原標(biāo)題：超聲波探頭原理

超聲波探頭是超聲波探傷儀等設(shè)備的關(guān)鍵部件，負(fù)責(zé)超聲波的發(fā)射與接收，其工作原理基于壓電效應(yīng)，以下從核心原理、結(jié)構(gòu)組成、工作過(guò)程、關(guān)鍵特性及類型等方面展開(kāi)介紹：

核心原理——壓電效應(yīng)

• 正壓電效應(yīng)：某些晶體材料（如石英、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等壓電陶瓷）在受到外力作用時(shí)，內(nèi)部正負(fù)電荷中心會(huì)發(fā)生相對(duì)位移，導(dǎo)致晶體表面出現(xiàn)極化現(xiàn)象，從而在兩個(gè)相對(duì)表面上產(chǎn)生符號(hào)相反的束縛電荷，且電荷量與外力大小成正比。當(dāng)外力撤去后，晶體又恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)。超聲波探頭正是利用這一效應(yīng)，將接收到的超聲波（機(jī)械振動(dòng)）轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

• 逆壓電效應(yīng)：當(dāng)在這些晶體材料的極化方向上施加交變電場(chǎng)時(shí)，晶體內(nèi)部的正負(fù)電荷中心會(huì)發(fā)生相對(duì)位移，導(dǎo)致晶體產(chǎn)生機(jī)械變形，且機(jī)械變形的大小與交變電場(chǎng)的強(qiáng)度成正比。當(dāng)交變電場(chǎng)的頻率與晶體的固有頻率一致時(shí)，晶體的機(jī)械振動(dòng)會(huì)達(dá)到最大，從而向外輻射超聲波。超聲波探頭利用逆壓電效應(yīng)將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為超聲波。

結(jié)構(gòu)組成

• 壓電晶片：是探頭的核心部件，由具有壓電效應(yīng)的材料制成。它的形狀、尺寸和材料性能直接影響探頭的發(fā)射和接收性能。常見(jiàn)的形狀有圓形、方形等。

• 阻尼塊：通常由高阻尼材料制成，緊貼在壓電晶片的背面。它的作用是吸收壓電晶片背面輻射的超聲波能量，減少晶片的振動(dòng)時(shí)間，使探頭能夠快速停止發(fā)射超聲波并開(kāi)始接收回波信號(hào)，從而提高探頭的分辨率。

• 保護(hù)膜：覆蓋在壓電晶片的前表面，用于保護(hù)晶片不受磨損和腐蝕。同時(shí)，保護(hù)膜還可以改善探頭與被檢材料之間的耦合效果，使超聲波能夠更有效地傳入被檢材料中。

• 外殼：用于固定和保護(hù)壓電晶片、阻尼塊和保護(hù)膜等部件，同時(shí)還設(shè)有電纜插座，用于連接探頭與超聲波探傷儀。

工作過(guò)程

發(fā)射超聲波

• 當(dāng)超聲波探傷儀向探頭施加高頻電脈沖時(shí)，電脈沖加到壓電晶片的兩個(gè)電極上，在晶片內(nèi)部產(chǎn)生交變電場(chǎng)。

• 壓電晶片在交變電場(chǎng)的作用下發(fā)生逆壓電效應(yīng)，產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，從而向外輻射超聲波。超聲波以一定的角度和能量向被檢材料中傳播。

接收超聲波

• 當(dāng)超聲波在被檢材料中傳播遇到缺陷或底面時(shí)，會(huì)發(fā)生反射。反射回來(lái)的超聲波（回波）作用于探頭的壓電晶片上。

• 壓電晶片在回波的作用下發(fā)生正壓電效應(yīng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，產(chǎn)生電信號(hào)。這個(gè)電信號(hào)非常微弱，需要經(jīng)過(guò)探頭的內(nèi)部電路進(jìn)行初步放大，然后通過(guò)電纜傳輸?shù)匠暡ㄌ絺麅x進(jìn)行進(jìn)一步處理和顯示。

關(guān)鍵特性

• 頻率：指壓電晶片振動(dòng)產(chǎn)生的超聲波的頻率。頻率越高，超聲波的波長(zhǎng)越短，方向性越好，分辨率越高，但穿透能力越弱；頻率越低，超聲波的波長(zhǎng)越長(zhǎng)，穿透能力越強(qiáng)，但方向性和分辨率越差。探頭的頻率應(yīng)根據(jù)被檢材料的厚度、缺陷的性質(zhì)和檢測(cè)要求等因素進(jìn)行選擇。

• 晶片尺寸：晶片尺寸的大小會(huì)影響探頭的近場(chǎng)長(zhǎng)度、波束寬度和指向性等性能。晶片尺寸越大，近場(chǎng)長(zhǎng)度越長(zhǎng)，波束寬度越窄，指向性越好，但探頭的盲區(qū)也越大；晶片尺寸越小，近場(chǎng)長(zhǎng)度越短，波束寬度越寬，指向性越差，但探頭的盲區(qū)也越小。

• 靈敏度：表示探頭將接收到的超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的能力。靈敏度越高，探頭能夠檢測(cè)到的缺陷信號(hào)越弱，檢測(cè)靈敏度也就越高。探頭的靈敏度與壓電晶片的材料性能、尺寸、形狀以及探頭的制作工藝等因素有關(guān)。

常見(jiàn)類型

• 直探頭：壓電晶片直接發(fā)射和接收垂直于探頭表面的超聲波，主要用于檢測(cè)與檢測(cè)面平行的缺陷，如板材、鍛件中的內(nèi)部缺陷。

• 斜探頭：通過(guò)在壓電晶片前面安裝一個(gè)具有一定角度的斜楔塊，使超聲波以一定的入射角斜射到被檢材料中，主要用于檢測(cè)與檢測(cè)面成一定角度的缺陷，如焊縫中的未焊透、裂紋等。

• 表面波探頭：專門(mén)用于激發(fā)和接收表面波，表面波沿材料表面?zhèn)鞑?，?duì)表面和近表面的缺陷非常敏感，常用于檢測(cè)金屬表面的裂紋、腐蝕等缺陷。

• 蘭姆波探頭：用于激發(fā)和接收蘭姆波，蘭姆波是在薄板中傳播的一種超聲波，能夠檢測(cè)薄板中的各種缺陷，如分層、夾渣等。