声脉冲宽度和探头频率对常规超声检测分辨力的影响浅析

孙建

山东核电设备制造有限公司   山东.海阳（265118）

摘要：本文通过对超声波时-频响应特性和超声设备激励电路原理分析，对声脉冲宽度与电脉冲宽度的概念加以区别及其影响因素，总结出声脉冲宽度、频率对超声检测分辨力的影响，皆在深入理解超声检测基础理论知识。

关键词：脉冲宽度；探头频率；分辨力

The analysis of ultrasonic resolution affected by pulse duration and probe frequency

Abstract:this paper studies the time-frequency features of the pulse echo and the principle  of ultrasonic excited-circuit, then analysis difference between pulse duration and excited-signal, drawing conclusions of the ultrasonic resolution affected by pulse duration and probe frequency, further in-depth understanding of the ultrasonic testing of basic theoretical knowledge.

Key words: pulse duration; probe frequency; resolution

在相关超声检测教材中阐述：“频率越高，脉冲宽度越小，分辨力也就越高”。为了理解频率、脉冲宽度、分辨力之间的关系，需要对以下三问题进行详细分析。1、为什么频率越高，脉冲宽度越小；2、为什么频率越高，分辨力越高；3、为什么脉冲宽度越小、分辨力越好。本文通过对超声频谱分析、超声设备特点、声场特性等方面进行分析，总结频率、脉冲宽度、分辨力之间的关系。

1、脉冲宽度的理解

常规超声检测中，往往采用脉冲反射法进行检测。基于超声设备工作原理，发射电路可以产生100~400V的高压电脉冲，施加到压电晶片上产生脉冲超声波后进入被检工件，然后反射波经压电晶片转换后得到微弱电脉冲，被输入接收电路。接收电路对其进行放大、检波，使其在显示屏上得到足够的显示。因此，最终显示屏上的信号可以看作是发射声脉冲超声波经过一系列过程被处理后的结果。超声仪器\探头系统和工件之间的联系，是声脉冲。它们向工件发射的是声脉冲，探头从工件接收的回波，也是声脉冲。然而仪器和探头之间的联系，却是电脉冲。仪器向探头发射的是激励电脉冲，仪器从探头接收的是由声脉冲转化来的微弱电脉冲。为了和激励电脉冲区别，我们称它为回波电脉冲。由于发射电脉冲在激励探头的同时也直接进入接收电路，形成始波。因此，从仪器发射、接收和显示上看，只有两个电脉冲：发射—激励电脉冲；接收—回波电脉冲。

超声检测中所定义的脉冲宽度自然是指：超声仪器和探头向工件发射或从工件反射回来的声脉冲宽度。然而，此声脉冲又只能通过仪器接收电路转换成电脉冲才能显示，即为回波电脉冲。也就是说超声检测中脉冲宽度是指的回波电脉冲的宽度，而不是指激励电脉冲的宽度，二者不应混淆。

为了充分理解声脉冲宽度和激励电脉冲宽度概念，分别对声脉冲频谱和超声电路设计原理进行分析。首先，声脉冲频谱分析是将专用的频谱分析仪对特定反射体的回波射频信号进行显示、分析。下面对声脉冲信号的时-频域响应特性进行讨论，引出声脉冲宽度概念：

1.1、时-频响应特性

（1）正负幅度峰峰值（Vpp）：射频信号最大正周期与最大负周期之间的幅度偏差（V）

（2）脉冲持续时间（脉冲宽度）或波形长度：指正负峰值幅度-20dB截止点的波形持续时间。

（3）峰数：指射频信号在正负20dB截止点之间的波峰个数。

（4）阻尼因子（：最大波幅与相邻最大波幅之比。

    射频信号通过快速傅里叶变换（FFT），转换成频域响应参数。频域响应具有以下特性参数：

（1）峰值频率fp：快速傅里叶变换中，频谱分析时对应的最大幅度

（2）低端频率：由峰值频率左侧-6dB降落水平线界定的频率值

（3）高端频率：由峰值频率右侧-6dB降落水平线界定的频率值

（4）中心频率：为低端频率和高端频率的算术或平均几何值界定。

(5)带宽（BW）：=-/*100%

  1.2、 超声设备设计原理

探头的固有频率主要取决于晶片厚度t和声速，即为：

（1）

但探头被激励后，产生声脉冲信号的质量（如激励效果好坏，有无杂波等）却和激励电脉冲形状和宽度有关。一般方波触发的超声品质最好，而且强度、幅度较尖峰电脉冲触发的超声可倍增（需调整好方波宽度）。在标GB/T27664.1-2011《超声检测设备的性能与检验》中，也定义了脉冲宽度

