表1 國內外超聲探頭性能測試標準和校準規范的測試參數匯總和比較

注：GB/T 18694-2002等同采用ISO 10375: 1997(E)；GB/T 27664.2-2011修改采用EN 12668-2:2010。

2、使用特性測試參數

脈沖寬度，在GB/T 18694-2002標準中又稱為脈沖持續時間TPD。其是根據反射體第一個波峰起點到最后一個波峰的時間間隔來確定的，通常以ns為單位。

不同的是：JB/T 12466-2015和JJF 1294-2011中是指在最大脈沖峰值幅度兩側10%(即-20dB)處第一個波峰起點至最后一個波峰終點間的時間間隔，而GB/T 18694-2002和ISO 10375:1997(E)中是指在最大脈沖峰值幅度兩側20%(即-14dB)處的時間間隔。

02、中心頻率和相對帶寬

中心頻率和相對帶寬是以頻率響應為基礎，對回波信號進行頻譜分析，測出回波頻譜下降6dB時的高低端截止頻率fu和f1后計算得出的。ISO 10375:1997(E)和JJF 1294-2011中的中心頻率f0和相對帶寬Δfrel由式(1)和式(2)得出。EN 12668-2:2010和GB/T 27664.2:2011中的中心頻率f0由式(3)得出，相對帶寬Δfrel由式(2)得出。

式中：f0為中心頻率；Δfrel為相對帶寬；fu，f1分別為回波下降6dB時的高低端截止頻率。

03、相對脈沖靈敏度

相對脈沖靈敏度是度量探頭在脈沖回波模式下相應介質中電聲轉換效率的參數。用示波器測出探頭上輸入的電壓峰-峰值Vin和反射波放大前的電壓峰-峰值Vout，根據式(4)可以計算出相對脈沖回波靈敏度Sr。ASTM E1065(08):2014規定Vin和Vout均在探頭制造商所標示的標稱頻率下測試，ISO 10375:1997(E)規定在探頭中心頻率下測試。

Sr=20lg(Vout/Vin)                        (4)

04、斜探頭入射點和折射角

斜探頭入射點和折射角是與斜探頭相關的固定屬性。斜探頭入射點一般是根據斜探頭在相應試塊的R100mm圓弧面上的最大反射回波來確定的，但不同的標準規范使用不同的試塊。

GB/T 18694-2002和ISO 10375:1997(E)是以IIW試塊上R100mm圓弧面上的反射回波來確定的，而JJF 1294-2011是用斜探頭校準試塊的R100mm 扇形圓柱面上的反射回波來確定的，但原理類似。

同理，斜探頭折射角度也是根據這兩種試塊上的橫孔反射回波來確定的。在JJF 1294-2011標準中，斜探頭折射角稱為斜探頭聲束角度。

05、阻抗

探頭的電特性用輸入阻抗來描述，按照GB/T 18694標準的要求或者用阻抗分析儀進行測量。探頭的阻抗分析是利用阻抗分析儀在專用DB-R試塊上進行的。測試結果需要有探頭諧振點和反諧振點的阻抗和相角值。

圖2 阻抗測試布置示意

3、聲學性能測試參數

ISO 10375:1997(E)中，平探頭測試的自由聲場特性參數有近場區和擴散角；聚焦探頭的聲學性能參數通過聲壓分布圖來表示，表征聚焦探頭聲壓分布的參數有：焦點?焦距和場深。

近場長度可根據公式(5)計算得出。需要指出的是，ISO 10375:1997(E)中規定：對于脈沖較寬，靈敏度較高的窄帶探頭應按中心頻率f0的波長來計算近場長度N0；對于脈沖寬度較小?深度分辨力好?靈敏度較低的寬帶探頭的近場長度N0存在一個范圍，應按照高低端截止頻率fu和f1的波長來分開計算。

N0=D2/4λ                        (5)

式中：λ為波長；D為晶片直徑。

(2)擴散角

在探頭的遠場區，聲束直徑與聲束軸線的距離成正比增大，因而常用擴散角來表示聲束的發散程度。ISO 10375:1997(E)中對于圓晶片平探頭的擴散角可用式(6)來計算。不同形狀晶片的擴散角的表達式也不同，圓晶片同方晶片類似，可用式(7)來計算，而對于矩形晶片的擴散角，則應該根據其兩側邊長l1，l2來分開計算，如式(8)所示。

ISO 10375:1997(E)中采用脈沖回波來測試探頭聲場。在探頭上施加脈沖信號，探頭置于水中并對準浸在水中的鋼球，然后進行測試，測試時回波測量的一個重要參數是聲軸上的聲壓分布。

