劉力博，陸銘慧，劉勛豐，張 倩

（南昌航空大學 無損檢測技術教育部重點實驗室，南昌 330063）

聲波是一種無法直接觀察到的應力波。人們研究聲波時，通常用傳聲器、超聲換能器等進行測量。在研究材料中超聲波的傳播及散射時，只能在材料表面接收聲波，得到局部的信息。聲波在材料內(nèi)部的行為及其變化過程則只能理論推演，而不能直接觀測［1］。隨著現(xiàn)代無損檢測技術的快速發(fā)展和檢測要求的不斷提高，多通道超聲波探傷和相控陣等多陣元超聲波檢測技術越來越多地應用到工程實踐中，聲波在材料中的傳播過程也隨之越來越復雜。為了讓人們更直觀地觀察這些復雜聲場，筆者研制了多通道動態(tài)光彈成像系統(tǒng)。此系統(tǒng)可以為無損檢測工作者，特別是利用多陣元超聲聚焦聲波來檢測材料缺陷的科技工作者，提供超聲波在固體中傳播的可視化圖像。系統(tǒng)可以模擬相控陣聲束掃查的工作過程，為研究相控陣聲場提供可視化的實驗依據(jù)。

1 動態(tài)光彈技術

各向同性透明固體在應力作用下會表現(xiàn)出如同晶體一樣的雙折射效應。根據(jù)Maxwell的應力－光折射定律，利用偏振光干涉法，可以觀察到透明固體內(nèi)的應力分布，這就是通常的光彈應力分析。發(fā)展到目前，最有效而常用的聲波顯示方法就是光彈法。

光彈法一般用來顯示透明固體中靜態(tài)應力的分布，但聲波是運動著的應力區(qū)，因此不能采用通常的靜態(tài)光彈技術。在光學玻璃中，縱波聲速約為5 900m／s，橫波聲速為3 600 m／s左右，為獲得聲波的圖像，必須對高速運動的聲波進行瞬時采樣。拍攝瞬時物體的圖像一般有兩種方法，即高速照相和使用頻閃光源。兩項措施之一配合光彈方法，來觀察和記錄超聲波運動圖像的技術稱為“動態(tài)光彈技術”。高速照相方法曝光時間要求很短，需用幾十萬次每秒的高速照相機，高靈敏度感光膠片及極精密的同步曝光系統(tǒng)。即使這樣，耗費了大量底片也只能抓拍到聲傳播過程中的某一短暫瞬間。再加上高速照相的方法不便于當時察看，也給研究工作帶來了—些困難。由于上述這些原因，近幾年人們傾向于在光源上想辦法［1］。筆者研制的多通道動態(tài)光彈系統(tǒng)采用高亮度LED 作為頻閃光源，并且要求光脈沖時間寬度大大小于聲波的周期，達到了瞬時曝光的目的，是一種簡單有效的成像途徑。

2 多通道動態(tài)光彈成像系統(tǒng)的實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)設計方案

系統(tǒng)由硬件和軟件組成，總體設計框架如圖1所示。光源S為高亮度LED，激發(fā)它的電脈沖寬度為20ns，光源發(fā)出的光脈沖3dB帶寬為50ns，有較好的同步性能。凸透鏡L1和L2焦距為316 mm（有 效 口 徑φ≈120 mm），凹 透 鏡L3焦 距 為－400mm（有效口徑φ＝46 mm）。CCD 選用的型號為WV－CP230，靈敏度F0.75時為0.6Lux。

圖1 多通道動態(tài)光彈成像系統(tǒng)示意圖

系統(tǒng)在0時刻命令發(fā)出多路聲激發(fā)脈沖，通過延時后，在T時刻命令發(fā)出光脈沖。上述過程以較低的頻率重復，就可以觀察或記錄到被拍攝的固體中的聲場。在此系統(tǒng)中，CCD 攝像機和計算機相連接，用來拍攝和記錄試驗圖像。

