摘 要:超聲無損檢測(cè)成像技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)的很多領(lǐng)域中都有很重要的用途，具有非常廣闊的發(fā)展前景。對(duì)掃描超聲成像、超聲波顯像、超聲全息、ALOK法成像、相控陣法、超聲顯微鏡、SAFT成像、TOFD成像、超聲CT成像的發(fā)展、原理、特點(diǎn)和應(yīng)用做了分析，可以更好地指導(dǎo)實(shí)際應(yīng)用，并指出了超聲無損檢測(cè)成像技術(shù)的發(fā)展方向。關(guān)鍵詞:超聲; 無損檢測(cè); 成像技術(shù); SAFT成像

中圖分類號(hào):TN919-34文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)21-0120-03

Imaging Technology of Ultrasonic Non-destructive Detection

LI Xiao-juan， WANG Li， GAO Xiao-rong， WANG Ze-yong

(Photoelectric Engineering Institute， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China)

Abstract: The ultrasonic detection imaging technology plays a very important role in many fields of modern industry and has a bright prospect of development. The development， principles， characteristics and applications of scan ultrasonic imaging， ultrasonic image display， ALOK imaging， phased array method， ultrasonic microscope， SAFT imaging， TOFD imaging and ultrasonic CT imaging are analyzed. This article can better guide the practical application of ultrasonic detection imaging technology. The development trend of it is pointed out.Keywords: ultrasonic detection; non-destructive detection; imaging technology; SAFT imaging

0 引 言

Sokolov于20世紀(jì)30年代提出了超聲波檢測(cè)的早期研究，在40年代出現(xiàn)的脈沖回波探傷儀器成為超聲波檢測(cè)技術(shù)的重要標(biāo)識(shí)。20世紀(jì)50年代初，真正用于醫(yī)學(xué)診斷的超聲裝置問世。60年代末，由于電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù)的飛速發(fā)展，聲成像研究恢復(fù)了生機(jī)。70年代形成了幾種較成熟的方法，大量商品化設(shè)備上市，在醫(yī)學(xué)診斷中得到極其廣泛的應(yīng)用，在工業(yè)材料超聲檢測(cè)中也逐漸得到應(yīng)用[1]?，F(xiàn)在，超聲成像檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)在很多領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。

1 超聲檢測(cè)成像原理

超聲成像就是用超聲波獲得物體可見圖像的方法。由于超聲波可以穿透很多不透光的物體，所以利用超聲波可以獲得這些物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)聲學(xué)特性的信息，超聲成像技術(shù)將這些信息變成人眼可見的圖像。由聲波直接形成的圖像稱為“聲像”，由于生理的限制，人眼是不能直接感知聲像的，必須采用光學(xué)的或電子學(xué)的或其他方式轉(zhuǎn)化為肉眼可見的圖像或圖形，這種肉眼可見的像被稱為“聲學(xué)像”，聲學(xué)像反映了物體內(nèi)部某個(gè)或幾個(gè)聲場(chǎng)參量的分布或差異。反過來，對(duì)于同一物體，利用不同的聲學(xué)參量，例如聲阻抗率、聲速或聲衰減等，可以生成不同的聲學(xué)像。

2 各種超聲成像方法

2.1 掃描超聲成像[2]

掃描超聲成像是超聲檢測(cè)數(shù)據(jù)的視圖顯示，最基本的超聲掃描方式有A-掃描，B-掃描，C-掃描，D-掃描，S-掃描，P-掃描等，它們分別是超聲脈沖回波在熒光屏上不同的顯示方式。表1是以上掃描方式的顯示方法和特點(diǎn)。

表1 掃描超聲成像技術(shù)

掃描方式顯示方法特 點(diǎn)

A-掃描超聲脈沖幅度或波形與超聲傳播時(shí)間的關(guān)系一維顯示，是各種掃描的基礎(chǔ)

