超声波探头的种类很多，根据波型不同分为纵波探头、横波探头、表面波探头、板波探头等。根据耦合方式分为接触式探头和液浸探头。根据波束分为聚焦探头与非聚焦探头。根据晶片数不同分为单晶探头、双晶探头等。此外还有高温探头、微型探头等特殊用途探头。下面介绍几种典型探头。
1.直探头（纵波探头）
直探头又称纵波探头，用于发射和接收纵波。直探头主要用于探测与探测面平行的缺陷，如板材、锻件检测等。直探头的结构如图3-15所示，主要由压电晶片、保护膜、阻尼吸收块、导线和外壳等部分组成。
压电晶片具有压电效应，其作用是发射和接收超声波，实现电声能量转换。常用的压电陶瓷晶片有锆钛酸铅（PbZrTiO3，缩写为PZT）、钛酸铅（PbTiO3）、钛酸钡（BaTiO3）等。
保护膜的作用是保护压电晶片不致磨损或损坏。保护膜分为硬保护膜和软保护膜两类。
目前最常用的硬保护膜是刚玉（Al2O3）保护膜，此外，陶瓷片及某些金属薄片也可用作硬保护膜，刚玉硬保护膜的厚度一般为零点几毫米，保护膜本身对声能的损耗很小。硬保护膜探头适于表面精度较高且平整的工件检测。当硬保护膜探头用于粗糙表面或有一定曲率的工件检测时，其接触损耗可达20～30dB。
软保护膜通常含有聚氨酯软性塑料等，用于表面较粗糙或有一定曲率的工件检测时，可改善声耦合，且保护膜磨损后易于更换。但软保护膜本身对声能的传输损失较大，最大传输损失可超过25dB。
图3-15 直探头的结构
1—插座 2—外壳 3—阻尼块 4—导线 5—压电晶片 6—保护膜
保护膜材料应耐磨、衰减小、厚度适当。为有利于阻抗匹配，其声阻抗应满足一定的要求。
阻尼吸收块紧贴压电晶片，它对压电晶片的振动起阻尼作用，从而使脉冲宽度变小，分辨力提高，盲区减小。它的第二个作用是吸收晶片背面振动产生的杂波，提高探头的信噪比。它的第三个作用是支撑固定晶片。阻尼吸收块常用环氧树脂加钨粉及聚硫橡胶制成，其声阻抗应尽可能接近压电晶片的声阻抗。
2.斜探头
根据入射角的不同，斜探头可分为纵波斜探头（αL<αⅠ）、横波斜探头（αⅠ<αL<αⅡ）和表面波斜探头（αR=sin-1cRL1/cR2）。这里主要介绍后两种。
（1）横波斜探头 横波斜探头是利用横波检测，主要用于探测与探测面垂直或成一定角度的缺陷，如焊缝检测、汽轮机叶轮检测等。
斜探头的结构如图3-16所示。由图可知，横波斜探头实际上是由直探头加透声斜楔组成的。由于晶片不直接与工件接触。因此斜探头没有专门的保护膜，斜楔充当了保护膜的角色。
透声斜楔的主要作用是改变声束角度和实现波型转换，使被探工件中只存在相应折射角度的波型。透声斜楔的衰减系数要适当，且耐磨、易加工。透声斜楔一般用有机玻璃制成。近期研制生产的聚酰亚胺也已批量用作斜楔材料，且其主要声学性能优于有机玻璃。斜楔可以做成各种形状以减少反射杂波。
横波斜探头的标称方式有三种：一是以纵波入射角αL来标称，常用αL=30°、40°、45°、50°等，如俄罗斯等国家。二是以横波折射角βS来标称，常用βS=45°、50°、60°、70°等，如部分欧盟国家以及日本和中国等。三是以横波折射角的正切值K=tanβ来标称，常用K=1.0、1.5、2.0、2.5、3.0等，这种标称方法只是我国过去提出使用的，现在逐步改用折射角βS来标称。注意，探头所标称出的K值，是指在钢中的横波折射角的正切值。若用这些探头去探测其他材料，则应根据斯涅尔定律换算出其他材料中的实际折射角K值。
图3-16 斜探头的结构示意图
1—吸声材料 2—斜楔 3—阻尼块 4—导线 5—外壳 6—插座 7—压电晶片
（2）表面波斜探头 当斜探头的入射角大于或等于第二临界角（αL≥αⅡ）时，在工件中便产生表面波。表面波探头的结构与横波斜探头的区别是斜楔块入射角不同。瑞利波探头的入射角αR由式（3-7）求出：
