超聲探頭是超聲掃描顯微鏡中最關(guān)鍵的配件，而焦距則是探頭的核心參數(shù)之一。例如，同一頻率的探頭（如25MHz）常有多種焦距規(guī)格（如0.5英寸、1.0英寸、1.5英寸等）。面對不同焦距的選擇，我們應(yīng)如何根據(jù)實際需求挑選最合適的焦距呢？

超聲探頭的基本結(jié)構(gòu)；

與光學(xué)顯微鏡利用凸透鏡實現(xiàn)聚焦不同，超聲聚焦是通過凹面聲透鏡來完成的。在凹面聲透鏡的前方安裝有一片壓電陶瓷（壓電晶片）。當(dāng)施加一個電脈沖時，壓電晶片會迅速產(chǎn)生形變，發(fā)出一次振動，這個振動以平面波的形式向前傳播。當(dāng)聲波穿過前方的聲透鏡時，其波前被折射并逐漸匯聚，最終在焦點處形成高能量的聚焦點。

當(dāng)這束聚焦的超聲波遇到材料內(nèi)部的界面或缺陷時，會產(chǎn)生反射回波。回波沿原路返回，再次通過聲透鏡時被轉(zhuǎn)換為平行傳播的聲波，最終到達壓電晶片。壓電晶片接收到機械振動后，將其轉(zhuǎn)換為電信號，從而被顯微鏡系統(tǒng)接收和處理。

將壓電晶片、聲透鏡等核心部件封裝在一起，并集成電氣連接接口，就構(gòu)成了一個完整的超聲探頭。

在探頭的各項參數(shù)中，焦距是決定檢測深度和分辨率的關(guān)鍵指標(biāo)之一，其他重要參數(shù)還包括頻率、帶寬和聲透鏡直徑等。接下來，我們將重點講解如何計算和選擇合適的探頭焦距。

以下面這個樣品為例進行說明：該樣品為紫銅材料，上層為焊接面，從表面到焊接面的厚度為2mm。根據(jù)檢測需求，我們已確定應(yīng)選用25MHz的探頭。然而，市場上有多種不同焦距的25MHz探頭可供選擇，例如：25MHz-0.5in、25MHz-0.75in、25MHz-1.0in、25MHz-1.5in等。

接下來，我們就以這個實際樣品為例，詳細計算并分析應(yīng)如何選擇最合適的焦距。在實際檢測中，我們的目標(biāo)是選擇一個合適的焦距，使得當(dāng)工件放置在探頭下方時，待檢測的焊接面恰好位于聲束的焦點位置，從而獲得最佳的分辨率和信號強度。

為了更準(zhǔn)確地進行定位，我們可以將總焦距分為兩部分：

上段：稱為水程距離（Water Path），即聲波在水耦合介質(zhì)中傳播的距離。

下段：對應(yīng)工件內(nèi)部的厚度，由于聲波在工件中的傳播速度與水中不同，這段厚度會“等效”地抵消一部分探頭的焦距，這一部分稱為等效焦距（Fi）。

等效焦距的計算公式為：

Fi = （工件聲速 / 水中聲速）× 工件厚度

對于存在突出結(jié)構(gòu)的異形工件（如上表面有凸起部分），還需引入頂端高度（L頂），即工件最高點相對于基準(zhǔn)面的高度。

在掃描過程中，探頭與工件之間的垂直距離需控制在合理范圍內(nèi)，通常劃分為三個區(qū)域：

危險區(qū)：探頭位置低于安全高度，存在碰撞風(fēng)險。

舒適區(qū)：探頭位于安全高度與舒適高度之間。在此區(qū)域內(nèi)，不僅碰撞風(fēng)險低，而且水程較短，聲能衰減小，分辨率更高，是理想的掃描工作區(qū)間。

可用區(qū)：探頭高于舒適高度，雖可進行檢測，但水程過長會導(dǎo)致信號衰減加劇、分辨率下降，非最優(yōu)選擇。

因此，我們可以計算出舒適區(qū)的范圍：

舒適區(qū)下限（FLmin）= 等效焦距（Fi） + 頂端高度（L頂） + 安全距離（L安）

舒適區(qū)上限（FLmax）= FLmin + 舒適高度

最終，合適的探頭焦距應(yīng)滿足：FLmin < 實際焦距 < FLmax

代入具體數(shù)值進行計算：

紫銅工件聲速：4700 m/s

水中聲速：1500 m/s

工件厚度：2 mm

頂端高度（L頂）：5 mm

安全距離（L安）：10 mm

舒適高度：10 mm

計算得：等效焦距 Fi = (4700 / 1500) × 2 ≈ 6.27 mm

FLmin = 6.27 + 5 + 10 = 21.27 mm

FLmax = 21.27 + 10 = 31.27 mm

因此，推薦的探頭焦距范圍為：21.27 mm 至 31.27 mm（約 0.84 in 至 1.23 in）。在此范圍內(nèi)選擇焦距（如 1.0 in）的 25MHz 探頭，可確保焊接面處于最佳聚焦區(qū)域，實現(xiàn)高效、高分辨率的檢測。

最后Hiwave再送大家一張常見的CSAM探頭分辨率以及可測厚度一覽表，（實際檢測需要根據(jù)材料、結(jié)構(gòu)、工藝，綜合分析選擇），方便大家常規(guī)挑選檢測探頭頻率焦距使用。歡迎大家留言溝通。

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