超音波探頭

超音波探頭是在超音波檢測過程中發射和接收超音波的裝置。探頭的性能直接影響超音波的特性，影響超音波的檢測性能。

在超聲檢測中使用的探頭，是利用材料的壓電效應實現電能、聲能轉換的換能器。探頭中的關鍵部件是晶片，晶片是一個具有壓電效應的單晶或者多晶體薄片，它的作用是將電能和聲能互相轉換。

基本介紹

• 中文名：超音波探頭
• 外文名：Ultrasonic probe
• 直探頭：單晶縱波直探頭 雙晶縱波直探頭
• 斜探頭：單晶橫波斜探頭
• 帶曲率探頭：周向曲率 徑向曲率

分類

1.直探頭: 單晶縱波直探頭 雙晶縱波直探頭

2.斜探頭: 單晶橫波斜探頭a1<aL<aⅡ ，雙晶橫波斜探頭

單晶縱波斜探頭 aL<a1為小角度縱波斜探頭

aL在a1附近為爬波探頭爬波探頭；沿工件表面傳輸的縱波，速度快、能量大、波長長、探測深度較表面波深，對工件表面光潔度要求較表面波松。（頻率2.5MHZ波長約2.4mm，講義附屬檔案11、12、17題部分答案）。

超音波探頭

3.帶曲率探頭: 周向曲率 徑向曲率。

周向曲率探頭適合---無縫鋼管、直縫焊管、筒型鍛件、軸類工件等軸向缺陷的檢測。工件直徑小於2000mm時為保證耦合良好探頭都需磨軸向曲率。

徑向曲率探頭適合---無縫鋼管、鋼管對接焊縫、筒型鍛件、軸類工件等徑向缺陷的檢測。工件直徑小於600mm時為保證耦合良好探頭都需磨徑向曲率。

4.聚焦探頭: 點聚焦 線聚焦。

5.表面波探頭:(當縱波入射角大於或等於第二臨界角,既橫波折射角度等於90形成表面波).

沿工件表面傳輸的橫波，速度慢、能量低、波長短探測深度較爬波淺，對工件表面光潔度要求較爬波嚴格。

第一章“波的類型”中學到：表面波探傷只能發現距工件表面兩倍波長深度內的缺陷。（頻率2.5MHZ波長約1.3mm，講義附屬檔案11、12題部分答案）。

性能參數

1.壓電應變常數d33:

d33=Dt/U在壓電晶片上加U這么大的應力,壓電晶片在厚度上發生了Dt的變化量,d33越大,發射靈敏度越高。

2.壓電電壓常數g33:

g33=UP/P在壓電晶片上加P這么大的應力.在壓電晶片上產生UP這么大的電壓,g33越大,接收靈敏度越高。

3.介電常數e:

e=Ct/A[C-電容、t-極板距離(晶片厚度)、A-極板面積(晶片面積)];

C小→e小→充、放電時間短.頻率高。

4.機電偶合係數K:

表示壓電材料機械能(聲能)與電能之間的轉換效率。

對於正壓電效應:K=轉換的電能/輸入的機械能。

對於逆壓電效應:K=轉換的機械能/輸入的電能.

晶片振動時,厚度和徑向兩個方向同時伸縮變形,厚度方向變形大,探測靈敏度高,徑向方向變形大,雜波多,分辨力降低,盲區增大,發射脈衝變寬.（講義附屬檔案16、19題部分答案）。

聲 速: 324.0 M/S 工件厚度: 16.00MM 探頭頻率: 2.500MC

探頭K值: 1.96 探頭前沿: 7.00MM 坡口類型: X

坡口角度: 60.00 對焊寬度: 2.00MM 補 償: -02 dB

判 廢: +05dB 定 量: -03dB 評 定: -09 dB

焊口編號: 0000 缺陷編號: 1. 檢測日期: 05.03.09

聲 速: 324.0 M/S 工件厚度: 16.00 MM 探頭頻率: 5.00 MC

探頭K值: 1.95 探頭前沿: 7.00 MM 坡口類型: X

坡口角度: 60.00 對焊寬度: 2.00 MM 補 償: -02 dB

判 廢: +05 dB 定 量: -03 dB 評 定: -09 dB

焊口編號: 0000 缺陷編號: 1. 檢測日期: 05.03.09

5.機械品質因子qm:

qm=E貯/E損,壓電晶片諧振時,貯存的機械能與在一個周期內(變形、恢復)損耗的能量之比稱……損耗主要是分子內摩擦引起的。

qm大,損耗小,振動時間長,脈衝寬度大,分辨力低。

qm小,損耗大,振動時間短,脈衝寬度小,分辨力高。

6.頻率常數Nt:

Nt=tf0,壓電晶片的厚度與固有頻率的乘積是一個常數,晶片材料一定,厚度越小,頻率越高. （講義附屬檔案16、19題部分答案）。

7.居里溫度Tc:

壓電材料的壓電效應,只能在一定的溫度範圍內產生,超過一定的溫度,壓電效應就會消失,使壓電效應消失的溫度稱居里溫度(主要是高溫影響)。

8．超音波探頭的另一項重要指標：信噪比---有用信號與無用信號之比必須大於18 dB。（為什麼？）

探頭型號

(應注意的問題)

1．橫波探頭只報K值不報頻率和晶片尺寸。

2．雙晶探頭只報頻率和晶片尺寸不報F(菱形區對角線交點深度)值。

例：用雙晶直探頭檢12mm厚的板材，翼板厚度12mm的T型角焊縫，怎樣選F值？

講義附屬檔案（2題答案）。

套用舉例

1.斜探頭近場N=a&acute;b&acute;COSb/plCOSa。 λ =CS/&brvbar;.

