一种基于图形的超声检测脉冲回波信号分析方法
【技术领域】
[0001] 本发明提出了一种基于图形的超声检测脉冲回波信号分析方法。该方法针对自发 自收模式超声检测，提出了一种描述超声脉冲传播的时间与空间关系及回波波形信息的二 维表达图形和基于该图形的超声检测脉冲回波信号分析方法，可以快速辨认出各个回波信 号是哪个反射面的第几次的回波。 二、
【背景技术】
[0002] 在分析采用压电式超声换能器自发自收检测模式的脉冲回波信号时，由于声波信 号遇到多个反射体产生多次反射，换能器接收到的时域回波信号呈现复杂规律，直接用回 波信号的时域波形分析各个回波信号的具体来源较困难，若对回波信号的来源分析出现错 误，就可能给出错误的检测结果和结论。
[0003] 采用单个带透镜的压电式超声波探头以自发自收方式进行无损检测时的超声传 播规律如图1所示。假设透镜的长度为Q，声速为(^，耦合水程的长度为L2，声速为〇2。压 电元件①在电脉冲的激励下产生的超声波由界面A传入透镜②，传至其另一端面时在界面 B产生透射和反射。若取压电元件产生超声波的时刻为0时刻，则反射回波经透镜传播后 返回到压电元件转换成电信号的时间为A 透射波在水中传播到达发射体④时，在界 面C产生反射，该反射回波在界面B和C之间的传播时间为G 无损检测的研究人员 经常通过由时间作为横坐标，反射脉冲幅度作为纵坐标的曲线，称为A扫曲线，来分析自发 自收方式的检测信号，如图2所示。
[0004] 从A扫曲线可以看出，各界面脉冲回波返回压电元件的时刻，但不能直接看出各 脉冲来自哪个反射界面。
[0005] 本发明提出了一种分析单探头自发自收超声检测时，同时表达超声脉冲传播路径 和传播时间的信息的二维图形分析方法。 三、
【发明内容】
：
[0006] 如图3所示，压电元件与透镜之间的耦合界面为A，透镜与水的耦合界面为B，水与 被测反射体的耦合界面为C，三个界面以平行直线表示，A、B界面间的空间表示透镜介质， B、C界面间的空间表示耦合水介质，用以Θ角入射的斜线表示超声波脉冲在各介质中的传 播路径，斜线的长度表示超声波在各介质中传播路径的长度，假设超声波在透镜中的双向 传播总时间为L，在水程中的双向传播总时间为t2,则
[0007]
[0008] 1^osΘ〇c11?L2= 12cosΘ〇c12
[0009]
[0010] 在传播路径斜线与界面A(压电元件与透镜接触面）的交点处，用竖线表示界面反 射回波，竖线的长度表示回波的强度。
[0011] 以上述关系式为约束，按图3方式画图，同时对横纵坐标考虑比例因子标度，则图 3的横坐标表示超声脉冲传播时间，纵坐标方向包含介质厚度信息，再加上表示回波强度的 纵坐标，图3清晰地表达了自发自收超声检时脉冲传播的时间和空间信息。考虑各界面多 次反射，回波信号分析如图4所示，从图中可以直观快速地辨认出检测信号波形中出现在 不同时刻的回波信号是来自哪个反射面的第几次的回波。
[0012] 本发明涉及一种基于包含空间和时间信息的图形的脉冲激励声波的回波信号分 析方法。本方法可以快速辨认出各个回波信号是来自哪个反射面的第几次的回波。
[0013] 本发明方法的所具备的条件是这样的，给探头一个脉冲激励信号，采用自发自收 模式进行超声检测，分析检测信号中各回波脉冲对应的反射面。 四、
【附图说明】：
[0014] 图1自发自收模式超声检测时的超声波传播原理示意图
[0015] 附图标记说明如下1为透镜的长度，ci为透镜中声速，L2为耦合水程的长度，c2 为水中声速，①为压电元件，②为透镜，③为耦合介质水，④为被测反射体。A界面为压电元 件与透镜的接触面，B界面为透镜另一表面与耦合介质水的接触面，C界面为耦合介质水中 反射体的上表面。
