超聲波在水中衰減的頻率效應(yīng)及其對(duì)脈沖回波的影響

程明，潘勤學(xué)，肖定國(guó)，徐春廣，劉然，楊超

（北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京100081）

0 引言

衰減是超聲波在介質(zhì)中傳播的重要特性。一方面，可以利用超聲波的衰減特性表征金屬材料的成分、表征乳液和懸浮液顆粒的粒徑和濃度、表征生物組織特征等［1-4］；另一方面，超聲衰減會(huì)對(duì)基于界面反射原理的脈沖反射式超聲無損檢測(cè)方法的檢測(cè)性能產(chǎn)生不利影響。對(duì)于脈沖反射式超聲無損檢測(cè)方法，超聲脈沖的中心頻率是決定其檢測(cè)能力的關(guān)鍵參數(shù)，它決定著常用的脈沖反射法測(cè)厚檢測(cè)的測(cè)量分辨力和脈沖反射法C掃查成像檢測(cè)的橫向分辨力，在高頻超聲檢測(cè)及超聲顯微檢測(cè)中，這種尤為明顯［5］。采用超聲脈沖回波法進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，要判斷檢測(cè)能力，需要考慮超聲波傳播的衰減特性，分析反射回波的中心頻率和信號(hào)波形；此外，分析超聲傳播的衰減特性可以預(yù)測(cè)回波頻率和信號(hào)波形。目前，針對(duì)超聲衰減的研究主要集中在30 MHz以下的領(lǐng)域，對(duì)高于100 MHz的超聲衰減研究較少［6-11］。

本文針對(duì)水耦脈沖反射式超聲，研究了高頻超聲波在水中傳播的衰減規(guī)律及其對(duì)脈沖超聲波中心頻率的影響。在分析超聲波在介質(zhì)中傳播的衰減機(jī)理以及衰減模型的基礎(chǔ)上，使用帶平面聲透鏡的標(biāo)稱中心頻率300 MHz的高頻超聲換能器和表面光滑的陶瓷塊反射體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究超聲波在水中傳播衰減的頻率特性，以及對(duì)反射回波脈沖中心頻率的影響。

1 超聲波傳播衰減的距離及頻率效應(yīng)模型

1.1 超聲波傳播衰減的距離效應(yīng)模型

超聲波在液體中傳播的衰減主要分為由傳播介質(zhì)特性決定的吸收衰減、散射衰減，以及由聲源特性引起的擴(kuò)散衰減。在研究聲波與傳播媒質(zhì)特性關(guān)系時(shí)，僅需考慮前兩類衰減；計(jì)算聲波傳播損失時(shí)，必須全面考慮這三類衰減因素。計(jì)算衰減系數(shù)時(shí)，如果衰減斜率與頻率成線性關(guān)系，則可以考慮通過對(duì)數(shù)譜線性擬合來計(jì)算衰減斜率［7，12-13］。

通常，由傳播介質(zhì)的特性決定的超聲衰減遵從指數(shù)衰減規(guī)律［14-16］，即沿聲波傳播方向的振幅A與傳播距離x的關(guān)系為

式中：A0為初始振幅；α為衰減系數(shù)。

目前，實(shí)驗(yàn)已經(jīng)驗(yàn)證了超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)聲壓與振幅隨距離的指數(shù)變化的關(guān)系。R.Martinez等人［17］在19.7℃和25℃的純水中，分別用脈沖回波法和透射法實(shí)測(cè)了1 MHz超聲波隨傳播距離的衰減情況，結(jié)果如圖1（a）所示。

圖1（a）說明，超聲回波信號(hào)的幅值隨傳播距離的變化呈現(xiàn)指數(shù)規(guī)律衰減。但是，該實(shí)驗(yàn)觀察的是脈沖信號(hào)的衰減，從換能器發(fā)出的脈沖波形是寬頻的，帶有多個(gè)頻率成分，脈沖超聲波傳播一定距離后的幅值衰減并不僅僅是1 MHz頻率成分的幅值衰減，而是多個(gè)頻率成分幅值衰減后疊加后的結(jié)果。因此該實(shí)驗(yàn)并不能準(zhǔn)確描述不同頻率的衰減情況。如圖1（b）所示，在相同傳播距離下不同頻率的反射回波具有不同的衰減系數(shù)，頻率越高衰減越大［16，18］。

