表1 国内外超声探头性能测试标准和校准规范的测试参数汇总和比较

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、使用特性测试参数

脉冲宽度，在GB/T 18694-2002标准中又称为脉冲持续时间TPD。其是根据反射体第一个波峰起点到最后一个波峰的时间间隔来确定的，通常以ns为单位。

不同的是：JB/T 12466-2015和JJF 1294-2011中是指在最大脉冲峰值幅度两侧10%(即-20dB)处第一个波峰起点至最后一个波峰终点间的时间间隔，而GB/T 18694-2002和ISO 10375:1997(E)中是指在最大脉冲峰值幅度两侧20%(即-14dB)处的时间间隔。

02、中心频率和相对带宽

中心频率和相对带宽是以频率响应为基础，对回波信号进行频谱分析，测出回波频谱下降6dB时的高低端截止频率fu和f1后计算得出的。ISO 10375:1997(E)和JJF 1294-2011中的中心频率f0和相对带宽Δfrel由式(1)和式(2)得出。EN 12668-2:2010和GB/T 27664.2:2011中的中心频率f0由式(3)得出，相对带宽Δfrel由式(2)得出。

式中：f0为中心频率；Δfrel为相对带宽；fu，f1分别为回波下降6dB时的高低端截止频率。

03、相对脉冲灵敏度

相对脉冲灵敏度是度量探头在脉冲回波模式下相应介质中电声转换效率的参数。用示波器测出探头上输入的电压峰-峰值Vin和反射波放大前的电压峰-峰值Vout，根据式(4)可以计算出相对脉冲回波灵敏度Sr。ASTM E1065(08):2014规定Vin和Vout均在探头制造商所标示的标称频率下测试，ISO 10375:1997(E)规定在探头中心频率下测试。

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

04、斜探头入射点和折射角

斜探头入射点和折射角是与斜探头相关的固定属性。斜探头入射点一般是根据斜探头在相应试块的R100mm圆弧面上的最大反射回波来确定的，但不同的标准规范使用不同的试块。

GB/T 18694-2002和ISO 10375:1997(E)是以IIW试块上R100mm圆弧面上的反射回波来确定的，而JJF 1294-2011是用斜探头校准试块的R100mm 扇形圆柱面上的反射回波来确定的，但原理类似。

同理，斜探头折射角度也是根据这两种试块上的横孔反射回波来确定的。在JJF 1294-2011标准中，斜探头折射角称为斜探头声束角度。

05、阻抗

探头的电特性用输入阻抗来描述，按照GB/T 18694标准的要求或者用阻抗分析仪进行测量。探头的阻抗分析是利用阻抗分析仪在专用DB-R试块上进行的。测试结果需要有探头谐振点和反谐振点的阻抗和相角值。

图2 阻抗测试布置示意

3、声学性能测试参数

ISO 10375:1997(E)中，平探头测试的自由声场特性参数有近场区和扩散角；聚焦探头的声学性能参数通过声压分布图来表示，表征聚焦探头声压分布的参数有：焦点､焦距和场深。

近场长度可根据公式(5)计算得出。需要指出的是，ISO 10375:1997(E)中规定：对于脉冲较宽，灵敏度较高的窄带探头应按中心频率f0的波长来计算近场长度N0；对于脉冲宽度较小､深度分辨力好､灵敏度较低的宽带探头的近场长度N0存在一个范围，应按照高低端截止频率fu和f1的波长来分开计算。

N0=D2/4λ                        (5)

式中：λ为波长；D为晶片直径。

(2)扩散角

在探头的远场区，声束直径与声束轴线的距离成正比增大，因而常用扩散角来表示声束的发散程度。ISO 10375:1997(E)中对于圆晶片平探头的扩散角可用式(6)来计算。不同形状晶片的扩散角的表达式也不同，圆晶片同方晶片类似，可用式(7)来计算，而对于矩形晶片的扩散角，则应该根据其两侧边长l1，l2来分开计算，如式(8)所示。

ISO 10375:1997(E)中采用脉冲回波来测试探头声场。在探头上施加脉冲信号，探头置于水中并对准浸在水中的钢球，然后进行测试，测试时回波测量的一个重要参数是声轴上的声压分布。

