超声波检测探头
超声探头原理
超声探头原理超声波是一种机械波，它的频率高于人类听觉的上限，因此无法被人类耳朵直接感知。
超声波在医学、工程、地质勘探等领域都有着广泛的应用。
超声探头作为超声波的发射和接收装置，在超声成像、超声测厚、超声探伤等领域发挥着重要作用。
本文将介绍超声探头的原理及其工作过程。
超声探头是一种利用压电效应产生和接收超声波的装置。
它由压电陶瓷、声阻抗匹配层、导波层、耦合层、保护层等部分组成。
当超声波通过压电陶瓷时，压电陶瓷会产生形变，从而产生超声波。
而当超声波到达探头时，又会使压电陶瓷产生电荷，这个电荷信号会被放大后传输给超声仪器进行信号处理。
超声探头的工作原理基于超声波在不同介质中传播的特性。
当超声波从一个介质传播到另一个介质时，会发生折射和反射。
根据超声波的折射和反射情况，可以获取被检测物体内部的信息。
超声探头在工作时，会发射超声波，当超声波遇到被检测物体的界面时，部分超声波会被反射回来，超声探头接收到这些反射波后，通过信号处理可以得到被检测物体的内部结构信息。
超声探头的工作过程可以分为发射和接收两个阶段。
在发射阶段，超声探头通过压电效应产生超声波并将其发射到被检测物体中。
在接收阶段，超声探头接收到被检测物体中的超声波信号，并将其转化为电信号。
这些电信号经过放大和滤波后，可以得到被检测物体的内部结构信息。
超声探头的性能对超声成像和超声检测的质量有着重要影响。
超声探头的频率、焦距、阵元数、灵敏度等参数都会直接影响成像分辨率、穿透深度和信噪比等性能指标。
因此，在实际应用中，需要根据具体的检测需求选择合适的超声探头。
总的来说，超声探头作为超声波的发射和接收装置，在超声成像、超声测厚、超声探伤等领域有着广泛的应用。
它的工作原理基于超声波在不同介质中传播的特性，通过发射和接收超声波来获取被检测物体的内部结构信息。
超声探头的性能对超声成像和超声检测的质量有着重要影响。
因此，在实际应用中，需要选择合适的超声探头来满足具体的检测需求。
超声波检测探头
横波（表面波）
表面波
近场距离
扩散角
–
–
纵向
横向
双晶直探头
• 结构
–
–
–
–
–
–
压电晶片
背衬
延时楔块
隔声层
外壳
接头
• 特征
– 纵波垂直入射，直接接触，液膜耦合，
表面盲区小
• 主要参数
– 频率
– 晶片尺寸（矩形）
– 聚焦深度
接触式双晶直探头
• 应用特点
– 延时块使检测信号避开
了发射信号的串扰
– 延时缩短工件内近场区
– 收发分离和隔声层结构
隔离界面反射波，避免
盲区阻塞
– 声场菱形聚焦不均匀
– 窄晶片双晶探头改善距
离波幅特性
接触式聚焦探头
• 弧面反射、透镜、曲面晶
片
• 结构
– 压电晶片
– 背衬
– 透镜楔块
– 外壳
– 接头和电缆
水浸平探头
• 结构
–
–
–
–
–
压电晶片
前衬
背衬
外壳
水密接头或直接电缆
•
•
•
–
第二临界角
•
•
•
•
小于第二临界角有折射声波，大于第二临界角，没有折射声波
有机玻璃和钢的第二临界角57.8°
水和钢的第二临界角27.5 °
随入射角增大波型变化
–
–
–
–
•
•
小于第一临界角有纵波、横波产生，大于第一临界角没有纵波
有机玻璃和钢的第一临界角27.6°，
水和钢的第一临界角14.7 °
医用超声探头的种类
医用超声探头的种类
医用超声探头是医学影像诊断中常用的一种设备，它能够通过
超声波来成像人体内部的器官和组织，帮助医生进行诊断和治疗。
根据不同的应用和需要，医用超声探头有多种不同的种类，每种都
有特定的用途和优势。
1. 线阵探头（Linear array transducer），线阵探头适用于
