e、h它们分别称为压电应变常数d，压电电压常数g、压电应力常数e、压电劲度常数h,其定义为

以上式中括号内分母一般为外加因素变化的物理量，分子一般为压电晶体相应变化的物理量，括号外的脚标表示以该字母代表的量不变为条件.根据以上式中的定义可以看出各压电常数的物理含义为：

压电应变常数d:表示压电晶体在应力恒定的情况下,加上电场后所产生的相对应变，或电场恒定的情况下加上应力所产生的相对电位移。其单位是米／伏或库仑／牛顿.

压电电压常数g:表示压电晶体在电位移恒定的情况下,加上应力后所产生的相对开路电压；或在应力恒定的情况下，由于电位移变化所产生的相对应变.其单位是伏·米／

牛顿或米2／库仑。

压电应力常数e：表示压电晶体在应变恒定的情况下，加上电场后所产生的相对应力,或在电场强度恒定情况下， 由于应变的变化所引起的相对电位移。其单位是牛顿／伏·米或库仑／米2。

压电劲度常数h：表示压电晶体在电位移恒定的情况下由于应变的变化所产生的相对开路电压，或在应变恒定的情况下，由于电位移变化所产生的相对应力。其单位是牛顿／库仑或伏／米.

d和e代表着反压电性能，故也称压电发射系数,关系到压电晶片发射灵敏度，d和e的值大，晶片发射性能好，表示对压电晶片施加较小的电压就可以产生较大的振动，从而获得较强的超声波。

g和h代表着正压电性能,故也称压电接收系数，关系到压电晶片接收灵敏度，g和h的值大，晶片接收性能好，表示接收到较弱的超声波也能产生较大的电压.

以上四个压电常数中，常数d用得较多也较容易实测,其他各常数可以通过式4—7、式4-8、式4—9、式4—10的关系相互换算.

在压电陶瓷中，一般规定极化方向坐标为3或Z，对于垂直于Z轴的另外二个坐标轴规定为l和2或X和Y（由于压电陶瓷在XY平面内晶体是各向同性的，1和2可以互换）。D33的脚标表示在Z方向上施加电压引起Z方向上的相对应变，同样g33表示在Z方向上施加应力后引起z方向上产生的相对开路电压.余此类推。在超声探头压电晶片参数中D33和g33是重要的指标。

2）介电常数。

在介电常数中，介电隔离率β表示电介质的电场随电位移矢量变化的快慢，其单位为米／法.在超声探伤中一般不使用这个常数。

介电常数ε，它反映材料的介电性质，对于压电晶体来说，它也反映压电晶体的极化性质。压电材料的介电常数ε的定义和静电学中一样。当一个电介质处于电场E中，那么电介质内部的电场可以用电位移D表示，D＝εE.如果用电介质来作电容器电极间的绝缘体，介电常数ε与电容器电容量C，电极面积A和极间距离t之间的关系为（c的单位是法拉，A的单位是米2,t的单位是米，ε的单位为法／米).介电常数还经常使用相对分电常数的概念，其数值等于在同样电极下介质的电容与真空电容的比值(ε真空＝8。85×10—2法/米）.介电常数与压电晶片附上电极后的电容有关，即与压电晶片呈现的电气阻抗有关。制作超声探头时阻抗匹配是很重要的，不同用途的压电元件对材料的介电常数要求也不相同。对于高频压电元件则要求介电常数小一些，因为ε小意味电容小,工作频率当然就可以做得高些。ε越大，压电元件的电气阻抗越小,如扬声器和送话器之类的压电元件则要求材料介电常数大一些。

对于压电材料来说，由于存在压电效应，其介电常数的数值还与换能器的机械自由度有关.一般给出两个值，其一是换能器被夹紧时的介电常数εS,另一个是换能器在自由

状态时的介电常数εT。

3）弹性常数.

压电材料的弹性常数有弹性顺从常数sii和弹性刚度常数cjj。

弹性顺从常数sii表示材料应变si与所施加的应力Tj之比。如沿坐标轴1施加应力T1在同一轴向产生的应变为S1,则，而就是杨氏模量。如果沿轴1方向施加应力T1在与轴1相垂直轴2方向产生的应变为S2，则，而表示横向相对压缩与纵向相对伸长之比，即为柏松比。

弹性刚度常数cjj表示物体产生单位应变si所需要的应力Tj，从定义可知cjj与sii互为倒数。cjj就是杨氏模量.由于压电材料有压电效应,短路弹性刚度常数用表示,开路弹性刚度常数用表示.

三、压电材料其他有关参数 1．频率常数N1

当一交变电压加至压电晶片时,压电晶片在外电场的迫使下,产生与交变电压相同频率的振动。对于不同的切割方式或极化方式就存在着两种振动模式，一种是厚度振动模式（简称厚度模），另一种是径向振动模式（简称径向模）。以厚度振动模式为例，如果压电晶片上表面的振动，经压电晶片传至下表面时,将与下表面的振动叠加，其合成振动的结果,决定于晶片振动的频率和晶片的厚度，只有当晶片的厚度等于该频率下的半波长时，上表面的振动传至下表面时正好与下表面振动同相位，因此,合成振幅最大，辐射的超声波能量也最大。压电晶片在这种条件下工作称为谐振，满足谐振条件的工作频率称为谐振频率或基频，以fr表示.如果压电晶片的声速为CT，则谐振条件下的压电晶片的厚度1为

（4-11) （4—12）

可以看出对于厚度模来说谐振频率fr和晶片厚度1的乘积是一个常数，声学上称这个常数为频率常数N，由定义可知

N1=fr×l (4—13)

对于薄的压电晶片来说

（4-14）

式中：p——压电晶片的密度。

同样，对于径向模来说，若在谐振频率下的晶片直径为d，则其频率常数N，zf,·d 超声波探头一般用压电晶片厚度振动模式，因此频率常数N,是经常使用的。 2．电气品质因素θe和机械品质因素θm

电气品质因素θe是压电材料贮存的电能与耗损的电能之比.它反映压电材料在交变电压作用下消耗电能而转变成热能的大小。造成这种消耗的主要原因有,在外加电压变化时压电元件内部极化状态变化的滞后、压电材料内介质存在漏电流以及压电材料介质结

构不均匀等。如果把压电材料看成是一个电学介质材料，由于电介质在电场作用下引起发热而消耗的能量（介质损耗)，通常以介质损耗因子tgδ的大小来表示，则电气品质因数θe可以用tgδ的倒数来表示，即

（4—15）

式中，ω——交变电场的角频率, c——介质样品的静电容, R-—介质的损耗电阻。

机械品质因素θm的定义是：压电材料在谐振时的机械能量与在一个周期内损耗的机械能量之比。它反映了压电材料振动时克服内摩擦而消耗能量的大小，是衡量压电材料的一个重要常数.

机械品质因素θm和电气品质因素θe越大，意味着在压电效应过程中损耗的能量就越小,在大功率和高频情况下的发热量就越小，但是对展宽频带,改善波形和提高分辨率等都不利，因此在应用时还需根据实际情况适当选择。另外,由于θm和θe还随负载媒介的性质而变化，因此也可以利用改变负载媒介的办法来解决上述矛盾（如石英晶体在大气中自由辐射θm高达50000，而在水中且加阻尼块θm可小于10）。

3．机电耦合系数K

从能量的观点出发，压电效应是一种电能和机械能互相转化的效应,为此引入一个物理量K来衡量压电材料中机械能和电能之间的耦合强弱称为机电耦合系数，其定义为：

从逆压电效应考虑：

（4—16）

从正压电效应考虑:

(4—17）

系数K2与转能器的效率不同，拿逆压电效应来说，K2只能说明有多少电能被转换成机械能，但机械能并不一定完全转换成辐射的超声能量。

在压电材料中同时存在三种特性，即弹性，介电和压电特性，机电耦合系数K与压电能Um、弹性能Ua和介电能Ud之间的关系为

（4—18）

K是一个能量的比值,无量纲，最大值为1。当K=0时即无压电效应。对于超头探头，K关系到发射灵敏度和接收灵敏度,有用的K值总是愈大愈好。K值是压电材料一个最突出的特征量，压电常数大，K值亦大。另一方面，对于各向异性材料K亦随压电晶体振动模式不同而变化。例如，对压电陶瓷材料，一块薄圆晶片，利用其厚度振动，这时机电耦合系数用Kt表示称为厚度机电耦合系数。探头用薄圆晶片,虽只想利用Kt，但因为薄圆晶片还同时存在一个径向机电耦合系数Kp，它是支配晶片径向振动的， 由于Kp的存在使探头的杂波增多,因此超声探头的晶片希望K，越大越好，以获得高灵敏度，同时希望Kt/K,也要大，以减少杂波。在实际应用中可以用外电路(如并接一个电感线圈)

来消除K,的影响.