1.2 超聲波傳播衰減的頻率效應(yīng)

Thorp［11］認(rèn)為衰減系數(shù)是頻率的函數(shù)，并總結(jié)了衰減系數(shù)與頻率之間關(guān)系的公式，但是該公式只適用于低于5 MHz的超聲波。

Dingguo Xiao等人［19］設(shè)計(jì)了脈沖回波法實(shí)驗(yàn)來研究單個(gè)頻率成分的幅值衰減規(guī)律。如圖2所示，反射體表面回波的中心頻率明顯低于透鏡回波的中心頻率，且表面回波的幅值遠(yuǎn)低于透鏡回波。由此可知在水中傳播的超聲波具有衰減現(xiàn)象，并且頻率越高，衰減速率越快。

該實(shí)驗(yàn)及Perter B的實(shí)驗(yàn)關(guān)于不同頻率成分衰減不同的結(jié)論，說明了使用式（1）來描述含有多個(gè)頻率成分的脈沖超聲信號(hào)的衰減是不準(zhǔn)確的，對(duì)于特定的頻率，振幅隨距離的衰減規(guī)律呈指數(shù)關(guān)系，但是對(duì)于特定的傳播距離，不同頻率成分的振幅隨頻率的衰減規(guī)律尚不清楚，有待研究。

圖1 幅值隨距離衰減和衰減系數(shù)隨頻率變化曲線

1.3 超聲波傳播衰減的距離效應(yīng)和頻率效應(yīng)綜合模型

本文提出了將不同位置的反射回波進(jìn)行傅里葉變換以取得各個(gè)頻率成分的幅值，然后計(jì)算其與初始位置的幅值之比的方法，來求得對(duì)應(yīng)頻率衰減系數(shù)和多頻率成分超聲波的衰減譜，由此得到脈沖超聲波在傳播時(shí)聲波幅值與傳播距離、頻率的綜合模型。

由上述研究結(jié)果可知：頻率固定時(shí)，超聲波的傳播衰減隨距離增大而增大，且遵從指數(shù)衰減規(guī)律；傳播距離固定時(shí)，超聲波的傳播衰減隨頻率增大而增大。超聲檢測(cè)中常用脈沖波（脈沖波是寬頻超聲波），因此分析其衰減規(guī)律時(shí)應(yīng)綜合考慮距離效應(yīng)和頻率效應(yīng)，衰減模型式（1）中應(yīng)考慮衰減的頻率效應(yīng)，即衰減系數(shù)α是關(guān)于頻率f的函數(shù)。因此式（1）可擴(kuò)展為含有頻率和距離兩個(gè)變量的公式。式（2）描述了頻率為f的超聲波分量的衰減規(guī)律。

圖2 透鏡回波與反射體表面回波的時(shí)域頻域圖

式中：A（f）為傳播衰減后的聲波幅值；A0（f）為初始傳播位置的聲波幅值；α（f）為衰減系數(shù)頻譜。使用脈沖回波法檢測(cè)時(shí)，聲波在水中的傳播距離x為傳感器到反射體距離的2倍。

將式（2）移項(xiàng)并取對(duì)數(shù)后可得

2 脈沖超聲波在水中傳播衰減規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究方法及衰減系數(shù)頻譜測(cè)量方法

實(shí)驗(yàn)通過采集和分析經(jīng)不同反射距離傳播的脈沖超聲波信號(hào)，研究超聲波傳播衰減與傳播距離和超聲頻率的關(guān)系。在水中傳播的信號(hào)振幅衰減系數(shù)會(huì)隨溫度變化，但是該誤差影響很小，可以忽略［14］。

利用高頻超聲顯微鏡實(shí)施實(shí)驗(yàn)研究，如圖3所示，高頻超聲換能器用于激發(fā)和接收脈沖超聲波，回波脈沖信號(hào)經(jīng)脈沖收發(fā)儀放大后由數(shù)字示波器采集記錄，利用顯微鏡的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)使換能器沿Z軸方向位移，實(shí)現(xiàn)反射距離調(diào)整，利用陶瓷試塊作為聲波反射體。

