探頭：對(duì)于利用超聲波在介質(zhì)中的傳播特性而發(fā)展起來的超聲檢測(cè)技術(shù)而言，超聲檢測(cè)過程實(shí)質(zhì)上是信號(hào)的傳輸過程。超聲波換能器作為電聲和聲電轉(zhuǎn)換器件，是超聲檢測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分。

1. 寬頻帶探頭與窄頻帶探頭

按照探頭頻譜特性分類，探頭可以分為寬帶窄脈沖探頭和窄帶寬脈沖探頭(或窄帶連續(xù)波探頭)。

寬帶探頭的頻率主要由晶片特性決定，通常把晶片厚度制作為1/2波長。用振蕩頻率與晶片共振頻率一樣的一段正弦振蕩激勵(lì)探頭，就可以獲得與晶片共振頻率一樣的寬脈沖。用上升邊沿非常陡( 10 μs左右)的尖脈沖激勵(lì)高阻尼探頭，就可以獲得頻率范圍在0.1~ 10MHz的窄脈沖。激勵(lì)脈沖前沿越陡(上升越快)，所產(chǎn)生的超聲波脈沖越窄。但探頭頻率也與晶片背襯的阻尼、晶片材質(zhì)、組裝在探頭內(nèi)部的線圈等因素有關(guān)。同樣參數(shù)(頻率、晶片直徑)的探頭，由于制作工藝的差異，其性能會(huì)差別很大，并帶來頻譜特性的差異，以及對(duì)聲場(chǎng)造成影響。頻帶的寬窄或脈沖寬度對(duì)聲波在材料中的衰減和信噪比、分辨力也有所影響。因此，不同探頭檢測(cè)同一試件時(shí)，可能會(huì)得到不同的結(jié)果。

有的探傷儀雖也用尖脈沖激勵(lì)探頭，但由于接收放大器是選頻的，所用探頭又不是特制的高阻尼探頭，所以在熒光屏上呈現(xiàn)的脈沖仍屬寬脈沖。窄脈沖需使用高阻尼探頭，激勵(lì)脈沖又極窄，因此窄脈沖的探測(cè)靈敏度較低。

探頭中壓電晶片與其兩側(cè)介質(zhì)的聲阻抗匹配不同時(shí)，會(huì)對(duì)探頭發(fā)射出的超聲波頻譜形狀產(chǎn)生影響。假定探頭與其兩側(cè)相匹配介質(zhì)的聲阻抗及界面的聲壓反射系數(shù)如圖4-8所示，研究得出壓電效應(yīng)方程如下:

式中，T是在垂直x軸平面上分布的應(yīng)力:u是沿x方向質(zhì)點(diǎn)的位移；D是電位移；C是在電位移恒定時(shí)沿x方向的彈性剛度；h是應(yīng)變恒定時(shí)的壓電系數(shù)。當(dāng)施加一個(gè)初始的激勵(lì)脈沖(δ脈沖)時(shí)，壓電晶片的發(fā)射行為只與超聲波在探頭中的傳播以及施加于其表面的應(yīng)力有關(guān)。Lakestani 等人分析了此時(shí)探頭發(fā)射到介質(zhì)2中的超聲波的傳遞函數(shù)，給出的頻率響應(yīng)x₁(f)的表達(dá)式為

x₁(f)的模為

可以發(fā)現(xiàn)丨x₁(f)丨具有周期性，當(dāng)頻率f滿足 時(shí)，丨x₁(f)丨 出現(xiàn)極大值。圖4-9所示即為探頭與其兩側(cè)介質(zhì)聲阻抗匹配情況不同時(shí)，按照式（4-17）得出的探頭頻率響應(yīng)函數(shù)x₁(f) 對(duì)應(yīng)的模及相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果。當(dāng)聲阻抗 即探頭兩側(cè)介質(zhì)相同時(shí)，式（4-17）和式（4-18）可以被簡化為如下形式：

圖4-9a所示為  時(shí)的計(jì)算結(jié)果。當(dāng)R_A=0 即Z₁=Z₂  、探頭與其背面介質(zhì)耦合良好時(shí)，頻率響應(yīng)x₁ (f) 的頻帶最寬。此時(shí) ， 。圖4-9b~d所示為R _A=0  、R _B 分別取0.9、0.27和-0. 23時(shí)的計(jì)算結(jié)果。

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