如何选择C-SAM合适的探头频率？（含计算公式）

超声探头是超声扫描显微镜中最关键的配件，而焦距则是探头的核心参数之一。例如，同一频率的探头（如25MHz）常有多种焦距规格（如0.5英寸、1.0英寸、1.5英寸等）。面对不同焦距的选择，我们应如何根据实际需求挑选最合适的焦距呢？

超声探头的基本结构；

与光学显微镜利用凸透镜实现聚焦不同，超声聚焦是通过凹面声透镜来完成的。在凹面声透镜的前方安装有一片压电陶瓷（压电晶片）。当施加一个电脉冲时，压电晶片会迅速产生形变，发出一次振动，这个振动以平面波的形式向前传播。当声波穿过前方的声透镜时，其波前被折射并逐渐汇聚，最终在焦点处形成高能量的聚焦点。

当这束聚焦的超声波遇到材料内部的界面或缺陷时，会产生反射回波。回波沿原路返回，再次通过声透镜时被转换为平行传播的声波，最终到达压电晶片。压电晶片接收到机械振动后，将其转换为电信号，从而被显微镜系统接收和处理。

将压电晶片、声透镜等核心部件封装在一起，并集成电气连接接口，就构成了一个完整的超声探头。

在探头的各项参数中，焦距是决定检测深度和分辨率的关键指标之一，其他重要参数还包括频率、带宽和声透镜直径等。接下来，我们将重点讲解如何计算和选择合适的探头焦距。

以下面这个样品为例进行说明：该样品为紫铜材料，上层为焊接面，从表面到焊接面的厚度为2mm。根据检测需求，我们已确定应选用25MHz的探头。然而，市场上有多种不同焦距的25MHz探头可供选择，例如：25MHz-0.5in、25MHz-0.75in、25MHz-1.0in、25MHz-1.5in等。

接下来，我们就以这个实际样品为例，详细计算并分析应如何选择最合适的焦距。在实际检测中，我们的目标是选择一个合适的焦距，使得当工件放置在探头下方时，待检测的焊接面恰好位于声束的焦点位置，从而获得最佳的分辨率和信号强度。

为了更准确地进行定位，我们可以将总焦距分为两部分：

上段：称为水程距离（Water Path），即声波在水耦合介质中传播的距离。

下段：对应工件内部的厚度，由于声波在工件中的传播速度与水中不同，这段厚度会“等效”地抵消一部分探头的焦距，这一部分称为等效焦距（Fi）。

等效焦距的计算公式为：

Fi = （工件声速 / 水中声速）× 工件厚度

对于存在突出结构的异形工件（如上表面有凸起部分），还需引入顶端高度（L顶），即工件最高点相对于基准面的高度。

在扫描过程中，探头与工件之间的垂直距离需控制在合理范围内，通常划分为三个区域：

危险区：探头位置低于安全高度，存在碰撞风险。

舒适区：探头位于安全高度与舒适高度之间。在此区域内，不仅碰撞风险低，而且水程较短，声能衰减小，分辨率更高，是理想的扫描工作区间。

可用区：探头高于舒适高度，虽可进行检测，但水程过长会导致信号衰减加剧、分辨率下降，非最优选择。

因此，我们可以计算出舒适区的范围：

舒适区下限（FLmin）= 等效焦距（Fi） + 顶端高度（L顶） + 安全距离（L安）

舒适区上限（FLmax）= FLmin + 舒适高度

最终，合适的探头焦距应满足：FLmin < 实际焦距 < FLmax

代入具体数值进行计算：

紫铜工件声速：4700 m/s

水中声速：1500 m/s

工件厚度：2 mm

顶端高度（L顶）：5 mm

安全距离（L安）：10 mm

舒适高度：10 mm

计算得：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，推荐的探头焦距范围为：21.27 mm 至 31.27 mm（约 0.84 in 至 1.23 in）。在此范围内选择焦距（如 1.0 in）的 25MHz 探头，可确保焊接面处于最佳聚焦区域，实现高效、高分辨率的检测。

最后Hiwave再送大家一张常见的CSAM探头分辨率以及可测厚度一览表，（实际检测需要根据材料、结构、工艺，综合分析选择），方便大家常规挑选检测探头频率焦距使用。欢迎大家留言沟通。

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