PEP（脈衝回波探頭）的聲場
脈衝回波探頭發出的超聲波在空間中分佈並不均勻。為了描述聲波能量的角度分佈，以下將會引入聲場的概念。靠近與遠離 PET（脈衝回波換能器）的聲場具有顯著差異。
圖 1 – 探頭的近場與遠場
近場（圖 1）是指靠近波源的區域，在此可觀察到振幅的非單調變化（駐波），這現象與來自 PES （脈衝回波感測器）不同部分的聲波相互干涉有關。
遠場（圖 1）是指遠離波源的區域，此時超音波以圓柱形（或球面形）波前傳播，振幅會因波束擴散而單調衰減。
在遠場區，聲波振幅的角度分佈可以由指向性圖（圖 2）描述。在指向性圖中可區分出主瓣（佔總能量的 85%）與旁瓣（佔總能量的 15%）。檢測技術的設計是利用主瓣來檢出缺陷。
圖 2 – 直束與斜束探頭的指向性圖
如圖 2 所示，振幅的角度分布在聲軸方向達到最大值，而旁瓣振幅則隨離開聲軸的角度增加而減小。當一個非指向性的圓形反射體位於聲軸上時，其反射回波的最大振幅將會被觀察到。
指向性圖的特徵由兩個參數來描述：1. 聲軸的傾斜角；2. 指向性圖的張角（見圖 3）。
圖 3 – 指向性圖的參數
聲軸傾斜角 φAA（圖 3）由楔塊角度及楔塊與待測物材料中的波速比決定。
指向性圖的張角 θ（圖 3）取決於待測物中的波長、壓電晶片的半徑、楔塊角度以及超聲波的傳播速度。
寬波束（大張角）的指向性圖在缺陷搜尋時有優勢，因其可覆蓋較大材料體積。
窄波束的指向性圖則能更準確地測量缺陷位置、判斷形狀與尺寸，因為可將換能器更精確地對準最大回波位置，從而降低誤差。
在實際操作中，用於設定探傷儀的換能器參數包括：聲束的出射點、換能器時間、入射角，以及探傷儀深度計的誤差。
圖 4 – 用於設定探傷儀的探頭參數
換能器時間（圖4）是指聲波在楔塊與保護層中傳播所造成的延遲時間。它會直接影響缺陷位置判定的準確性。在對標準試塊 CO-3 或 CO-3P 的側面圓柱面進行調校時，必須對換能器時間進行補償。
入射角（圖 4）是指當換能器調整至非指向性反射體（如圓孔）回波振幅最大時，表面法線與聲束出射點連線之間的角度。該角度會標示於換能器上，並可透過標準試塊（如 CO-2 或 CO-3P，孔徑 6 mm，深度 44 mm 的圓孔）來檢查。入射角大致等於聲軸角，但總是略小於聲軸角。
超聲波檢測方法
超音波檢測方法可依據各種標準分為若干類別。其中「透射法」是基於記錄通過待測物缺陷後的超聲波。缺陷的特徵是接收器接收到的透射波振幅會減弱。一般而言，透射法無法確定缺陷的深度。
S – 超音波發射源；R – 超音波接收器。
圖 5 – 透射法示意圖。
相對地，「反射法」則是根據檢測缺陷反射回來的聲波，其特徵是接收信號的振幅會增加。這是最常見的超音波檢測方法，因為它能確定缺陷的位置，並可使用發射與接收合一的探頭。
SR – 超音波發射/接收合一探頭 (組合式探頭)。
圖 6 – 反射法示意圖
探傷儀所產生和接收的信號會以 A 掃描的形式顯示於螢幕上。在這種掃描模式下，Y軸表示信號振幅 (以 dB 計)， X軸表示超音波傳至反射體的時間 (以μs計)。利用透射法與反射法所產生的 A 掃描信號如圖 7 所示。
探傷儀為激發超聲波的電訊號稱為探測脈衝。它出現在掃描起始位置，解釋了「死區」的產生——即靠近超聲波入射表面的一段區域，該區域的缺陷無法被檢出。
PI – 探測脈衝；EI – 回波脈衝；SI – 閘門脈衝；BI – 底面回波。
圖 7 – 一般情況下的 A 掃描
由回波脈衝形成的信號是指反射自缺陷或結構反射體（如圓角、孔洞等）的聲波，並被換能器所接收。來自待測物底部的反射信號稱為底面回波。探傷儀要依據回波法或鏡像陰影法（Mirror Shadow Method, MSM）的準則分析回波振幅時，則使用閘門脈衝（strobe pulse）來確定分析的時間區間。
圖 8 顯示了透射法的實施方式：陰影法與鏡像陰影法。前者的發射器與接收器位於試件兩側；而後者的發射器與接收器位於同一表面。
圖 8 – 無缺陷區域中陰影法與鏡像陰影法的 A 掃描
鏡像陰影法可使用直束或斜束感測器，必要條件是發射的超聲波需經由底部反射後回到接收器。在無缺陷的情況下，接收器接收到的反射波會形成高於閾值的底面回波。
圖 9 – 有缺陷區域中陰影法與鏡像陰影法的 A 掃描
當缺陷出現在傳播路徑上時，聲波會被大幅削弱，因此底面回波信號振幅會減弱。若底面回波低於閾值，則表示存在缺陷。
透射法的檢出係數 - 表示有缺陷時底面回波振幅相對於無缺陷時底面回波振幅衰減了多少分貝（或倍數）。
採用透射法時，需考慮多種造成誤判缺陷的原因，主要包括：
- 換能器與表面之間缺乏良好聲耦合；
- 入射面與底部表面不平行；
- 待測物厚度變化；
- 底部表面狀況不佳；
- 材料衰減。
反射法被認為更先進，更適合各種檢測任務。因此，回波法在超聲波檢測應用中佔了近 90%。
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回波法的可檢出係數 - 表示缺陷回波振幅相對於標準反射體回波振幅高出多少 分貝（或倍數）。
