原标题：超声波探头原理

超声波探头是超声波探伤仪等设备的关键部件，负责超声波的发射与接收，其工作原理基于压电效应，以下从核心原理、结构组成、工作过程、关键特性及类型等方面展开介绍：

核心原理——压电效应

• 正压电效应：某些晶体材料（如石英、钛酸钡、锆钛酸铅等压电陶瓷）在受到外力作用时，内部正负电荷中心会发生相对位移，导致晶体表面出现极化现象，从而在两个相对表面上产生符号相反的束缚电荷，且电荷量与外力大小成正比。当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态。超声波探头正是利用这一效应，将接收到的超声波（机械振动）转换为电信号。

• 逆压电效应：当在这些晶体材料的极化方向上施加交变电场时，晶体内部的正负电荷中心会发生相对位移，导致晶体产生机械变形，且机械变形的大小与交变电场的强度成正比。当交变电场的频率与晶体的固有频率一致时，晶体的机械振动会达到最大，从而向外辐射超声波。超声波探头利用逆压电效应将电信号转换为超声波。

结构组成

• 压电晶片：是探头的核心部件，由具有压电效应的材料制成。它的形状、尺寸和材料性能直接影响探头的发射和接收性能。常见的形状有圆形、方形等。

• 阻尼块：通常由高阻尼材料制成，紧贴在压电晶片的背面。它的作用是吸收压电晶片背面辐射的超声波能量，减少晶片的振动时间，使探头能够快速停止发射超声波并开始接收回波信号，从而提高探头的分辨率。

• 保护膜：覆盖在压电晶片的前表面，用于保护晶片不受磨损和腐蚀。同时，保护膜还可以改善探头与被检材料之间的耦合效果，使超声波能够更有效地传入被检材料中。

• 外壳：用于固定和保护压电晶片、阻尼块和保护膜等部件，同时还设有电缆插座，用于连接探头与超声波探伤仪。

工作过程

发射超声波

• 当超声波探伤仪向探头施加高频电脉冲时，电脉冲加到压电晶片的两个电极上，在晶片内部产生交变电场。

• 压电晶片在交变电场的作用下发生逆压电效应，产生机械振动，从而向外辐射超声波。超声波以一定的角度和能量向被检材料中传播。

接收超声波

• 当超声波在被检材料中传播遇到缺陷或底面时，会发生反射。反射回来的超声波（回波）作用于探头的压电晶片上。

• 压电晶片在回波的作用下发生正压电效应，将机械能转换为电能，产生电信号。这个电信号非常微弱，需要经过探头的内部电路进行初步放大，然后通过电缆传输到超声波探伤仪进行进一步处理和显示。

关键特性

• 频率：指压电晶片振动产生的超声波的频率。频率越高，超声波的波长越短，方向性越好，分辨率越高，但穿透能力越弱；频率越低，超声波的波长越长，穿透能力越强，但方向性和分辨率越差。探头的频率应根据被检材料的厚度、缺陷的性质和检测要求等因素进行选择。

• 晶片尺寸：晶片尺寸的大小会影响探头的近场长度、波束宽度和指向性等性能。晶片尺寸越大，近场长度越长，波束宽度越窄，指向性越好，但探头的盲区也越大；晶片尺寸越小，近场长度越短，波束宽度越宽，指向性越差，但探头的盲区也越小。

• 灵敏度：表示探头将接收到的超声波信号转换为电信号的能力。灵敏度越高，探头能够检测到的缺陷信号越弱，检测灵敏度也就越高。探头的灵敏度与压电晶片的材料性能、尺寸、形状以及探头的制作工艺等因素有关。

常见类型

• 直探头：压电晶片直接发射和接收垂直于探头表面的超声波，主要用于检测与检测面平行的缺陷，如板材、锻件中的内部缺陷。

• 斜探头：通过在压电晶片前面安装一个具有一定角度的斜楔块，使超声波以一定的入射角斜射到被检材料中，主要用于检测与检测面成一定角度的缺陷，如焊缝中的未焊透、裂纹等。

• 表面波探头：专门用于激发和接收表面波，表面波沿材料表面传播，对表面和近表面的缺陷非常敏感，常用于检测金属表面的裂纹、腐蚀等缺陷。

• 兰姆波探头：用于激发和接收兰姆波，兰姆波是在薄板中传播的一种超声波，能够检测薄板中的各种缺陷，如分层、夹渣等。