圖3 脈沖超聲波在水中傳播衰減的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖3 中，高頻超聲換能器從離反射體表面極近的位置x0處向遠(yuǎn)離反射面的方向移動(dòng)，直到幾乎觀測(cè)不到反射回波的位置xn處，采集不同反射距離xi處（此時(shí)超聲脈沖的傳播距離是2xi）的反射回波信號(hào)，得到如圖4（a）所示的脈沖回波時(shí)域波形。

使用快速傅立葉變換（FFT）的方法對(duì)反射回波數(shù)據(jù)進(jìn)行離散傅里葉變換，其實(shí)數(shù)部分反映回波脈沖不同頻率成分的幅值強(qiáng)度，即回波脈沖的幅值頻譜，如圖4（b）所示。

對(duì)不同反射距離xi（i＝0，1，2…n）處的回波信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，計(jì)算xi（i＝0，1，2…n）處反射脈沖不同頻率成分fj（j＝1，2，…，n）的幅值A(chǔ)i（fj）與初始位置x0處該頻率成分幅值A(chǔ)0（fj）的比值，可得幅度衰減與距離及頻率的關(guān)系數(shù)據(jù)，如表1所示。

圖4 反射回波脈沖的時(shí)域波形與幅值頻譜

表1 幅值衰減與距離及頻率的關(guān)系

按列分析表1中的數(shù)據(jù)，可以得到回波脈沖信號(hào)不同頻率分量fj（j＝0，1，2，…，n）的幅度隨傳播距離xi（i＝0，…，n）衰減的規(guī)律，即xi-Ai（fj）／A0（fj）（i＝1，2，…，n）曲線，該曲線代表某一特定頻率fj（j＝1，2，…，n）分量的振幅衰減比隨傳播距離的變化規(guī)律。根據(jù)已有的超聲波傳播衰減機(jī)理和模型，該曲線應(yīng)為指數(shù)曲線，符合式（1）。若不同頻率下的xi-Ai（fj）／A0（fj）（i＝1，2，…，n）曲線呈現(xiàn)規(guī)律性變化，則說明衰減系數(shù)與頻率f有關(guān)，式（2）指數(shù)規(guī)律衰減模型成立。

按行分析表1中的數(shù)據(jù)，可以得到回波脈沖在不同傳播距離xi（i＝1，2，…，n）下幅度衰減程度隨頻率變化的規(guī)律，即fj-Ai（fj）／A0（fj）（j＝1，2，…，n）曲線，該曲線代表某一特定反射距離xi處振幅衰減比隨聲波頻率的變化規(guī)律，進(jìn)一步計(jì)算可得到該傳播距離下的衰減系數(shù)頻譜α（f）。根據(jù)已有的超聲波傳播衰減機(jī)理和模型，不同反射距離下得到的衰減系數(shù)頻譜應(yīng)是相同的。

根據(jù)上述分析，可建立基于脈沖反射傳播的超聲波傳播衰減系數(shù)頻譜測(cè)量方法：采集相距x的兩個(gè)反射距離下的超聲脈沖回波信號(hào)，并進(jìn)行傅里葉變換，計(jì)算這兩個(gè)信號(hào)各頻率分量的幅值比，得到fj-A（fj）／A0（fj）（j＝1，2，…，n）曲線，再根據(jù)式（3）即可算出衰減系數(shù)頻譜如式（4），這種方法相較于連續(xù)正弦信號(hào)激勵(lì)法將更加快捷方便。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 超聲傳播衰減的距離效應(yīng)和頻率效應(yīng)實(shí)驗(yàn)

如圖5所示，從超聲換能器入射到水中的超聲波信號(hào)在頻域上的表現(xiàn)不是中心頻率為300 MHz的理想波形，實(shí)際中心頻率為211.21 MHz。本文主要研究水中頻率的衰減，所以先不關(guān)注傳感器內(nèi)部的頻率衰減。按照上文擬定的實(shí)驗(yàn)方案對(duì)標(biāo)稱中心頻率為300 MHz的高頻脈沖超聲波在水中傳播的衰減情況進(jìn)行測(cè)量。

選取x0＝0.5 mm為參考反射距離，該反射距離下測(cè)得的反射回波脈沖信號(hào)如圖5所示，該脈沖信號(hào)的峰峰值幅度為0.2 V，中心頻率為115.40 MHz。

