超声检测

05 · 探头、带宽、近场与分辨率

理解有限孔径声场与脉冲长度，解释为什么高频、聚焦和大孔径各有代价。

基础5 分钟 · 含演算修订于 2026-10-28编辑责任：材相 Lab 编辑组

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先记住这三点

标称 5 MHz 探头并不只发出单一频率，它有一段频谱。带宽较宽通常对应较短脉冲，有利于分开相邻回波；窄带脉冲含更多周期。实际脉冲还受激励、阻尼、耦合和接收滤波影响。

轴向分辨能力与脉冲空间长度有关。对 n 周期脉冲，简单量级是往返测距下 Δz≈nλ/2。实际可分辨程度还取决于波形、幅度差和信噪比，不能仅靠此式宣布两个缺陷已分开。

理想圆形未聚焦活塞源在均匀介质中的常用近场长度估算为 N≈D²/(4λ)，D 为有效晶片直径。近场轴向声压有起伏，反射体稍微移动也可能使幅度变化。远场声束逐渐扩散，但不意味着每个局部都符合简单单调模型。

教学设 D=10 mm、f=5 MHz、c=5900 m/s，λ=1.18 mm，N≈21.2 mm。这是理想估算；楔块、匹配层、聚焦和复杂介质会改变实际声场。

较大孔径和适当聚焦可使焦区声束更窄，提高局部横向分辨，但焦区范围有限。离开焦区后分辨和幅度响应会改变。提高频率可缩短波长，却常伴随更强衰减或晶粒散射。

粗晶材料中高频背散射可能淹没目标回波，降频有时更适合穿透。多晶焊缝、铸件或复合材料应先验证频率与模式，而不是简单选设备允许的最高频率。

在简化均匀介质模型中，扣除几何声束变化后的幅度可写 A(L)=A₀exp(−αL)，α 是按幅度定义的衰减系数，单位 Np/长度。若按强度定义，指数系数相差两倍。衰减包含吸收与散射等贡献，往返脉冲回波的材料传播长度约为深度的两倍。

衰减的频率依赖与组织尺度有关。晶粒尺寸远小于波长时可出现 Rayleigh 型散射区间，但真实多晶材料还受取向、弹性各向异性和晶界结构影响，不能把一个频率幂次当作所有材料通用规律。几何扩散和界面反射损失应与材料本征衰减区分。

教学设幅度衰减为 0.1 dB/mm，反射体深度 30 mm，往返材料路程 60 mm，对应仅由该衰减项造成约 6 dB 的幅度损失。还未包括耦合、声束和反射体响应，所以它不是实际目标回波相对发射电压的总损失。

利用相邻底波估计衰减时，两次底波之间多了材料路程，也多了界面反射和衍射效应。若不修正这些因素，20log₁₀(A₁/A₂) 除以路程差得到的是表观损失，不能直接命名为材料本征衰减。

记录探头类型、有效孔径、中心频率、带宽、楔块、焦距/焦法则、耦合方式和温度。用实际声场或参考体检查目标深度范围。近场幅度比较和焦外定量尤其需要谨慎。

练习：D 加倍、频率不变时，理想近场长度增四倍；频率加倍则近场长度增两倍。孔径增大并不是让整个深度范围的幅度都更容易解释。

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