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超声基础知识
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超声基础知识总结
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你可能喜欢激励脉冲信号对超声波检测的影响
激励脉冲信号对超声波检测的影响
陈昌华（邮编243000，有限）
摘　要& 以场效应管作开关元件的超声波发射电路进行剖析,激励脉冲频率、振幅及宽度对超声换能器发射效力影响极大。重复频率选择过高，会出现幻影波、假信号。大振幅超声波在材料中传播时会产生一些非线性效应。激励脉冲宽度设置为探头频率周期的一半时，回波灵敏度最大；而激励脉冲宽度设置为探头频率周期的一个周期时，分辨率最高。分析结果表明不同类型的超声波发射电路的设计应考虑激励脉冲信号对超声波检测的影响。
关键词& 波形激励, 脉冲频率，脉冲振幅，脉冲宽度，发射电路，超声换能器
超声波探伤技术通常是对被测物体发射超声波，利用其多普勒效应、透射、反射等来获取被测物体内部的信息并经相关处理形成图像。超声波探伤技术的多普勒效应法是利用超声在遇到运动物体时发生的多普勒频移效应来获得该物体的运动方向和速度等特性；透射法则是通过分析超声穿透过被测物体之后的变化而得出物体的内部特性，其应用目前还处于研究阶段；超声波探伤仪应用最多的是通过反射法来获取物体内部特性信息的方法。反射法是基于超声在通过不同声阻抗组织界面时会发生较强反射的原理工作的。
超声波功率源(或称激励脉冲信号)是一种用于产生并向超声换能器提供超声能量的装置。超声波功率源就其激励方式有两种：一种是他激式，另一种是自激式。如果按末级功放管所采用的器件类型分，又可分四种：电子管式超声发生器；可控硅逆变式超声发生器；晶体管式超声发生器及功率模块超声发生器。电子管式与可控硅逆变式目前基本已淘汰，当前广泛使用的是晶体管式发生器。他激式超声发生器主要包括两部分，前级是振荡器，后级是放大器。一般通过输出变压器耦合，把超声能量加到换能器上。而自激式超声发生器是把振荡、功放、输出变压器及换能器集为一体，形成一闭环回路，回路在满足幅度、相位反馈条件下，组成一个有功率放大的振荡器。并谐振于换能器的机械共振频率上。
&超声波激励脉冲信号的特性,使它在近代科学研究、工业生产和医学领域等方面得到日益广泛的应用。例如,我们可以利用超声波来测量海底的深度和探索鱼群、暗礁、潜水艇等。在工业上,则可以用超声波来检测金属内部的裂纹、气孔等缺陷。在医学领域则可以用超声波技术来灭菌、清洗,更重要的用途是做成各种超声波理疗和诊断仪器。
2. 电路原理
A型显示脉冲超声波探伤仪的基本工作原理可用图1所示。其整机主要由同步、发射、、接收放大、显示以及报警、电源七大部分组成。同步电路的作用是产生周期性的同步脉冲信号，用以同时触发超声探伤仪各部分电路协同工作，它相当于全机的指挥中心。
图11 探头频率7.6MHz频谱分析
在实际使用中，探头均有一定的带宽，最优的脉冲宽度必须通过实验来获得，具体调试方法：将底面回波信号设置为屏幕的80%高度左右，从该探头中心频率的一个周期开始校准脉冲宽度，但有时因为探头带宽较宽，激励脉冲宽度对波形的影响并不大。
发射电路对整个系统的性能指标有重要影响,与其直接相关的最大检测范围、盲区范围是决定仪器性能的重要指标。与普通声波(可闻波)相比,超声波具有许多特性,其中最突出的有:①由于超声波的频率高,因而波长很短,它可以像光线那样沿直线传播,使我们有可能只向某一确定的方向发射超声波;②由超声波所引起的媒质微粒的振动,即使振幅很小,加速度也非常大,因此可以产生很大的力量。
发射电路被触发而产生为激励探头发射超声波的电脉冲，其机理是利用电容器的充放电来实现的，当重复频率太高时，电容器充放电的时间间隔将会显著缩短，将容易产生电容器尚未充电到额定电压值时就开始放电的现象，从而导致发射功率下降使检测灵敏度降低。
材料组织在超声声场的作用下，当超声波满足小振幅条件时，声源与其声场之间为线性关系，即无论在声场的任何距离上，介质质点都重复声源的振动规律，但当超声波不满足小振幅条件，而具有一定振幅(有限振幅，达到有限振幅的波为有限振幅波)时，在材料组织中，随传播距离的增加，必然有谐波成分产生，但材料组织的谐波信号微弱，主要反射(大界面产生反射)和散射(小界面产生散射)基波。由于有限振幅波的传播速度不是常数，而与介质的非线性参量及质点的振速有关，致使波形发生畸变，波形的畸变必然伴随谐波的产生，相继出现高次谐振，分谐振，高次分谐振等。
根据试验的数据,如激励的探头频率为f(MHz),方波宽度为t(ns),则有如下结论:
6.1 重复频率选择过高，将导致发射功率下降使检测灵敏度降低，以及会出现幻影波、假信号。
6.2 大振幅超声波在材料中传播时，会产生一些非线性效应，是主频产生的二次（或高次）谐波，以及驱动振幅对接受到信号的振幅的非线性相关性引起的。
6.3 匹配方波宽度为探头中心频率一半时,此时产生的波形幅度将比同等电压激励的负尖波产生的幅度高12dB 左右。
6.4 当2t=1时,
方波激励可以获得良好的分辨率及灵敏度。
6.5 当2t&1时, 方波激励可以获得良好的分辨率,但灵敏度下降。
6.6 当2t&1时, 方波激励可以获得良好的灵敏度,但分辨率下降。
随着电子技术和软件技术的进一步发展，数字智能化超声探伤仪有着广阔的发展前景。相信不久的将来，更加先进的新一代数字智能化超声探伤仪将逐步取代传统的模拟探伤仪，以图像显示为主的探伤仪将会在工业检验中得到广泛应用。
Excitation
pulse signal used in ultrasonic testing
(Technology
Center of Maanshan Iron & Steel Company Limited)
Abstract: The field effect
transistor for switching elements to analyze the ultrasonic transmitter,
excitation pulse frequency, amplitude and width on the effectiveness of
ultrasonic transducer launching a great impact. Select high repetition rate,
there will be ghost wave, false signals. Large amplitude ultrasonic wave
propagation in the material will produce a number of nonlinear effects.
Excitation pulse width is set to probe the frequency half cycle, the echo
the pulse width is set to probe excitation frequency a cycle,
the highest resolution. The results show that different types of ultrasonic
transmitter should be designed to consider the excitation pulse signal to the
ultrasonic detection.
Keywords: &Wave Excitation, Pulse Frequency,
Pulse Amplitude, Pulse Width, Transmitter Circuit, Ultrasonic Transducer}