由于反射回波各頻率成分的幅值在25～250 MHz范圍內(nèi)比較清楚，所以在該范圍內(nèi)實(shí)測(cè)衰減的距離效應(yīng)和頻率效應(yīng)。

通過移動(dòng)超聲換能器，得到不同的反射距離處的回波信號(hào)，測(cè)得反射距離x為0.9，1.9，2.9，3.9 mm時(shí)的反射回波波形如圖6（a）所示，從圖中可以看出，隨著反射距離的增大，反射信號(hào)的幅度明顯減小，幅度隨傳播距離增大按指數(shù)規(guī)律衰減，如圖7（a）所示。根據(jù)反射體表面回波的頻譜可以看出，反射體表面回波相對(duì)于初始位置反射體表面回波有明顯的幅值衰減和頻率左移現(xiàn)象。

圖5 反射距離x0＝0.5 mm位置時(shí)反射回波時(shí)域波形及其頻譜

圖6 脈沖超聲的部分時(shí)頻域波形

圖7 脈沖超聲傳播的距離效應(yīng)和頻率效應(yīng)

圖6 （b）展示了在不同反射距離下反射回波脈沖信號(hào)的幅值頻譜，可以看出，隨著反射距離的增大，反射脈沖信號(hào)的中心頻率明顯減小，其規(guī)律如圖7（b）所示，反射脈沖的中心隨傳播距離增大而變小的現(xiàn)象是由于超聲波的衰減具有頻率相關(guān)性，即脈沖超聲波中的高頻分量比低頻分量衰減更大的效應(yīng)導(dǎo)致的。

3.2 距離效應(yīng)和頻率效應(yīng)的衰減規(guī)律分析

3.2.1 距離效應(yīng)衰減特性及其表征模型

根據(jù)不同反射距離脈沖回波的幅值頻譜，對(duì)4個(gè)頻率分量f為109.25，139.77，151.18，182.49 MHz的幅值隨反射距離衰減的情況進(jìn)行計(jì)算，對(duì)數(shù)據(jù)擬合得到距離衰減曲線，結(jié)果如圖8所示，圖8（a）用絕對(duì)幅值減小表示超聲傳播距離衰減效應(yīng)，圖8（b）用相對(duì)幅值減小表示傳播距離衰減效應(yīng)。可以看出，對(duì)于所有的頻率，超聲傳播的距離衰減效應(yīng)呈現(xiàn)明顯的指數(shù)規(guī)律。幅值A(chǔ)與距離x間呈現(xiàn)明顯的指數(shù)衰減關(guān)系，如圖8（a）所示；幅值比A／A0與距離x也呈現(xiàn)明顯的指數(shù)衰減關(guān)系，如圖8（b）所示。曲線可用式（1）進(jìn)行描述，說明經(jīng)典的超聲波衰減模型雖然只考慮了衰減的距離效應(yīng)，但表征特定頻率超聲波的傳播距離衰減是正確的、可用的。對(duì)于特定頻率超聲波傳播，通過分析或?qū)嶒?yàn)獲得衰減系數(shù)α（f），即可用式（1）表征其距離衰減。

圖8 超聲傳播衰減的距離效應(yīng)

3.2.2 頻率效應(yīng)衰減特性及其表征模型

根據(jù)換能器初始位置x0和不同距離xn處對(duì)應(yīng)的頻譜圖數(shù)據(jù)來計(jì)算衰減系數(shù)頻譜α（f）。

根據(jù)不同反射距離脈沖回波的幅值頻譜，對(duì)4個(gè)反射距離2.4，4.4，8.0，9.8 mm處的反射回波進(jìn)行分析，計(jì)算幅值衰減隨頻率的變化情況，對(duì)數(shù)據(jù)擬合得到頻率衰減曲線，結(jié)果如圖9（a）所示。曲線本質(zhì)上是特定反射距離下超聲傳播衰減系數(shù)隨頻率變化的規(guī)律，本文稱其為超聲傳播衰減系數(shù)頻譜α（f）。可以看出，不同反射距離下測(cè)得的超聲傳播衰減系數(shù)頻譜規(guī)律基本相同，頻率越高，衰減系數(shù)越大。計(jì)算傳播距離x對(duì)應(yīng)的α（f）并進(jìn)行插值處理，得到超聲波的衰減系數(shù)譜模型，如圖9（b）所示。