圖3 探頭聲學性能的液浸法測試裝置結構框圖

探頭聲壓性能的測量是指使探頭保持在同一軸向距離上移動，從而獲取聲束橫截面分布圖的操作。在每一個探頭移動的位置，記錄球靶反射的峰值幅度，便可得到給定距離處的截面上各點相對于軸線上的聲壓相對值的聲束橫截面分布圖，沿著聲束軸向繪制不同軸向距離處的峰值幅度曲線。

圖4 液浸聚焦探頭聲束軸線上的聲壓分布示意

如圖4所示，表征聚焦探頭聲壓分布的參數有：焦點?焦距和場深(焦柱長度)。焦點是指聲壓最大幅度處的位置，焦距是探頭表面至焦點的距離，場深(焦柱長度)是探頭從焦點處來回移動至幅度降為峰值幅度50%(-6dB)時兩點間的距離，這些表征參數可以通過液浸法試驗獲得。

02、接觸法

ISO 12715:2014(E)標準中主要是用接觸法測試探頭聲學性能的。其用半圓階梯試塊(HS試塊)和橫孔試塊(SDH試塊)測試探頭在固體內的聲學性能。探頭在固體中的聲學性能用聲束輪廓和幅度分布圖來表示。圖5為接觸式探頭聲場特性的測試試塊尺寸示意，圖5(b)中的SDH表示對應的橫孔，如SDH2表示第二個橫孔。

圖5 接觸式探頭聲場特性的測試試塊尺寸

直探頭和聚焦直探頭的聲學性能測試均在SDH試塊上進行。圖6為直探頭的聲束輪廓和幅度分布。如圖6所示，在接觸式直探頭的聲束輪廓和幅度分布曲線中，可用近場區和遠場區來表征直探頭聲學性能，近場聲壓比較復雜，遠場聲壓隨距離的增大而減小。類似，接觸式聚焦直探頭的聲束輪廓和幅度分布曲線可用來表征聚焦直探頭的聲學性能。通過分布曲線可獲得焦距?焦柱長度和焦區寬度等參數，最大峰值處是焦點，焦距是焦點至檢測面的距離，焦柱長度是聲軸方向上焦點前后的兩個-6dB點的距離，焦區寬度是垂直平面內兩個-6dB點的距離。直探頭的表征參數可以通過在試塊上測試做出圖6來獲得。

圖6 直探頭的聲束輪廓和幅度分布

直探頭與斜探頭產生的都是縱波。斜探頭是以一定的角度入射到材料中的，產生折射縱波?折射橫波，或同時產生這兩種折射波。因為折射至材料內部波形的區別，斜探頭的聲場特性測試分為縱截面輪廓和幅度分布以及橫截面輪廓和聲軸上的幅度分布。縱截面輪廓聲場特性在SDH試塊上測試，橫截面輪廓聲場特性適合在HS試塊上測試。聚焦斜探頭測試類似于普通斜探頭。

表征聚焦斜探頭聲束的參數有：縱截面焦距，縱截面焦柱長度和縱截面焦區寬度。

03、水聽器法

 ASTM E1065(08):2014標準中通過水聽器法及其他方法測試探頭聲場特性參數。以水聽器法為例，平探頭聲學性能的測試參數有近場長度?聲束直徑和聲束擴散角；聚焦探頭聲學性能的測試參數有焦距?聲束直徑?聲束擴散角和場深等。

水聽器法的測試裝置框圖如圖7所示，主要儀器設備有信號發生器?水聽器?數字示波器以及滿足自由度調節的水槽等。

圖7 探頭聲場特性的水聽器法測試裝置框圖

聲束擴散角可通過探頭在聲軸上聲壓分布圖計算得到：在遠場區選擇位置A和C，如圖8所示，通過計算得到A和C處-3dB的聲束直徑。

圖8 聲束擴散角計算示意

圖中d為晶片尺寸；θ為聲束擴散角；φ為半擴散角；zA，zC分別為聲軸上A，C兩點距換能器表面的距離（zC>zA）；W為zC處-3dB聲束直徑比zA位置處-3dB聲束直徑增加值的一半

考慮A，C點間的距離，利用式(9)可以得到聲束擴散角：

聚焦探頭的聲學性能參數除了以上的聲束直徑和聲束擴散角，還需用焦距和場深(焦柱長度)表征。通過測試沿聲軸方向的聲壓場數據，得到聲軸上聲壓場的分布，可獲得焦距和場深(焦柱長度)。

圖9 聚焦探頭聲軸上聲壓分布及近場長度的測量示意