枫林晚先生在UT论坛发表《超声检测灵敏度到底是多少?》帖子比较火。并且其做了一些基础实验来探索超声检测极限灵敏度。
讨论当中有人指出,运用连续波理论解释脉冲波并进行计算没有什么意义,最好用实验来寻找超声检测极限灵敏度。个人觉得这个提法比较合理。
但是一旦实验检测到超声极限灵敏度,还是需要理论解释,所以在这里从超声教材的一些定义出发,试图找出理论依据。
超声教材当中明确提出超声检测灵敏度约为半波长的说法,但为解释原因和由来。在美国超声手册当中也没有找到类似说法,只是提到脉冲波时间分辨力极限情况为五个周期一说。
曾经试图将1MHz的脉冲波展开成三个连续波,然后取最大波长计算的办法,寻找极限灵敏度,后枫林晚先生指出这个显然不合理。
最近因脉冲宽度的讨论,让我觉得,或许运用连续波的理论解释脉冲波并不合适,这也就是半波长的不合理之处。
如果采用连续波检测呢?是否其检测极限灵敏度为半波长?
根据连续波理论,f=1/T,λ=c/T,取两个周期,则该信号两个相邻周期可辨的极限灵敏度为λ,而普通检测一般不采用射频模式,通常采用全检波、正检波或负检波模式,使得两个相邻的信号可分辨的极限提高到λ/2。这是不是极限灵敏度半波长的由来?
连续波的理论用在脉冲波上,很显然不合适。只因为在脉冲波里,频率并不是单一频率了,涉及到多个频率信号合成,再用连续波理论解释一些现象就不合适,同时可能得出错误的结论。但连续波的一些分析方法仍然可以借鉴和采用。
在回波频率的分析当中(超声教材P130),仍可看到类似连续波处理的痕迹。
考虑到美国超声手册和培训教材相关内容,提出如下观点:
1,连续波的半波长理论不适宜脉冲波。脉冲波的极限灵敏度并不是λ/2。
针对射频模式下脉冲回波分析,脉冲波的波长采用回波频率f与对应的群速度v得到:λ=fv。
针对射频信号,若回波频率采用三个周期Tn=T3,则对应的极限灵敏度为L(min)=λ/3=fv/3,对应的检波信号则为λ/6。
针对射频信号,若回波频率采用五个周期Tn=T5,则对应的极限灵敏度为L(min)=λ/5=fv/5,对应的检波信号则为λ/10。
可见脉冲波的理论极限灵敏度也不是λ/2,而是远低于这个数值。
实际极限检测灵敏度将是一个复杂的变量,以实验得到的数据较为可靠。但其与频率应该是一个相关量。
实际极限检测灵敏度将取决于超声检测系统的回波频率以及可识别射频脉冲信号宽度以及对应的电噪声水平。
实际检测当中,待检测材料的组织噪声(如晶粒)和检测系统电噪声水平叠加后共同影响极限检测灵敏度的量度。
离开检测材料谈极限检测灵敏度是一个非常错误的观点。更为重要的是,采用回波频率的方法仍然是以连续波理论当中单一频率的思路处理脉冲回波,这势必与实际情况严重不符合,使得基于这一理论推导的根基并不牢固;常规理论将探头晶片当成理想声源,不管是当成理想面声源、点声源发射,都只是对实际模型的近似模拟,其理论和计算机模拟皆有不符合实际情况的地方。而相控阵探头的出现,引起笔者思考:常规探头虽然不能分时激发,动态聚焦,是否也同样具有相控阵探头的某些基本特征?根据惠更斯原理,探头晶片每一理论点声源也可视作独立点声源,也同样存在相互干涉的可能。这也就是直探头检测时,仍然出现因波型转换等迟到波。这在常规理论是难以解释和说明的。
希望大家讨论该问题,并思考这个问题。
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