浅表部位的超声检查，如甲状腺、乳腺、肾脏等。
它具有高分辨率
和较宽的成像范围，适合于观察细小结构和进行定位测量。
2. 凸阵探头（Convex array transducer），凸阵探头适用于
深部器官的超声检查，如心脏、肝脏、膀胱等。
它具有较大的成像
深度和较宽的扫描范围，适合于观察大范围的解剖结构和进行动态
观察。
3. 阵列探头（Phased array transducer），阵列探头适用于
需要快速成像和动态观察的情况，如心脏超声检查和血管超声检查。
它具有快速成像和多普勒功能，可以观察心脏和血管的运动和血流
情况。
4. 便携式探头（Portable transducer），便携式探头适用于临床急救和移动医疗的场合，如急诊科、卫生院和野外医疗。
它具有小巧轻便、易于携带和操作的特点，可以在不同场合进行快速的超声检查和评估。
以上是一些常见的医用超声探头种类，它们在临床诊断和治疗中发挥着重要的作用。
随着科技的不断进步，医用超声探头的种类和功能还在不断地发展和完善，为医学影像诊断提供了更多的选择和可能。
超声探头介绍(一)
超声探头的组成部分
1 压电陶瓷
2 探头外壳
压电陶瓷是超声探头的核心
外壳为探头提供保护和定向
部件,可以将电能转换为机 械振动,从而产生超声波。
作用,可以降低噪音,提高探 头的耐用性和使用寿命。
它决定了探头的工作频率和 性能。
3 连接线
4 连接器
连接线用于将探头与超声仪 器设备相连,传输电信号并
连接器是探头与设备之间的 接口,确保信号和电源的可
探头的尺寸选择
尺寸与频率的关系
探头的尺寸与其工作频率 是相关的。一般来说,尺寸 越小,其工作频率越高。频 率的选择还需要考虑探测 对象的特性和检测要求。
探头应用场景的影响
不同的应用场景也会对探 头尺寸的选择产生影响。 如在狭小空间内使用,需要 选用较小尺寸的探头以便 操作。而在大范围扫查时, 则需要选择尺寸较大的探 头。
探头频率的影响因素
材料特性
探头内部压电陶瓷材料的特性 ,如声速、弹性模量等,会影响 到探头的共振频率。
探头结构
探头外壳、衬垫、匹配层等部 件的设计,也会影响探头的振 动频率和频带特性。
工作环境
探头使用时的温度、压力等环境条件变化,也会影响探头的频率特性。
探头的聚焦方式
聚焦槽聚焦
利用探头表面上的凹槽对声波进行聚焦,可以形成较窄且高 强度的聚焦束。这种方式制造简单,但聚焦性能较差。
聚焦深度
不同的聚焦方式决定了探头的聚焦深度。机械聚焦的聚焦深度范围窄,但能够实现更好的聚 焦效果。电子聚焦的聚焦深度较宽,但聚焦效果略差。
聚焦参数调整
在实际使用中,需要根据待检测部位的深度调整探头的聚焦参数,以获得最佳的成像效果。 这需要通过实践经验和操作灵活性来进行优化。
超声探头的工作原理
超声探头的工作原理
超声探头工作的原理是利用超声波在不同介质中的传播特性进行探测和成像。
它通过发射超声波脉冲，并接收相应的回波信号来获取目标物体的信息。
具体来说，超声探头由一个或多个发射元件和接收元件组成。
发射元件可以将电能转化为机械振动，产生超声波脉冲。
这些超声波脉冲在探头中的压电片或石英晶片中产生，然后通过探头的耦合剂传播到被检测物体内。
当超声波遇到不同介质的边界，如组织或器官之间的边界，会发生声波的反射、折射和散射。
其中，部分超声波会返回到探头上的接收元件上，接收元件将超声波转化为电信号，并通过放大和滤波等处理，最后传送到超声设备以供处理和显示。
由于不同组织或物体具有不同的超声波传播速度、吸收能力等特性，超声波在穿过不同介质时会发生声速的变化，从而形成不同的回波信号。