B-掃描與聲束傳播方向平行且與測(cè)量表面垂直的剖面一幅B顯示是一系列A顯示疊加

C-掃描顯示樣品的橫斷面成像范圍由幾個(gè)mm2到幾個(gè)m2，優(yōu)越性強(qiáng)，但不能實(shí)時(shí)成像

D-掃描數(shù)據(jù)的二維顯示視圖與B顯示方向垂直

S-掃描探頭延時(shí)和折射角已作校正，特定通道所有A顯示疊加而成的二維圖像能由二維顯示再現(xiàn)體積能在掃描過程中顯示圖像;能顯示實(shí)際深度

P-掃描顯示探頭在管內(nèi)壁檢測(cè)或在圓筒形工件外壁檢測(cè)時(shí)所得數(shù)據(jù)可提供缺陷周向分布和徑向深度位置信息

2.2 超聲波顯像

聲波是力學(xué)波，它會(huì)改變傳播介質(zhì)中的一些力學(xué)參數(shù)，比如質(zhì)點(diǎn)位置、質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度、介質(zhì)密度、介質(zhì)中應(yīng)變、應(yīng)力等，液體中還引起輻射壓力。利用這些參數(shù)變化可以使聲波成為可見。1937年，Pohlman制成第一臺(tái)聲-光圖像轉(zhuǎn)換器[3]。到目前，最有效而常用的聲波顯示方法是施利侖法和光彈法。施利侖法的根據(jù)是聲波導(dǎo)致介質(zhì)密度變化，而后引起光折射率的改變。光彈法成像原理是超聲引起應(yīng)力，在各向同性固體中，應(yīng)力產(chǎn)生光的雙折射效應(yīng)，光通過應(yīng)力區(qū)后，偏振將發(fā)生變化。80年代，我國著名聲學(xué)專家應(yīng)崇福和他領(lǐng)導(dǎo)的小組用動(dòng)態(tài)光彈法系統(tǒng)研究了固體中的超聲散射，把這個(gè)方法的價(jià)值提到了新的高度。在他們的散射研究中，首次目睹了聲波沿孔壁爬行，在材料棱邊內(nèi)部的散射和在帶狀裂縫的散射，還首次窺見了蘭姆波和瑞利波，觀察了前者在板端的散射，后者繞材料尖角的散射。他們提高了動(dòng)態(tài)光彈法的顯示清晰度，80年代前期的光彈照片質(zhì)量之高在國際上已屬罕見。

2.3 超聲全息

超聲全息是利用干涉原理來記錄被觀察物體聲場(chǎng)全部信息，并實(shí)現(xiàn)成像的一種聲成像技術(shù)和信息處理手段。掃描聲全息大致分為兩類，一類是激光重建聲全息，它是用與入射波同頻率的電信號(hào)與探測(cè)器的輸出電信號(hào)相加，用疊加信號(hào)的幅度去調(diào)制熒光屏光點(diǎn)的亮度，在熒光屏上形成全息圖。將全息圖拍攝下來，再用激光照射全息圖，獲得重建像。另一類是計(jì)算機(jī)重建聲全息，它是利用掃描記錄到的全息函數(shù)與重建像函數(shù)之間是空間傅氏變換對(duì)的關(guān)系，直接由計(jì)算機(jī)計(jì)算而實(shí)現(xiàn)的重建[4]。

2.4 ALOK法成像

ALOK(Amplituen and Laufzeit Orts Kurren)法即幅度-傳播時(shí)間-位置曲線法，原理如圖1所示。一個(gè)自發(fā)自收的超聲換能器在試樣表面按照一定規(guī)則進(jìn)行移動(dòng)掃描，如果A點(diǎn)是試樣內(nèi)的缺陷，那么在位置1處接收到的回波信號(hào)中，在t1=2X2f，t+Y2n/c的傳播時(shí)間處有一個(gè)回波小峰。同樣，在位置2接收的回波信號(hào)中，在傳播時(shí)間t2=2(Xf，t-ΔX)2+Y2f，t/c處也會(huì)出現(xiàn)一個(gè)小峰。由于這個(gè)缺陷是確定的，因此在以后的各檢測(cè)位置上，在聲時(shí)-位置曲線對(duì)的傳播時(shí)間上都會(huì)出現(xiàn)A點(diǎn)的反射回波。同樣，由于檢測(cè)位置與缺陷A之間的距離有規(guī)律變換，缺陷回波的幅度也會(huì)隨位置的變換而有規(guī)律的變化。而噪聲則不會(huì)在出現(xiàn)的時(shí)間與幅度上隨檢測(cè)位置而有規(guī)律的變化。利用傳播時(shí)間-位置及幅度-位置曲線，就可以從回波信號(hào)中識(shí)別來自缺陷的回波信號(hào)，并用B顯示給出缺陷的像[5]。