超声探头常用压电材料主要常数值列于表4—1： 表4-1 常用压电材料主要常数

Ρ项目 化学材料 符号 名称 割 形 切波D33 (×10—12m/v) D33 （×10-2m/N） t Kp KΡ （gC c ((m Qc (℃） 10 10 — 50 75 256 1.0 350 5.6 10.3 354。5 4/ε0 TεN MHmm Z·/cm3） m/s） ×105瑞利） 石 英 石 压英 电硫SiO2 Li2SOH2O 4·LiIO3 LiNbO3 BaTiO3 Y 横4.6 1.8 .14 SiO2 X 纵2.31 5。0 0。1 0- 2.65 2.65 2.06 4.47 4.64 5。7 512。87 1.93 2.73 2.06 3。70 2.6 740 5。2 3850 510.2 1— 单酸锂 品 碘酸锂 铌酸锂 钛酸钡 PZT－4 PZT－5A 压电陶ZTPY 纵16 17。5 0。30 0- 0470 1。2 41Z 35°Y Z 纵- — 。51 .10 0。49 - 0130 8。5 7400 534.8 300 0 — 1纵6.0 2。3 200 9。0 315 5328 11700 1150 纵190 1。8 0。38 .36 0.51 470 0。0 4000 30.0 Z 纵289 2。6 — 7.5 00 2.0 Z 纵374 2。48 007.75 435 765 31500 1。89 。49 。60 350 3。7 瓷 －7A PZT－8 ZTS 钛酸铅 Z 纵150 3.98 0。50 - 7.6 4300 650 325 4800 3。8 2。1 Z 纵225 2。5 0。48 0— 7.6 4580 4580 43 3 31000 00 31000 2.07 PbTiO3 Z 纵— — 0。60 。20 007.6 7。72 3- 1300 460 50 00 42。0 2。12 Z 纵58 3。3 31.43 .096 240 2。8 050 四、常用压电材料 1．石英（Si02)

石英是单晶体，它不需要极化就有压电效应.石英晶体有天然的也有人造的，它最早用来作为压电元件的材料，压电石英晶片具有较高的电强度和机械强度，电气性能稳定,

不受潮湿影响,抗老化性能好等优点.此外石英可以加工成任何形状，制成压电元件工艺过程简单，无需复杂结构的支座，故较其他压电材料使用起来方便.对于X切割的石英晶片，采用厚度模式振动,如果忽略径向振动的影响,其谐振频率fr为

(4-19）

式中：1-—石英晶片的厚度.

对于高的谐振频率来说，石英晶片必须做得很薄，因此也就很脆，所以利用谐振频率工作的上限一般不超过15兆赫。由于石英晶体的各向异性产生的晶体内压电性能不均匀分布，使得厚度模振动的超声场发生畸变。常常采用由两块金属薄片中间夹以石英片的所谓组合式石英振动片来代替简单的石英晶片，这样的振动系统是当作一个整体来振动，因而具有更高的声强度和超声场畸变小等优点。带有薄钢片的组合石英振动片在胶粘合的情况下其谐振频率fr可按下式计算：

（4-20）

对于不同切割的石英晶片，可以获得不同的振动模式。直接产生横波的超声探头，通常是采用Y切割的石英晶片制作的。

2．铌酸锂（LiNbO3）

铌酸锂是一种用提拉法生长的人工单晶,纯净的铌酸锂为五色透明的三角晶体，它有较高的机电耦合系数（大约为石英的五倍）和极高的居里点(1200°C），介电常数较低，超声传播损耗较小等优点.特别适于制造高频或高温用超声探头。

铌酸锂具有较高的自发极化程度，因此，提拉生长出来的晶体就有较好的压电性能.如果再加以人工极化，性能就更好。铌酸锂晶体退火后加工并不困难,电极可用真空镀膜,化学沉淀等方法。铌酸锂不溶于水,耐高电压，由于它具备这一系列的优点，因此它是极有生命力的新压电材料，其不足之处是成本高，不同轴向热膨胀系数极不均匀，当骤热骤冷时容易炸裂，特别是当晶体存在内应力时使用上更应注意。

铌酸锂的压电性能对切割方位非常敏感,当晶片的法线在YZ平面变化时，不同方位的切割可以获得只产生（或接收）纵波的晶片，也可以获得只产生（或接收)横波的晶片，更多的是二波共存的晶片，如+35°方位切割的晶片Kt=0.49为最大,Kp=0，这种晶片只产生（或接收)纵波.而在+163°方位切割Kt=0，Kp=0.62,这种晶片只产生（或接收）横波。而在+15°方位切割，Kt= Kp=0.045,这种晶片可以同时产生（或接收）纵波和横波。如果晶片的法线在别的平面里变化时情况又不一样了。当0°X切割时,Kp=0。68，而K，极小，利于产生(或接收）横波.因此可以根据不同的探伤目的来选择不同的切割晶片.

3．碘酸锂（LiIO3）

碘酸锂也是一种压电单晶材料，它非常适宜于做水浸超声探头。由于它的介电常数较高，所以有较高的灵敏度.当牺牲部分灵敏度时它所获得的分辨率和灵敏度的综合指标，仍然远远超过石英超声探头的性能。

4．钛酸钡（BaTiO3）

由于天然石英晶片压电效应较弱，辐射的超声功率较小，随着科研生产的发展，人们开始寻找新型压电材料，钛酸钡就是在这种情况下研制出来的人工压制烧结的压电多晶体(俗称压电陶瓷)。

钛酸钡的压电发射系数较大，差不多是石英的一百倍，因而钛酸钡不需要加高的电压就可以获得较大的超声功率，例如在钛酸钡晶片上加100～300伏电压时所得到的超声波强度大致与在石英晶片上加1000～3000伏电压时的辐射的超声强度相同。可见在获得强力超声场方面，钛酸钡明显地优于石英。钛酸钡的价格又比石英便宜得多。钛酸钡不溶于水，可以制成任意形状和尺寸的晶片,在机械强度方面也胜过石英，所以钛酸钡在许多场合取代了石英晶片.

然而，钛酸钡超声探头的效率不高，约为50%（石英为75%），而且品质因数低，热稳定性比石英差，居里点低，在115℃时即丧失压电效应（但在100℃时压电效应几乎不变化）因而在某些场合又限制了它的使用。

钛酸钡压电晶片一般可以在1370°～1450℃用焙烧碳酸钡和二氧化钛压合物的方法得到，但是用此法制成的晶片有很多孔隙，不坚固。一般认为，如果在900°～1250℃时所制得的钛酸钡与有机粘合剂一起加以压合，可以弥补上述缺点。钛酸钡晶片需要在3～12千伏／厘米的稳定电场下进行极化。

为了进一步改善钛酸钡的性能,往往在钛酸钡中添加其他的物质，如添加钛酸铅，可大大提高晶片压电性能的稳定程度,还可以起到提高居里点和增大发射超声功率的作用。添力D少量氟化锂能提高钛酸钡的密度，降低其多孔性从而增加了强度。

5．锆钛酸铅（PZT)

锆钛酸铅国外商用代号为PZT。用于压电材料的锆钛酸铅是锆酸铅和钛酸铅的固溶体。只有锆与钛的比率限制在一个狭窄的范围内。才能获得较好的压电性能。它的机电耦合系数K\"、压电发射系数d0和压电接收系数g33、居里点T,都比钛酸钡为高.

纯锆钛酸铅的性能随工作温度的变化而变化,同时它的介电常数也较低，加入微量三氧化二镧，五氧化二铌、三氧化二锑和碳酸锶等添加剂，即可大为改善锆钛酸铅晶体的压电性能和电学性能。加入添加剂后的锆钛酸铅晶体的性能大大超过钛酸钡。锆钛酸铅压电晶体是一种比较理想的工业超声探伤的压电材料，锆钛酸铅压电晶片在国内外超声探头中得到广泛的应用.

