超声波检测是应用最广泛的无损检测技术之一，在超声波检测过程中，激发参数对检测效果有着直接的影响。本文研究了超声波检测的激励方式、激励脉冲宽度、激励电压、激励脉冲的重复频率、阻尼电阻等激发参数对检测结果的影响规律，给出了在实际无损检测工作中对上述各个激发参数的设置原则，旨在为从事超声波检测的人员提供参考。

超声波检测是工业无损检测技术中应用最广泛的方法之一，技术的广泛应用也推动了检测设备的快速发展。近年来市面上的超声检测设备层出不穷，设备性能也由早期单参量的纯应用型设备向现代多参量的综合研究型设备发展。如此一来，检测中如何合理设置各参量参数值以获得理想的检测效果，对检测操作人员提出了更高的要求。

实际的超声波检测工作中，在特定的探伤仪和探头等硬件资源条件下，检测参数的设置对检测效果有着决定性的影响。对于现代超声波探伤设备而言，检测参数设置通常包括基本参数、激发参数和接收参数设置等内容，其中激发参数对检测结果的影响极为关键，它直接决定着检测系统的灵敏度、分辨力等性能指标。因此，笔者结合检测工作实际，研究了超声波探伤仪中激发参数设置对检测结果的影响规律，以帮助无损检测人员在实际检测工作中设置合理的激发参数。

超声波探伤仪的构成

超声波探伤仪又叫超声波A扫描仪，是利用超声波的声学特性对材料缺陷和损伤进行非破坏性检测的一种电子仪器，是进行超声波检测的最基础设备。它主要由同步电路、发射电路、接收电路、时基电路、显示及报警电路、电源及辅助电路等七大部分组成，其基本工作原理见图1所示。

图1 A型显示脉冲超声波探伤仪基本工作原理

同步电路也称作同步脉冲发生器，其作用是产生周期性的同步脉冲信号，作为发射电路、时基电路以及其它辅助电路的触发脉冲，使各电路在时间上协调一致工作。发射电路是一个电脉冲信号发生器，在同步脉冲信号的触发下产生高达几百伏的高压电脉冲，施加到超声波探头的压电晶片上产生脉冲超声波。接收电路是对经压电晶片转换后得到的微小电脉冲进行放大、检波，使其能够在显示器上得到足够的显示。时基电路又称扫描电路，用来产生时基线。显示电路对处理后的信号进行显示输出。电源电路用来给仪器供电。辅助电路包括闸门电路以及距离幅度补偿电路等。

在超声波探伤仪的构成中，发射电路是其核心部分，它对整个探伤仪系统的检测范围、灵敏度余量、分辨力等综合性能指标有着重要影。因此，在实际超声波检测中，应合理的设置激发参数，以获得最优化的检测结果。

超声波激发参数对检测结果的影响分析

目前市面上的A型显示脉冲超声波探伤仪发射部分的主要激发参数包括激励方式、激励脉冲宽度、激励电压、脉冲重复频率和阻尼大小等。下文作者将分别针对各激发参数对检测结果的影响开展研究。

01激励方式对检测结果的影响

尖脉冲和方波是目前超声波探伤仪中两种最常见的激励方式，现代的超声波探伤仪一般都同时集成了尖脉冲激励和方波激励两种激发方式可供用户设置，以应对不同的检测对象和需求。

为了研究不同脉冲激励方式对实际超声检测效果的影响，第二炮兵学院的杨剑等人研究了两种激励方式对不同材料检测的效果，并获得了在合适的方波激励条件下得到的检测信号幅值是尖脉冲得到信号幅值的两倍左右的结论。图2所示为其采用尖脉冲和方波激励分别对碳纤维增强树脂基复合材料试样和铝合金试样测试的试验结果。对于碳纤维增强树脂基复合材料，受结构各向异性和纤维界面的影响，超声波在其中的传播衰减大，探头接收到的回波信号较弱，基于信号分析与处理要求，方波激励要优于尖脉冲激励。而对于铝合金试样，超声波在其中传播时衰减较小，回波信号较强，尖脉冲激励已经能够满足实际的检测要求，而且其回波信号噪声明显比方波激励模式下要小。

(a)尖脉冲激励碳纤维复合材料试样；(b)方波脉冲激励碳纤维复合材料试样

(c)尖脉冲激励铝合金试样；(d)方波脉冲激励铝合金试样

图2 不同激励方式下测试结果

因此，基于杨剑等人的研究结果可知，在实际的超声检测中，对于树脂基碳纤维增强复合材料等高衰减材料，为了获得较大的声波激发能量和较好的回波信号幅度，提高超声脉冲幅度和穿透能力，更适合采用方波激励方式；而对于铝合金等材质均匀、超声传播衰减小的金属材料，宜采用尖脉冲激励方式，以获得较好的检测信噪比和分辨率。

