超声检测灵敏度极限的研究

　　1　引言

　　超声检测灵敏度是指超声检测系统能发现的最小不连续性的尺寸,灵敏度越高,能发现不连续性的尺寸越小,因而它是超声检测系统最重要的性能之一,在某些特殊材料(如陶瓷等)或某些完整性要求极高的工件的检测中尤为重要。尽管如今超声已可检测出小至微米级的不连续性[1],提高检测灵敏度的努力仍在继续,并不断取得进展。因而人们不禁要问超声能检测出的最小不连续性尺寸到底是多少?或超声检测的灵敏度是否存在极限?

　　2　检测最小不连续性理论分析

　　2.1　理论模型

　　以A显示反射法检测最小不连续性的模型如图1所示,接收电路输出的不连续性的回波信号幅度为:

　　V=E·η·T·D(θ)·G(x)·W(f,d)·A·e-2αx(1)

　　式中　E—激励信号幅度

　　η—换能器的发射和接收效率

　　T—耦合层的声压透过率

　　D(θ)—换能器的发射和接收指向性

　　G(x)—扩散衰减

　　W(f,d)—最小不连续性的散射功率

　　α—介质的衰减系数

　　x—声程

　　A—接收放大电路的放大倍数

　　2.2　理论分析

　　检测系统所接收到的不连续性的信号幅度V是由激励信号幅度E、换能器的发射和接收效率η、耦合层的声压透过度T、换能器的发射和接收指向性D(θ)、扩散衰减G(x)、最小不连续性的散射功率W(f,d)、介质的衰减系数α、声程x和接收放大电路的放大倍数A等因素决定的。该信号幅度很重要,因为对某特定的不连续性,其回波幅度越大,越容易被检出;反之则越容易被漏检。

　　对于特定的被检对象、检测系统和特定位置的不连续性,其它因素保持相同,只有散射功率W(f,d)对不连续性的信号幅度V起决定作用。当被检介质中的不连续性远小于其中传导声波的波长时,将发生散射现象。最小不连续性的散射能力可用散射功率W(f,d)来表示,W(f,d)由检测频率、不连续性的尺寸、形状及性质决定。以钢中球形气孔为例,球形气孔对连续平面波的散射功率为[2]:

　　式中　I0—入射波声强

　　C—声速

　　f—检测频率

　　δm—散射相位(可从文献[2]中查阅)

　　钢中球孔(以直径d=0.2 mm为例)的相对散射功率W′(f,d) =W(f,d)I0随频率变化的理论计算结果如图2所示。

　　当Kd 1,即频率较低时,W′(f,d)随f的增加而增加,即不连续性的回波信号幅度随频率的增加而提高;