通过对这些回波信号的处理和分析，超声设备可以生成图像，显示出被检测物体的内部结构和形态。
医用超声探头原理
医用超声探头原理
医用超声探头是医学超声成像系统的关键部分，它负责发射和接收超声波信号。
探头内部包含多个发射与接收元件（晶体），一般为聚焦式阵列，通过电信号的控制，能够将超声波束聚焦在感兴趣的区域。
发射元件工作时会产生超声波脉冲，然后通过透明介质如凝胶传入被检查的部位。
当超声波遇到组织或器官时，部分能量会被吸收、反射或折射，形成回波信号。
接收元件则会接收这些回波信号，并将其转化为电信号，再通过探头内部的电路传给超声机进行信号处理。
为了实现更好的成像效果，医用超声探头通常采用多晶元件的阵列形式。
这种设计可以在不同方向上发射和接收超声波，形成多个传感点，从而实现多角度、三维成像。
此外，为了提高成像分辨率和深度，探头通常会采用多频率的工作模式。
不同频率的超声波在组织中的传播速度和散射特性不同，通过组合使用不同频率的超声波可以获取更清晰的图像信息。
总之，医用超声探头通过发送和接收超声波信号，利用回波信号生成组织的图像。
其采用多晶元件的阵列形式，多频率的工作模式和聚焦技术等设计，能够实现更精准、高分辨率的成像效果，为医学诊断提供了重要的技术支持。
超声波探头的使用方法
超声波探头的使用方法
超声波探头是用于无损检测和测量物体内部结构的一种检测工具，广泛应用于医疗、工业、建筑等领域。
超声波探头使用方法主要包括以下几个步骤：
1. 探头选型：根据需要测量物体的特点和形状选择合适的探头，
一般分为直探、斜探、阵列等类型。
2. 探头连接：将探头连接到超声波检测仪上，确保连接牢固，避
免因松动而影响检测结果。
3. 模式选择：根据需要选择探头的工作模式，一般有单元、双元、相控阵等不同模式可供选择。
4. 校准操作：进行校准操作，保证探头的灵敏度、扫描面积和工
作频率等参数符合需求，以确保检测结果的准确性。
5. 探头安放：根据需要将探头安放在被测物体表面，探头与被测
物体表面应尽量平行，以获得最佳检测效果。
6. 检测操作：启动超声波检测仪，按照标准流程进行检测操作，
将检测结果记录在检测报告中。
总之，探头选型、连接、模式选择、校准、安放和检测操作都是
超声波探头使用过程中必不可少的。
在使用过程中，还应注意保持探
头的清洁和整洁，避免探头的碰撞和振动，以延长探头的使用寿命。
同时，使用超声波探头的人员需熟练掌握使用方法，了解超声波检测技术的基本原理和中心频率的选择，以提高检测的准确性和效率。
如何选择超声波探伤仪探头
如何选择超声波探伤仪探头超声波探伤仪探头的主要作用：一是将返回来的声波转换成电脉冲；二是控制超声波的传播方向和能量集中的程度,当改变探头入射角或改变超声波的扩散角时,可使声波的主要能量按不同的角度射入介质内部或改变声波的指向性,提高分辨率；三是实现波形转换；四是控制工作频率,适用于不同的工作条件。
超声波探伤仪探头种类繁多,日常使用中常见的探头种类有以下几种：1、超声波探伤仪直探头进行垂直探伤用的单晶片探头,主要用于纵波探伤。
直探头由插座、外壳、保护膜、压电晶片、吸声材料等组成,头接触面为可更换的软膜,用于检测表面粗糙的工件。
2、超声波探伤仪斜探头进行斜射探伤用的探头,主要用于横波探伤。
斜探头由斜块、压电晶片、吸声材料、外壳、插座等组成,斜探头的声束与探头表面倾斜,因此可用于检测直声束无法到达的部位、或者缺陷的方向与检测面之间存在夹角的区域。
3、超声波探伤仪小径管探头单晶微型横波斜探头,用于小直径薄壁管焊接接头的检验。
