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(jù)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(chǎn)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(fā)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(fā)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(chǎn)生的聲束角度。壓電晶片是整個探頭的“心臟”，是探頭產(chǎn)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(chǎn)生的電脈沖作到具有壓電效應的晶片，使壓電晶片產(chǎn)生逆壓電效，晶片發(fā)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(chǎn)生雜波被吸聲材料吸收，而軸向振動產(chǎn)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(zhì)點振動方向，質(zhì)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(chǎn)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(chǎn)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(fā)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(yōu)良主要從探頭的靈敏度、性噪比、分辨率、始波寬度、盲區(qū)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(nèi)的常規(guī)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(chǎn)探頭，其價格也比國產(chǎn)探頭貴不少。隨著國內(nèi)探頭的制作工藝水平不斷提高，國產(chǎn)探頭性能正在追趕甚至比肩于進口探頭。