2.5 相控陣法

超聲相控陣技術(shù)來源于雷達(dá)電磁波相控陣技術(shù)，醫(yī)用B超是最先采用超聲相控陣技術(shù)的。20世紀(jì)80年代初，相控陣超聲波技術(shù)從醫(yī)療領(lǐng)域躍入工業(yè)領(lǐng)域。20世紀(jì)80年代中期，壓電復(fù)合材料的研制成功，為復(fù)合型相控陣探頭的制作開創(chuàng)新途徑。壓電復(fù)合技術(shù)、微型機(jī)制、微電子技術(shù)、及計(jì)算機(jī)功率的最新發(fā)展，對(duì)相控陣技術(shù)的完善和精細(xì)化都有卓著貢獻(xiàn)。

圖1 ALOK法原理

超聲相控陣系統(tǒng)由超聲陣列換能器和相應(yīng)的電子控制系統(tǒng)組成。超聲陣列換能器由許多小的壓電晶片(陣元)按照一定形狀排列而成的，其內(nèi)部的各陣元可以獨(dú)立進(jìn)行超聲發(fā)射或接收。在相控陣超聲發(fā)射狀態(tài)下，陣列換能器中各個(gè)陣元按照一定延時(shí)規(guī)律順序激發(fā)，產(chǎn)生的超聲發(fā)射子波束在空間合成，形成聚焦點(diǎn)和指向性[6]，如圖2所示。改變各陣元激發(fā)的延時(shí)規(guī)律，可以改變焦點(diǎn)位置和波束指向，形成在一定空間范圍內(nèi)的掃描聚焦[5-6]。

圖2 相控陣成像檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)

2.6 超聲顯微鏡

超聲顯微鏡是利用聲波對(duì)物體內(nèi)力學(xué)特性進(jìn)行高分辨率成像研究的系統(tǒng)和技術(shù)，是20世紀(jì)80年代研制成功的重要的三維顯微觀察設(shè)備，它集現(xiàn)代微波聲學(xué)、信號(hào)檢測(cè)和計(jì)算機(jī)圖像科學(xué)技術(shù)于一體，是一種典型的高科技產(chǎn)物。它可以對(duì)不透明材料內(nèi)部層層遞進(jìn)行顯微觀察，直至表面以下幾毫米甚至幾十毫米的深度，可以獲得豐富的信息;其次是對(duì)生物組織可以進(jìn)行活體檢查，可實(shí)現(xiàn)生物學(xué)家們長期盼望的“活檢”[5]。

2.7 合成孔徑聚焦成像(SAFT)

合成孔徑聚焦(Synthetic Aperture Focusing Technique，SAFT)超聲成像是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的一種比較有潛力的成像方法，它以點(diǎn)源探頭在被測(cè)物體的表面上掃描，接收來自物體內(nèi)部各點(diǎn)的散射聲信號(hào)并加以存儲(chǔ)，然后對(duì)不同接收位置上探頭接收的聲信號(hào)引入適當(dāng)?shù)难舆t并進(jìn)行疊加，以獲得被成像點(diǎn)的逐點(diǎn)聚焦聲學(xué)像。在超聲檢測(cè)中，常用聚焦探頭來提高檢測(cè)的分辨率。在焦點(diǎn)上超聲波的束徑b與聲波波長λ、焦距F及探頭尺寸D之間有:b=1.03λF/D，頻率越高，探頭的孔徑越大，檢測(cè)的分辨率就越高。合成孔徑聚焦技術(shù)就是用信號(hào)處理的方法使小孔徑的換能器陣列具有大孔徑陣的指向特性的功能，實(shí)現(xiàn)高分辨率成像。當(dāng)一個(gè)超聲收、發(fā)的探頭沿直線移動(dòng)，每隔距離d發(fā)射一個(gè)聲波，同時(shí)接收來自物體各點(diǎn)的散射信號(hào)并加以儲(chǔ)存。根據(jù)各成像點(diǎn)的空間位置，對(duì)接收到的信號(hào)作適當(dāng)?shù)穆晻r(shí)延或相位延遲后再合成得到被成像物體的逐點(diǎn)聚焦成像，這就是合成孔徑聚焦成像技術(shù)[5]。SAFT成像的分辨率高，能在近場(chǎng)區(qū)工作，并能實(shí)現(xiàn)三維成像。