五、超声探头压电材料的选择

压电材料品种繁多，选择超声探头压电材搁的原则概括起来有三条：第一是性能适当，即并不追求各项性能的高指标,而是根据探头的形式，满足具体探伤要求为限度；第二是工作稳定可靠，为了保持探伤结果的准确和有良好的重复性,要求压电晶体在一定的工作期限和一定的环境温度范围内能稳定,可靠地工作；第三是价格低廉，这是降低整个探伤成本的一个环节；关系到经济指标。

通过分析和具体探伤实践证明，超声探头压电材料对性能参数有如下要求;

Kt/Kp

大——波形好，杂波少，

Kt 大——灵敏度高，

ε 小——利于高频匹配，可制作大探头； Nt 大——利于加工高频元件， Tc 高——可用于高温环境工作； ρc与工作介质接近—-利于声匹配提高效率。

另外根据不同的探头形式，对压电材料的要求也不相同.

1）对于兼作收发的超声探头,要保证在脉冲系统中容易触发且激励后要很快地恢复静止状态；对于低的电平信号要有高的灵敏度响应。因此对应的压电晶片要求有高的压电接收系数g,相当数值的压电发射系数d，适当的机电耦合系数Kt，晶片的阻抗匹配要好，低的机械Qm值以产生一个宽频带高分辨力的接收系统等。

2）对于单发射超声探头相应的压电晶片,要求有高的机电耦合系数K,和高的压电发射系数d和低的压电接收系数g.

3）对于单接收超声探头相应的压电晶片，要求有高的机电耦合系数K：和高的压电接收系数g和低的压电发射系数d。

六、压电元件

一定形状和大小的压电晶体，当经过极化和涂上电极后即称为压电元件。配上其他组合件后就可以构成压电换能器，如超声探头。在超声波探伤中，根据需要来选择能产生和接收某种频率的纵波或横波的压电元件。

使用压电单晶材料，应特别注意切割方位，不同的切割方位所激发和接收的波型是不同的，有的方位切割只产生（或接收）纵波,有的方位切割只产生（或接收)横波,有的方位切割却两波共存,而不同方位切割的灵敏度也不尽相同，在选择时要格外注意。

对于压电陶瓷．在极化前是各向同性的，可以在任意方位上加工成所需的形状和尺寸，然而一旦极化以后，它只在垂直于极化轴的平面里呈各向同性。因此,一块极化了的压电陶瓷晶片，在直径方向改变尺寸是可以的，如果改变厚度就会破坏电极。经验表明进行修改加工过的晶片沿加工面向里0。2毫米深的层内会出现部分去极化。

在压电晶片上涂上电极的目的是使供给晶片的电压能够均匀分布。超声探头往往在短时间(低于10微秒）内加上大的脉冲电压（100～2000伏左右），电压梯度高达25毫米面积上约为20万伏，所以在晶片上涂以良好导电介质是十分必要的。在石英晶片上一般使用气化沉淀法镀金或银，钛酸钡晶片常采用气化沉淀电镀或烧结，电导一涂布法.在难以采用沉淀法的晶片上也可以采用覆盖薄金属铂当电极的方法。通常晶片两面的电极是相同的，在某些情况下也可以采用成型电极，或在晶片前面不加电极而以与它相接触的工件代替。

七、超声波探头的分类

目前所用的探头，绝大多数是利用压电效应原理制作的，这里讨论的分类，也仅是

对这类最常用的探头而言。

根据产生超声波波型的不同，探头可分为纵波探头（也叫直探头,平探头）,横波探头（也叫斜探头、斜角探头)和表面波探头等几类.根据探伤方法.区分，有接触探伤用探头，水浸探伤用探头。有些探头的发射功能与接受功能是由两个晶片分别担当的,叫双晶片探头，亦称联合双探头。有些探头的声束聚成一点或一条线，叫做聚焦探头.有些探头入射角度是可以变化的,称可变角度探头。还有些探头是为达到某种探伤目的而特制的叫做专用探头。下面叙述各类探头的结构及设计上的考虑.在直探头中所谈的内容,原则上也适用于其他探头.

八、各类探头的结构与设计 1．纵波探头 （1）结构。

纵波探头用于发射和接收纵波。其结构如图4—14所示。

图4—14 纵波探头的结构

纵波探头由保护膜、压电晶片、阻尼块、外壳和电器接插件组成.有的纵波探头还带有机玻璃延迟块。

保护膜有陶瓷、钢、塑料等几种。塑料保护膜易损坏，所以往往做成可拆换式的。陶瓷保护膜、钢保护膜与晶片之间是用环氧树脂类的胶粘接的。有机玻璃延迟块与带保护膜的晶片是靠压力接触的，也可以用环氧树脂，502胶等把晶片直接粘在延迟块上。在使用石英晶片的探头中，石英晶片的接地电极是直接与工件接触的。探头电缆的屏蔽网丝通常与晶片的接地电极相连。阻尼块的作用是吸收向后发射的声波并阻尼晶片的振动，阻尼块通常是用钨粉和环氧树脂制作，有的石英探头是采用电木制作。

外壳的作用是支撑、容纳、保护上述各类器件，通常还作为接地电极使用.有的直探头外壳上还带有便于抓持的金属环、塑料罩等.外壳上有电器接插件，一般是采用牢固耐用的小型电缆接插件,通常外壳上还有标称频率，晶片直径、晶片材料等标记。

（2）设计。

1）保护膜。为了防止晶片磨损、碰坏，在晶片前通常加有保护膜。与陶瓷晶片相比，石英晶片不易损坏，所以有的石英晶片探头是不加保护膜的。也有人使用含硅砂的塑料或碳化钨、陶瓷片等作为保护膜。由于很难使这种保护膜做得足够薄，所以加保护膜后，由于超声在保护膜内多次反射，使得荧光屏上的始脉冲(始波)变宽.而且，由于晶片前面粘上了保护膜，探头的机械品质因数也会大大降低.有的厂家以塑料为保护膜．塑料保护膜展宽脉冲的作用不大，而且有利于消除工作表面光洁度及探伤时因压力不均匀而造成耦合程度的变化。由于塑料薄膜的声阻抗可以调整到晶片与油的声阻抗之间，这样可以使透射率不因加保护膜而降低很多。

2）探头的机械品质因数QP .设计探头时,常常希望其机械损耗比较小，这样发射声能的效率就高.实用中，可用探头的机械品质因数QP值来表示其机械损耗的大小，QP值

越大，损耗越小。QP值可用如下式所示。

(4—21）

式中 ——晶片声阻抗

——负载(工件)声阻抗 ——吸收块声阻抗

由式(4—1）可知，负载与背衬材料的声阻抗越大,探头的机械品质因数就越小，发射声能的效率也越低。探头机械品质因数值还与晶片的机械品质因数QM有关。压电陶瓷晶片的QM小，做成的探头QP值也小。

3）探头的电气晶质因数Qe 。 Qe的定义如下：

（4—22）

式中 k—机电耦合系数。

利用式（4-2）计算可知，石英探头的Qe值大约为钛酸钡探头的16倍，为锆钛酸铅探头的10倍。因此，对于压电陶瓷晶片制成的探头来说，电气的阻抗匹配是很重要的。一般可采用在探头内加入与晶片并联的电阻、电感的办法，使探头与仪器的发射电路匹配，以提高发射效率。匹配用的电阻、电感可装在探头的吸收胶内，也可以装在接插件内，或者装在仪器内部。

4)探头频带宽度。探头带宽Δf的定义如下：

（4-23）

式中Δf——探头带宽，

f0—-探头频谱中主峰值所对应的频率，

f2——高于f0的某一频率。f2所对应的信号幅度为f0对应信号幅度的70%， f1——低于f0的某一频率。f1所对应的信号幅度为f0对应信号幅度的70％． 探头带宽与探头机械品质因数QP的关系如下式所示:

（4—24）

由式（4—24）可知，探头机械品质因数越小，其带宽越宽，所以说，要求带宽较宽与要求灵敏度高是互相矛盾的。

5）阻尼块.对阻尼块的要求有两个,一是它的声阻抗必须比较大；以便产生较大的阻尼作用，再就是要求它有较强的吸声作用，尽可能吸收掉晶片向后发射的声波(当探头比较小时，是很难做到完全吸收的）。为了防止粘接层降低阻尼及吸收的作用，一般都是把晶片与吸收块浇铸在一起.也可以用直接固化到晶片上的硬化橡胶做阻尼块.为了增大吸声效果，阻尼块后边缘可制成波浪式的、倾斜状的。通常是用环氧树脂加钨粉制作阻尼块.当钨粉含量太多时，要注意防止阻尼块与外壳等电气连通。用木屑粉代替钨粉也是有益的。木屑粉的数量应从晶片开始逐渐增加，这样就能使阻尼块与晶片的声耦合性能最佳,同时吸收效果也最好。阻尼块必须把晶片的四周（除发射面外）全包围住，这样有助于减少不希望的振动方式，这一点对于钛酸钡晶片尤其重要。一个好的阻尼块应使向

后发射的声波衰减200分贝以上。

2．横波探头 (1）结构.