αR=sin-1（cL1/cR2） （3-7）
式中 cL1——斜楔中的纵波声速；
cR2——工件中的瑞利波声速。
设有机玻璃中纵波声速cL1=2730m/s，钢中瑞利波声速cR2=3080m/s，可用式（3-7）求得此时的瑞利表面波探头的纵波入射角约等于62°。
瑞利表面波探头用于探测表面或近表面（有效检测深度一个波长左右）缺陷。
3.双晶探头（分割式探头）
双晶探头分为双晶纵波探头（直探头）和双晶横波探头（斜探头）。前者主要用于探测与探测面平行或接近平行的近表面缺陷或薄件中的缺陷。后者主要用于探测与探测面成一定角度的薄件中的缺陷。工程上对于一些奥氏体不锈钢焊缝或镍基合金焊缝等粗晶材料还会用到单晶纵波斜探头或双晶纵波斜探头。
图3-17 双晶探头的结构示意图
1—壳 2—吸声材料 3—压电晶片 4—隔声层 5—延迟块 6—聚焦区(www.daowen.com)
双晶探头的结构如图3-17所示。
双晶探头具有以下优点：
①杂波少、盲区小。双晶探头的发射与接收分开，消除了发射压电晶片与延迟块之间的反射杂波。同时由于始脉冲未进入放大器，克服了阻塞现象，使盲区大幅度减小，为检测近表面缺陷提供了有利条件。
②工件中近场区长度小。双晶探头采用了延迟块，缩短了工件中的近场区长度。
③声束交汇区深度和探测范围可根据探测需要设计。双晶探头检测时，对于位于菱形abcd内的缺陷灵敏度较高。而菱形abcd可以通过改变入射角αL来调整。αL增大，主声轴线交汇点O和菱形abcd向表面移动，菱形在垂直方向变扁，探测深度变小。αL减小，O点和菱形abcd向工件底面移动，菱形向内部移动，在垂直方向变长，探测深度变大。
双晶直探头一般标有工作频率、晶片尺寸和探测深度（特指主声轴线交汇点O至探测面的深度）等。双晶斜探头一般标有工作频率、晶片尺寸和K值或折射角度等。
4.聚焦探头
（1）聚焦探头的分类 根据聚焦原理，可将聚焦探头分为点聚焦探头和线聚焦探头。点聚焦的理想焦点为一点，其声透镜为球面；线聚焦的理想焦点为一条线，其声透镜为圆柱面。
根据耦合情况不同分为水浸聚焦与接触聚焦。水浸聚焦以水为耦合介质，探头不与工件直接接触。接触聚焦是探头通过薄层耦合介质与工件接触。
接触聚焦依据聚焦方式不同又分为透镜式聚焦、反射式聚焦和曲面晶片式聚焦等，如图3-18所示。透镜式聚焦是平面晶片发射超声波，通过声透镜和透声楔块来实现聚焦，如图3-18a所示。反射式聚焦是平面晶片发射超声波通过曲面楔块反射来实现聚焦，如图3-18b所示。曲面晶片式聚焦探头的晶片为曲面，通过曲面楔块实现聚焦，如图3-18c所示。
图3-18 接触式聚焦探头
（2）聚焦探头的结构原理 下面以水浸聚焦探头为例说明聚焦探头的结构原理。
聚焦探头的结构如图3-19所示，聚焦探头由直探头和声透镜组成。声透镜的作用就是实现波束聚焦。焦距F与声透镜的曲率半径r之间关系为
对于有机玻璃声透镜和水
，代入式（3-8），可得F=2.2r。
聚焦探头检测工件时，实际焦距F′会变小。
F′=F-L（c3/c2-1） （3-9）
式中 L——工件中焦点至工件表面的距离；
c2——耦合剂中声速；
c3——工件中声速。
这时水层厚度为
H=F-Lc3/c2 （3-10）
5.可变角探头
可变角探头，顾名思义，其入射角是可变的，如图3-20所示。转动压电晶片可使入射角连续变化，一般变化范围为0°～70°，可实现纵波、横波、表面波和板波检测。可变角探头主要用于实验中确定最佳声束方向。
图3-19 水浸聚焦探头原理
1—外壳 2—阻尼块 3—晶片 4—声透镜c1 5—水c2 6—工件c3
图3-20 可变角探头示意图
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