关于脉冲超声波的重复频率问题

关于脉冲超声波的重复频率问题
为什么检测厚工件要重复频率低（是为了避免幻像波吗），检测薄工件要重复频率高？重复
频率与灵敏度有什么关系？

1 脉冲超声波的两个频率术语
1.1 工作频率
即脉冲包络线内超声波的频率，这是大家熟悉的标称频率、中心频率等相近术语，具
体数值为5MHz、2.5MHz等。

1.2 重复频率
即每秒发射超声脉冲的次数，又叫脉冲频率、扫描频率。设脉冲周期为τ，则重复频
率fh=1/τ。

2 关于重复频率
2.1 为什么需要有重复频率？
脉冲波是持续时间短、间隔时间长的波；但在检测时，又必须是重复发射的波。这是
因为：

1)保持荧光屏脉冲信号有一定亮度。脉冲频率所以叫“重复频率”，是因为前后两个
脉冲时间间隔近似为τ，但它们在荧光屏上脉冲的位置却是重复的、重合的，所以重复频
率越高，荧光屏脉冲亮度也越高。荧光屏脉冲亮度低，不利于观察。根据人眼的视觉暂留和
荧光屏的荧光暂留现象，一般认为：在探头不移动时，要求产生稳定图像最少的重复频率fh
为20Hz。

2)检测期间内，探头在不停地运动，重复发来的脉冲波要保证声束扫查到应检部位的
全部体积。资料〔1〕认为：在标准规定的扫查速度下，当fh低于40Hz时，不利于实时扫
查。

2.2 对重复频率的具体要求
然而，重复频率并非越高越好。重复频率高，会使荧光屏整个背景亮度高，甚至会有
幻象闪烁，且还可能会导致不同脉冲信号间相互干扰。另外，重复频率高，仪器的功耗大，
携带不便，一般认为fh不大于500Hz为宜。

综合考虑上述利弊，超声仪器标准要求fh在50Hz~500Hz之间(？记忆不准，待查)。
2.3 重复频率与工件厚度的关系
两个时间间隔近似为τ的脉冲，它们的影像在荧光屏上是重合的，但它们的声程差却
很大。例如横波在钢中的速度Cs=3230m/s，假定重复频率fh=500Hz，两个脉冲的声程差
为6.46米。这个声程差之少半为3m，可视为衰减小材料横波的最大理论扫描范围(即不与相
邻脉冲相互干涉的范围)。而我们检测的工件最大厚度通常小于1m。所以在fh不大于500Hz
时，不会发生脉冲信号干涉现象，似乎重复频率与工件厚度，没什么关系。“厚工件要重复
频率低，薄工件要重复频率高”这样叙述，可能对厚度大于1m的工件，或fh>1000Hz钢件
而言的。一般情况下，如fh在80~200Hz，不需要考虑重复频率与工件厚度的关系。

2.4 重复频率和灵敏度的关系
这个问题，可能是：重复频率低、高，影响人眼的识别灵敏度。在50~500Hz范围内，
重复频率低时，背景暗，脉冲亮度与背景亮度对比度大，检测灵敏度较高，但重复频率不可
小于50Hz；在重复频率高时，脉冲亮度大，背景亮度也大，但由于荧光疲劳，脉冲亮度与
背景对比度反而小了，可能还有幻象波，影响检测可靠性，影响到细小缺陷检出，故而检测
灵敏度变低了。

参考资料：资料〔1〕：《美国无损检测手册.超声卷(上册)》1996中译本.
补充：关于荧光屏背景亮度与脉冲亮度的关系
我认为：每次发射，除了脉冲部分外，还要给荧光屏整个背景一定亮度，这是开机就
可见的事实。

在fh=50~500Hz范围内，脉冲和背景都有亮度维持和叠加问题。重复频率高，除脉冲
亮度高外，还会使荧光屏整个背景亮度高，这是必然的。当然这些，首先要决定于电子枪发
射电子束强度。

问题的关键在于一荧光屏亮度与电子枪发射电子束强度之间的关系，不是线性关系，
类似增感型胶片特性曲线，荧光屏亮度达到一定亮度，有反转区---荧光疲劳。脉冲部分电子
束强度大，亮度大；但可能因为反转，亮度Lm不因电子束强度大而变大，反而变小了；而
背景部分电子束强度小，亮度Lb却可能线性上升，因此，对比度Lm/Lb变小了。这是叠加
有害的事例。