这里介绍的是应用波型转换得到横波的横波探头。这类探头的基本结构如图4-15所示。

横波探头通常由声陷阱、透声楔、晶片，阻尼块,电气接插件和外壳等几部分组成。 为了在工件中产生折射横波，压电晶片产生的纵波要倾斜入射到工件表面上,因此，横波探头的晶片是倾斜放置的。由于有一部分声能在透声楔边界上反射后，经过探头内的多次反射，会返回到晶片被接收,从而会加大发射脉冲的宽度，形成固定干扰杂波．所以，要设置声陷阱来吸收这部分声能。声陷阱有许多结构形式，可以采用在透声楔某部位打孔、开槽、贴附吸声材料等办法来制作。

横波探头的晶片有的是粘在透声楔上的，有的是靠机械压力压在透声楔上的,后者与透声楔之间要用油耦合。

横波探头常使用方形晶片。因为与圆形相比，方形晶片增加了靠近工件部分(即晶片下半部分）的发射强度，而这部分晶片所发射的声波在透声楔中走的路程最短，受到的衰减最少，所以使用方形晶片可明显地提高灵敏度.

横波探头的透声楔多用有机玻璃制作.因为这种材料易于加工,在5兆赫频率以下， 图4-15 横波探头的结构 其衰减系数较适宜，即对于通过它而进入工件的声能衰减不甚严重,而对于在声陷阱内多次反射的声能又有足够的吸收作用（当频率高于5兆赫时,以衰减系数比有机玻璃更小些的材料做透声楔，可能更合理些）。有机玻璃透声楔的另一个优点是与工件的声耦合特性好，通过适当的耦合剂，即能方便地，稳定地实现适当的声耦合。有机玻璃的缺点是不耐磨,易破碎。

有些横波探头是有金属外壳的，这样便于灌注吸收胶。同时，外壳还有防止有机玻璃碎裂的作用，其下边缘还有防磨作用。在外壳上（无外壳时即在有机玻璃块上）有标志探头入射点的刻度线。同时还有探头标称频率,入射角(或折射角， k值）等参数的标志。

个别横波探头也有保护膜，不过加保护膜后,声耦合特性及灵敏度等都大大变坏。如果必须加保护膜，以加塑料保护膜为宜.有些横波探头没有阻尼块，或者只使用阻尼作用很弱的阻尼块。

（2）设计。

1）折射角（或入射角）。横波探头的入射角一般都在第一临界角和第二临界角之间。为了获得一定的折射角，需要按照第一章所述的理论公式，根据所采用的有机玻璃以及被检材料的声速计算相应的纵波入射角。 横波探头的常用折射角为35°、40°、45°、50°、60°、70°和80°。

2）频率。横波探头的常用频率是1.25～2.5兆赫,也有采用5兆赫的。随着频率的降低，探头尺寸就相应地增大，否则就不能保证有好的指向性和提供足够尺寸的声陷阱。所以,目前1兆赫以下的小型斜探头采用单晶片（收发共用一个晶片）的还比较少见，而往往是采用双晶片的形式.当频率较高时（例如5兆赫)，探头尺寸往往可以做得小一些。这是因为，频率高时，小尺寸晶片也有较好的指向性，由于有机玻璃对高频超声波吸收较强，所以声陷阱的尺寸也可以做得小一些。同时,为了提高灵敏度，也希望超声波在有机玻璃块内走的距离短些。

3）透声楔尺寸及形状。设计横波探头时，选择合适的长度和高度是必要的.设法使经多次反射的声波不能返回到晶片上来是设计原则。因此,探头入射点至探头最前端的距离，应大到足以使晶片上边缘发射的声波,不会经前壁与底面形成的两面角反射回来。也要注意使晶片下边缘发射的声波，经透声楔底面反射后（最好把反射横波也考虑在内)，不会回到晶片上边缘,见图4-16。因此,不同折射角的探头,透声楔的尺寸和形状应当是不一样的，特别是入射点至前沿的距离。当探头前沿落在声束之内时，还容易产生较强的表面波，这是设计横波探头时值得注意的问题。在设计小型探头时，由于体积小,要想从吸收的角度消除杂波比较困难，这时更要从设计透声楔形状上着眼，针对实际问题的需要，做出合理的设计（参见表面波探头设计一节）.

3．双晶片探头

如图4—17所示，在一个探头中有两个晶片，分别用作发射和接收超声波,这两个晶片之间用隔声层隔开,这种探头称做双晶片探头。为了使发射和接收声束有一交点，通常

a 不好的结构 b 好的结构

两晶片相互有一倾角,对于双晶片直探头还常常配有延迟块.

图4-16 透声楔内的声波反射

这种探头多用于探测近表面缺陷,用于对薄工件的检验和测厚。

下面着重介绍适用于小径薄壁管焊缝探伤的双晶片斜探头（也叫双晶片双倾角横波探头）的结构和特点。

（1）结构.

图4-5示出了小径薄壁管焊缝探伤用双晶片斜探头的结构图和透声楔图。透声楔分成两部分，中间填以1毫米厚的软木作为隔声层。透声楔放置晶片的斜面除具有普通斜

a 双晶片直探头 b 双晶片斜探头

探头的入射角α（见图4-18)外，还对称地有一倾角θ(见图4-19).入射角α由所需折射角图4-17 双晶片探头示意图 β决定，倾角θ视被检工件的厚度和折射角β而定，一般在4°~10°。两晶片对称地贴在这两个斜面上，探头内灌以吸收胶。

（2）特点.

由于采用了双晶片，一收一发，消除了有机玻璃/钢界面反射杂波，又由于始脉冲不能进入接收放大器，克服了阻塞现象，结果使探测盲区大为减小,为用一次波探伤以及发

现近表面缺陷创造了条件。

因为两个晶片的布置对称地有一倾角θ，则发射晶片的声场与接收晶片作发射晶片考虑时的声场必然相交，形成一棱形区abed（见图4-19)。显然，处于棱形区的缺陷,其反射信号强,同时，对于同样大小的缺陷，位于棱形区中心时反射信号最强，位于棱形区边缘时,相对弱些。由此可知，探伤灵敏度是随缺陷所在深度变化的，灵敏度先随深度增加而增高，直至一最大值，然后又随深度增加而下降。这种探伤灵敏度的变化是双晶片斜探头的特点。

双晶片斜探头的探伤灵敏度是随深度变化的，发射晶片和接收晶片两声场声束轴线交点Q处的灵敏度最高。因此,在实际探伤中，要根据被检工件的厚度，选取适当的倾角θ，使交点在需探测缺陷的位置附近。θ愈小，交点距探测面的深度愈深，棱形区也愈细长，有利于探测较厚的工件，θ愈大，交点距离探测面的深度愈小，棱形区愈租短，有利于探测较薄的工件。

图4-20 表面波探头结构示意图

1-晶片； 2-透声楔； 3-阻尼块 4．表面波探头 （1）结构。

表面波探头的结构与横波探头的结构类似,主要的不同点是晶片发射的纵波入射角超过第二临界角.表面波探头结构及其透声楔见图4—20和图4—21.