图3 探头声学性能的液浸法测试装置结构框图

探头声压性能的测量是指使探头保持在同一轴向距离上移动，从而获取声束横截面分布图的操作。在每一个探头移动的位置，记录球靶反射的峰值幅度，便可得到给定距离处的截面上各点相对于轴线上的声压相对值的声束横截面分布图，沿着声束轴向绘制不同轴向距离处的峰值幅度曲线。

图4 液浸聚焦探头声束轴线上的声压分布示意

如图4所示，表征聚焦探头声压分布的参数有：焦点､焦距和场深(焦柱长度)。焦点是指声压最大幅度处的位置，焦距是探头表面至焦点的距离，场深(焦柱长度)是探头从焦点处来回移动至幅度降为峰值幅度50%(-6dB)时两点间的距离，这些表征参数可以通过液浸法试验获得。

02、接触法

ISO 12715:2014(E)标准中主要是用接触法测试探头声学性能的。其用半圆阶梯试块(HS试块)和横孔试块(SDH试块)测试探头在固体内的声学性能。探头在固体中的声学性能用声束轮廓和幅度分布图来表示。图5为接触式探头声场特性的测试试块尺寸示意，图5(b)中的SDH表示对应的横孔，如SDH2表示第二个横孔。

图5 接触式探头声场特性的测试试块尺寸

直探头和聚焦直探头的声学性能测试均在SDH试块上进行。图6为直探头的声束轮廓和幅度分布。如图6所示，在接触式直探头的声束轮廓和幅度分布曲线中，可用近场区和远场区来表征直探头声学性能，近场声压比较复杂，远场声压随距离的增大而减小。类似，接触式聚焦直探头的声束轮廓和幅度分布曲线可用来表征聚焦直探头的声学性能。通过分布曲线可获得焦距､焦柱长度和焦区宽度等参数，最大峰值处是焦点，焦距是焦点至检测面的距离，焦柱长度是声轴方向上焦点前后的两个-6dB点的距离，焦区宽度是垂直平面内两个-6dB点的距离。直探头的表征参数可以通过在试块上测试做出图6来获得。

图6 直探头的声束轮廓和幅度分布

直探头与斜探头产生的都是纵波。斜探头是以一定的角度入射到材料中的，产生折射纵波､折射横波，或同时产生这两种折射波。因为折射至材料内部波形的区别，斜探头的声场特性测试分为纵截面轮廓和幅度分布以及横截面轮廓和声轴上的幅度分布。纵截面轮廓声场特性在SDH试块上测试，横截面轮廓声场特性适合在HS试块上测试。聚焦斜探头测试类似于普通斜探头。

表征聚焦斜探头声束的参数有：纵截面焦距，纵截面焦柱长度和纵截面焦区宽度。

03、水听器法

 ASTM E1065(08):2014标准中通过水听器法及其他方法测试探头声场特性参数。以水听器法为例，平探头声学性能的测试参数有近场长度､声束直径和声束扩散角；聚焦探头声学性能的测试参数有焦距､声束直径､声束扩散角和场深等。

水听器法的测试装置框图如图7所示，主要仪器设备有信号发生器､水听器､数字示波器以及满足自由度调节的水槽等。

图7 探头声场特性的水听器法测试装置框图

声束扩散角可通过探头在声轴上声压分布图计算得到：在远场区选择位置A和C，如图8所示，通过计算得到A和C处-3dB的声束直径。

图8 声束扩散角计算示意

图中d为晶片尺寸；θ为声束扩散角；φ为半扩散角；zA，zC分别为声轴上A，C两点距换能器表面的距离（zC>zA）；W为zC处-3dB声束直径比zA位置处-3dB声束直径增加值的一半

考虑A，C点间的距离，利用式(9)可以得到声束扩散角：

聚焦探头的声学性能参数除了以上的声束直径和声束扩散角，还需用焦距和场深(焦柱长度)表征。通过测试沿声轴方向的声压场数据，得到声轴上声压场的分布，可获得焦距和场深(焦柱长度)。

图9 聚焦探头声轴上声压分布及近场长度的测量示意