專用窄脈衝感測器由透聲楔塊、壓電晶片、背襯(阻尼塊)、吸聲材料、外殼、電纜線等構成，其結構如圖1所示。

 

 

目前，國內外製作窄脈衝探頭用的換能器材料，大部分屬於振動模式較純、聲阻抗低、介電常數小的材料，如偏鈮酸鉛(PN)、碘酸鉀等。但這些材料不但製造困難，而且靈敏度普遍偏低。綜合比較，PZT是製作窄脈衝專用探頭的理想材料。PZT是PbTiO，和PbZrO，固溶體為基的組成物，在較大的溫度範圍內性能比較穩定，作為換能材料，其壓電效應非常突出，具有高的機電耦合係數K和壓電應變常數dm壓電常數g騶也較高，這些特徵能有效地提高探頭的靈敏度。阻抗值較高，使得背襯材料難以與其匹配是制約該材料進一步應用的瓶頸。近幾年來，很多研究機構通過完善製作工藝，在高阻抗背襯製作上已取得長足進展，這更為PZT壓電陶瓷材料的廣泛應用打下基礎。

 

當電脈衝激勵壓電元件時，它不但向前方輻射聲能，而且還向後方輻射。如果背襯性能不好，從晶片後面背襯反射來的干擾雜波就增加了接收信號的複雜性。此外，如果沒有背襯層，壓電元件受電激勵而振動，當電脈衝停止激勵後，由於慣性作用，晶片仍要持續振動一段時間方能停止，致使超聲的脈衝寬度加大，分辨力降低，不利於檢測。因此，超聲波探頭中的背襯有兩個主要用途：一是吸收晶片背向發射的聲波，減少探頭固有雜波，提高薄層區探傷的可靠性；二是與晶片匹配，吸收晶片的多餘振動能量，使其振動儘快地衰減，從而提高探頭的頻帶寬度。這樣，一方面可以減小始脈衝波的寬度，使工件表面的探測盲區減小；另一方面，由於超聲脈衝的寬度變窄，這可以提高在波束軸線方向缺陷的解析度。同時，在奧氏體焊縫超聲波探傷時，窄脈衝還可以減小焊縫的組織雜訊。

 

背襯的研製包括選材和製作。為實現背襯的兩個作用，選用合適的材料是前提，在現有的各種單相材料中，從聲學特性和工藝特性綜合考慮，幾乎沒有一種可以直接用作探頭背襯，只能配製複合材料H31。表1是背襯常用材料的聲學參數。背襯一般採用各種有機膠(例如環氧樹脂)與金屬粉按不同比例混合來製作。背襯的主要成分是環氧樹脂，其在空氣中不能凝固，需要加入固化劑進行固化。金屬粉作為填料，向後輻射的聲波在金屬粉顆粒周圍會發生雜亂無章的散射，使部分能量轉化成熱能耗散。從理論上講，金屬粉比重越大，背襯阻抗越利於匹配。但金屬粉比重過大，環氧樹脂與固化劑較少又不利於固化，因而二者的配比至關重要。

 

 

近年來，國外有研究機構採用離心機甩掉多餘環氧樹脂法，既把按一定配比混合好的背襯用料放入模具中，然後裝進離心機，採用高轉數離心分離法把比重大的鎢粉與比重輕的環氧樹脂逐漸分離，並使背襯塊形成一定的密度梯度，有利於聲的吸收和衰減，最後得到高聲阻抗的背襯。離心分離時，應加一定的溫度以降低環氧樹脂的粘度，達到容易分離的目的。還有文獻介紹真空除氣泡法，經過分析導致背襯聲阻抗不高的原因之一是在兩者的混合過程中存在著大量的不同尺寸的氣泡。為此，採用真空抽氣法抽出混料中的氣體，以提高背襯的密度。

 

目前，國內外製作探頭普遍採用鋯鈦酸鉛晶片(PZT-5)，該晶片的聲一電轉換效率很高，但是阻抗太大，達30X106kg/(m²·s)。因此與該鏡片聲阻抗能夠達到匹配的背襯很難製作。用得較多的背襯材料是環氧樹脂加鎢粉的複合材料。劉祖常等人研究認為，窄脈衝探頭使用鎢粉+環氧樹脂複合材料做背襯，具有很強的聲吸收能力和提高阻抗的作用，阻抗值達到25X106kg/(m²·s)時，很難再提高。英國無損探傷研究所M.G.Silk教授在其著作中曾經過製作鎢粉與環氧樹脂背襯的工藝，其聲阻抗可達30×106kg/(m²·s)。其選用材料為聲速2.3 Km/s-2.7Km/s的環氧樹脂，M.G.Silk教授使用的鎢粉度是17.8Kg/m³與16.0 Kg/m³兩種。常用的鎢粉與環氧樹脂配比為(品質比)16：1與20：1，相當於體比為43%～53%。顯然這種混合料的比重與PZT的聲阻抗還差的很遠，無氣孔的混合料的比重才10.5Kg/m³，加壓樣品的比重達13.5 Kg/m³，接近理論比重，接近PZT聲阻抗的2/3。M.G.Silk教授研究得出，在環氧樹脂中的體積比與背襯聲阻抗間的關係如圖2所示。從圖2中可以看出，鎢粉的體積比達到65%一70%時，才能與PZT晶片聲阻抗30 X106kg/(m²·s)相匹配。

 

 

對於PZT晶片的聲阻抗達30×106 kg/(m²·s)來說，這要求鎢粉在環氧樹脂中的體積比i>70%；對應品質比為25：1，只有混料在加溫、加壓和抽真空等工藝措施下，才有可能達到上述要求。

 

由於鎢粉與環氧樹脂的配比達到與PZT聲阻抗匹配的困難，國外有學者提出採用鎢粉與低熔點的軟金屬混合製作背襯的想法。例如，鎢粉與鋁、銅、鉛或錫等粉料混合，通過加壓與加熱使軟金屬在鎢顆粒間流動，最後使兩種金屬凝結成背襯，即使鎢粉含量減少，聲阻抗也將提高很多，完全可以達到與PZT的聲阻抗相匹配，也可以加入大顆粒介質，增加聲散射與衰減的效果。所有的軟金屬的縱波聲速與密度都大於環氧樹脂，因此它們與鎢粉的混料會提高背襯的聲阻抗也就是很自然的了。