（2）透声楔的设计。

1）透声楔材料和入射角度的选择。根据折射定律，入射角度a用下式表示： 图4-19 双晶片斜探头声场棱形区示意图

（4-25）

式中 ——纵波入射角，

——纵波在透声楔中的声速， ——表面波在试件中的声速。

由式（4—25）可知，只有当被测工件的表面波速度大于透声楔材料内纵波速度时，才可能利用折射法产生表面波。通常是用有机玻璃制作透声楔的，其纵波声速约为2．7×103米／秒。因此,当被检材料中表面波声速小于2．7×103米／秒时,不能用有机玻璃作透声楔。

例如，为了测铜合金、铸铁、镍合金等，可使用尼龙、聚枫等作透声楔材料。它们的纵波声速较低，在2．1～2．4×103米／秒.

2)透声楔形状。为了制作微型表面波探头，需要精心设计透声楔形状。因为探头越小，无论是晶片直接向后发射的声波还是向前发射的，经透声楔底面反射的声波，都越不易吸收掉,它在探头内发生多次反射；这就形成较宽的固定杂波。在设计小型表面波探头时，应设法使这些杂波在荧光屏上的位置不至大到淹没探头前沿处的缺陷回波。图4-8

图4-21 表面波探头透声楔的尺寸( αl=62°～64°)

所示的透声楔就是为这个目的而设计的。由图可知，由于晶片发出的纵波经透声楔底面反射后垂直入射到透声N面上，所以大部分声能将透入到吸收胶中去，小部分声能按原路（这是最短的路程）被反射回晶片，适当调整M面与N面的相对位置，就可以使固定杂波在荧光屏上的横标小于探头前沿处缺陷回波的横标。透声楔前面的小圆弧面，可以防止回波沿探头外壳外表面上爬，从而提高接收灵敏度。

3）灵敏度.晶片发射的纵波声束轴线与透声楔底面的交点（以下称为入射点）越靠近探头前沿，则中心声束所产生的表面波在探头与工件的接触面内传播距离越短，衰减越小。但是,轴线越向前移,整个声束中靠前部分能被利用的也越少。因此，为了提高探头灵敏度，应兼顾两种情况,入射点前移的程度，适可而止。在某些应用中，例如探测汽轮机叶片根部（简称叶根）缺陷，探测面很小,仅是探头前端一小部分能接触到被检工件，所以制作探叶根的表面波探头时，入射点应尽量前移。

5．聚焦探头

图4-9给出了几种聚焦探头的结构。聚焦探头可大幅度地改善指向性。由于与光波相比，超声波的波长是太长了。因此，需要采用大尺寸的聚焦晶片，聚焦反射面、聚焦声透镜等才能使声束聚焦.一般说来，聚焦面尺寸需在30毫米以上.但即使有足够大的尺寸，所能获得的焦距也不会很长,加之焦距的一部分还在透声楔内，所以聚焦探头焦点至探伤面的垂直距离不可能做得很大。

图4-22所示的聚焦探头，是以球面为聚焦界面。球的半径不同，则焦距也不同.图4-23所示的聚焦探头,多用于水浸探伤。

图4-22 球面聚焦探头结构示意图 九、超声探头制作工艺

图4-23 水浸聚焦探头结构示意图

超声探头是超声探伤中的重要环节，根据探伤任务和探测条件的要求选择或设计、制造合宜的超声探头是十分重要的，特别是对于一些特殊工件的探伤往往需要自行制作特殊探头才能更好地达到探伤的目的.制作探头的方法很多，取材也不尽相同，这里仅就一般探头制作中的某些工艺简要介绍如下：

1．压电元件的选取

选择压电元件一般原则之一是其性能应符合探伤要求,通常选择Kt大、Kp小和Qm值小，ε小以及Nt大的材料，其二是根据探测分辨率和声束方向性等方面的要求选择适当的晶片尺寸，其三是根据探伤频率按公式计算确定晶片的厚度尺寸,计算时考虑到阻尼块和探测条件的影响,一般晶片厚度共振频率应大于工作频率的10％～20%;其四是通过实测和用扫频仪挑选工作稳定、灵敏度高的压电元件，其五是表面光洁度高、外观质量好、厚薄均匀。

2．压电元件的修改

压电陶瓷的烧结和压电单晶的加工都是很困难的，无需自行制作，可以按探伤要求购买成品压电元件。如无适当的成品压电元件，可买尺寸略大的成品然后自己动手修改.

压电元件平面形状尺寸的更改比较简便，将晶片固定在金属平台上，采用划玻璃的同样办法就可以切割晶片。对于压电单晶材料必须用金刚石刀具,对于压电陶瓷材料用锋利的钢刀即可。如若要改变压电元件的厚度，将会随之带来其他的一些工艺问题，·如镀银、极化等，因此一般．应选择适当厚度的成品压电元件，如果必须修改时,应选略厚的晶片磨削至所需的厚度尺寸。为了保证磨削后的晶片两面平行，厚度均匀，可将晶片用石蜡和松香的混合物将晶片粘在金属棒平端上，然后加研磨膏在铸铁平台上研磨。

晶片的厚度修改后和其他镀银层剥脱的压电元件需要镀银时，先将镀银面用酒精清洗干净并在马弗炉中烘干(600℃，2小时），用刷子后lJ上一层均匀的银糊，要求平整、无气泡、起皮和龟裂，在60～80℃温度下烘干。再经马弗炉（800～840℃，2小时）焙烧,并随马弗炉自然冷却.银糊的调制配方为：氧化银100克、硼酸铅5克、氧化铋1克、松香松节油72克、松节油12克、蓖麻油10克。·

压电陶瓷之类晶片镀银时往往会去极化，有必要进行极化处理，极化处理是将晶片夹在二个金属极之间在油槽内进行,极化电场强度、油温和极化时间随压电材料而异。常用锆钛酸铅类压电陶瓷的极化电场强度为3～5千伏／毫米，极化温度120~150℃、极化时间20~60分钟。

3．压电元件的焊线

压电元件的焊线是将导线焊接在压电元件的电极上。压电元件的电极有两种形式：一种是双面电极，即接地极和信号极分别在晶片的两面;另一种是单面电极，即接地板经晶片侧面包裹到信号极一面，这种电极形式接地极和信号极都在晶片一面焊接，保证了另一面的平整，使用方便但对辐射超声场有一定的影响。焊线可用40．2毫米细铜丝,单股或双股均可。

通常信号极焊在压电元件的正中央，无论是单面电极和双面电极的接地极都焊在靠近晶片的．边缘部位.焊接时应使用小瓦数（如25瓦以下）电烙铁，焊接速度要快，以免使晶片过热去极化，最好使用低温焊丝(其配方为：锡9.5%、铅45。2％、铋45。3％）。焊点要小而圆、避免虚焊，焊接后应用酒精清洗掉多余的焊药。

4．阻尼块的浇注

阻尼块可以浇注成固体块和流体块两种形式，其配方各制造厂都不尽相同,而且因不同探伤要求而异。普通可选用：钨粉35克、环氧树脂10克、邻苯二甲酸二丁酯（增塑剂）．1克橡胶粉（或液体橡胶）少量，二乙烯三胺（固化剂、流体式阻尼块可不用)1克。

流体阻尼块直接浇注在压电元件上，固体阻尼块可以粘结在压电元件上，也可以直接浇注在压电元件上，直接浇注的效果优于粘结.对于直接浇注的阻尼块，一般在压电元件上预先制作一个筒壳，它可以是金属的也可以是塑料的。将经过用酒精或丙酮清洗干净的压电元件固定在筒壳下方，将环氧树脂加热至100℃左右，加入钨粉和其他配料搅拌均匀，使其无气泡，无结块。流体块可在90℃左右情况下浇注,固体块可在60℃左右

加入固化剂搅拌均匀后浇注，为了使搅拌过程中不致降温太快可以在红外线灯下操作，也可在浇注前放在红外线灯下适当加热.固体块浇注后将其倾斜10°~15°角放置在20℃左右温度下,静置12天。液体块筒壳上可用固化的环氧树脂封口。

5．压电元件的粘结

有些情况下，压电元件要与透声楔块、斜楔块、保护膜，阻尼块等进行粘结，常用的粘结剂有502胶和环氧树脂等。环氧树脂的配方可采用；618环氧树脂100克，二乙烯三胺8克、邻苯二甲酸二丁酯10克，或环氧树脂100克，邻苯二甲酸二丁酯10克、三乙醇胺6克、间苯二胺15克。

