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By Tom Nelligan
用于超聲波無(wú)損檢測(cè)應(yīng)用中的探傷和厚度測(cè)量的高頻聲波由稱為超聲換能器的小探頭產(chǎn)生和接收。傳感器是任何超聲波測(cè)試設(shè)備的起點(diǎn)，它們有各種頻率，尺寸和箱體樣式，以滿足檢測(cè)需求，從大量多噸鋼鍛件的瑕疵檢測(cè)到紙張薄涂層的厚度測(cè)量。
換能器通常被定義為將一種形式的能量轉(zhuǎn)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(cè)量和常規(guī)探傷的超聲換能器。利用多個(gè)元件產(chǎn)生轉(zhuǎn)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(xì)描述。
在超聲波NDT中，換能器將來(lái)自測(cè)試儀器的電能脈沖轉(zhuǎn)換成以穿過(guò)測(cè)試片的聲波的形式的機(jī)械能。從測(cè)試件反射的聲波又被傳感器轉(zhuǎn)換成電能脈沖，該脈沖可由測(cè)試儀器處理和顯示。實(shí)際上，換能器用作超聲波揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)，產(chǎn)生和接收頻率遠(yuǎn)高于人類聽覺(jué)范圍的聲波的脈沖。
通常，NDT換能器的有源元件是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的薄盤，方形或矩形壓電陶瓷或復(fù)合材料，反之亦然。這種元件有時(shí)被非正式地稱為晶體，因?yàn)樵诔暡o(wú)損檢測(cè)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(jīng)長(zhǎng)期用于大多數(shù)換能器中。近年來(lái)，復(fù)合元件的使用越來(lái)越多，其中傳統(tǒng)的固體陶瓷盤或板被微機(jī)械元件代替，其中壓電陶瓷的微小圓柱體嵌入在環(huán)氧樹脂基質(zhì)中。復(fù)合元件可以在許多探傷應(yīng)用中提供增加的帶寬和改善的靈敏度。
當(dāng)它被電脈沖激勵(lì)時(shí)，該壓電元件產(chǎn)生聲波，并且當(dāng)其通過(guò)返回回波而振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生電壓。有源元件被保護(hù)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(chǎn)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(dāng)電連接的殼體中。所有常見的接觸，角束，延遲線和浸沒(méi)式換能器利用這種基本設(shè)計(jì)。在成像應(yīng)用中使用的相控陣探頭簡(jiǎn)單地將多個(gè)單獨(dú)的換能器元件組合在單個(gè)組件中。通常用于腐蝕測(cè)量應(yīng)用中的雙元件換能器的不同之處在于，它們具有由聲障，無(wú)背襯和用于轉(zhuǎn)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(dú)的發(fā)射和接收元件。圖1示出了典型的傳感器結(jié)構(gòu)。
雖然基本概念很簡(jiǎn)單，但傳感器是精密設(shè)備，在設(shè)計(jì)，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(guī)超聲波NDT中常用的換能器基于其設(shè)計(jì)和預(yù)期用途而分為五大類。
為超聲NDT的基礎(chǔ)的高頻振動(dòng)通常作為縱波（平行于波方向的粒子運(yùn)動(dòng)）或剪切波（垂直于波方向的粒子運(yùn)動(dòng)）發(fā)生。所有常用的NDT換能器產(chǎn)生縱波。厚度測(cè)量和直束探傷通常使用縱波，這是zui容易創(chuàng)建和傳播通過(guò)典型的工程材料。剪切波用于焊縫和類似結(jié)構(gòu)的大多數(shù)角度射束檢查。角束組件使用折射模式轉(zhuǎn)換將由換能器產(chǎn)生的縱波轉(zhuǎn)換成剪切波，剪切波具有比可比的縱波更短的波長(zhǎng)，因此對(duì)小反射器更敏感。一些浸沒(méi)測(cè)試還利用由模式轉(zhuǎn)換產(chǎn)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(chǎn)生剪切波的接觸換能器，但是這些僅在專門的測(cè)試中使用。
