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超聲波雙晶探頭對薄板母材探傷
近日，不少客戶在利用雙晶探頭對薄板母材探傷的過程中，打給我們咨詢如何正確選擇和使用雙晶探頭探傷。以下本文分三個部分和大家一起探討“雙晶探頭的結構和工作原理”、“如何正確選擇雙晶探頭”、“射頻檢波方式的表面探傷應用”。
1、雙晶探頭的結構和工作原理
一般來講，一個探頭殼體內裝有兩個晶片的探頭我們稱之為雙晶探頭，又稱分割式探頭。由兩個縱波晶片組合成的雙晶探頭稱為縱波雙晶探頭，又稱雙晶直探頭；由兩個橫波晶片組成的雙晶探頭稱為橫波雙晶探頭，又稱雙晶斜探頭。
這兩種雙晶探頭中，雙晶直探頭的應用較為廣泛，以下以雙晶直探頭為例重點探討雙晶直探頭的結構和工作原理：
雙晶直探頭的兩個縱波晶片一個用于發射超聲，一個用于接收超聲（圖一）。發射壓電晶片大都采用發射性能好的鋯鈦酸鉛，接收壓電晶片大都采用接收性能好的硫酸鋰。區別于單晶探頭而言，雙晶探頭的發射靈敏度和接收靈敏度都更高。雙晶探頭的兩個晶片之間有一片吸聲性強、絕緣性好的隔聲層，它不僅用于克服發射聲束與反射聲束的相互干擾和阻塞，而且能使脈沖變窄、分辨率提高、消除發射晶片和延遲塊之間的反射雜波進入接收晶片，有效減少雜波。
（圖一）
由于雙晶探頭的發射部分和接收部分都帶有延遲塊，能使探傷盲區大幅減小，故雙晶探頭對表面缺陷的探傷十分有利。
2、如何正確選擇雙晶探頭
a、探頭頻率的選擇
超聲的發射頻率在很大程度上決定了超聲波探傷的檢測能力。頻率高時，波長短，聲束指向性好，擴散角較小，能量集中，因而發現小缺陷的能力則比較強、分辨力好、缺陷定位準確。但高頻率超聲在材料中衰減較大，穿透能力較差，反之亦然。
由于雙晶探頭適用于較薄工件的探傷，不需要較強的穿透力。因此可以采用較高頻率的探頭。對于鍛件，板材，棒材等晶粒細小的工件，可以采用5MHz的雙晶探頭（若被檢工件表面較粗糙，高頻超聲散射較大，不易射入，則容易出現林狀回波）。對于晶粒粗大，超聲散射嚴重的材料，如奧斯體不銹鋼和鑄造件等，頻率高時，也會出現晶界引起的林狀回波，致使無法探傷，對于這一類材料，建議選用1MHz~2.5MHz的低頻率雙晶探頭。
b、晶片尺寸的選擇
從以上介紹的雙晶探頭的工作原理來看，雙晶探頭探傷主要取決于雙晶探頭的聲能集中區，跟晶片的大小沒有直接的關系。雙晶探頭的晶片大小，只與工件探測面積的大小有關，當檢測面積大時，為了提高探傷效率，宜采用晶片尺寸較大的探頭，如Ø14mm,Ø20mm等。當檢測面積較小，或者檢測面帶有一定曲率的情況下，為了減少耦合損失宜用晶片尺寸小的探頭。
c、焦距的選擇
雙晶探頭的兩個晶片都有一定的傾斜角度。發射聲束與接收聲束必然會產生相交，形成棱形的區域，此區域即為探傷區域（圖二）。
（圖二）
處于棱形區的缺陷，其反射信號強，同時對于同樣大小的缺陷，位于棱形區中心時，反射信號zui強。因此在實際探傷過程中，要根據被檢工件的厚度選取適當的焦距。焦距越小，則對薄工件的探傷越有利。一般來說，選擇雙晶探頭的焦距小于被檢工件厚度5~10mm左右。
3、射頻檢波方法的表面探傷應用
雙晶探頭的探傷方法與直探頭基本相同，這里著重介紹利用雙晶探頭和數字超聲探傷儀的射頻檢波方式檢測表面缺陷。傳統超聲探傷儀的檢波方式大都為正弦波檢波或者全波檢波，此兩種檢波方式在薄板探傷時，由于儀器設置聲程較小，反射波的根部較寬，對于同一個部位的多個缺陷不能明顯分辨。射頻檢波方式則可以有效解決這一問題。下圖是利用射頻檢波方式檢測CSK-IA試塊上深度為15mm，直徑為Ø1.5mm的橫通孔的波形圖：
從上圖可以看出，利用射頻檢波方式能準確迅速地將缺陷波以全波的方式顯示在屏幕上，使得辨別更容易。