也谈超声检测极限灵敏度

热度 13已有 1060 次阅读2013-4-17 11:56 | 极限, 超声检测, 灵敏度

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。
理论有风险,引用需谨慎!

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发表评论 评论 (8 个评论)

回复 luolang1314 2013-4-17 13:57
按照这一理论,脉冲波检测碳钢材料,声速取5940,频率为2.5MHz,晶片尺寸为直径20mm,在三倍近场区之外(大于126mm)200mm处,采用Tn=T3(三个周期)的检波后理论极限灵敏度为0.4mm。不知道能否用实验验证?
回复 梁金昆 2013-4-17 16:11
罗先生:我赞赏您写日志,不论观点对错与否,总是您个人的看法,总是一种探索!比照书抄,要好。这就是,不论您的文章是否反对我的观点,我都给您送红花的原因。我也赞赏您勇于修正的观点。我这一生,没有成就,但在教学上\争论上没出过大丑,那就是知错认错。比如,声脉冲还得通过电脉冲来显示,亏您提醒。当前UT灵敏度概念混乱,比如基准灵敏度,扫查灵敏度,相对灵敏度等等,我早写了一篇日志,未好意思发表,远东网日志,我和李济科的太多了。七老八十的人,真没意思!!!您日志写的灵敏度,似为缺陷可检出灵敏度。当否?供参考。祝好!
回复 luolang1314 2013-4-17 17:10
是的,我写的是可检出灵敏度。灵敏度的概念较多,极容易混淆。谢谢梁老的评论!很多概念受到梁老启发,比如激励脉冲宽度我一直以为是回波脉冲宽度。因为,我通过调节方波脉冲宽度,发现回波波形发生明显变化。
回复 lfdafei 2013-4-18 08:02
  
回复 luolang1314 2013-5-21 14:14
超声分辨力的确如您所说比较混乱,有些概念可能会似是而非。我有如下理解:
1,一般谈超声极限分辨力为极限可检出分辨力,即多大的人工反射体(平底空,其它反射体可能不一样)能够被检测系统检出。强调反射体回波信号与仪器电子噪声、材料本底噪声相区分的关系。 是否与信噪比有关?个人觉得有关。
2,超声系统能够将两个固定尺寸的相邻反射体分辨出来的分辨力。用相邻反射体的最近位置间隔表示,低于这个距离,则超声体系无法分辨或回波无法区分开(视频显示)。这里有两个距离,第一是超声能发现两个相邻反射体的最小距离,第二个是回波可以区分两个相邻反射体信号(视频分辨力)前者远远小于后者,小波变换正是通过提高信噪比进而提高前者的分辨力;但回波可以区分两相邻反射体信号,在适用方面比较有优势。
3,在声程上设置多远的两个人工反射体,他们的回波能够不互相影响,或者说在同一视窗内只有一个反射体的信号。
从时间的尺度上来说,上述三种情况是逐渐增大的。
我提出λ/6是针对超声教材半波长的说法而来,为第一种情况,即超声可检出缺陷的最小尺寸为多少?
回复 luolang1314 2013-5-21 14:15
个人觉得λ/2是:脉冲回波取一个周期,两个首尾相连的信号(理论上靠的最近两人工反射体回波)通过检波后简单得到的数据,这和目前超声回波一般为3到5周信号不符合。之所以检波后两个信号不能靠的更近,因为射频信号无法继续靠近的原因。
针对第二种情况,不容易设置两相邻缺陷进行试验。我曾经,在试块左端设置两横通孔(fai 2*30,宽度方向间隔5mm),试图用此方法进行奥氏体不锈钢分辨力测试,遗憾的是后来没有钻孔,也就没有试验数据。原因是工人当时漏钻了。不过,我估计试验效果不理想。
对于第三种情况,在制作试块过程当中,需要设定两相邻横通孔的位置。经过实践摸索,奥氏体不锈钢N08810 fai 2或fai 3横通孔,横波至少需要15mm的间隔才能使得两相邻通孔区别不受影响(即视窗里出现一个反射体信号)在距离缩小到10mm时,会在视窗内发现两个反射体信号。同时,纵波需要的距离更小。
回复 wjjxuey 2013-5-31 10:06
luolang1314: 超声分辨力的确如您所说比较混乱,有些概念可能会似是而非。我有如下理解:
1,一般谈超声极限分辨力为极限可检出分辨力,即多大的人工反射体(平底空,其它反射 ...
第3条对于分辨力而言似乎必要性不强;更多地是用于试块人工反射体布置。
回复 luolang1314 2013-5-31 11:29
wjjxuey: 第3条对于分辨力而言似乎必要性不强;更多地是用于试块人工反射体布置。
同意您的观点!主要是设计试块的时候,遇到这个问题,一并提了出来。其实这个和分辨力关系不大。因为对应尺度太大了点。

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