除了各種設(shè)計(jì)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(yīng)用需求。大多數(shù)超聲波測(cè)試在1MHz和10MHz之間的頻率下進(jìn)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(jué)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(chǎn)生的頻譜中包含的頻率跨度可以是窄的或?qū)挼摹?/span>
為什么要這些選擇？由于基波物理學(xué)，這些參數(shù)中的每一個(gè)以在給定測(cè)試中將具有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)的方式影響聲波的行為。
更高的頻率允許檢測(cè)更小的缺陷和更薄的測(cè)試件的測(cè)量，但是聲能將不會(huì)傳播到更低的頻率。較低的頻率提供較厚的測(cè)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(duì)小瑕疵不太敏感，并且可能不測(cè)量薄截面。
大的元件可以允許更快地掃描測(cè)試件，但是將降低對(duì)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(duì)小反射器更敏感，并且將更好地耦合到彎曲表面上，但不會(huì)快速測(cè)試大面積。
寬帶換能器具有良好的近表面分辨率，能夠檢測(cè)接近表面的瑕疵并測(cè)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(chǎn)生更強(qiáng)的回波，但是表現(xiàn)出更小的軸向分辨率。
那么哪一個(gè)您的應(yīng)用？在許多情況下，換能器的選擇將由建立的檢查代碼或調(diào)用特定類型的測(cè)試過(guò)程來(lái)。但如果沒(méi)有可用的程序，檢查員必須根據(jù)他或她對(duì)超聲波理論，定義的測(cè)試目標(biāo)（例如需要解決的缺陷的類型和大?。┑闹R(shí)，決定測(cè)試的*換能器，具體材料，厚度和幾何形狀。雖然理論知識(shí)和一些無(wú)損檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)是*的，但在某些情況下，檢測(cè)員的技能必須通過(guò)對(duì)測(cè)試樣品的實(shí)驗(yàn)來(lái)補(bǔ)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(cè)試形式（圖7），通常相對(duì)于諸如ASTM E-1065的*測(cè)試規(guī)程。這些形式驗(yàn)證產(chǎn)品一致性和遵守規(guī)格。在下面的示例中，測(cè)試表格記錄了列出的測(cè)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(duì)于用戶，制造商還可以提供更專業(yè)的文檔，如電阻抗圖和光束輪廓。
雖然傳感器是任何測(cè)試的重要組成部分，但儀器設(shè)置也是一個(gè)關(guān)鍵因素。儀器制造商通常會(huì)提供用于給定測(cè)試的給定換能器校準(zhǔn)其儀器的推薦程序。至少，這涉及相對(duì)于所使用的換能器和材料聲速設(shè)置增益（靈敏度）水平和零偏移。這通常借助于適當(dāng)?shù)臏y(cè)試塊或參考樣品來(lái)完成。根據(jù)儀器和測(cè)試，其他參數(shù)如脈沖能量，阻尼和接收機(jī)濾波也可能需要調(diào)整。經(jīng)過(guò)適當(dāng)培訓(xùn)的檢查員將熟悉所有這些設(shè)置，并知道如何使用它們?cè)诿糠N情況下優(yōu)化測(cè)試結(jié)果。良好的實(shí)踐還規(guī)定，每當(dāng)換能器更換時(shí)，或者如果換能器顯示過(guò)度磨損的跡象，都要驗(yàn)證儀器設(shè)置。許多測(cè)試程序在檢查期間需要定期校準(zhǔn)檢查，以幫助確保沒(méi)有影響測(cè)試結(jié)果的變化。
如果處理良好，質(zhì)量制造商的傳感器通常會(huì)持續(xù)數(shù)年，然而，它們是敏感的設(shè)備，應(yīng)該保護(hù)其免受由于過(guò)度的沖擊或振動(dòng)，從粗糙表面上刮擦的磨損，暴露于腐蝕性液體和過(guò)熱而造成的損壞。除非規(guī)定用于高溫使用，否則大多數(shù)單元件換能器不應(yīng)經(jīng)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(yīng)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(duì)接觸換能器的損壞是不可修復(fù)的。
高壓環(huán)境，水下使用和其他特殊環(huán)境應(yīng)由傳感器制造商審核。在試件幾何形狀限制進(jìn)入的情況下，特殊的換能器有時(shí)可以被設(shè)計(jì)成適合。同樣，建議咨詢制造商。
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