超声检测系统的建模研究

　　1引言

　　超声无损检测是分析材料特性和检测缺陷的重要方法。一直以来，国外都尝试用建模的方法来对超声无损检侧系统进行定量的研究。因为任何一个超声检测系统都可以分为以下几个环节:超声激励脉冲的发射，超声检测信号的接收，电缆传输，换能器的超声发射/接收，以及超声在媒介中的传播。应用相应理论，建立上述各个环节的子模型，而后将这些模型组合起来，从而建立整个超声检测系统的模型，可以通过该模型对整个超声检测系统进行仿真分析。这是一种全新的系统分析的方法，可以大大节省检测时间和费用。该模型涉及电子领域，声学领域，故称为电声模型(EMA模型)。本文将重点介绍建模的过程。

　　2模型建立

　　模型可以分为三部分:超声波发射过程，超声检测信号接收过程以及超声传播过程。模型的每个子模型都有精确的数学描述，但本文通过简单测量来获得这些模型参数，对模型的具体数学描述不作讨论。下面介绍一下该模型的建立过程(各个环节的模型都是频域表示)。

　　2.1超声波发射过程

　　2.1.1超声激励脉冲发生器

　　超声脉冲发生器是一个复杂的电压驱动电路。但在这里，脉冲发生器的内部特性并不重要，重要的是其网络输出特性(输出波形，内阻抗)。这里我们把脉冲发生器简化为一个线性器件，用一个Thevenin等效电路(图l)来模拟它。这个电路包括电压源Vi(w)和一个串联电阻抗买Zi(w)。事实上，由于实际电路中有二极管保护电路，脉冲发生器在不同的设置下并不是全局线性的。但是，如果电路外部电气负载不变，且电路的各种参数(如衰减度，能量级)一旦确定下来，该模型可以精确模拟脉冲发生器。

　　2.1.2电缆

　　很少有文献讨论换能器电缆在超声正常检测频率(1-2oMHz)下对系统的影响。事实上对电缆的影响进行补偿在换能器特性研究中是至关重要的。这里我们把换能器电缆看作是无损耗的传输线，用一两端口系统来描述其特性(图l)，模型表达式如式(l)。

　　2.1.3换能器

　　换能器的建模较为复杂，因为它包含了电气部件，压电部件，机械部件。模型中，必须选择合适的集总参数对这些领域进行描述:电压/电流，声压积分/声速，这样才能与检测系统中其他环节模型的参数相统一从而进行组合。通过检测

　　对于同一个换能器而言，该转换矩阵是确定的，且是可逆的。这样，我们将换能器简化为一两端口的可逆系统。但这并不是一个完整的换能器模型。当换能器产生的超声波进人一个传播媒介，这个过程等价于在换能器的机械端口接了一