02方波激励脉冲宽度对检测结果的影响

对于方波激励而言，其一次激励可以使超声探头产生两次振动，见图3。调节激励方波的宽度可以使两次振动进行叠加或减弱，当激励方波信号的脉冲宽度为所用超声波探头中心频率的1/2周期时，此时探头两次振动产生的信号相位相同，通过两次振动信号的叠加，合成后的信号幅值达到最大值（理论条件下，此时方波激励产生的波形幅度将是同等激励电压下尖脉冲激励所产生的波形幅度2倍，即高12dB），此时的检测灵敏度最高；当激励方波脉冲宽度设置为所用探头频率的一个周期时，两个振动信号的相位相反，叠加后的合成信号振幅最弱，此时的检测灵敏度最差，见图4。

图3(左)激励方波使超声探头产生两次振动过程；图4(右)不同方波脉冲宽度下的信号叠加示意图

图5所示为采用GE-USM GO+探伤仪匹配OLYMPUS 5MHz探头（周期为200ns）在不同激励方波脉冲宽度下的信号特征图谱，图6为在不同激励方波脉冲宽度下的测得的回波幅度和回波宽度曲线。

图5(上)5MHz探头在不同激励方波脉冲宽度下的回波信号图谱；图6(下)不同激励脉冲宽度下的波幅和回波宽度比对曲线

从图5、图6可以看出，对于方波激励，在激励脉冲宽度小于探头额定频率1/2周期时，随着激励脉冲宽度的增加，信号回波幅度增加；当脉冲宽度达到探头额定频率1/2周期后，回波信号幅度达到最大，当继续增大脉冲宽度，信号幅值逐渐下降，当脉冲宽度增大到一定值时，检测信号最终被分成两个波形，这两个波形代表着对两个相同幅度和频率下尖脉冲激励的响应信号。而且随着激励脉冲宽度的增加，超声探伤仪上的始波宽度变宽，导致检测的上盲区增大，检测深度分辨率变差。

由于实际探头具有一定的带宽，从图7所示的曲线中可以看出，激励脉冲宽度在探头额定频率1/2周期点附近，改变激励脉冲的宽度对幅值变化的影响较小。因此，在实际采用方波激励进行检测时，激励脉冲的宽度应设置在探头额定频率的1/2周期附近，以获得最佳的检测灵敏度与分辨率组合。

同时，方波激励脉冲的上升时间或下降时间会直接影响到超声检测的精度和分辨率，方波上升时间和下降时间越短，激发脉冲的带宽越宽，越能激发探头的高频振荡，使探头响应的相对带宽也越大，发出的脉冲宽度更窄。因此，在实际超声波探伤仪选购中，要求激励方波上升时间或下降时间一般不超过20ns。

03激励电压对检测结果的影响

超声探头发射的超声波是由超声波探伤仪发出的激励脉冲电压施加到超声探头的晶片上使晶片振动而产生的，其振动的幅度直接影响着超声波输出能量的大小，超声波探伤仪给探头所施加的激励电压又决定着超声波振动的幅度。激励电压越高，激发的超声能量也越大，获得的回波幅度越高。图7所示为对相同直径不同埋深的缺陷，方波激发电压与回波信号幅度间的关系曲线，从中可以看出回波幅度与激发电压呈线性关系。

图7 方波激发电压与回波幅度间的关系

然而，对于超声检测系统而言，所施加的激励电压直接影响着超声波探头的使用寿命。施加的激励电压越高，压电晶片的振幅越大，但当振幅过大时，导致压电晶片内部应力太大超过了材料本身的抗拉强度，就会造成探头压电晶片材料开裂或断裂，从而导致探头损坏失效。此外，过高的激励电压也容易造成压电晶片的击穿；这种情况在高频探头中发生的概率更高，探头频率越高，其晶片材料就越薄，越容易破碎和击穿，耐压能力也就越弱。所以，在采用高频探头进行检测时，激励电压不能过高。

因此，在实际无损检测中，应选择适中的激发电压。激发电压过小，对超声波探头的驱动能力较弱，造成灵敏度余量不足。激发电压过大，容易出现过冲现象，导致噪声电平增大和动态范围缩小，而且过高的电压对探头也不利。