如果压电元件是双面电极，接地线焊在压电元件下面,为了使压电元件和被粘结的有机玻璃紧密贴合，应在有机玻璃对应的位置刻一小坑槽。粘结前应仔细用酒精或丙酮清洗粘结面，粘结剂要涂抹得薄而均匀，在粘结层中不应混，入气泡.粘结后应加一静压力，最好有专用的夹具夹紧，静置一段时间待其具有一定粘结强度后才能使用。

第三节耦合剂

超声耦合是指超声波在检测面上的声强透射率。声强透射率高，超声耦合好.为了提高耦合效果，而加在探头和检测面之间的液体薄层称为耦合剂。耦合剂的作用在于排除探头与工件表面之间的空气，使超声波有效地传入工件,达到检测的目的。此外，耦合剂还有减小摩擦的作用。

一般耦合剂应满足以下要求：

能润湿工件和探头表面，流动性、黏度和附着力适当，不难清洗。 声阻抗高，透声性能好。 来源广，价格便宜。

对工件无腐蚀，对人体无害，不污染环境。 性能稳定，不易变质,能长期保存。

超声检测中常用的耦合剂有机油、变压器油、甘油、水、水玻璃和化学糨糊等。他们的声阻抗Z见表4—2

表4-2 常用耦合剂的声阻抗

耦合剂 Z 机油 1。28 水 1.5 水玻璃 2.17 甘油 2。43 由此可见，甘油声阻抗高，耦合性能好，常用于一些重要工件的精确检测，但价格较贵，对工件有腐蚀作用。水玻璃的声阻抗较高，常用于表面粗糙度的工件检测，但清洗不太方便，且对工件有腐蚀作用.水的来源广，价格低，常用于水浸检测，但容易流失易使工件生锈，有时不宜润湿工件。机油和变压器油黏度、流动性、附着力适当，对工件无腐蚀、价格也不贵，因此是目前在实验室里使用最多的耦合剂。

近年来，化学糨糊也常用来作耦合剂，耦合效果比较好，因其成本比较低、使用方便，故大量用于现场检测。

第四节 超声试块

在常规无损检测技术中，通常是采用未知量与已知量相比较的方法，来确定未知量的量值。为了保证检测结果的准确性、可比性和可重复性，必须用一个具有已知固定特性的试件对检测系统进行校准.这种按一定用途设计制造的、具有简单形状人工反射体的试件，通常称为试块。试块也是超声探伤中的重要设备之一，与仪器和探头一样具有同等重要的地位。

一、试块的用途

试块的用途主要包括以下三个方面。 1．校验仪器和测试探头性能

超声探伤仪和探头的性能主要包括电学性能和声学性能,其指标好坏直接关系着探伤结果的可靠性和准确性。为此，人们设计了一系列测试用标准试块。通常需用试块测试的仪器性能主要包括水平线性、垂直线性、动态范围、阻塞特性、灵敏度余量、始波宽度、远场分辨力和稳定性等；需要测试的探头性能主要包括回波频率、距离－波幅特性、斜探头入射点、前沿距离、K值、声束扩散特性、声束轴线偏斜、探伤灵敏度余量和始波宽度等.

2．确定探测灵敏度和评价缺陷大小

探测灵敏度是仪器和探头的综合指标.探伤之前，应根据标准,确定仪器与探头组合后的探测灵敏度。当检测中发现缺陷回波信号后，还要根据信号幅度等特征对缺陷进行当量评价。通常，这些确定和评价工作都是借助于带有某种人工缺陷的试块来完成的。实际上，试块是探伤标准的一个组成部分,是判定探伤对象质量的重要尺度。

3．调整扫描速度和探测距离

大多数探伤仪的探测深度都具有较大的调整范围，为了有效地利用有限的显示屏幕并使各种回波清晰可见，探伤之前应根据检验对象的尺寸调整仪器的探测距离。另外还可利用试块调整仪器水平刻度值与实际声程之间的比例关系,即扫描速度，以便在检测中对缺陷进行定位。

二、试块的分类

超声检测用试块通常分为标准试块、对比试块和模拟试块三大类.标准试块标准试块通常是由权威机构制定的试块，其特性与制作要求有专门的标准规定。标准试块通常具有规定的材质、形状、尺寸及表面状态。标准试块用于仪器探头系统性能测试校准和检测校准，如ⅡW试块、IIW2试块。JB/T 4730.3-2005标准中采用的标准试块有：钢板用

标准试块CBⅠ，CBⅡ;锻件用标准试块CSⅠ，CSⅡ，CSⅢ；焊接接头用标准试块CSK-ⅠA,CSK—ⅡA，CSK-ⅢA，CSK—ⅣA。

对比试块主要用于检测校准以及评估缺陷的当量尺寸.它是以特定方法检测特定工件时采用的试块，含有意义明确的人工反射体（平底孔、槽等）。它与被检工件材料声学特性相似，其外形尺寸应尽可能简单，并能代表被检工件的特征；试块厚度应与被检工件的厚度相对应，试块粗糙度应与被检工件相近。

模拟试块是含模拟缺陷的试块,可以是模拟工件中实际缺陷而制作的样件，也可以是在以往检测中所发现含自然缺陷的样件。模拟试块材料应尽可能与被检工件相同或相近，外形应尽可能与被检工件一致，试块厚度应与被检工件的厚度相对应,试块粗糙度应与被检工件相近。模拟试块可用于检测方法的研究、无损检测人员资格考核和评定、评价和验证仪器探头系统的检测能力和检测工艺等.

三、ⅡW系列试块 1．ⅡW试块

ⅡW试块是荷兰人在1955年首先提出,1958年国际焊接学会通过的标准试块，国际标准ISO2400—1972（E）,也称之为荷兰试块，其尺寸如图4-24所示。

ⅡW试块用低碳钢制作，主要用途有：

（1）校验超声波仪的时间基线线性及垂直偏转线性. （2）调整探测范围.

（3）测定直探头和仪器组合的远场分辨力. （4）测定直探头与仪器组合的盲区. (5)测定直探头和仪器组合后的最大穿透能力.

图4—24 ⅡW试块

（6）测定斜探头的入射点，斜楔中的声程长度，在钢试件中的折射角及声束指向性，分辨力。

（7）调整横波检测范围和扫描速度。 (8）调整检测灵敏度. 2．IIW2试块

IIW2试块也是荷兰代表提出来的国际焊接学会标准试块，由于外形类似牛角，故又称牛角试块。与IIW试块相比,IIW2试块质量轻、尺寸小、形状简单、容易加工和便于携带，但功能不及IIW试块。IIW2试块的材质同IIW，结构尺寸和反射特点如图4—25所示。

图4—25 11W2试块

当斜探头对准R25时，R25反射回波一部分被探头接收,显示B1,另一部分反射至R50，然后又返回探头，但这时不能被接收因此无回波。当此反射波再次经R25反射回到探头时才能被接收,这时显示B2，它与Bl的间距为R25+R50.以后各次回波间距均为

R25+R50。

IIW2试块的主要用途如下：

（1)测定斜探头的入射点:利用R25与R50圆弧反射面测。 (2）测定斜探头的折射角：利用φ5mm横通孔测。

（3）测定仪器水平、垂直线性和动态范围：利用厚度12.5测.

（4）调整检测范围和扫描速度：纵波直探头利用12。5底面的多次反射波调整，横波斜探头利用R25和R50调整。

(5)测定仪器和探头的组合灵敏度:利用φ5mm或R50圆弧面测。 3．半圆试块

半圆试块是我国广为流行的对比试块，其结构和反射特点如图7所示。有时半圆试块圆弧部分切去一块是为了安放平稳。图中半圆试块中心切槽是为了产生多次反射，在示波屏上形成等距离的反射波。由于中心槽未切通，切槽处反射波间距均为R，而未切槽处反射波间距为R、2R、2R、…，二者相互叠加使示波屏上奇次波高，偶次波低,如图4-26a所示。此外还一种中心不切槽的半圆试块,这种试块反射波间距为只、2R、2R、…,波形如图4—26b所示。常用半圆试块的半径为R40或R50。

a）中心切槽波形b）中心不切槽波形

图4—26 半圆试块

半圆试块的主要用途如下：

（1）测定斜探头的入射点:利用R50测.