[0016] 图2自发自收模式超声检测接收回波信号的时间与幅值关系波形示意图
[0017] 附图标记说明如下：S。为发射脉冲；Si*在界面B反射后的回波信号，即界面B的 一次回波信号；Sn为在界面C反射后的回波信号，即界面C的一次回波信号。
[0018] 图3自发自收模式超声检测时超声波传播的时间与空间关系及回波波形二维表 示图
[0019] 附图标记说明如下山为声波在透镜中的单向传播路径；1 2为声波在耦合介质水 中的单向传播路径。ltl为声波在透镜中的单向传播路径的水平分量；1,2为声波在耦合介 质水中的单向传播路径的水平分量。
[0020] 图4考虑界面多次反射时超声波传播的时间与空间关系及回波波形二维表示图
[0021] 附图标记说明如下：S。为发射脉冲；51、&、53、54为界面8反射后的回波信号，即界 面B的一次、二次、三次、四次回波信号，且51、52、53、5 4相邻信号时间间隔相等为八^=七1; Su、Sl2、Sl3(i= 1，2,3,4)为界面B的一次、二次、三次、四次反射（透射）信号在界面C产 生的一次、二次、三次回波信号，且Su、Sl2、Sl3相邻信号时间间隔相等为Δ12= 12。 五、
【具体实施方式】：
[0022] 下面对本发明的【具体实施方式】进行详细说明：
[0023] 对于图1所示的带透镜探头自发自收检测模式，探头发出声波后，在透镜中、耦合 介质水中以及被测物体中传播，在透镜与水界面和水与被测物体界面反射，反射回波信号 如图2,可得界面间传播时间tJPt2。
[0024] 设定画图时表示声传播路径的斜线入射角θ，计算表示透镜的长度Ll和表示耦合 水介质厚度的12值
[0025]
[0026] 取合适的比例系数，考虑多次反射，根据探头、耦合介质以及被测物体的空间位置 关系，画出超声传播时间与空间关系及回波信号u(t)_t的二维表示图，如图4。
[0027] 从图4中，从界面A上各回波出现的位置沿声传播斜线寻找反射界面，即可直观快 速的分析出检测信号波形中出现在不同时刻的回波信号是来自哪个反射面的第几次的回 波。
【主权项】
1. 一种基于图形的超声检测脉冲回波信号分析方法，其特征在于：应用图形表示回波 脉冲的到达时刻和对应的反射界面，可以快速辨认出各个回波信号是哪个反射面的第几次 的回波。2. 根据权利要求1的方法，用斜线表示超声波传播路径，并利用声速、声程和传播时间 之间的物理关系使得传播时间和介质厚度可在二维平面图中集中表达，同时表达了超声脉 冲传播的时间与空间关系以及回波信号波形信息。3. 根据权利要求1的方法，考虑比例因子对横纵坐标进行标度，图形的横坐标长度表 示传播时间、纵坐标包含介质厚度信息和回波信号幅度信息，因此脉冲回波之间的传播时 间可以从图中坐标直接读出。且各界面的相邻次回波信号之间的时间间隔相等。4. 根据权利要求1的方法，在压电元件与透镜界面的回波点用竖线表示回波，竖线长 度表示回波信号强度，与实际中示波器观察到的信号波形一致，符合工程应用习惯。
【专利摘要】本发明涉及了一种基于图形的超声检测脉冲回波信号分析方法。本发明针对自发自收模式超声检测，根据探头压电元件在脉冲电压激励下发射脉冲超声波，在耦合介质和被测物体中传播遇到界面反射产生回波的物理规律，提出了一种在说明书中详述的包含超声脉冲传播时间与空间关系及回波波形信息的二维表达图形和基于该图形的超声检测脉冲回波信号分析方法，使用本方法可以快速辨认出各个回波信号是哪个反射面的第几次的回波。
【IPC分类】G01S7/539
【公开号】CN105388469
【申请号】CN201510705617
【发明人】肖定国, 张秀华, 潘勤学, 徐春广, 杨超, 张正, 杨校华
【申请人】北京理工大学
【公开日】2016年3月9日
【申请日】2015年10月27日