超声探伤仪、超声波探头、测试块和耦合剂等是超声检测系统的重要组成部分。超声波检测的主要设备是超声波探伤仪，它可以快速、方便、无损伤地检测、定位、评估和诊断工件中的各种缺陷。由于超声波探头可实现电声转换，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。根据超声波的产生方式和电声转换的不同，超声波换能器有很多种。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，利用压电效应原理制成的压电材料是目前用得最多的超声换能器。
一、影响超声波探伤换能器性能的主要参数
超声波换能器性能的主要参数包括频率响应、相对灵敏度、时间域响应、电阻抗、声束扩散特性、斜探头的入射点和折射角、声轴偏斜角和双峰等。
a. 频率响应
指在指定物体上测得的超声波回波的频率特性。在用频谱分析仪测试频率特性时，从所得频谱图中得到换能器的中心频率、峰值频率、带宽等参数。
b. 相对灵敏度
即在指定的介质、声程和反射体上，换能器将声能转换成电能的转换效率。
c. 时间域响应
通过超声波回波的形状、宽度、峰数可以对换能器的时间域相应进行评估。
d. 超声波换能器的声场特性
包括距离幅度特性、声束扩散特性、声轴偏斜角等。影响声场特性的因素主要包括超声波传递介质以及超声波换能器频率成分的非单一性。
e. 斜探头的人射点
斜探头的人射点是指斜楔中纵波声轴入射到换能器底面的交点。为了方便对缺陷进行定位和测定换能器的K值，应先测定出换能器的入射点和前沿长度。
f. 斜探头前沿距离
斜探头前沿距离是从斜探头人射点到换能器底面前端的距离，此值在实际探测时可用来在工件表面上确定缺陷距换能器前端的水平投影距离。
二、超声波探伤换能器性能参数测试
超声波伤换能器设计完成之后需要对其性能参数进行测试，主要测试项目及性能指标见表3.3。
1. 探头回波频率及频率误差测量
a. 直探头回波频率的测试（图3.7)
①. 将超声波换能器置于1号标准试块的25mm处。
②. 使用示波器观察换能器接收到的回波波形，在此波形中，以峰值点P为基准，读出P点前一个周期与后两个周期共三个周期的时间T3,则回波频率为fe=3/T3，进而计算出回波频率误差
b. 斜探头回波频率的测量
将超声波换能器置于1号试块上使用示波器观察R100圆弧面的最高回波。其余步骤与直探头相同。
2. 分辨力（纵向）测量
a. 直探头分辨力的测量
①. 示波器抑制置零或关，其他旋钮置适当位置，连接探头并置于CSK-IA标准试块上，观察声程分别为85mm和91mm反射面的回波波形（图3.8),移动探头使两波等高。
②. 改变灵敏度使两次波幅同时达到满幅度的100%,然后测量波谷高度h,则该超声波换能器的分辨力R为 R = 20lg(100/h) ， 若h=0或两波能完全分开，则取R>30dB。
b. 斜探头分辨力的测量
①. 如图3.9所示，将超声波换能器置于CSK-IA试块的K值测量位置，确认耦合良好的情况下，观察试块上A(Φ50)、B(Φ44)两孔的回波波形，移动探头使两波等高。
②. 适当调节衰减或者增益，使A、B波幅同时达到满幅度的100%,然后测量波谷高度h,则该探头的分辨力R用上式计算。若h=0或两波能完全分开，则取R>30 dB。
c. 小角度探头分辨力的测量
将换能器放置于K<1.5的位置，后续步骤与斜探头测试步骤相同。
3. 直探头声轴偏斜角的测量
a. 如图3.10所示，在DB-H1试块上选取横通孔，通孔深度约为2倍被测探头近场长度。
b. 标出探头的参考方向，以横通孔的中心轴为参考点，将探头的几何中心与其对准，然后使探头分别沿x的左右两个方向的试块中心线上移动，记录孔波最高点时探头距离参考点的距离D,其中孔波幅度最高点在x右边时加上（十）号，在x左边时加上（一）号。
c. 继续沿x的两个方向移动探头，分别测出孔波幅度最高点与两侧孔波幅度下降6dB时的位置，分别标定为W+x和W-x。
d. 最后沿y方向按以上两条的方法沿试块中心线移动，分别测出Dy、W+y和W-y。
f. Dx、Dy。为声轴的偏移，W+x、W-x、W+y 和W-y,表示探头在该条件下的声束宽度，精确至1mm.则声轴的偏斜角
4. 斜探头、小角度探头入射点的测定
a. 横波斜探头
连接待测量换能器，选取CSK-IA型准或CSK-I型标准试块，对试块R100圆弧面进行探测，如图3.11所示。保持探头与试块侧面平行，沿左右两个方向移动探头，观察R100圆弧面的回波幅度达到最高时候的位置，则此时换能器的入射点为R100圆心刻线所对应的探头侧棱上的点。读数精确到0.5mm。
b. 小角度纵波探头
连接带测量换能器，选取TZS-R试块的R面，测量试块A面下棱角，保持探头声束与试块侧面平行，前后移动探头，记录A面下棱角回波达到最高的位置，此时探头前沿至试块A端的距离为x1,然后用二次反射波探测A面上棱角，同样找到A面上棱角回波达到最高的位置，此时探头前沿至试块前端（A端）的距离为x2,则入射点至探头前沿的距离为 a = x2 - 2x1 。
5. 斜探头折射角的测量
测试设备包括探伤仪、1号标准试块和刻度尺。
测试步骤：选取1号标准试块观察φ50mm孔的回波，探头的位置按如下情况放置：当K≤1.5时，观察图3.12a的通孔回波；1.5<K≤2.5时，观察图3.12b的通孔回波；当K>2.5时，探头放置在如图3.12c的位置，观察φ1.5mm横通孔的回波。前后移动探头，找到孔的回波最高位置并固定下来，读出此时入射点相对应的角度刻度β，β即为被测探头折射角，读数精确到0.5°。
6. 测量小角度纵波探头的β角和K值
选取TZS-R试块的C面或B面，并在测定探头的前沿距离a之后，再按图3.13所展示的方法，找到端面（A面）上棱角的最大反射波高位置，则探头的K值和β角分别用下式计算。
小角度探头人射角α和折射角β对应关系见表3.4 (斜块声速取2730m/s)。
相对灵敏度测试如下：
a. 直探头相对灵敏度（等同于探伤灵敏度余量）测量（图3.14).
