专用窄脉冲传感器由透声楔块、压电晶片、背衬(阻尼块)、吸声材料、外壳、电缆线等构成，其结构如图1所示。

 

 

目前，国内外制作窄脉冲探头用的换能器材料，大部分属于振动模式较纯、声阻抗低、介电常数小的材料，如偏铌酸铅(PN)、碘酸钾等。但这些材料不但制造困难，而且灵敏度普遍偏低。综合比较，PZT是制作窄脉冲专用探头的理想材料。PZT是PbTiO，和PbZrO，固溶体为基的组成物，在较大的温度范围内性能比较稳定，作为换能材料，其压电效应非常突出，具有高的机电耦合系数K和压电应变常数dm压电常数g驺也较高，这些特征能有效地提高探头的灵敏度。阻抗值较高，使得背衬材料难以与其匹配是制约该材料进一步应用的瓶颈。近几年来，很多研究机构通过完善制作工艺，在高阻抗背衬制作上已取得长足进展，这更为PZT压电陶瓷材料的广泛应用打下基础。

 

当电脉冲激励压电元件时，它不但向前方辐射声能，而且还向后方辐射。如果背衬性能不好，从晶片后面背衬反射来的干扰杂波就增加了接收信号的复杂性。此外，如果没有背衬层，压电元件受电激励而振动，当电脉冲停止激励后，由于惯性作用，晶片仍要持续振动一段时间方能停止，致使超声的脉冲宽度加大，分辨力降低，不利于检测。因此，超声波探头中的背衬有两个主要用途：一是吸收晶片背向发射的声波，减少探头固有杂波，提高薄层区探伤的可靠性；二是与晶片匹配，吸收晶片的多余振动能量，使其振动尽快地衰减，从而提高探头的频带宽度。这样，一方面可以减小始脉冲波的宽度，使工件表面的探测盲区减小；另一方面，由于超声脉冲的宽度变窄，这可以提高在波束轴线方向缺陷的分辨率。同时，在奥氏体焊缝超声波探伤时，窄脉冲还可以减小焊缝的组织噪声。

 

背衬的研制包括选材和制作。为实现背衬的两个作用，选用合适的材料是前提，在现有的各种单相材料中，从声学特性和工艺特性综合考虑，几乎没有一种可以直接用作探头背衬，只能配制复合材料H31。表1是背衬常用材料的声学参数。背衬一般采用各种有机胶(例如环氧树脂)与金属粉按不同比例混合来制作。背衬的主要成分是环氧树脂，其在空气中不能凝固，需要加入固化剂进行固化。金属粉作为填料，向后辐射的声波在金属粉颗粒周围会发生杂乱无章的散射，使部分能量转化成热能耗散。从理论上讲，金属粉比重越大，背衬阻抗越利于匹配。但金属粉比重过大，环氧树脂与固化剂较少又不利于固化，因而二者的配比至关重要。

 

 

近年来，国外有研究机构采用离心机甩掉多余环氧树脂法，既把按一定配比混合好的背衬用料放入模具中，然后装进离心机，采用高转数离心分离法把比重大的钨粉与比重轻的环氧树脂逐渐分离，并使背衬块形成一定的密度梯度，有利于声的吸收和衰减，最后得到高声阻抗的背衬。离心分离时，应加一定的温度以降低环氧树脂的粘度，达到容易分离的目的。还有文献介绍真空除气泡法，经过分析导致背衬声阻抗不高的原因之一是在两者的混合过程中存在着大量的不同尺寸的气泡。为此，采用真空抽气法抽出混料中的气体，以提高背衬的密度。

 

目前，国内外制作探头普遍采用锆钛酸铅晶片(PZT-5)，该晶片的声一电转换效率很高，但是阻抗太大，达30X106kg/(m²·s)。因此与该镜片声阻抗能够达到匹配的背衬很难制作。用得较多的背衬材料是环氧树脂加钨粉的复合材料。刘祖常等人研究认为，窄脉冲探头使用钨粉+环氧树脂复合材料做背衬，具有很强的声吸收能力和提高阻抗的作用，阻抗值达到25X106kg/(m²·s)时，很难再提高。英国无损探伤研究所M.G.Silk教授在其著作中曾经过制作钨粉与环氧树脂背衬的工艺，其声阻抗可达30×106kg/(m²·s)。其选用材料为声速2.3 Km/s-2.7Km/s的环氧树脂，M.G.Silk教授使用的钨粉度是17.8Kg/m³与16.0 Kg/m³两种。常用的钨粉与环氧树脂配比为(质量比)16：1与20：1，相当于体比为43%～53%。显然这种混合料的比重与PZT的声阻抗还差的很远，无气孔的混合料的比重才10.5Kg/m³，加压样品的比重达13.5 Kg/m³，接近理论比重，接近PZT声阻抗的2/3。M.G.Silk教授研究得出，在环氧树脂中的体积比与背衬声阻抗间的关系如图2所示。从图2中可以看出，钨粉的体积比达到65%一70%时，才能与PZT晶片声阻抗30 X106kg/(m²·s)相匹配。

 

 

对于PZT晶片的声阻抗达30×106 kg/(m²·s)来说，这要求钨粉在环氧树脂中的体积比i>70%；对应质量比为25：1，只有混料在加温、加压和抽真空等工艺措施下，才有可能达到上述要求。

 

由于钨粉与环氧树脂的配比达到与PZT声阻抗匹配的困难，国外有学者提出采用钨粉与低熔点的软金属混合制作背衬的想法。例如，钨粉与铝、铜、铅或锡等粉料混合，通过加压与加热使软金属在钨颗粒间流动，最后使两种金属凝结成背衬，即使钨粉含量减少，声阻抗也将提高很多，完全可以达到与PZT的声阻抗相匹配，也可以加入大颗粒介质，增加声散射与衰减的效果。所有的软金属的纵波声速与密度都大于环氧树脂，因此它们与钨粉的混料会提高背衬的声阻抗也就是很自然的了。