直探頭近場N=D/4l。 λ=CL/&brvbar;.

2.橫波探傷時聲束套用範圍:1.64N-3N。

縱波探傷時聲束套用範圍:&sup3;3N。

雙晶直探頭探傷時,被檢工件厚度應在F菱形區內。

3.K值的確定應能保證一次聲程的終點越過焊縫中心線，與焊縫中心

線的交點到被檢工件內表面的距離應為被檢工件厚度的三分之一。

4.檢測16mm厚的工件用5P 9×9 K2、2.5P9X9K2、2.5P13X13K2那一種探頭合適(聚峰斜楔).以5P9X9K2探頭為例。

(1).判斷一次聲程的終點能否越過焊縫中心線?

（焊縫余高全寬+前沿）/工件厚度

(2).利用公式：

N?(工件內剩餘近場長度)=N(探頭形成的近場長度)—N?(探頭內部占有的近場長度) =axbxcosβ/πxλxcosα–Ltgα/tgβ,計算被檢工件內部占有的近場長度。講義附屬檔案（14題答案）。

A． 查教材54頁表:

材料	K值	1.0	1.5	2.0	2.5	3
有機玻璃	COSb/ COSa	0.88	0.78	0.68	0.6	0.52
聚碸	COSb/ COSa	0.83	0.704	0.6	0.51	0.44
有機玻璃	tga /tgb	0.75	0.66	0.58	0.5	0.44
聚碸	tga /tgb	0.62	0.52	0.44	0.38	0.33

COSb/COSa、tga/tgb與K值的關係

查表可知cosβ/cosα=0.6, tgα/tgβ=0.44, 計算可知α=41.35°.

B． λ=Cs/?=3.24/5=0.65mm

C．

參考圖計算可知：

tgα=L1/4.5, L1=tg41.35°X4.5=0.88X4.5=3.96mm.

cosα=2.5/L2, L2=2.5/cos41.5°=2.5/0.751=3.33mm,

L=L1+L2=7.3mm, Ltgα/tgβ=7.3×0.44=3.21mm,(N?)

由（1）可知，IS=35.8mm, 2S=71.6mm

N=axbxcosβ/pxλxcosa=9×9×0.6/3.14×0.65=23.81mm,

1.64N=39.1mm, 3N=71.43mm.

工件內部剩餘的近場(N?)=N-N?=20.6mm(此範圍以內均屬近場探傷).

(1.64N-N?)與IS比較, (3N-N?)與2S比較,

使用2.5P13X13K2探頭檢測16mm厚工件,1.64N與3N和5P9X9K2探頭基本相同,但使用中仍存在問題，2.5P9X9K2探頭存在什麼問題？

一.探傷過程中存在的典型問題:

不同探頭同一試塊的測量結果

反射體深度	1#探頭	2#探頭
	橫波折射角	聲程	橫波折射角	聲程
mm	( )	mm	( )	mm
20	21.7	21.7	32.8	24.3
40	24.4	45.0	32.5	49.8
60	25.8	70	30.9	75.6
80	28.9	101.8	29.1	102.0

注:1.晶片尺寸13&acute;13 2.晶片尺寸10&acute;20.

試驗中發現:同一探頭(入射角不變)在不同深度反射體上測得的橫波折射角不同,進一步試驗還發現,折射角的變化趨勢與晶片的結構尺寸有關,對不同結構尺寸的晶片,折射角的變化趨勢不同,甚至完全相反,而對同一

晶片,改變探頭縱波入射角,其折射角變化趨勢基本不變,上表是兩個晶片尺寸不同的探頭在同一試塊上測量的結果.

1#探頭聲束中心軌跡 2#探頭聲束中心軌跡

1.縱波與橫波探頭概念不清.

第一臨界角:由折射定律SinaL/CL1=SinbL/CL2,當CL2>CL1時,bL>aL,隨著aL增加,bL也增加,當aL增加到一定程度時,bL=90,這時所對應的縱波入射角稱為第一臨界角aI,

aI=SinCL1/CL2=Sin2730/5900=27.6,當aL<aI時,第二介質中既有折射縱波L&cent;&cent;又有折射橫波S&cent;&cent;.