圖9 超聲傳播衰減系數(shù)頻譜

按照上文提出的基于脈沖反射傳播的超聲波傳播衰減系數(shù)頻譜測(cè)量方法測(cè)得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并使用MATLAB對(duì)上述曲線進(jìn)行模型擬合，即可得到對(duì)應(yīng)特定反射距離的超聲波傳播衰減系數(shù)頻譜表達(dá)式。使用中值濾波函數(shù)（medfilt1）來處理異常峰值，并使用smooth函數(shù)進(jìn)行平滑處理，處理后的數(shù)據(jù)與原數(shù)據(jù)相比沒有其他明顯變化。如圖10所示，不同反射距離下的α（f）曲線具有相同的趨勢(shì)，把每個(gè)頻率對(duì)應(yīng)的不同距離處的衰減系數(shù)進(jìn)行平均處理，得到衰減系數(shù)的平均值數(shù)據(jù)點(diǎn)曲線。

圖10 原始α（f）數(shù)據(jù)曲線與平均值曲線

如圖11所示，采用2次高斯模型對(duì)平均值數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行曲線擬合。

圖11 原始數(shù)據(jù)點(diǎn)和2次高斯擬合后的α（f）曲線

平均值數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合公式為

式中：f為頻率，MHz。

數(shù)據(jù)點(diǎn)大都在擬合曲線附近，證明采用2次高斯模型能夠較好地表征超聲傳播衰減系數(shù)頻譜。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析表明，特定頻率超聲波的傳播衰減與傳播距離呈指數(shù)關(guān)系，同時(shí)，超聲波傳播的衰減系數(shù)隨超聲波頻率而變化，超聲波的傳播衰減，特別是無損檢測(cè)中常用的脈沖超聲波傳播衰減應(yīng)該使用綜合了距離衰減效應(yīng)和頻率衰減效應(yīng)的模型進(jìn)行表征，即

式中：a1，b1，c1，a2，b2，c2均 為 二 次 高 斯 擬 合參數(shù)。

4 結(jié)論

通過分析不同距離下反射脈沖回波的傅里葉變換結(jié)果，研究了超聲波在水中傳播時(shí)幅值衰減與傳播距離與超聲頻率之間的關(guān)系，總結(jié)了超聲波在水中傳播的衰減規(guī)律。得到了以下結(jié)論：

1）特定頻率的超聲波分量的幅值衰減與距離呈現(xiàn)指數(shù)衰減規(guī)律，證明可使用傅里葉變換的方法來研究多頻率成分脈沖超聲波的傳播衰減問題。

2）高頻成分具有更大的衰減系數(shù)，因此隨著傳播距離的增大，脈沖超聲波中幅值最大的分量的頻率逐漸減小，即脈沖超聲波的峰值頻率減小，如圖7（b）所示，反射距離從0.98 mm變化到2.9 mm時(shí)，脈沖回波的峰值頻率從103.14 MHz減小到了51.27 MHz。水浸脈沖超聲反射法是超聲無損檢測(cè)實(shí)踐中最常用的方法，脈沖超聲波的不同頻率成分在水中傳播時(shí)的衰減系數(shù)不同，高頻成分衰減快，低頻成分衰減較慢，因此，經(jīng)一定距離傳播衰減后，脈沖回波的峰值頻率會(huì)變低，即實(shí)際檢測(cè)頻率比換能器的標(biāo)稱頻率要低，在考慮水浸脈沖超聲反射法的檢測(cè)靈敏度和檢測(cè)分辨力時(shí)，應(yīng)注意由于超聲衰減的頻率效應(yīng)引起的脈沖超聲回波峰值頻率降低的特點(diǎn)。

3）超聲波在水中傳播的距離衰減系數(shù)和衰減系數(shù)頻譜可以通過本文的研究方法進(jìn)行實(shí)測(cè)，首先測(cè)量不同反射距離下脈沖超聲波在水中傳播的反射回波，然后對(duì)其進(jìn)行傅里葉變換，計(jì)算不同反射距離下各頻率分量幅值與參考距離下對(duì)應(yīng)頻率分量的比值，即可得到特定頻率聲波的距離衰減系數(shù)以及衰減系數(shù)頻譜。