，这里的“方波宽度”就是激励电脉冲的宽度。

图 2   方波激励脉冲

的大小取决于超声仪器发射电路的设计，一般有如下关系式：

                             （2）  

式中:—探头公称频率；

—激励电脉冲宽度；

n—可选的自然数，n=1，2，3，…。一般认为n=1最好；

—圆周率。

如果将≈3，则公式(2)可改写为:

2≈n(3)

选取n=1，

2≈1(4)

根据公式(4)可以认为:方波的上升和下降边差半个周期(180度)，触发效果可倍增。另外，从上述公式也可认为:从触发电路设计上来说，激励电脉冲宽度td，与探头固有频率成反比。

因此，通过以上分析，声脉冲宽度与设计电路中激励脉冲宽度是不一样的概念，但是标准和相关教材中没有将二者进行区分，导致理解上的误区。声脉冲宽度主要取决于探头阻尼的性能，而与探头频率无关。然而，激励电脉冲的宽度的调整，是为了改善机电耦合质量和探头发射声脉冲的质量。一般探头频率越高，激励脉冲宽度越小。可见，“频率越高，脉冲宽度越小”中是指激励脉冲宽度。

2、声脉冲宽度、频率对超声检测分辨力的影响

超声检测分辨力是指超声检测系统的分辨力是指能够对一定大小的两个相邻反射体提供可分离指示时两者的最小距离。超声检测分辨力分为纵向分辨力和横向分辨力。

由于超声脉冲自身有一定的宽度，在深度方向上分辨两个相邻信号的能力有一个最小距离，称为纵向分辨力。这里脉冲自身宽度与声束宽度不应混淆。脉冲自身宽度越小，纵向分辨力就越好。脉冲宽度主要取决于阻尼效果，阻尼块可以使振动的晶片快速停下来，从而使脉冲宽度减小，纵向分辨力提高。

一般对于角度固定的静态探头来说，脉冲宽度对其轴向分辨力有直接影响。轴向分辨力是超声波分辨沿声束轴线相邻两缺陷的最小距离能力。对于良好的轴向分辨力，相邻两反射体所产生的峰值应比峰谷差大于6dB。

轴向分辨力计算公式为：

                    (5)

其中：

—相邻两缺陷的最小距离；

v—工件中声速（mm/us）；

    —脉冲宽度us（声脉冲宽度）。

因此，声脉冲宽度或回波电脉冲宽度越小，纵向（轴向）分辨力就越好。

探头平行移动时，分辨两个相邻反射体的能力称为横向分辨力。现认为横向分辨力取决于声束宽度（半扩散角）。声束宽度越小，横向分辨力越高。探头晶片直径一定时，频率越高，半扩散角越小，这样横向分辨力就越高。但是，检测中，并不是频率越高越好。频率f增加，导致波长变短，近场区也增加，对检测不利。晶片直径、探头频率对半扩散角的影响如下图所示：

因此， 声脉冲宽度（回波电脉冲宽度）越小，纵向（轴向）分辨力就越好；频率越高，声束宽度越窄，横向分辨力越高。

3、总结

通过以上详细分析，理解了激励脉冲宽度和声脉冲宽度的区别以及频率、声脉冲宽度对分辨力的影响效果。教材中阐述的“频率越高，脉冲宽度越小，分辨力也就越高”应具体概括为：

1、频率越高，激励脉冲宽度越小；

2、声脉冲宽度与频率无关，取决于阻尼大小；

3、频率越高，横向分辨力越高；

4、波长一定时，声脉冲宽度越小，纵向（轴向）分辨力越高。

参考文献：

[1] JB/T4730-2005，承压设备无损检测标准[s].

[2]Nondestructive Testing Handbook-Ultrasonic Testing [M].1991.

[3]郑晖，林树青.超声检测[M].北京:中国劳动社会保障出版社,2007.

[4] GB/T27664.1-2011，超声检测设备的性能与检验[s].

[5]R/D Tech Guideline. Introduction to Phased Array Ultrasonic Testing Applications[M].2004.