超声波斜探头结构、工作原理及影响探头性能的因素

超声波斜探头结构、工作原理，影响探头性能的因素

超声波探头根据不同的用途分为许多种类，有纵波直探头、纵波斜探头、横波斜探头、表面波探头、爬坡探头等等。其中纵波直探头和横波斜探头在工作检测中最为常见。直探头与横波斜探头在结构与工作原理等方面有诸多相似之处，本文介绍横波斜探头的结构、探头工作原理以及影响探头性能的主要因素。

1、探头结构

超声波斜探头由吸声材料、外壳、阻尼块、斜楔块和产生超声波的压电晶片等原件组成。

                                             图1.超声波斜探头结构示意图

吸声材料作用是吸收晶片背面、斜块四周发散的超声波噪声；探头外壳有金属外壳和塑料外壳，外壳起到支撑固定、保护以及电磁屏蔽等作用。探头阻尼对压电晶片的振动起阻尼作用，一是可使晶片起振后尽快停下来，减少晶片余震，减小超声波脉冲宽度，提高超声检测分辨力；二是吸收晶片向背面发射的超声波，减少始脉冲杂波；三是同样起到支撑晶片的作用。斜楔块一般采用机玻璃制成，其作用是改变晶片产生的声束角度。压电晶片是整个探头的“心脏”，是探头产生超声波的最关键的元件，一般压电晶片采用石英、压电陶瓷等具有压电效应的材料制作而成。

2、工作原理

超声波仪器电路产生的电脉冲作到具有压电效应的晶片，使压电晶片产生逆压电效，晶片发生轴线方向和垂直轴线的径向振动，如图2所示。晶片径向振动产生杂波被吸声材料吸收，而轴向振动产生的超声波声束才是有用的声束。晶片振动方向即为超声波质点振动方向，质点振动方向与超声波声束传输方向相同，则可推断出晶片轴向振动产生的有用声束为纵波声束，斜楔块的超声波声速为有机玻璃的纵波声速。当晶片接收到一个电脉冲完成一次逆压电效应，将被固定在晶片上的阻尼块阻止余震，减少超声波余波，从而较小超声波脉冲宽度。

                                          图2.压电晶片轴向和径向振动示意图

晶片产生的纵波声束通过具有一定角度的斜楔块和耦合剂层进入工件，声束在耦合剂与工件接触界面发生波形转换。当纵波声束以小于第一临界角的角度进入工件，工件的声束为纵波和横波，且纵波声束的角度大于横波。入射角大于第一临界角小于第二临界角，工件的声束为纯横波。图3 为入射纵波声束角度小于第一临界角，图4为入射纵波声束角度大于第一临界角且小于第二临界角。

                                     图3 入射纵波声束角度小于第一临界角

                                图4 入射纵波声束角度大于第一临界角且小于第二临界角

3、影响探头性能的因素

探头性能的优良主要从探头的灵敏度、性噪比、分辨率、始波宽度、盲区大小等性能因素。影响探头性能的因素在于制作探头元件的材料性能，比如：采用压电陶瓷比石英制作的晶片灵敏度、分辨率、性噪比都要高，复合材料制成的压电晶片又比压电陶瓷性能好。国内的常规检测探头大部分采用压电陶瓷制成，TOFD和超声相控阵探头多采用性能更好的复合材料制。影响探头性能因素还有吸声材料、外壳、阻尼块的材料性能以及探头制作工艺水平。国外的探头制作工艺水平要高于国产探头，其价格也比国产探头贵不少。随着国内探头的制作工艺水平不断提高，国产探头性能正在追赶甚至比肩于进口探头。