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By Tom Nelligan
用于超聲波無損檢測應用中的探傷和厚度測量的高頻聲波由稱為超聲換能器的小探頭產生和接收。傳感器是任何超聲波測試設備的起點，它們有各種頻率，尺寸和箱體樣式，以滿足檢測需求，從大量多噸鋼鍛件的瑕疵檢測到紙張薄涂層的厚度測量。
換能器通常被定義為將一種形式的能量轉換成另一種形式的能量的任何裝置。本文的主題是用于厚度測量和常規探傷的超聲換能器。利用多個元件產生轉向聲束的相控陣探頭在我們的相控陣傳感器教程中有詳細描述。
在超聲波NDT中，換能器將來自測試儀器的電能脈沖轉換成以穿過測試片的聲波的形式的機械能。從測試件反射的聲波又被傳感器轉換成電能脈沖，該脈沖可由測試儀器處理和顯示。實際上，換能器用作超聲波揚聲器和麥克風，產生和接收頻率遠高于人類聽覺范圍的聲波的脈沖。
通常，NDT換能器的有源元件是將電能轉換為機械能的薄盤，方形或矩形壓電陶瓷或復合材料，反之亦然。這種元件有時被非正式地稱為晶體，因為在超聲波無損檢測的早期，元件由石英晶體制成;然而，諸如偏鈮酸鉛和鈦酸鉛鋯的陶瓷已經長期用于大多數換能器中。近年來，復合元件的使用越來越多，其中傳統的固體陶瓷盤或板被微機械元件代替，其中壓電陶瓷的微小圓柱體嵌入在環氧樹脂基質中。復合元件可以在許多探傷應用中提供增加的帶寬和改善的靈敏度。
當它被電脈沖激勵時，該壓電元件產生聲波，并且當其通過返回回波而振動時產生電壓。有源元件被保護免受損耗板或聲透鏡的損害，并且由阻尼材料塊支撐，阻尼材料塊在產生聲音脈沖之后靜噪換能器。該超聲波組件安裝在具有適當電連接的殼體中。所有常見的接觸，角束，延遲線和浸沒式換能器利用這種基本設計。在成像應用中使用的相控陣探頭簡單地將多個單獨的換能器元件組合在單個組件中。通常用于腐蝕測量應用中的雙元件換能器的不同之處在于，它們具有由聲障，無背襯和用于轉向和耦合聲能而不是磨損板或透鏡的整體延遲線分開的單獨的發射和接收元件。圖1示出了典型的傳感器結構。
雖然基本概念很簡單，但傳感器是精密設備，在設計，材料選擇和制造方面需要非常小心，以幫助確保*和一致的性能。常規超聲波NDT中常用的換能器基于其設計和預期用途而分為五大類。
為超聲NDT的基礎的高頻振動通常作為縱波（平行于波方向的粒子運動）或剪切波（垂直于波方向的粒子運動）發生。所有常用的NDT換能器產生縱波。厚度測量和直束探傷通常使用縱波，這是zui容易創建和傳播通過典型的工程材料。剪切波用于焊縫和類似結構的大多數角度射束檢查。角束組件使用折射模式轉換將由換能器產生的縱波轉換成剪切波，剪切波具有比可比的縱波更短的波長，因此對小反射器更敏感。一些浸沒測試還利用由模式轉換產生的剪切波。還存在其他模式，例如表面波和板波，以及直接產生剪切波的接觸換能器，但是這些僅在專門的測試中使用。
除了各種設計類型之外，超聲換能器還具有各種頻率，尺寸和帶寬，以滿足不同的應用需求。大多數超聲波測試在1MHz和10MHz之間的頻率下進行，然而市售的換能器的頻率范圍從小于50KHz到大于200MHz。 （相比之下，人類聽覺的范圍是從大約20Hz到20KHz，隨著人的變老而減小。）常用的元件尺寸范圍從小到0.125英寸（3mm）到1.5英寸（38mm） 。帶寬或由換能器產生的頻譜中包含的頻率跨度可以是窄的或寬的。
為什么要這些選擇？由于基波物理學，這些參數中的每一個以在給定測試中將具有優點和缺點的方式影響聲波的行為。
更高的頻率允許檢測更小的缺陷和更薄的測試件的測量，但是聲能將不會傳播到更低的頻率。較低的頻率提供較厚的測試件的穿透性，特別是在諸如鑄造金屬和塑料的材料中傳播聲音的效率較低，但是它們對小瑕疵不太敏感，并且可能不測量薄截面。
大的元件可以允許更快地掃描測試件，但是將降低對小反射器的靈敏度，并且可能不能很好地耦合到諸如管道的彎曲表面上。較小的元件將對小反射器更敏感，并且將更好地耦合到彎曲表面上，但不會快速測試大面積。
寬帶換能器具有良好的近表面分辨率，能夠檢測接近表面的瑕疵并測量薄部件。窄帶換能器具有更好的穿透性，并且可以從反射器產生更強的回波，但是表現出更小的軸向分辨率。
那么哪一個您的應用？在許多情況下，換能器的選擇將由建立的檢查代碼或調用特定類型的測試過程來。但如果沒有可用的程序，檢查員必須根據他或她對超聲波理論，定義的測試目標（例如需要解決的缺陷的類型和大小）的知識，決定測試的*換能器，具體材料，厚度和幾何形狀。雖然理論知識和一些無損檢測經驗是*的，但在某些情況下，檢測員的技能必須通過對測試樣品的實驗來補充，以確定什么傳感器將工作。
傳感器通常具有記錄基本性能特性的測試形式（圖7），通常相對于諸如ASTM E-1065的*測試規程。這些形式驗證產品一致性和遵守規格。在下面的示例中，測試表格記錄了列出的測試條件下的峰值和中心頻率，上限和下限頻率，帶寬和RF波形。對于用戶，制造商還可以提供更專業的文檔，如電阻抗圖和光束輪廓。
雖然傳感器是任何測試的重要組成部分，但儀器設置也是一個關鍵因素。儀器制造商通常會提供用于給定測試的給定換能器校準其儀器的推薦程序。至少，這涉及相對于所使用的換能器和材料聲速設置增益（靈敏度）水平和零偏移。這通常借助于適當的測試塊或參考樣品來完成。根據儀器和測試，其他參數如脈沖能量，阻尼和接收機濾波也可能需要調整。經過適當培訓的檢查員將熟悉所有這些設置，并知道如何使用它們在每種情況下優化測試結果。良好的實踐還規定，每當換能器更換時，或者如果換能器顯示過度磨損的跡象，都要驗證儀器設置。許多測試程序在檢查期間需要定期校準檢查，以幫助確保沒有影響測試結果的變化。
如果處理良好，質量制造商的傳感器通常會持續數年，然而，它們是敏感的設備，應該保護其免受由于過度的沖擊或振動，從粗糙表面上刮擦的磨損，暴露于腐蝕性液體和過熱而造成的損壞。除非規定用于高溫使用，否則大多數單元件換能器不應經受高于約125°F（50°C）的溫度。具有明顯可見表面磨損的傳感器應在使用前檢查其性能。雙元件換能器通常可以重新表面化，并且可以容易地更換延遲線，但是對接觸換能器的損壞是不可修復的。
高壓環境，水下使用和其他特殊環境應由傳感器制造商審核。在試件幾何形狀限制進入的情況下，特殊的換能器有時可以被設計成適合。同樣，建議咨詢制造商。
（文章來自奧林巴斯GUAN網，侵刪）
