也谈超声检测脉冲宽度使用

热度 9已有 1418 次阅读2013-4-15 19:14 | 超声检测

   之前在超声论坛上,与人讨论过关于“超声频率越高,脉冲宽度越小,分辨力越高”的问题。讨论着、讨论着就发现“脉冲宽度”似乎有着多个概念。大家讨论的可能不是同一个概念。后梁老重新梳理“脉冲宽度”的概念和内涵,觉得为脉冲宽度的使用指明了方向。
   理不辨不明,特别是如果理论得到实践的检验,经过质疑后,大家的理解就会达到更深的层次。
脉冲宽度:
在规定峰值幅度的一定水平上所测的脉冲(回波) 前沿和后沿之间的时间间隔。
引自梁老日志 〔UT基础知识杂记〕GB/T27664中的四个“脉冲宽度”
当时觉得,引入激励电脉冲宽度和声脉冲宽度,有利于理解“超声频率越高,脉冲宽度越小,分辨力越高”这个说法的不合理性。
但是,觉得“声脉冲宽度”似乎没有出处。故翻美国无损检测手册,超声培训教材以及其它论文,均未看到类似概念。仅仅有一篇2009年论文《高集成度超声相控阵检测系统相关技术的研究》里面出现的图形3.2

有声脉冲宽度的影子。但是作者明确表明是激励脉冲宽度。
美国超声无损检测手册当中,提到四种激励波形,分别有连续波、尖波,方波、阶跃等形式,未提声脉冲宽度的说法。
看到以色列TOFD设备使用说明当中英文版,脉冲宽度明确是指初始方波持续时间。
个人觉得,脉冲宽度的概念不应该派生出多个概念,笼统的说脉冲宽度其实也非常准确。而声脉冲宽度更没有必要出现,以免引起新的混淆。
脉冲宽度本来就是一个,也就是最原始的初始方波持续时间,但是在具体应用过程当中,可能出现不同的面貌,但是其实质没有发生变化。
并且从百度百科里可以看到,脉冲宽度不仅在超声检测当中使用到,在其它方面,特别是电子方面,已经有明确的定义。
之所以,引起脉冲宽度的疑惑,还是自TOFD检测及方波进入大家的视线过后出现的。尖脉冲不会引起疑惑,因为其无脉冲宽度这个说法,或者说,它的特点在于幅值上。
至于声脉冲宽度只与阻尼有关,更觉得不妥。因为,阻尼的确可以影响脉冲宽度,但是你考虑过机械品质因子的感受么?
如果引入声脉冲宽度,那么声脉冲宽度如何测量?
探头一旦被激励,电信号变成机械振动信号,是否之后就与初始方波持续时间无关?我觉得,脉冲宽度也就是初始方波持续时间,自始自终皆作用于超声发射及接收信号。而声脉冲宽度也就是在超声传播过程当中,才有其存在的价值。可这个时候,不是有检测灵敏度、分辨力的概念么?即超声检出最小缺陷的能力。这个时候,不应该再是时间的量度,而应该是尺寸的量度。
所以声脉冲宽度似乎是一个幽灵,或许确实存在,却无法认知、测量。我的观念是,如果能够证明其有则有。
如果不能证明,则遵循奥卡姆定律:如无必要,勿增实体!
我想在光弹法确定超声波传播规律的图像当中,我们或许能认识到声脉冲宽度的身影,不过这个时候,它应该有另外的名字吧。
一句话,脉冲宽度初始定义可以说明其使用的问题。在不同条件和具体的应用当中,它可能有不同的形态和面目出现,虽会让使用的人产生混淆,但是仍然是可以区分的。
超声教材上那句话,“超声频率越高,脉冲宽度越小,分辨力越高”在超声教材当中,可能是指一般情况下,超声频率越高,相对应的脉冲宽度就越小,对应的分辨力相对越高,只是描述一般情况而已,在那个语言背景下成立而已。真的是超声频率越高,分辨力就越高?单独拿出这句话,绝对是错误的。不然,提高分辨力,只要提高探头频率就可以了!很显然不是这样子。
超声教材如果这样单独拿出一句话来,找规律、找原因的话,我估计编这本教材的人,得头冒冷汗,睡不着觉了!
不过,提出声脉冲宽度的概念,说明对脉冲宽度的认识,又进了一步。虽然我不赞同这个概念的提出。
 
但是梁老的学习和探索精神值得我辈年轻同行学习。希望本文能够词达意,不要再引起不必要的误会。
中国文字比较复杂,歧义较多,每有所言,常常不安。所以,不大喜欢针对性写文章。
由于本人查阅文献不足,理解能力有限,有所错误或纰漏之处,欢迎指正!
 
 
 

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发表评论 评论 (15 个评论)

