2.4　超聲探傷原理及結構

2.4.1　超聲探傷的工作原理

將完好工件視為連續的、均勻的、各向同性的彈性傳聲介質。當超聲波在這種介質中傳播時，遵循既定的聲學規律。

當聲波在傳播中遇到不連續的部位時，由于其與工件本身在聲學特性上的差異，導致聲波的正常傳播受到干擾，或阻礙其正常傳播，或發生反射或折射。

工件或材料中超過標準規定的不連續部位，就是缺陷或傷。采用相應的測量技術，將非電量的機械缺陷轉換為電信號，并找出二者的內在關系，據以判斷和評價工件質量，這就是超聲探傷的工作原理。超聲波探傷儀如圖2-7所示。

2.4.2　超聲波探頭

2.4.2.1　原理

在超聲波檢測技術中主要是利用它的反射、折射、衰減等物理性質。不管哪一種超聲波儀器，都必須把超聲波發射出去，然后再把超聲波接收回來，變換成電信號。完成發射部分和接收部分工作的裝置均稱為超聲波換能器，或超聲波探頭。超聲波探頭有壓電式、磁致伸縮式、電磁式等。在檢測技術中最常用的是壓電式。在壓電式超聲波換能器中，最常用的壓電材料分為壓電晶體和壓電陶瓷。壓電晶體如水晶（石英晶體）、鎵酸鋰、鍺酸鋰、鍺酸鈦以及鐵晶體管鈮酸鋰、鉭酸鋰等。壓電陶瓷有改性鋯鈦酸鉛、偏鈮酸鉛。

2.4.2.2　結構

超聲波探頭是超聲波儀器的重要結構，由以下四部分組成，如圖2-8所示。

2.4.2.3　超聲波探頭的作用

超聲波探頭用于實現聲能和電能的互相轉換。它是利用壓電晶體的正、逆壓電效應進行換能的。探頭是組成檢測系統的最重要的組件，其性能的好壞直接影響超聲檢測的效果。

超聲波探頭通過壓電效應發射、接收超聲波。

640V的交變電壓加至壓電晶片銀層，使面積相同、間隔一定距離的兩塊金屬極板分別帶上等量異種電荷形成電場，有電場就存在電場力，壓電晶片處在電場中，在電場力的作用下發生形變。在交變電場力的作用下發生變形的效應，稱為逆壓電效應，也是發射超聲波的過程。

超聲波是機械波，機械波是由振動產生的，超聲波發現缺陷引起缺陷振動，其中一部分沿原路返回。由于超聲波具有一定的能量，再作用到壓電晶體上，使壓電晶體在交變拉、壓力作用下產生交變電場，這種效應稱為正壓電效應，是接收超聲波的過程。正、逆壓電效應統稱為壓電效應。

2.4.2.4　常用超聲波探頭的類型

超聲波檢測中由于被探測工件的形狀和材質、探測的目的、探測的條件不同，因而要使用各種不同形式的探頭。其中最常用的是接觸式縱波直探頭、接觸式橫波斜探頭、雙晶探頭、水浸探頭與聚焦探頭等。一般橫波斜探頭的晶片為方形，縱波直探頭的晶片為圓形，而聚焦聲源的圓形晶片為聲透鏡。所以聲場就有圓盤源聲場、聚焦聲源聲場和斜探頭發射的橫波聲場。圖2-9為一組探頭的圖片。

直探頭（超聲波傳感器）發射的聲場結構，按距離遠近分外近場和遠場。近場能量強，探頭中間部位能量比邊部能量集中，檢測效果較好。

2.4.3　試塊與耦合劑

與一般的測量過程一樣，為了保證檢測結果的準確性與重復性、可比性，必須用一個具有已知固定特性的試樣（試塊）對檢測系統進行校準。這種按一定的用途設計制作的、均具有簡單形狀人工反射體的試件即稱為試塊。超聲檢測用試塊通常分為兩種類型，即標準試塊（校準試塊）和對比試塊（參考試塊）。

當探頭和試件之間有一層空氣時，超聲波的反射率幾乎為100%，即使很薄的一層空氣也可以阻止超聲波傳入試件。因此，排除探頭和試件之間的空氣非常重要。耦合劑就是為了改善探頭和試件間聲能的傳遞而加在探頭和檢測面之間的液體薄層。耦合劑可以填充探頭與試件間的空氣間隙，使超聲波能夠傳入試件，這是使用耦合劑的主要目的。除此之外，耦合劑有潤滑作用，可以減少探頭和試件之間的摩擦，防止試件表面磨損探頭，并使探頭便于移動。在液浸法檢測中，通過液體實現耦合，此時液體也是耦合劑。常用的耦合劑有水、甘油、變壓器油、化學糨糊等。