第二节 超声波探头
一、压电效应和压电材料
超声波探伤是利用超声波探头实现电气转换的，所以，超声波探头也叫超声波换能器，其电声转换是可逆的，且转换时间极短，可以忽略不计。根据产生超声波和电声转换方式的不同，可有多种不同类型的超声波换能器，这些电声转换方式有：利用某些金属(铁磁性材料)在交变磁场中的磁致伸缩，产生和接收超声波：利用电磁感应原理产生电磁超声以及利用机械振动、热效应和静电法等都能产生和接收超声波。目前用得多的是以利用压电效应原理制成的压电材料超声换能器。
1. 压电材料的压电效应
某些单晶体和多晶体陶瓷材料在应力(压缩力和拉伸力)作用下产生应变时引起晶体电荷不对称分配，异种电荷向正反两面集中，材料的晶体中就产生电场和极化，这种效应称为正压电效应。相反，当已极化的压电材料处于交变电场中时，由于极化作用的影响，在晶体中就会产生压缩或拉伸的应力和应变，这种效应称为逆压电效应，见图2–15所示。
三、超声波探伤仪、探头主要性能的指标及其测定方法
国内商品探头上通常标有探头的频率(标称频率)、晶片尺寸(圆形的为直径、方形的为长乘宽)，以及斜探头的入射角a或钢中折射角b、钢中折射角的正切值，即K值(K=tgb)。这些探头性能指标仅是探头的标称值，它们与探头的实际测定值有时还有一定的差距，其中对探伤结果影响较大的斜探头折射角必须进行实际测定，且使用时以实际测定值作为定位计算的依据。
探头的许多性能指标是与仪器组合后进行测定的，其中主要几个性能指标测定方法，现分叙如下：
1.超声波探伤仪、探头的工作频率
频率是超声探伤的一个重要参数。当传播介质一定时，它决定了传播特性的波长和衰减，声束指向角，探头近场特性的近场长度，以及反射体回波声压的大小等等；它还与实际探伤时缺陷的定位和定量密切相关。
测定探头的频率，主要是测定它的佳工作频率，这是因为一方面生产厂在探头上的标称频率往往与探头的工作频率有一定的差距；另一方面，因探头的频率是很丰富的，它在一定的范围内形成一个频谱，频谱包络线的峰值就是探头的佳工作频率。
频谱分析仪是一种昂贵的测试仪器，它能对探头的回波脉冲自动进行频率分析，测定结果在横轴表示频率，纵轴用dB(或振幅)表示，傅里哀级数各成分的大小见例图2–22所示。
图2–23所示为用示波器粗略测定探头工作频率的原理图。测定时，示波器荧光屏上可获得探头发射脉冲来自底面的次回波，然后由示波器来测量该回波脉冲的周期T和谐振波个数n，则频率f=n/T，即可计算得到。
2. 超声波探伤仪、探头直探头声轴偏向角fn和水平位移Zn
直探头晶片声轴与其几何中心轴的夹角称为声轴偏向角，用fn表示。声轴与几何中心轴在探测面上间距称为声轴水平位移，用Zn表示。两者都用来衡量声束的轴对称性和声轴的歪斜程度。
……