回复 luolang1314 2013-4-15 20:09
谢谢梁老的肯定。
回复 梁金昆 2013-4-15 20:21
luolang1314先生写了很好的争论性文章!但脉冲必须分激励电脉冲和回波声脉冲,不然仍会引起概念混乱。把声脉冲宽度说成幽灵,是不对的,请看GB/T27664.2定义3.7和图1;GB/T18694-2002图5也有脉冲持续时间(脉冲宽度)。我认为这两个图,都表示的是声脉冲宽度。我和1314先生的争论,可能又陷入了一个误区:那就是回波声脉冲声压必须变成电压,声脉冲变成电脉冲,才能在示波屏上显示,但这个电脉冲不是激励电脉冲。另外,是非,读者自有公论,坦诚与否,人们会一眼看出,与中国文字无关!
回复 luolang1314 2013-4-15 20:29
我觉得回波声脉冲的确有。但是其是激励电脉冲的一个显示量。
回复 luolang1314 2013-4-15 20:34
和回波频率具有同样的特征。由于激发波形为方脉冲,回波波形正是激励脉冲施加在探头上,引起超声脉冲,然后返回被接收,重新变成电脉冲信号显示出来,其中出现波的折射,反射、干涉,而且与反射体有关,使得脉冲宽度发生了变化,但是本质还是没有改变。不知道我的理解对否?
回复 luolang1314 2013-4-15 20:36
因为脉冲宽度的调节有利于优化接收到脉冲信号的波形。同时始脉冲的形态与激励脉冲直接有关。
回复 luolang1314 2013-4-15 20:40
在方脉冲里tw是脉冲宽度或者说占空比,经过激发后,射频波形tw不再是原来的形态,且宽度发生了改变。但是改变初始方波脉冲持续时间,可以观察到波形的优化,不正是它的体现吗?
回复 梁金昆 2013-4-15 20:46
谢谢!希望心情舒畅地讨论。激励电脉冲,是始作俑者,以后的回波,自然都和它有关。它也可视为检波后的始脉冲。当否?祝好!
回复 luolang1314 2013-4-15 20:53
是检波后射频模式下的始脉冲吗?我觉得其形态与激励方波发生了较大的改变,导致引入声脉冲的概念。其实就是回波脉冲。如果类比一下,方波函数是母函数,检波后视频波(始啵)包含一部分方脉冲直接进入检波系统放大而来的,以及反射体回波脉冲只是母函数的一个展开子函数而已。我这样理解可否?
回复 梁金昆 2013-4-15 21:47
我认为:始脉冲,不是回波声脉冲,无探头,应该也有始脉冲。激励电脉冲直接进入接收,放大,检波系统,形成始波(电压电脉冲)。另外,对激励方波电脉冲,为什么要提函数?这是把电脉冲与声脉冲弄混的危害认识。激励电脉冲不过只是刺激一下晶片,晶片在阻尼状态下产生声脉冲---交变振动信号,对阻尼振动声脉冲进行频谱分析(付立叶展开),才有窄(声)脉冲\宽频带的理论。但这个理论,不涉及激励方波电脉冲的频谱和宽度,与它没有关系,只是对阻尼交变振动回波脉冲而言的。这个认识,不一定对,希望明日继续沟通。晚安!
回复 梁金昆 2013-4-16 00:18
我以为,下面问题应理清:
1)激励方波电脉冲,是个单向信号,不是交变信号;
2)但它刺激晶片的逆压电效应,使晶片产生阻尼振动,才有交变的声脉冲信号;
3)反射体回波,使晶片振动,它的正压电效应,产生交变的回波电脉冲信号,才有回波的射频显示,或者说,是晶片振动的射频显示;
4)我把回波电脉冲信号宽度,简称为声脉冲宽度,而与激励方波电脉冲宽度,加以区别,这是必须的,也是无奈的。
5)这里的关键问题是:晶片振动才有声脉冲或电脉冲的交变信号产生;
6)离开晶片振动,只想从激励方波电脉冲,导出回电脉冲信号频谱或宽度,是徒劳的;
7)当然,晶片振动,从强迫到自由,在探头设计上,应考虑:回波电脉冲信号宽度----声脉冲宽度,必须大于激励方波电脉冲宽度。
这个问题,我将在另-篇日志里讨论。
回复 luolang1314 2013-4-16 06:27
哦,梁老的意思是方波脉冲是第一推动力,将晶片振动后,后面就是晶片振动产生的超声回波的特征了。将回波电脉冲信号看做是超声脉冲信号的反应,与发射电路的电脉冲有联系吗?激励方波脉冲虽是单向信号,但是在突变处仍然有上升沿,下降沿,与交变信号作用差不多呀?我在想方波脉冲是否参与发射脉冲构建,在回波电脉冲信号当中是否起作用?在这一点上我有点迷惑。如果能有一个示波器从方波起振到回波接收,全程展示就好了。方波信号源在超声检测当中到底起什么作用呢?我觉得不仅仅是激励探头振动而已。
回复 梁金昆 2013-4-16 07:56
是的,方波上升,dU/dt(电压对时间微分),决定了晶片向一个方向的振动速度,下降阶段-dU/dt,决定了晶片向另一个方向的振动速度,这就是激励方波的变压器效应。在方波激励下的晶片振动---大约半周多(看独立调节了,差半波,产生的声脉冲品质好,强度大),晶片是受迫振动,方波消失后,晶片在弹性恢复力作用下,向平衡位置移动,从而开始固有---自阻尼振动。我对压电效应等知识,一直是似懂非懂,经常被学友问得张口结舌。
回复 丁伟臣 2013-4-16 23:15
如何提高探头的轴向分辨力,看来十分重要而且有待受到大家重视!
在培训课程中,我们的培训老师们应将该概念讲明白!
以往的1个D20 2.5M直探头和一个K2的斜探头打天下的局面应得到及时的更正!
回复 luolang1314 2013-4-17 08:57
谢谢丁工参与讨论。培训的时候,一些基本概念,往往一带而过。恰恰是最基本的东西,需要讲明白越困难。基本概念决定上层建筑。因此对基本概念的梳理和讨论非常重要,也非常必要。
回复 梁金昆 2013-4-19 20:29
非常赞成luolang1314和丁先生的观点,我们在基本概念\基础知识上,还有许多问题,待梳理,待讨论,待试验研究。我没什么成就,但可以说,我为这些浅显的东西,弄了半生。到今天,还不知好歹地争论不休。我这是何苦呢?但我又自愿!

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