第二臨界角:由折射定律SinaL/CL1=SinbS/CS2, 當Cs2>CL1時,bS>aL,隨著aL增加,bS也增加,當aL增加一定程度時,bS=90,這時所對應的縱波入射角稱為第二臨界角aⅡ.aⅡ=SinCL1/CS2=Sin2730/3240=57.7.當aL=aI--aⅡ時,第二介質中只有折射橫波S,沒有折射縱波L,常用橫波探頭的製作原理。

利用折射定律判斷1#探頭是否為橫波探頭。

A. 存橫波探傷的條件:Sin27.6/2730=Sinb/3240,

Sinb=Sin27.6&acute;3240/2730=0.55,b=33.36,K=0.66。

B.折射角為21.7時：

Sina/2730=Sin21.7/3240,Sina=Sin21.7&acute;2730/3240,a=18.15,

小於第一臨界角27.6。

折射角為28.9時：

Sina/2730=Sin28.9/3240,Sina= Sin28.9&acute;2730/3240,a=24,也小於第一臨界角27.6。

C.如何解釋1#探頭隨反射體深度增加,折射角逐漸增大的現象,由A、B

可知,1#探頭實際為縱波斜探頭,同樣存在上半擴散角與下半擴散角,而且上半擴散角大於下半擴散角。（講義附屬檔案9題答案）。

縱波入射角aL由0逐漸向第一臨界角aI(27.6)增加時,第二介質中的縱波能量逐漸減弱,橫波能量逐漸增強,在聲束的一定範圍內,q下區域內的縱波能量大於q上區域內的縱波能量,探測不同深度的孔,實際上是由q下區域內的縱波分量獲得反射回波最高點。

由超聲場橫截面聲壓分布情況來看,A點聲壓在下半擴散角之內,B點聲壓在上半擴散角之內,且A點聲壓高於B點聲壓。再以近場長度N的概念來分析,2.5P 13&acute;13 K1探頭N=36.5mm,由此可知反射體深度20mm時,聲程約21.7mm,b=21.7時N=40.07mm為近場探傷。

在近場內隨著反射體深度增加聲程增大,A點與B點的能量逐漸向C點增加,折射角度小的探頭角度逐漸增大,折射角度大的探頭角度逐漸減少。

2.盲目追求短前沿:

以2.5P 13&acute;13 K2探頭為例,b=15mm與b=11mm,斜楔為有機玻璃材料;

(1).檢測20mm厚,X口對接焊縫,缺陷為焊縫層間未焊透.

(2).信噪比的關係:有用波與雜波幅度之比必須大於18dB.

(3).為什麼一次標記點與二次標記點之間有固定波？

由54頁表可知：COSb/COSa=0.68，K2探頭b=63.44°，

COS63.44°=0.447，COSa=0.447/0.68=0.66，

COSa=6.5/LX，前沿LX=6.5/0.66=9.85mm。（講義附屬檔案6題答案）。

3.如何正確選擇雙晶直探頭:

(1).構造、聲場形狀、菱形區的選擇;

(2).用途:為避開近場區,主要檢測薄板工件中面積形缺陷.

(3).發射晶片聯接儀器R口,接收晶片聯接T口(匹配線圈的作用).

4.探頭套用舉例:

二.超音波探頭的工作原理:

1．通過壓電效應發射、接收超音波。

2．640V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，也是發射超音波的過程。

3．超音波是機械波，機械波是由振動產生的，超音波發現缺陷引起缺陷振動，其中一部分沿原路返回，由於超音波具有一定的能量，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，是接收超音波的過程。正、逆壓電效應統稱為壓電效應。

※以儀器的電路來說，只能放大電壓或電流信號，不能放大聲信號。

試塊

※強調等效試塊的作用。

1．常用試塊的結構尺寸、各部位的用途，存在問題；（講義附屬檔案8、10、13、18題答案）。

2．三角槽與線切割裂紋的區別； 3．立孔與工件中缺陷的比較：、

4．幾種自製試塊的使用方法；

A．奧氏體試塊：

B．雙孔法校準（主要用於縱波斜探頭探傷,如螺栓）（講義附屬檔案5、7題答案）。

計算公式：令h2/h1=n；

a=[n（t1+f/2）-（t2+f/2）]/(n-1) …… 1式

t1與t2為一次聲程分別發現h1與h2孔時的聲程（包含a）；

COSb=h1/（t1+f/2-a），b=COSh1/（t1+f/2-a）；

tgb=K，K=tgCOSh1/（t1+f/2-a） …… 2式

b=（L2-nL1）/（n-1） …… 3式

C．外圓雙孔法校準原理（外徑f>100mm的工件周向探傷用）：

計算公式：q=（ - ）180/Rp …… 1式

…… 2式

j=Sin[Sinq（R-h2）/A&cent;B] …… 3式

b=Sin（R-h1）Sinj/R …… 4式

tgb=K=tgSin（R-h1）Sinj/R …… 5式

=&ETH;eR/57.3- …… 6式

&ETH;e=&ETH;j-&ETH;b.

D.雙弧單孔法校準（外徑Φ<100mm的工件周向探傷用）:

(1)距離校準同CSK-ⅠA校圓弧;

(2).K值校準 b=COS[R2+(S+f/2)-(R-h)]/2R2(S+f/2) tgb=K

（講義附屬檔案3、15題答案）。

探傷方法

1.曲線法;

2.幅值法.