超声声束特性

最常用于超声测量的探头类型都具有以下基本特性，而这些特性反过来会影响它们在特定材料中生成的声束的特性：

类型：根据探头的设计和功能可将探头划分为接触式、延迟块式、或水浸式等类型。被测材料的物理特性，如表面粗糙度、温度、可达性、声波传播特性和可测厚度范围等，都会影响对探头类型的选择。

直径：直径是指探头活动晶片的直径，晶片通常被置于比它稍大一点的外壳中。直径较小的探头通常很容易与被测材料耦合，而直径较大的探头由于平均效应，可以更有效地与粗糙表面耦合。随着探头频率的降低，出于设计原因，也需要更大直径的探头。

频率：频率是指一秒钟内声波完成振动周期的次数，通常用千赫（kHz）或兆赫（MHz）表示。大多数超声测量在500 kHz到20 MHz频率范围内进行，因此大多数探头的频率处于这个范围。不过，用户也可以买到频率低于50 kHz或高于200 MHz的商业探头。频率越低，穿透力越强；频率越高，分辨率和聚焦力度越高。

带宽：典型的测厚探头不会在纯粹单一的频率下生成声波，而会在以额定频率值为中心的频率范围内生成声波。带宽是处于特定波幅范围内的频率响应的部分。在使用接触式、延迟块式和水浸式探头进行的厚度测量应用中，通常需要较宽的带宽。

波形持续：波形持续是指每次探头被脉冲触发后生成的波动周期的数量。窄带宽探头要比宽带宽探头生成的波动周期数量多。晶片直径、背衬材料、电气调谐、以及探头激励的方式都会影响波形持续。大多数厚度测量应用都倾向于使用短波形持续（宽带响应）。

灵敏度：灵敏度是指激励脉冲波幅与从指定目标反射的回波波幅之间的关系。这是探头能量输出的一个函数。

声束形状：我们用以下这个比喻可以有效说明这个概念。典型的未聚焦圆盘探头发出的声束经常被想象成一束源自活动晶片区域的能量柱，这个能量柱在一段时间内以直线形式传播，然后其直径扩散，最终消失，就像来自聚光灯的光束一样。

实际上，真正的声束形状要比这复杂，因为压力在横向和轴向上都会逐渐发生变化。在下面的声束形状示意图中，红色代表能量最高的区域，而绿色和蓝色代表能量较低的区域。

在给定情况下，声束的确切形状由探头频率、探头直径和材料声速决定。离探头面不远的最大能量区域标出了被称为近场和远场的波束分量之间的过渡位置，不同波束分量都有特定类型的压力梯度特点。近场长度是超声探伤应用中的一个重要因素，因为它会影响来自裂纹等小缺陷的回波波幅，但是在厚度测量应用中，它通常算不上一个重要因素。

聚焦：水浸探头借助声学透镜聚焦，生成一个如沙漏形状的声束，这条声束逐渐变窄，直到变为一个微小的焦点，然后从这个焦点处再次扩散，向更远处传播。某些延迟块类型探头也可使声束聚焦。在测量小直径管或其他带有急转圆角的被测样件时，声束聚焦非常有用，因为它不仅可将声能集中在较小的区域，还可以改进回波响应。

衰减：随着声波在介质中的传播，由于声能在通过材料的微结构时不能得到完全传播，由超声探头生成的有组织的波前便会衰弱下来。有组织的机械振动（声能）会转化为无序的机械振动（热能），直到不能再探测到波前为止。这个过程被称为声衰减。衰减随材料而变化，并与频率成正比。一般来说，像金属这样的硬材料比像塑料这样的软材料的衰减性要小。衰减最终会限制使用特定测厚仪设置和探头可以测量的最大材料厚度，因为它决定了回波小到无法进行检测的位置。

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