检测标准参照电力行业标准DL/T8202002管道焊接接头超声波检验技术规程,适合检测管径≥32mm、小于等于159mm,壁厚≥4mm、小于14mm的小直径薄壁管；也可适用于其他行业类似管道的检测。
探头外形尺寸小,前沿距离≤5mm,始脉冲占宽≤相当于钢中深度 ,分辨力大于等于20dB。
根据被检测管道外径的不同,检测面被加工成对应管径的弧度。
4、超声波探伤仪表面波探头用于发射和接收表面波的探头。
表面波是沿工件表面传播的波,幅值随表面下的深度迅速减少,传播速度是横波的倍,质点的振动轨迹为椭圆。
表面波探头在被检工件的表面和近表面产生表面波。
型号中列明的角度为有机玻璃斜块的倾斜角入射角。
5、超声波探伤仪可拆式斜探头斜探头的一种特殊类型,将斜探头分成斜块、探头芯两个部分,使用时将两者组合起来。
常用的规格的探头芯、不同K值的斜块、、、、等等。
接受定制其他规格的可拆式斜探头。
6、超声波非金属检测用探头用于检测非金属材料,如混凝土、木材、岩石等。
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钢横波近场区表
F 1.25
3 0.87
5 2.41
2.5 1.74 4.82
5
3.47 9.65
7.5 5.21 14.47
10 6.94 19.29
15 10.42 28.94
6 3.47 6.94 13.89 20.83 27.78 41.67
8 6.17 12.35 24.69 37.04 49.38 74.07
分类 结构 命名法则 性能参数 应用
4.2.4压电探头分类
耦合方式分类
液膜接触式 液浸非接触式 轮式接触
波型分类
纵波探头 横波探头 爬波探头 表面波探头
工作方式分类
单晶探头 双晶分割探头 组合阵列探头 相控阵探头
其他
聚焦探头 高温探头
4.2.3探头结构
4.2.1压电效应和材料
换能原理：形变造成带电粒子定向的偏移产生 电场，或反过来，电场力使带电粒子位移产生 形变。
单晶材料或多晶材料（须极化） 正压电效应（压力Pressure产生电压Electric）-
接收 逆压电效应（电压产生应变）-发射
4.2.2压电材料特性参数
压电应变参数d33
10
12
9.65 13.89
19.29 27.78
38.58 55.56
57.87 83.33
77.16 111.11
115.74 166.67
15 21.70 43.40 86.81 130.21 173.61 260.42
20
25
38.58 60.28
77.16 120.56
154.32 241.13
多
钛酸钡 190 1.8 0.38 5.47 30
300 115 2.6
晶 材
钛酸铅 58 3.3 0.43 4.24 32.8 1050 460 2.12
料
PZT-4 289 2.6 0.51 4
30 500 328 2
PZT-5 374 2.48 0.49 4.35 33.7 75 365 1.89
双晶直探头
结构
压电晶片 后衬（匹配、吸声、支撑） 楔块 隔声层 外壳 接头
纵波垂直入射 主要参数
频率 晶片尺寸（矩形） 聚焦深度
接触式双晶直探头
应用特点
近场盲区小 声场菱形聚焦不均
匀 窄晶片双晶探头改
3 0.48 0.95 1.91 2.86 3.81 5.72
5 1.32 2.65 5.30 7.94 10.59 15.89
近场区表
6 1.91 3.81 7.63 11.44 15.25 22.88
8 3.39 6.78 13.56 20.34 27.12 40.68