04重复频率对检测结果的影响

重复频率通常指的是超声波探伤仪发射激励脉冲的频率（在模拟式仪器中也等于每秒钟发射同步脉冲的次数），即每秒钟发射激励脉冲的次数，它决定了每秒钟向被测结构内发射超声波的次数。重复频率对于自动化检测尤为重要，自动化检测的优势之一就是可以自动记录超声信号，因而可以实现高速扫查，这就需要有较高的重复频率以保证不发生漏检。而在手工检测的目视观察的情况下，对于传统的模拟式超声波探伤仪而言，提高重复频率可以使波的亮度增加，便于观察。

然而，过高的重复频率会导致两次激发脉冲间隔时间变短，容易使超声波探头在受到前一激发时所产生的脉冲回波信号未来得及完全衰减消失而被落入到后一次的触发周期内显示（见图8所示），在仪器显示屏幕上形成干扰信号，如幻象波、虚假缺陷信号等，从而造成对检测结果的误判。

图8 幻象波产生原理示意图

图9所示为155mm厚的30CrMnSiA试件在同等发射功率、不同重复频率下检测获得的信号特征。当采用较高的重复频率进行检测时，在上表面波和底波间存在较强的、跳动的干扰波信号，影响检测结果的判定。在其它检测参数不便，逐步降低检测重复频率，当降低到一定程度时，干扰信号消失，检测信号的可识别性大大增强。

图9 重复频率2000Hz和500Hz时的信号特征

因此，在实际超声检测中，应选择合适的重复频率。在不产生干扰信号的前提下采用较大的重复频率可提高检测效率，尤其对于自动化检测，高的重复频率可以避免因扫查速度过快导致的漏检问题。

05阻尼电阻对检测结果的影响

超声波探伤仪的发射电路通常分为调谐式和非调谐式两种，其中非调谐式发射电路具有发射脉冲短（尖脉冲、方波等不同形式）、脉冲频带宽、可适应探头频带范围广等优点，是目前常见超声波探伤仪主要采用的发射电路方式。图10所示为典型的非调谐式发射电路原理图，其中的可调电阻R0即为阻尼电阻；阻尼电阻主要有两个作用，一是调节电容放电时间和发射功率，二是作为阻尼作用，调节探头发出的超声脉冲宽度。阻尼电阻值越小，发射的功率越小，发射的超声脉冲宽度越窄。阻尼电阻值越大，发射的功率越大，发射的超声脉冲越宽。

图10 非调谐式发射电路原理

实际检测中，超声波探伤仪上会提供了阻尼电阻的不同阻值档位供用户选择，用户可根据不同的材料、厚度和所采用的探头类型，选择合适的阻尼值，以获得良好的分辨率和检测效果。

结   论

激励方式、激励脉冲宽度、激励电压、脉冲重复频率和阻尼电阻是超声波检测的几个主要激发参数，在实际无损检测工作中，应根据不同的检测对象材料和所使用的探头型号，设置合适的检测参数，以确保获得良好的检测效果。

1）在其它参数相同的情况下，方波激励得到的检测信号幅度是尖脉冲激励的两倍，方波激励可以用于厚工件或衰减较大材料的检测，尖脉冲激励可以用于薄工件或对超声波衰减较小材料的检测。

2）激励方波脉冲宽度应设置在探头中心频率的1/2周期附近，以获得最佳的检测灵敏度与分辨率组合。

3）回波幅度与激发电压呈线性关系，激发电压过小，对超声波探头的驱动能力较弱，造成灵敏度余量不足。激发电压过大，容易出现过冲现象，导致噪声电平增大和动态范围缩小。在实际无损检测中，应选择适中的激发电压。

4）激发脉冲重复频率过高，容易出现干扰信号，影响检测信号的判别。激发频率过低，影响扫查速度和检测效率。在实际超声检测中，应选择合适的重复频率。

5）阻尼电阻值越小，发射的功率越小，发射的超声脉冲宽度越窄。阻尼电阻值越大，发射的功率越大，发射的超声脉冲越宽。实际检测中，应根据不同的材料、厚度和所采用的探头类型，设置合适的阻尼电阻值，以获得良好的分辨率和检测效果。

引用本文：

詹绍正，杨鹏飞，王丹，张伟，宁宁，樊俊铃.超声波激发参数对检测结果的影响[J].环境技术，2021，233(05):143-148.

专家简介：詹绍正（1982-），男，本科，高级工程师，主要从事飞机结构无损检测技术研究。