超声探头
超声换能器
能将任何其他形式能量转换成超音频振动形式能量的器件均可用来发生超声波， 具有可逆效应时又可用来接收超声波
探头
以换能器为主要元件组成具有一定特性的超声波发射、接收器件
压电效应与压电材料
压电效应
- 正压电效应
- 晶体材料在交变拉压应力作用下，产生交变电厂的效应
- 逆压电效应
- 晶体材料在交变电厂作用下，产生伸缩变形的效应
超声波探头
- 当高频电脉冲激励压电晶片时，发生逆压电效应，将电能转换为声能，发出超声波
- 当探头接收超声波时，发生正压电效应，将声能转换为电能
压电材料
- 单晶材料
- 石英、硫酸锂、铌酸锂等
- 多晶材料（压电陶瓷）
- 钛酸钡、锆钛酸铅、钛酸铅等
压电材料的主要性能参数
- 压电应变常数 $ d_{33} $
- 在压电晶体上施加单位电压时所产生的应变大小
- 衡量发射性能
- $ d_{33} $ 值大，发射性能好，发射灵敏度高
- 压电电压常数 $ g_{33} $
- 在压电晶体上施加单位应力所产生的电压梯度大小
- 衡量接收性能
- $ g_{33} $ 值大，接收性能好，接收灵敏度高
- 介电常数 $ \varepsilon $
- 介电常数越大，电容越大，电容器所储电量就越多，电容器充放电时间长，频率越低
- 机电耦合系数 $ K $
- 压电材料声能与电能之间的转换效率
- 厚度方向机电耦合系数大，检测灵敏度高
- 径向机电耦合系数大，低频谐振波增多，发射脉冲变宽，导致分辨力降低，盲区增大
- 机械品质因子 $ \theta_{m} $
- 压电晶片在谐振时储存的机械能与一个周期内损耗的能量之比
- 机械品质因子大，表示损耗小，持续振动时间长，脉冲宽度大，分辨力低
- 频率常数 $ N_t $
- 压电晶片的厚度与固有频率的乘积
- 高频探头，晶片厚度小
- 发射超声波的频率主要取决于晶片的厚度和晶片中的声速
- 居里温度 $ T_c $
- 使压电材料的压电效应消失的温度（超过一定的温度，压电效应消失）
超声波探头的一般要求
- 机电耦合系数 $ K $ 较大，以便获得较高的转换效率
- 机械品质因子 $ \theta_{m} $ 较小，以便获得较高的分辨力和较小的盲区
- 压电应变常数 $ d_{33} $ 和压电电压常数 $ g_{33} $ 较大，以便获得较高的发射灵敏度和接收灵敏度
- 频率常数 $ N_t $ 较高，介电常数 $ \varepsilon $ 较小，以便获得较高的频率
- 居里温度 $ T_c $ 较高，声阻抗 $ Z $ 适当
探头的结构
- 压电晶片
- 发射和接收超声波，实现电声换能
- 阻尼块和吸声材料
- 声阻抗尽可能接近压电晶片
- 使晶片起振后尽快停下来，从而使脉冲宽度减小，分辨力提高
- 吸收晶片向其背面发射的超声波
- 对晶片起支撑作用
- 保护膜
- 保护压电晶片不致磨损或损坏
- 会使始波宽度增大，分辨力变差，
- 斜楔
- 斜探头中为了使超声波倾斜入射到到检测面
- 电缆线
- 外壳
探头分类
接触式纵波直探头
- 用于发射垂直于探头表面传播的纵波
- 主要用于检测与检测面平行或近似平行的缺陷
接触式斜探头
- 纵波斜探头（$ \alpha < \alpha_{\mathrm{I}} $）
- 横波斜探头（$ \alpha = \alpha_{\mathrm{I}} \sim \alpha_{\mathrm{II}} $）
- 表面波探头（$ \alpha \geq \alpha_{\mathrm{II}} $）
- 兰姆波探头
- 可变角探头
双晶探头（分割探头）
- 两块压电晶片，一块用于反射超声波，另一块用于接收超声波，中间夹有隔声层
优点
- 灵敏度高
- 杂波少盲区少
- 工件中近场区长度小
- 检测范围可调
接触式聚焦探头
- 点聚集（球面）和线聚集（柱面）
- 透镜式聚焦：通过声透镜和透声楔块实现聚集
- 反射式聚焦：通过曲面楔块反射实现聚集
- 曲面晶片式聚焦：曲面楔块实现聚集
水浸平探头和水浸聚焦探头
- 水浸平探头：在水中使用的纵波直探头
- 水浸聚焦探头：在水浸平探头前加上声透镜
高温探头
电磁超声探头
爬坡探头
- 爬坡：表面下纵波
- 当纵波以第一临界角附近的角度入射到界面时，就会在第二介质中产生表面下纵波
探头型号
型号的组成项目
基本频率 -> 晶片材料 -> 晶片尺寸 -> 探头种类 -> 探头特征