超声波如何接收

超声波接收技术是声学传感领域的核心环节，其本质是将人耳不可闻的高频声波转换为可处理的电信号。本文系统解析压电效应、电容检测等核心接收原理，深入探讨传感器结构设计、信号调理电路及噪声抑制等关键技术，并结合医疗影像、工业探伤等实际应用场景，完整呈现从声波捕获到信号输出的全链路工作机制。

       当我们谈论超声波技术时，多数人会联想到医院里在皮肤上滑动的B超探头，或是工业领域里检测金属内部缺陷的探伤仪。这些设备的神奇之处，不仅在于能发出高频声波，更在于它们能像拥有“顺风耳”一般，精准捕捉返回的微弱回声。这背后隐藏的，正是超声波接收技术的精妙世界。超声波接收，简而言之，是一个将无形的机械振动能量转化为可量化、可分析的电信号的复杂过程。它涉及的不仅是单一的物理效应，更是一套融合了材料科学、电子电路、信号处理等多学科知识的系统工程。本文将带您深入这个看不见的战场，层层剥茧，揭示超声波是如何被“听见”的。

一、 超声波接收的核心：从声波到电信号的跨越

       超声波接收的根本任务，是完成能量形式的转换。人耳听觉上限通常在20千赫左右，而超声波频率远超于此，范围通常在20千赫至数吉赫之间。这些高频机械振动无法被人耳直接感知，必须通过专门的换能器（通常称为探头或传感器）充当“翻译官”，将其转换为电信号。这个转换过程主要依赖于某些材料的特殊物理效应，其中最具代表性的是压电效应。

二、 压电效应：接收技术的基石

       1880年，法国物理学家居里兄弟发现了压电效应。该效应描述了一种奇特的物理现象：某些特定结构的晶体材料（如石英、钛酸钡、锆钛酸铅等），当受到外部机械压力（如超声波的压力波）作用时，其内部正负电荷中心会发生相对位移，导致材料表面出现符号相反的束缚电荷，从而产生与应力成正比的电压。这一现象被称为正压电效应，正是超声波接收的物理基础。当超声波的压力波作用于压电晶片时，晶片随之振动变形，表面就会产生微弱的交变电压，这个电压的波形和幅度就携带了超声波的信息。

三、 压电接收换能器的内部构造

       一个典型的压电超声波接收换能器并非只有一块孤零零的晶片。它通常由压电振子（即核心的压电元件）、声学匹配层、背衬阻尼块、外壳和电极等部分构成。压电振子是实现电-声转换的核心。声学匹配层置于振子前方，其声阻抗介于压电材料和传播介质（如人体组织、水或金属）之间，作用是减少声波在不同介质界面上的反射损失，让更多的声波能量能够高效地进入或传出振子。背衬阻尼块附着在振子背面，其主要功能是吸收振子向后辐射的声能并抑制其余振，从而缩短脉冲持续时间，提高接收系统的轴向分辨率。

四、 另一种重要机制：电容式超声接收

       除了压电接收，电容式接收是另一种重要技术，尤其在空气耦合超声和微机电系统领域应用广泛。其原理类似于一个可变的电容器：由一个薄而柔韧的振膜和一个固定的背板组成。当超声波压力作用在振膜上时，会引起振膜振动，改变振膜与背板之间的间距，从而引起电容量的变化。如果给这个电容器施加一个偏置电压，那么电容量的变化就会转化为电流信号。电容式接收器对低频空气超声尤为敏感，且易于制成阵列，实现成像。

五、 接收信号的特点：微弱且易受干扰

       经过换能器转换出的原始电信号极其微弱，通常只有微伏到毫伏量级，并且淹没在各种噪声之中。这些噪声可能来源于换能器本身的热噪声、前置放大器的电子噪声、环境电磁干扰以及声学耦合过程中的杂散反射等。因此，直接对这个信号进行解读几乎是不可能的，必须经过一系列精密的信号调理与放大。

六、 信号调理的第一步：前置放大器

       前置放大器是信号处理链路的第一个环节，通常被集成在探头内部或紧邻探头放置。它的首要任务是进行阻抗匹配，将换能器的高输出阻抗转换为低阻抗，以便信号能有效地传输至后续电路，减少信号损耗。同时，它要对微弱的电压信号进行初步放大。对前置放大器的核心要求是高输入阻抗、低噪声系数和高增益稳定性，其性能优劣直接决定了整个接收系统的信噪比基础。

七、 核心放大环节：主放大器与时间增益补偿

       主放大器负责对前置放大后的信号进行进一步放大。在超声检测中，有一个特殊挑战：由于声波在介质中传播会发生衰减，导致从深处反射回来的回波信号远比浅处回波弱得多。如果使用固定的增益进行放大，深部信号可能仍不足以被识别，而浅部信号却可能因放大过度而饱和失真。为解决此问题，采用了时间增益补偿技术。该技术使放大器的增益随时间（即随声波传播深度）而增加，从而补偿声波随距离的衰减，使得不同深度但反射能力相同的界面所产生的回波，在经过放大后能具有相近的幅度。