（2）调整横波扫描速度和检测范围：利用R50调. （3)调整纵波扫描速度和检测范围:利用厚度20调。

(4）测定仪器的水平、垂直线性和动态范围：利用厚度20调。 （5）调整灵敏度：利用R50圆弧面调.

半圆试块基本可以代替牛角试块的功能，且加工简便，便于携带，便于采用与被检件相同的材料制作，可根据被检工件情况改变圆的半径。。

四、CSK系列试块

CSK-ⅠA试块是在我国应用范围最广的试块之一, 1963年联邦德国颁布的国家标准试块(DIN54120)，其形状与IIW试块类似,差别仅是在R100mm圆心处试块的两侧面多加了0。5mm宽的沟槽。我国GB11345-89规定的标准试块CSK—ⅠA,其结构如图4—27所示是ISO2400的改型。

（1）将直孔φ50mm改进φ50mm、φ44mm、φ40mm台阶孔，以便于测定横波斜探头的分辨力.

（2）将R100改为R100、R50阶梯圆弧，以便于调整横波扫描速度和检测范围。 (3）将试块上标定的折射角改为K值（K＝tanβS），从而可直接测出横波斜探头的K值.

CSK—IA试块的其他功能同IIW试块，材质一般同被检工件。

我国的CSK系列标准试块比较特殊,要求试块材质与工件相同或相近。CSK—IIA、CSK—ⅢA和CSK-ⅣA标准试块是JB/T 4730—2005标准中规定采用的焊缝超声波检测用的横孔标准试块。主要用于测定横波距离一波幅曲线、斜探头的K值和调整横波扫描速度和灵敏度等。其中CSK—ⅡA和CSK—ⅢA适用于壁厚范围为8～120mm的焊缝,CSK-ⅣA系列试块用于壁厚范围120～400mm的焊缝。CSK-ⅡA结构如图4-28所示；CSK—ⅢA结构如图4-29所示；CSK—ⅣA结构如图4-30所示.

图4—28 CSK-ⅡA试块 图4—29 CSK—ⅢA试块 图4—30 CSK-ⅣA试块

图五、瓷支柱绝缘子及瓷柱试块 4-27 CSK-ⅠA试块

JYZ-BX试块是专用于瓷支柱绝缘子检测的对比试块。一般情况下检验必须依据标准声速试块调整扫描速度和探伤灵敏度，由于陶瓷在原料配方、烧结工艺方面存在差异，至使每个支柱绝缘子的不同部位声速均不相同，支柱绝缘子及瓷套具有不同的晶粒度，晶粒度的大小和均匀直接影响反射波位移量及反射声压。试验证明瓷支柱绝缘子及瓷套的声速一般在6000～6700m/s范围，声速差约为9％，任何方法对支柱绝缘子的声速测定都必须寻找一个声速接近且稳定晶粒度均匀且内部无缺陷的支柱绝缘子，实际上是困难的。既使找到，因为它不是标准声速，无法与被探瓷件作声速准确比较.法国阿海珐集团（AREVA）输配电有限公司是全球主要设计制造提供全套的核输配电设备的跨国公司、该公司高压电瓷的制造检验采用与支柱绝缘子及瓷套声速接近的铝作为对比试块材料,利用铝中不同深度平底孔的反射声压与瓷中缺陷反射声压的对比作为判废依据。

由于支柱绝缘子及瓷套的外径不断变化,也不可能制造大量不同直径的瓷柱试块,因此探头与瓷瓶间的声吻合不良造成声损失大，无法作近似比较.因此利用瓷柱刻人工槽作为试块势必造成较大的误差，但现场验证使用比较方便，为此考虑专设计作一种模拟试块JYZ—BX，可以进行缺陷深度和长度的近似比较以作参考。图4-31为便携式JYZ—BX试块，是在一块LY12铝合金试块上加工出120mm、140mm、160mm、180mm、200mm、220mm、240mm共计七个弧面和一个平面，每个面配置了5mm深模拟裂纹。另外试块上还有6个Φ1mm的横通孔，使用时可根据需要的工作面作360°旋转， 能满足现场对所有直径的支柱绝缘子及瓷套探伤的校对。

图4—31 JYZ—BX试块

技术要求：1、试块材料为铝合金LY12,内部无缺陷,声速范围≥6300m/s。

2、试块裂纹为环形等深槽,宽度为0。4±0.02mm，深度5±0.02mm，孔径公差±0.02mm。 3、试块尺寸及缺陷位置尺寸公差±0.1mm.

图4—32为瓷柱对比试块，试块直径为Φ120mm，试块上分别刻有深度1、2、3mm

的模拟裂纹。

图4-32 瓷柱试块

技术要求：1。对比试块的材料为内部无缺陷的瓷柱,声速范围≥6300m/s。

2.对比试块的裂纹为环形等深槽，槽宽1.5mm±0.05mm，槽长、槽深、公差为±0。05mm。

3、试块尺寸及缺陷位置尺寸公差±0。1mm.

第五节 仪器和探头的性能及测试

仪器和探头的性能包括仪器的性能、探头的性能以及仪器与探头的综合性能.仪器的性能仅与仪器有关,如仪器的垂直线性、水平线性和动态范围等。探头的性能仅与探头有关，如探头入射点、K值、双峰、主声束偏离等。仪器与探头的综合性能不仅与仪器有关，而且与探头有关,如分辨力、盲区、灵敏度余量等。

一、仪器的性能及其测试 1．垂直线性

仪器的垂直线性是指仪器示波屏上的波高与探头接收的信号之间成正比的程度。放大器和示波管的性能影响垂直线性。

垂直线性好坏常以垂直线性误差来表示，其测试步骤如下： （1）[抑制］至“0”，［衰减器］保留一定的衰减余量.

（2)直探头置于CSK—1A试块（或其他试块）上，对准25mm底面，并用压块恒定压力。

（3）调节仪器使试块上某次底波位于示波屏的中间，并达满幅度100％，但不饱和，作为“0”dB.

（4）固定［增益]和其他旋钮，调[衰减器］，每次衰减2dB，并记下相应的波高H，填入表4-3中，直到底波消失。

（5） 计算垂直线性误差

％ (4—26）

式中 d1-实测值与理想值的最大正偏差；

d2—实测值与理想值的最大负偏差。

垂直线性的好坏影响缺陷定量精度。 表4—3 垂直线性记录表

衰减量△dB 实绝对波高H 测 相对波高% 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 反回波高度 偏差％ 理想相对波高％ 100 79。4 63.1 50.1 39.8 31。6 25。1 19.9 15.8 12.6 10 7。9 6.3 上表中, 2．水平线性

仪器水平线性是指仪器示波屏上时基线显示的水平刻度值与实际声程之间成正比的程度，或者说是示波屏上多次底波等距离的程度.水平线性主要取决于扫描锯齿波的线性。

水平线性的好坏常用水平线性误差来表示，其测试步骤如下：

（1)将直探头置于CSK-1A试块（或其他试块）上,对准25mm厚的大平底面,如图4-33（a）。

（2）调[微调］、[水平］或［脉冲移位]等旋钮,使示波屏上出现五次底波B1到B5,且使B1前沿对准2.0,B5对准10。0,如图4—33（b)。

（3）记录B2、B3、B4与水平刻度值4.0、6。0、8。0的偏差值a2、a3、a4。 （4）计算水平线性误差

（4-27)

式中 amax-a2、a3、a4中最大者；

b—示波屏水平満刻度值。

仪器水平线性的好坏直接影响测距精度，进而影响缺陷定位. 3．动态范围

图4-33 水平线性测试 动态范围是指仪器示波屏容纳信号大小的能力，将满幅度100％某波高用[衰减器]衰减到刚能识别的最小值所需衰减的分贝值就是仪器的动态范围.注意这时［抑制］到“0”。

