原標題：超聲波探頭原理

超聲波探頭是超聲波探傷儀等設備的關鍵部件，負責超聲波的發射與接收，其工作原理基于壓電效應，以下從核心原理、結構組成、工作過程、關鍵特性及類型等方面展開介紹：

核心原理——壓電效應

• 正壓電效應：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，內部正負電荷中心會發生相對位移，導致晶體表面出現極化現象，從而在兩個相對表面上產生符號相反的束縛電荷，且電荷量與外力大小成正比。當外力撤去后，晶體又恢復到不帶電的狀態。超聲波探頭正是利用這一效應，將接收到的超聲波（機械振動）轉換為電信號。

• 逆壓電效應：當在這些晶體材料的極化方向上施加交變電場時，晶體內部的正負電荷中心會發生相對位移，導致晶體產生機械變形，且機械變形的大小與交變電場的強度成正比。當交變電場的頻率與晶體的固有頻率一致時，晶體的機械振動會達到最大，從而向外輻射超聲波。超聲波探頭利用逆壓電效應將電信號轉換為超聲波。

結構組成

• 壓電晶片：是探頭的核心部件，由具有壓電效應的材料制成。它的形狀、尺寸和材料性能直接影響探頭的發射和接收性能。常見的形狀有圓形、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，減少晶片的振動時間，使探頭能夠快速停止發射超聲波并開始接收回波信號，從而提高探頭的分辨率。

• 保護膜：覆蓋在壓電晶片的前表面，用于保護晶片不受磨損和腐蝕。同時，保護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：用于固定和保護壓電晶片、阻尼塊和保護膜等部件，同時還設有電纜插座，用于連接探頭與超聲波探傷儀。

工作過程

發射超聲波

• 當超聲波探傷儀向探頭施加高頻電脈沖時，電脈沖加到壓電晶片的兩個電極上，在晶片內部產生交變電場。

• 壓電晶片在交變電場的作用下發生逆壓電效應，產生機械振動，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

• 當超聲波在被檢材料中傳播遇到缺陷或底面時，會發生反射。反射回來的超聲波（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生正壓電效應，將機械能轉換為電能，產生電信號。這個電信號非常微弱，需要經過探頭的內部電路進行初步放大，然后通過電纜傳輸到超聲波探傷儀進行進一步處理和顯示。

關鍵特性

• 頻率：指壓電晶片振動產生的超聲波的頻率。頻率越高，超聲波的波長越短，方向性越好，分辨率越高，但穿透能力越弱；頻率越低，超聲波的波長越長，穿透能力越強，但方向性和分辨率越差。探頭的頻率應根據被檢材料的厚度、缺陷的性質和檢測要求等因素進行選擇。

• 晶片尺寸：晶片尺寸的大小會影響探頭的近場長度、波束寬度和指向性等性能。晶片尺寸越大，近場長度越長，波束寬度越窄，指向性越好，但探頭的盲區也越大；晶片尺寸越小，近場長度越短，波束寬度越寬，指向性越差，但探頭的盲區也越小。

• 靈敏度：表示探頭將接收到的超聲波信號轉換為電信號的能力。靈敏度越高，探頭能夠檢測到的缺陷信號越弱，檢測靈敏度也就越高。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。

常見類型

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

• 斜探頭：通過在壓電晶片前面安裝一個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，主要用于檢測與檢測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：專門用于激發和接收表面波，表面波沿材料表面傳播，對表面和近表面的缺陷非常敏感，常用于檢測金屬表面的裂紋、腐蝕等缺陷。

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