2.4 声束的特性

常规单晶纵波超声探头工作的方式如同可发出高频机械振动的活塞，探头产生的这种振动即为声波。在压电探头晶片（通常被称作晶体）被施与电压时，晶片在垂直于其表面的方向会受压变形。电压消失后，一般在一微秒之内，晶片反弹，产生机械能脉冲，形成超声波。下面图中的概念化示例表明一个压电晶片对短暂的电压脉冲产生的响应。

常用于超声无损探伤（NDT）的探头类型在功能方面都具有以下基本属性：

类型：根据探头的功能可将探头划分为接触式、延迟块式、角度声束、或水浸式等类型。被测材料的特性，如：表面粗糙度、温度、可达性、材料内缺陷的位置、检测速度等，都会影响用户对探头类型的选择。

直径：直径是指激活探头晶片的直径。晶片通常被置于比它稍大一点的外壳中。

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。大多数工业超声检测在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内。不过，用户也可以买到频率范围在50 kHz以下，以及200 MHz以上的商业探头。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：带宽是处于特定波幅范围内的频率响应的部分。在这种情况下，应该注意典型的NDT探头不会在纯粹单一的频率下生成声波，而只能在以额定的频率值为中心的频率范围内生成声波。工业标准将这个带宽确定在–6 dB（或半波幅）的位置处。

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、基底材料、电子调谐、探头激励的方式都会影响波形持续。

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。

我们用以下这个比喻可以有效说明这个概念。发自典型的未聚焦圆盘探头的声束经常被想象成一束源自激活晶片区域的能量柱，这个能量柱在直径方向上扩散，最后消失。

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。

探头的声场被分为两个区域：近场和远场。近场是指接近探头的区域。在这个区域中声压反复几次达到最大值、最小值。这个区域的终端为轴上最后一次出现最大声压值的位置。这个位置到探头表面的距离表示为N，即近场距离。近场距离N代表探头的自然焦距。

由于近场中声压的不同，很难使用基于波幅的技术准确评价缺陷（尽管近场中的厚度测量不成问题）。此外，N值代表通过声学透镜或相位调整技术使探头声束聚焦的最大距离。使用声学透镜可以使水浸探头聚焦，以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以被聚焦。在检测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，因为它可以将声能集中在较小的区域，而且还可以改进回波的响应。

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