超声波无损检测的核心器件-超声换能器

在文章《超声波扫描显微镜原理和应用》中我们介绍了超声波扫描显微镜进行无损检测的工作原理、系统构成和以及对材料与器件的内部分层、气孔、裂缝和夹杂等缺陷检测，是材料和器件无损分析利器，并被广泛应用于检测分析中。

本文将对超声波无损检测的核心器件-超声换能器的工作原理、构成、以及不同频率探头的应用范围等进行介绍。

超声波换能器如图1所示，利用与其谐振频率相同的压电陶瓷的压电效应，将电能转换为机械振动。通常先由超声波发生器产生超声波，经超声波换能器将其转换为机械振动，再经超声波导出装置、超声波接收装置便可产生超声波。所以，作为一种能量转换器件，超声波换能器的功能是将输入的电功率转换成机械功率（即超声波）再传递出去，而其自身则消耗很少的一部分功率。

超声波换能器按功能可分为发射器、接收器和收发器，如图2所示。 以换能器工作在40 kHz为例，发射器的谐振频率（fr）设计在接近工作频率的频率应用的电信号，如图3所示，以优化发射效率。相反，将接收器的反谐振频率（fa）设计为接近接收的超声波频率，如图4所示，以优化接收效率。收发器的工作频率设计在收发器的谐振频率(fr)和反谐振频率(fa)之间，如图5所示。换能器的工作频率越高，分辨率越好，但时间越短探测范围。

主要由外壳、电器匹配层/背衬、压电陶瓷、阻尼材料、保护膜、耦合面、引出电缆等几大部分组成，如图6所示。其中，压电陶瓷圆盘换能器具有大多数换能器相同的作用，主要用于发射并接收超声波；超声波接收器在压电陶瓷圆盘换能器的上面，主要由引出电缆、换能器、金属圆环和橡胶垫圈组成，接收压电陶瓷圆盘换能器频带外产生的多普勒回拨信号。

超声波扫描显微镜的分辨率主要受探头的频率影响，理论分辨率可以达到声波在材料内的波长λ的1/3～1/2，这里波长λ=V/f，这里V表示声波在材料内纵向传播速度，f表示探头的频率，可见探头频率越大，则分辨率越高。但同时可见，超声波显微镜的实际分辨率还受到声波在材料内部纵向传播速度、探头聚焦长度、焦点直径的影响，因此对于不同性质的材料或不同聚焦长度、直径的探头，仪器实际的分辨率是有差异的。

超声波显微镜探头的灵敏度影响到仪器分辨率所能达到的水平，一般的探头只能达到波长λ的1/2，而比较好的探头则能达到波长λ的1/3。影响灵敏度的因素主要决定于探头焦点的直径，通常来说焦点直径越小，灵敏度越大。但实际的焦点直径非常难精确地测量出来，因为声波聚焦点没有明确的边界，而是以不同灰度形状环绕在一起。

超声波扫描显微镜探头对材料的穿透深度主要受到两个因素影响：

(1)探头聚焦声波波束在被检测材料与中间耦合剂之间的折射率N

式中，表示声波在被检测材料内的纵向速度，C表示声波在中间介质中的传播速度(通常用水C=1.5 mm/μs);

(2)材料对声波的吸收系数。吸收系数是由材料内部的晶格大小、材料性质，空隙度等决定，因此比较难以仅用探头来决定穿透的深度，还取决于不同的材料，或同一种材料内部的晶格、空隙等因素。

一般情况下，换能器频率越高，则分辨率越高，穿透深度越低，如图7和图8所示。因此对于较厚的样品需要较低频率的探头来维持较好的穿透厚度，对于高衰减的材料如塑料等要求较低的频率，对于低衰减的材料如硅材等能使用较高频率来扫描检测。

如表1所示，是超声波换能器的频率分类和应用领域。根据不同测试样品，选取合适的测试换能器。

主要参考文章：

1. 电子元器件声学扫描检查方法 张魁等，北京邮电大学出版社

2. Ultrasonic testing of materials, Flora, John H , and T. Powers . EP, 1990

3. PVA TePla 公司