By Tom Nelligan

      用于超声波无损检测应用中的探伤和厚度测量的高频声波由称为超声换能器的小探头产生和接收。传感器是任何超声波测试设备的起点，它们有各种频率，尺寸和箱体样式，以满足检测需求，从大量多吨钢锻件的瑕疵检测到纸张薄涂层的厚度测量。

      换能器通常被定义为将一种形式的能量转换成另一种形式的能量的任何装置。本文的主题是用于厚度测量和常规探伤的超声换能器。利用多个元件产生转向声束的相控阵探头在我们的相控阵传感器教程中有详细描述。

      在超声波NDT中，换能器将来自测试仪器的电能脉冲转换成以穿过测试片的声波的形式的机械能。从测试件反射的声波又被传感器转换成电能脉冲，该脉冲可由测试仪器处理和显示。实际上，换能器用作超声波扬声器和麦克风，产生和接收频率远高于人类听觉范围的声波的脉冲。

      通常，NDT换能器的有源元件是将电能转换为机械能的薄盘，方形或矩形压电陶瓷或复合材料，反之亦然。这种元件有时被非正式地称为晶体，因为在超声波无损检测的早期，元件由石英晶体制成;然而，诸如偏铌酸铅和钛酸铅锆的陶瓷已经长期用于大多数换能器中。近年来，复合元件的使用越来越多，其中传统的固体陶瓷盘或板被微机械元件代替，其中压电陶瓷的微小圆柱体嵌入在环氧树脂基质中。复合元件可以在许多探伤应用中提供增加的带宽和改善的灵敏度。

      当它被电脉冲激励时，该压电元件产生声波，并且当其通过返回回波而振动时产生电压。有源元件被保护免受损耗板或声透镜的损害，并且由阻尼材料块支撑，阻尼材料块在产生声音脉冲之后静噪换能器。该超声波组件安装在具有适当电连接的壳体中。所有常见的接触，角束，延迟线和浸没式换能器利用这种基本设计。在成像应用中使用的相控阵探头简单地将多个单独的换能器元件组合在单个组件中。通常用于腐蚀测量应用中的双元件换能器的不同之处在于，它们具有由声障，无背衬和用于转向和耦合声能而不是磨损板或透镜的整体延迟线分开的单独的发射和接收元件。图1示出了典型的传感器结构。

      虽然基本概念很简单，但传感器是精密设备，在设计，材料选择和制造方面需要非常小心，以帮助确保*和一致的性能。常规超声波NDT中常用的换能器基于其设计和预期用途而分为五大类。

      为超声NDT的基础的高频振动通常作为纵波（平行于波方向的粒子运动）或剪切波（垂直于波方向的粒子运动）发生。所有常用的NDT换能器产生纵波。厚度测量和直束探伤通常使用纵波，这是zui容易创建和传播通过典型的工程材料。剪切波用于焊缝和类似结构的大多数角度射束检查。角束组件使用折射模式转换将由换能器产生的纵波转换成剪切波，剪切波具有比可比的纵波更短的波长，因此对小反射器更敏感。一些浸没测试还利用由模式转换产生的剪切波。还存在其他模式，例如表面波和板波，以及直接产生剪切波的接触换能器，但是这些仅在专门的测试中使用。

      除了各种设计类型之外，超声换能器还具有各种频率，尺寸和带宽，以满足不同的应用需求。大多数超声波测试在1MHz和10MHz之间的频率下进行，然而市售的换能器的频率范围从小于50KHz到大于200MHz。 （相比之下，人类听觉的范围是从大约20Hz到20KHz，随着人的变老而减小。）常用的元件尺寸范围从小到0.125英寸（3mm）到1.5英寸（38mm） 。带宽或由换能器产生的频谱中包含的频率跨度可以是窄的或宽的。

      为什么要这些选择？由于基波物理学，这些参数中的每一个以在给定测试中将具有优点和缺点的方式影响声波的行为。

      更高的频率允许检测更小的缺陷和更薄的测试件的测量，但是声能将不会传播到更低的频率。较低的频率提供较厚的测试件的穿透性，特别是在诸如铸造金属和塑料的材料中传播声音的效率较低，但是它们对小瑕疵不太敏感，并且可能不测量薄截面。

      大的元件可以允许更快地扫描测试件，但是将降低对小反射器的灵敏度，并且可能不能很好地耦合到诸如管道的弯曲表面上。较小的元件将对小反射器更敏感，并且将更好地耦合到弯曲表面上，但不会快速测试大面积。

      宽带换能器具有良好的近表面分辨率，能够检测接近表面的瑕疵并测量薄部件。窄带换能器具有更好的穿透性，并且可以从反射器产生更强的回波，但是表现出更小的轴向分辨率。

       那么哪一个您的应用？在许多情况下，换能器的选择将由建立的检查代码或调用特定类型的测试过程来。但如果没有可用的程序，检查员必须根据他或她对超声波理论，定义的测试目标（例如需要解决的缺陷的类型和大小）的知识，决定测试的*换能器，具体材料，厚度和几何形状。虽然理论知识和一些无损检测经验是*的，但在某些情况下，检测员的技能必须通过对测试样品的实验来补充，以确定什么传感器将工作。

      传感器通常具有记录基本性能特性的测试形式（图7），通常相对于诸如ASTM E-1065的*测试规程。这些形式验证产品一致性和遵守规格。在下面的示例中，测试表格记录了列出的测试条件下的峰值和中心频率，上限和下限频率，带宽和RF波形。对于用户，制造商还可以提供更专业的文档，如电阻抗图和光束轮廓。

      虽然传感器是任何测试的重要组成部分，但仪器设置也是一个关键因素。仪器制造商通常会提供用于给定测试的给定换能器校准其仪器的推荐程序。至少，这涉及相对于所使用的换能器和材料声速设置增益（灵敏度）水平和零偏移。这通常借助于适当的测试块或参考样品来完成。根据仪器和测试，其他参数如脉冲能量，阻尼和接收机滤波也可能需要调整。经过适当培训的检查员将熟悉所有这些设置，并知道如何使用它们在每种情况下优化测试结果。良好的实践还规定，每当换能器更换时，或者如果换能器显示过度磨损的迹象，都要验证仪器设置。许多测试程序在检查期间需要定期校准检查，以帮助确保没有影响测试结果的变化。

      如果处理良好，质量制造商的传感器通常会持续数年，然而，它们是敏感的设备，应该保护其免受由于过度的冲击或振动，从粗糙表面上刮擦的磨损，暴露于腐蚀性液体和过热而造成的损坏。除非规定用于高温使用，否则大多数单元件换能器不应经受高于约125°F（50°C）的温度。具有明显可见表面磨损的传感器应在使用前检查其性能。双元件换能器通常可以重新表面化，并且可以容易地更换延迟线，但是对接触换能器的损坏是不可修复的。

      高压环境，水下使用和其他特殊环境应由传感器制造商审核。在试件几何形状限制进入的情况下，特殊的换能器有时可以被设计成适合。同样，建议咨询制造商。

（文章来自奥林巴斯GUAN网，侵删）