八、 滤除噪声的利器：带通滤波器

       放大器在放大有用信号的同时，也不可避免地放大了噪声。为了提取出特定频率范围的超声波信号，需要采用带通滤波器。它的作用是只允许以换能器中心频率为中心的一个特定频带内的信号通过，而强烈衰减带外的低频和高频噪声。滤波器的带宽设置至关重要：过窄的带宽会扭曲信号波形，降低分辨率；过宽的带宽则不足以有效抑制噪声。优化滤波器设计是提升信号质量的关键步骤。

九、 从交流到直流：检波器的作用

       经过放大和滤波后的信号通常是中心频率为零的交流信号，其包络线才真正代表回声的幅度信息。检波器（通常采用包络检波）的任务就是提取这个包络线，将交流信号转换为直流信号或视频信号。这个过程去除了高频的载波成分，保留了反映界面反射强度的幅度信息，为后续的显示和判断做准备。
十、 数字化与信号处理：现代超声的智慧大脑

       现代超声系统几乎无一例外地将模拟信号转换为数字信号进行处理。模数转换器以极高的采样率对检波后的模拟信号进行采样和量化，将其变为一系列离散的数字量。数字化后的信号交由数字信号处理器或通用处理器进行软件算法处理，例如进行数字滤波以进一步降噪、相关处理以提升信噪比、频谱分析以评估材料特性，以及最终合成用于B超、彩超等模式的图像。

十一、 超声接收的核心性能指标

       衡量一个超声波接收系统优劣的关键指标包括灵敏度、带宽和分辨率。灵敏度反映了系统检测微弱信号的能力，通常由换能器性能和前置放大器噪声水平决定。带宽决定了系统能接收的超声波频率范围，影响轴向分辨率（带宽越宽，脉冲越短，分辨率越高）和穿透深度（通常中心频率越低，穿透性越好）。分辨率则包括能区分两个相邻缺陷的轴向分辨率和侧向分辨率。

十二、 实际应用中的挑战与解决方案

       在实际应用中，超声接收面临诸多挑战。例如，在高温环境下，普通压电材料会退极化失效，需选用高温压电晶体或电容式换能器。在强腐蚀性介质中，需要为换能器加装耐腐蚀的声学窗。对于复杂形状的工件检测，需要采用相控阵技术，通过精确控制阵列中每个阵元的接收延时，实现声束的偏转和聚焦，从而在不移动探头的情况下进行灵活扫描。

十三、 从单一阵元到阵列接收：成像技术的飞跃

       现代超声成像，如医疗诊断中的B超、彩超，工业检测中的相控阵和全聚焦方法，都依赖于阵列换能器。阵列接收意味着有数十至数百个微小的阵元同时或按特定时序工作。每个阵元都有自己的接收通道，包括前置放大器等电路。通过数字波束形成技术，对各个通道接收到的信号施加不同的时间延迟后进行叠加，可以合成指向特定方向的接收声束，并实现动态聚焦，极大提升了成像的质量和效率。

十四、 校准与测试：保证接收准确性的基石

       为了保证超声波接收系统测量结果的准确性和可靠性，定期校准至关重要。校准通常使用标准试块（如含有已知尺寸平底孔或横通孔的铁块）或标准声源来进行。通过测量已知反射体的回波幅度和声时，可以校准系统的灵敏度和声速设置，确保检测结果的溯源性。根据中国国家计量检定规程的要求，超声探伤仪和探头都需要进行定期检定。

十五、 前沿技术与未来展望

       超声波接收技术仍在不断发展。激光超声检测技术使用激光脉冲激发和探测超声波，实现了非接触式测量，特别适用于高温、高速或形状不规则的对象。基于微机电技术的超声传感器正朝着微型化、低成本、阵列化的方向演进。此外，人工智能和机器学习算法正被引入到超声信号解释中，能够自动识别缺陷模式、分类组织特性，减少对操作人员经验的依赖，提高检测的自动化水平和可靠性。

十六、

       超声波接收是一个环环相扣的精妙系统。从压电晶片或电容振膜将声振动转换为电信号的初次蜕变，到前置放大器对微弱信号的谨慎呵护，再到主放大器和滤波器对信号的整形与净化，最后经由数字化和先进算法解读出深层信息——每一步都凝聚着人类的智慧与工程技艺。理解这个过程，不仅能让我们更深入地领略超声技术的魅力，也能帮助我们在应用中选择合适的设备、优化检测参数，最终让这把无形的“声学尺子”更好地为人类服务。