①. 使用2.5MHz、Φ20直探头和CS-1-5或DB-PZ20-2型标准试块。
②. 将仪器发射置强，抑制置零或关，增益置最大以达到仪器最大灵敏度。连接待测探头。观察此时仪器和探头的噪声电平是否高于满幅度的10%,如果高于，则调节衰减或增益，在噪声电平等于满幅度的10%时，记下衰减器的读数S0。
③. 将探头置于试块端面上探测200mm处的Φ2平底孔。移动探头使中62平底孔反射波幅最高，并用衰减器将它调至满幅度的50%,记下此时衰减器的读数S1,则该探头及仪器的探伤灵敏度余量S为
S=S1-S0 。
b. 斜探头相对灵敏度测量（图3.15)
连接好待测斜探头，首先按照按直探头的方法测量噪声电平S0,然后将待测斜探头放置在CSK-IA标准试块上，探测R100圆弧面，保证耦合良好的情况下，保持声束方向与试块侧面平行，移动待测探头，找到R100圆弧面的一次回波幅度最高的位置，将其衰减至满幅度的50%,此时衰减器的读数为S2.则斜探头的相对灵敏度S为 S = S2-S0 。
c. 小角度纵波探头相对灵敏度测量
测量方法同横波探头的情况，但是基准反射面要选取DB-H2试块上φ3×80横孔，如图3.16所示。使用同样的方式找到孔波最高的位置，将其衰减至满刻度的50%,记录衰减器的读数S3，则S3-S0 的值即为被测探头的相对灵敏度。
三、提高换能器性能措施
优良信噪比是高性能换能器的基本要求。常用以下两种方法来提高换能器的信噪比：一是增加激励脉冲的电压幅值，这样可以增加发射声功率，考虑到对待检测物体与人体的影响以及实际电路的实现，不可能无限地增加发射功率；二是提高换能器本身的灵敏度。
换能器和电源内阻间的阻抗匹配影响着换能器的灵敏度。由于待探测物体的声阻抗与换能器材料的声阻抗严重失配，这就造成了灵敏度较低。一般需要采用声匹配和电路匹配方法，提高换能器的灵敏度。换能器的灵敏度越高，使用同样激励，在相同的噪声背景下，信噪比越高。
提高超声波换能器的纵向和横向分辨率也能改善换能器的性能。目前主要是通过提高换能器的工作频率以及改善换能器的脉冲响应，实现宽带窄脉冲。纵向分辨率的提高主要是通过声电匹配。换能器的声束宽度决定了超声检测系统的横向分辨率，采用聚焦超声换能器，是提高换能器横向分辨率最有效的方法。
四、换能器的评价
在超声波技术中，超声波换能器是一个非常重要的部分，可以说超声技术的发展直接取决于其研发水平。超声换能器的研究与现代科学技术密切相关。超声换能器发展水平越来越受到电子技术、自动控制技术、计算机技术以及新材料技术发展的影响。超声波换能器中最重要的就是换能器的材料，高效、廉价、无污染的新型换能器材料的研制是目前的主要发展方向。在换能器的材料研发方面，弛豫型压电单晶材料具有较好的发展前景，如铌镁酸铅－钛酸铅以及铌锌酸铅－钛酸铅等，有望在超声等技术中获得更为广泛的应用。换能器的测试技术则主要体现在如何实现大功率超声换能器性能的实时测试与定量测试，这也和超声波换能器的发展有着密切的关系。
总之，超声技术中的两个主要的研究方面就是超声波的产生与测试，两者的发展是相互影响的。目前的情况是超声的测试技术发展滞后于超声的产生技术研究，可以预见，随着超声换能器技术水平提高，超声技术的发展一定会随之进人新的阶段。