2.8 衍射時(shí)差法(TOFD)超聲成像技術(shù)

TOFD(Time Of Flight Diffraction)檢測(cè)技術(shù)通常采用一發(fā)一收并且角度相同的雙探頭模式，利用缺陷尖端的衍射波信號(hào)探測(cè)和測(cè)量缺陷尺寸。檢測(cè)過程中，激發(fā)探頭產(chǎn)生的寬角度縱波基本可覆蓋整個(gè)檢測(cè)區(qū)域[7]。TOFD對(duì)于焊縫中部缺陷檢出率很高，容易檢出方向性不好的缺陷，可以識(shí)別向表面延伸的缺陷，使用橫向TOFD模式時(shí)，特別是在信號(hào)處理的幫助下缺陷定量很準(zhǔn)，線形模式下的定量精度也可以接受，和脈沖反射法相結(jié)合時(shí)效果更好。

2.9 超聲CT(Computed Tomography)成像

英國從事超聲成像的專家P.N.T Wells在2000年的論文《超聲成像技術(shù)的現(xiàn)狀與未來》中指出:在最近的十幾年里，有關(guān)超聲成像技術(shù)的研究在醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域至少占25%以上的份額，并且這種趨勢(shì)還在繼續(xù)增長。超聲CT 技術(shù)發(fā)展于醫(yī)學(xué)并取得了成功，此外還用于工業(yè)材料的無損檢測(cè)、航空航天、軍事工業(yè)及鋼鐵企業(yè)等高科技領(lǐng)域或部門;CT 還在地球資源勘探、地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、地質(zhì)構(gòu)造等方面有廣泛而深入的應(yīng)用[8]。超聲CT 總的發(fā)展趨勢(shì)是向著高速、清晰、可靠方向發(fā)展，即數(shù)據(jù)采集、成像速度更為快捷，重建圖像具有更高的空間分辨率、密度分辨率，圖像更為清晰、可靠。此外，如何在數(shù)據(jù)缺損時(shí)或根據(jù)很少的投影數(shù)據(jù)能夠很好地重建圖像，也是未來CT 必須解決的問題。重建三維圖像是CT 的又一發(fā)展趨勢(shì)[9]。

3 超聲檢測(cè)成像的發(fā)展方向

當(dāng)今世界很多國家都越來越重視無損檢測(cè)技術(shù)在國民經(jīng)濟(jì)各部門中的作用，超聲無損檢測(cè)成像技術(shù)大多有自動(dòng)化和智能化的特點(diǎn)，超聲成像是定量無損檢測(cè)的重要工具，在各種探傷手段中，應(yīng)用超聲手段來檢測(cè)缺陷是目前各國正在探索的一個(gè)重點(diǎn)。目前，人們?nèi)栽谥铝τ诤芏喾矫娴难芯?，如聲逆散射理論、新成像機(jī)制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模式識(shí)別等信號(hào)處理理論、優(yōu)質(zhì)超聲探頭和其他超聲成像元件等。本文所闡述的幾種成像技術(shù)只是眾多進(jìn)步的代表。超聲無損檢測(cè)技術(shù)伴隨材料與工業(yè)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展，并隨著人們對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量與安全性的不斷重視而得到進(jìn)一步提高。

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