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            超聲探頭的聲束特點
            發布日期:2022年02月10日    瀏覽次數:137

            傳統的單晶縱波超聲波探頭的工作原理類似于活塞,可以發出高頻機械振動。探頭產生的振動為聲波

            當向壓電換能器晶片(通常稱為晶片)施加電壓時,在電壓消失后,它將在垂直于晶片表面的方向上壓縮和變形

            通常在一微秒內,晶片反彈產生機械能脈沖并形成超聲波

            下圖中的概念性示例顯示了壓電晶片對短電壓脈沖的響應

            auto_1496.jpg

            圖片

            傳統超聲波芯片的工作原理


            最常用的超聲波無損檢測探頭類型測試在功能方面具有以下基本特性:

            類型:

            根據探針的功能,探針可分為接觸式、延遲塊式、角束式或浸水式

            測試材料的特性,如表面粗糙度、溫度、可接近性、,材料中缺陷的位置、檢測速度等將影響用戶對探針類型的選擇

            尺寸:

            尺寸指有源探針晶片的直徑。芯片通常放置在稍大的外殼中

            頻率:

            頻率指聲波在一秒鐘內完成振動周期的次數,通常以千赫茲(kHz)或兆赫(MHz)表示

            大多數工業超聲波檢測在500 kHz至20 MHz的頻率范圍內進行,因此,大多數探頭的頻率都在這個范圍內

            然而,用戶也可以購買頻率范圍小于50 kHz、大于200 MHz的商用探頭。頻率越低,穿透力越強;頻率越高,分辨率和焦距就越高

            帶寬:

            帶寬是特定振幅范圍內頻率響應的一部分。在這種情況下,應注意,典型的超聲波探頭不會產生單一頻率的聲波,但只能在以額定頻率值為中心的頻率范圍內產生聲波

            行業標準將此帶寬設置為–6 dB(或半振幅)

            波形持續時間-波形持續時間指的是每個探頭被窄帶寬探頭觸發后產生的波動周期數

            波形持續時間比寬帶探頭

            晶圓直徑、襯底材料、,電子調諧和探頭激勵方式都會影響波形持續性


            靈敏度:

            靈敏度是指激勵脈沖的振幅和從指定目標反射的回波振幅之間的關系

            我們可以用以下比喻有效地說明這一概念


            典型的非聚焦圓盤探頭發出的聲束通常被想象為來自激活晶片區域的能量柱,在直徑方向擴散,最終消失


            Picture

            超聲波聲束


            事實上,真實聲束的形狀比這更復雜,因為壓力在橫向和軸向上逐漸變化

            在下面的光束形狀圖中,紅色代表能量最高的區域,綠色和藍色代表能量較低的區域



            Picture


            超聲波束的能量分布

            探頭的聲場分為兩個區域:近場和遠場。近場是指靠近探頭的區域

            在該區域內,聲壓多次重復達到最大和最小值

            該區域的終端是最大聲壓值最后出現在軸上的位置

            該位置到探頭表面的距離表示為N,即,近場距離。近場距離n表示探頭的自然焦距

            圖片

            超聲波近場區域

            遠場是近場距離以外的區域(n值)。在這個區域,隨著聲束直徑的擴大和聲能的耗散,聲壓逐漸降低到零

            近場距離是探頭頻率之間相互作用的函數,被測材料的圓片直徑和聲速

            對于相控陣檢測中常用的方形或矩形圓片,可以通過以下公式計算出該函數值:

            picture


            方形或矩形圓片因不同聲音而產生的近場面積的計算公式


            在近場壓力下,使用基于振幅的技術很難準確評估缺陷(盡管近場厚度測量不是問題)

            此外,n值表示通過聲透鏡或相位調整技術聚焦探頭聲束的最大距離

            縱橫比常數根據晶片或光圈的短側與長側的長度比計算:

            picture


            短側與長側的比率


             
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