10 5.30 10.59 21.19 31.78 42.37 63.56
PZT-8 225 2.5 0.48 4.58 33 100 300 2.07
1-3 SP4
复 合
5A1
材
5H2
料
310 26.9 0.57 4.42
440 25.5 0.62 4.04
680 19
0.65 3.92
500 325 2.21
80
335 2.02
75
215 1.96
4.2压电式超声波探头
231.48 361.69
308.64 482.25
462.96 723.38
接触式直探头
应用
接触工件 耦合剂薄膜或加橡胶膜和甘油 近场区-声压波动较大，灵敏度不稳定 近表面盲区-发射脉冲反冲和放大器阻塞时间内 扩散角
接触式斜探头
结构
压电晶片 后衬（匹配、吸声、支撑） 楔块 外壳 接头
压电晶片 前衬（吸声、匹配、保护） 后衬（匹配、吸声、支撑） 楔块 透镜 外壳 接头
接触式直探头
结构
压电晶片 前衬（吸声、匹配、保护） 后衬（匹配、吸声、支撑） 外壳 接头
纵波垂直入射 主要参数
频率 晶片尺寸（圆）
扩散角
钢纵波近场区表
F 1.25 2.5
5 7.5 10 15
单位电场变化产生应变变化，决定发射灵敏度
压电电压参数g33
单位应力变化产生电场变化，决定接收灵敏度
介电常数ε
影响电阻抗
机电耦合系数K
电声能量转换效率
机械品质因子Qm
影响激发脉冲宽度
频率常数N
声速的一半，用于计算晶片厚度：
居里温度Tc
压电材料失效温度
压电材料特性参数
名称
d33 g33
折射斜向声波 主要参数
频率 晶片尺寸（矩形） 折射角度（K值）
楔块角度 楔块声速及工件声速
接触式斜探头
折射角度计算
折射公式 第一临界角
公式 有机玻璃和钢的第一临界角27.6°， 水和钢的第一临界角14.7 °
第二临界角
公式 有机玻璃和钢的第二临界角57.8° 水和钢的第二临界角27.5 °
12 7.63 15.25 30.51 45.76 61.02 91.53
15 11.92 23.83 47.67 71.50 95.34 143.01
20 21.19 42.37 84.75 127.12 169.49 254.24
25 33.10 66.21 132.42 198.62 264.83 397.25
入射角增大波型变化
纵波（横波，表面波） 爬波（横波，表面波） 横波（表面波） 表面波
近场计算 扩散角计算
纵向 横向
例题1（解法1）
例题1（解法2）
斜探头近场距离计算
（1）孔径投影尺寸： （2）全部在第一介质内时，近场距离为： （3）扣除入射点距离后虚拟近场距离为： （4）全部在第二介质内时，近场距离为： （5）等比例变换 （6）虚拟第二介质声源距离：
超声波检测设备与器材（三）
4.2超声波探头
超声波探头的作用
电信号转换为声波 声波转换为电信号 控制声波的特性
超声波探头分类
压电型超声探头
压电材料换能
磁致伸缩型超声探头
磁致伸缩换能
电磁感应型超声波探头
金属电涡流和洛伦兹力换能
激光超声探头
材料局部热膨胀（热波）和干涉测振技术
压电式超声波探头
Kt
C
Z
Qm
Tc
Nt
单
石英 2.31 5
0.1 5.74 15.2 104-6 550 2.87
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ晶 材
硫酸锂 16 17.5 0.3 5.47 11.2
75 2.73
料
碘酸锂 18.1 32
0.51 4.13 18.5 <100 256 2.06
铌酸锂 6 2.3 0.49 7.4 34.8 >105 1200 3.7