4．衰减器精度

衰减器精度影响着缺陷定量的准确性，准确测定衰减器精度应采用标准衰减器进行比较，然而这种方法在现场往往难于实现，检测人员可按以下简易方法大致测出衰减器精度。

在探头远场区，同声程平底孔的孔径相差一倍，其反射反射波的理论差值为12dB。据此，可以用直探头探测试块内同声程的Φ2和Φ4平底孔，用衰减器将它们的反射波调至同一高度（如垂直刻度的80%)，此时衰减调节量（dB值）与12dB的差值即为衰减器误差.由于探伤仪衰减器旋钮刻度只有整数值，难以调节到基准高度的反射波余额可折算。对于垂直线性好的仪器，可按下列方法进行。

（1)使Φ2平底孔的最大反射波高为适当高度，记为H1。

（2)使同声程的Φ4平底孔最大反射波出现在显示屏上，衰减12dB，记下此时高度为H2，则衰减器的误差N可按下式估算：

N（dB）=20lgH1/H2 (4-28）

相关标准规定，任意相邻12dB误差≤1dB。 二、探头的性能及其测试 1．斜探头入射点

斜探头的入射点是指其主声束轴线与检测面的交点。入射点至探头前沿的距离称为探头的前沿长度。测定探头的入射点和前沿长度是为了便于对缺陷定位和测定探头的K值。

将斜探头放在CSK—1A试块上，如图4-34位置,使R100圆柱曲面反射波达最高时斜楔底面与试块圆心的重合点就是该探头的入射点.这时探头的前沿长度为：

l0=R—M

注意试块上R应大于钢中近场区长度N，因为近场区内轴线上的声压不一定最高，测试误差大。

2．斜探头K值和折射角βs

斜探头K值是指被检测工件中横波折射角 βs的正切值，K＝tgβs.斜探头的K值常用 CSK－ⅠA试块上的Φ50和Φ1。5横孔来测定, 如图4-34。当探头置于B位置时，可测定βs 为35～60(K＝0。7～1。73)；探头置于C位置 时，可测定βs为60.~75（K＝1.73～3.73）; 探头置于D位置时,可测定βs为75～80. (K＝3。73~5.67）.

下面以C位置为例说明K值的测试方法.探头对准试块上Φ50横孔，找到最高反射波，

并测出探头前沿至试块端面的距离L，则有：

（4—29）

式中βs由下式求得:βs＝tan—1K

值得注意的是：测定探头的K值或βs也应在近场区以外进行。因为近场区内，声压最高点不一定在声束轴线上,测试误差大。

3．探头主声束偏离与双峰

探头实际主声束与其理论几何中心轴线的偏离程度称为主声束的偏离，常用偏离角θ来表示。平行移动探头，同一反射体产生两个波峰的现象称为双峰,这是波束分叉引起的。

。

。

。

。

图4-34 入射点与K值测定

直探头和斜探头都可能存在主声束偏离和双峰，下面以斜探头为例说明之。 如图4-35(a)所示，探头对准试块棱边，移动转动探头,找到棱边最高反射波，这时探头侧面平行线与棱边法线夹角θ就是主声束偏离角.当K＞1时,用一次波测定,如图4—35（b）.当K≤1时，用二次波测定，如图4—35（c）.这是因为K值较小时，一次波声程短,往往在近场区内，测试误差大.探头双峰常用横孔试块来测定，如图4—36（a)。探头对准横孔，并前后平行移动。当示波屏上出现图4-36（b）所示的双峰波形时，说明探头具有双峰。

图4-35 声束偏离角测定

探头主声束偏离与双峰,将会影响对缺陷的定位和判别。 图4-36 探头双峰测定

三、仪器和探头的综合性能及其测试 1．灵敏度余量

超声波检测中灵敏度广义的含意是指整个检测系统（仪器与)探头发现最小缺陷的能力.发现的缺陷愈小，灵敏度就愈高。

仪器与探头的灵敏度常用灵敏度余量来衡量。灵敏度余量是指仪器最大输出时(增益、发射强度最大、衰减和抑制为0)，使规定反射体反射波达基准高所需衰减的衰减总量。灵敏度余量大,说明仪器与探头的灵敏度高，灵敏度余量与仪器和探头的综合性能有关,因此又叫仪器与探头的综合灵敏度。

仪器与探头的灵敏度余量测试方法如下： (1)仪器与直探头灵敏度余量的测试。

①仪器[增益]至最大，［抑制]至“0”，[发射强度]至“强\"，连接探头，并使探头悬空，调［衰减器]使电噪声电平≤10%，记下此时的［衰减器]的读数N1dB。

②将探头对准图4-37（a）所示的200/Φ2(声程为200mm的平底孔Φ2mm）试块上Φ2平底孔.调[衰减器]使Φ2平底孔反射波高达50%，记下此时［衰减器］读数N2dB.则仪器与探头的灵敏度余量N＝N2－N1（dB）

一般要求仪器与直探头灵敏度余量≥30dB。

(2）仪器与斜探头灵敏度余量的测试:

①[增益]至最大，［抑制]至“0”,发射强度至“强”，连接探头并悬空，记下电噪声电平≤10dB的衰减量N1。

②探头置于试块上，如图4-37（b)，记下使R100圆弧面的第一次反射最高达50％

图4-37灵敏度余量测定

时的衰减量N2。则仪器与斜探头的灵敏度余量N为

N＝N2－N1(dB）

一般要求仪器和探头的灵敏度余量≥40dB. 2．盲区与始脉冲宽度

盲区是指从检测面到能够发现缺陷的最小距离。盲区内的缺陷一概不能发现。盲区的大小与仪器的阻塞时间和始脉冲宽度有关。

始脉冲宽度是指在一定的灵敏度下,示波屏上高度超过垂直幅度20％时的始脉冲延续长度。始脉冲宽度与晶片的机械品质因子θm和发射强度有关.θm值大，发射强度大,始脉冲宽度大。

盲区的测定可在盲区试块上进行，如图4—38，示波屏上能清晰地显示Φ1平底孔独立反射波的最小距离即为所测的盲区。

如果没有盲区试块，也可利用CSK－ⅠA试块来估计盲区的范围，如图4—39,若探头于Ⅰ处有独立反射波,则小于或等于5mm.若Ⅰ处无独立反射波,Ⅱ处有独立反射波，则盲区在5~10mm之间。若Ⅱ处仍无独立反射波，则盲区大于10mm.

一般要求盲区小于或等于7mm。

图4-38 用盲区试块测盲区

图4-39 盲区与分辨力测试位置 图4-40 始脉冲宽度 始脉冲宽度测定方法：按规定调好灵敏度并校准“0”点，那么图4-40所示的示波屏上始脉冲达20％高处至水平刻度“0”点的距离W,即为始脉冲宽度。

始脉冲宽度与灵敏度有关，灵敏度高，始脉冲宽度大。 3．分辨力

仪器与探头的分辨力是指在示波屏上区分相邻两缺陷的能力。能区分的相邻两缺陷的距离愈小,分辨力就愈高。影响分辨力的主要因素有晶片的θm值和发射强度等。θm值大，发射强度大,分辨力低。

（1）仪器与直探头分辨力的测定： ①[抑制］至“0\"，探头置于图4-39所示的CSK－ⅠA试块Ⅲ处,左右移动探头，

使示波屏上出现85、91、100三个反射反射波A、B、C。

②当A、B、C不能分开时，如图4-41(a），则分辨力F为 (mm）

③当A、B、C能分开时，如图4—41（b)，则分辨力F为 （mm）

一般要求分辨力F≤6mm。

图4-41直探头分辨力测试

图4-42斜探头分辨力测定

(2)仪器与斜探头分辨力的测定：

①斜探头置于图4-42（a）所示的CSK－ⅠA试块上，对准Φ50、Φ44、Φ40三阶梯孔,使示波屏上出现三个反射波；

②平行移动探头并调节仪器，使Φ50、Φ44反射波等高，如图4—42（b），其波峰为h1，波谷为h2，则分辨力

（dB) （3。14)

实际测试时，用［衰减器］将h1衰减到h2,其衰减量△N为分辨力,即X=△NdB。 4．信噪比

信噪比是示波屏上有用的最小缺陷信号幅度与无用的噪声杂波幅度之比。信噪比高,杂波少，对检测有利.信噪比太低，容易引起漏检或误判，严重时甚至无法进行检测。

一般以200/Φ1平底孔反射反射波H信与噪声杂波高H噪之间的分贝差来表示信噪比的大小，即△＝20lgH信/H噪。