系統(tǒng)工作時，操作者可以通過上位機的可視化軟件對硬件電路進行控制。當觀察系統(tǒng)模擬相控陣聲束掃查過程時，操作者可以首先在軟件界面上指定聚焦聲波焦點的掃查路徑，軟件系統(tǒng)能夠根據(jù)掃查路徑自動計算各通道超聲波的發(fā)射延遲時間，并將各通道延時參數(shù)發(fā)送給下位機。多通道延時控制器（下位機）通過max232三線制與上位機COM 口相連實現(xiàn)通訊，在接收到延時數(shù)據(jù)后，按一定時序給各聲路和光路發(fā)出激勵脈沖，控制聲光協(xié)調(diào)工作，從而實現(xiàn)對聲波的瞬時采樣。系統(tǒng)的聲光延時時間在0～100μs內(nèi)可調(diào)，最小時間間隔為25ns，相當于玻璃中傳播距離約0.15 mm。圖2 為試驗裝置實物圖。

圖2 試驗裝置實物圖

2.2 典型電路

多通道延時控制器是此系統(tǒng)的時序控制單元，設計原理如圖3所示。主要由單片機89S52、串行接口電路、延時單元、譯碼電路和基準時鐘電路等組成。單片機89S52 負責將從上位機接收的延時數(shù)據(jù)發(fā)送到各個延時單元中，從而控制各通道超聲波的發(fā)射延遲時間和聲光延遲時間；譯碼電路為多通道延時控制器的各個延時單元分配系統(tǒng)地址，保證每個延時單元都獲得各自對應的延時數(shù)據(jù)；延時單元采用計數(shù)器延時方式，多個延時計數(shù)器串聯(lián)組合；時鐘電路采用有源晶振，頻率40 MHz；串行接口電路采用MAX232三線制與上位機COM 口相連保持通訊；編程接口使用下載線，并轉為USB 接口連接方式，方便對單片機的編程。圖4為多通道延時控制器實物圖。

圖3 多通道延時控制器原理框圖

圖4 多通道延時控制器實物圖

2.3 軟件系統(tǒng)

系統(tǒng)軟件是整個檢測系統(tǒng)的重要部分，具有圖像獲取、圖像處理、硬件控制、數(shù)據(jù)存儲與傳輸?shù)裙δ堋D像獲取包括動態(tài)預覽、連續(xù)拍攝圖像、保存圖像和波形采集。圖像處理包括局部三維顯示和圖像測量等，處理結果能夠直接在監(jiān)視器上顯示出來，用黑白顯示或偽彩色顯示。在軟件控制界面中，操作者可以用鼠標選定多陣元聚焦聲波的焦點位置，也可以用鼠標繪制聚焦聲波焦點的掃查路徑。當焦點位置確定后，系統(tǒng)軟件可以自動計算超聲波各發(fā)射通道的發(fā)射延遲時間，并通過串口將延時數(shù)據(jù)實時傳到下位機中，控制硬件電路進行工作，得到相應的超聲聚焦波束。

3 多通道動態(tài)光彈試驗

3.1 試驗樣品設計

試驗中聚焦聲波的發(fā)射聲源是4 個矩形晶片（主頻2 MHz）組成的均勻線陣，每個晶片寬度3mm、長度30 mm，由一片大壓電晶片分割而成。各個晶片相互平行貼合在玻璃樣品表面，晶片間距2mm，系統(tǒng)最多可控制16 個晶片的超聲波發(fā)射。由于晶片寬度遠小于晶片長度，所以每個小晶片可近似視為輻射柱面波的線狀光源。當每個小波陣面被延時適當?shù)南辔缓褪┘酉嗤恼穹鶗r，可以產(chǎn)生可調(diào)向的超聲聚焦波束［2］。

試驗用玻璃樣品縱波聲速為5 900m／s，與工業(yè)中常用的鋼鐵等金屬材料聲速相近，因此研究超聲波在玻璃中的傳播規(guī)律，可以模擬聲波在一些不透明材料（金屬和非金屬等）中的聲傳播行為。

3.2 聲場圖像分析

由于顯示聲波的脈沖光束以垂直于聲波傳播的方向通過聲場，因此光彈法顯示的是前進聲波的側面像，從圖5可以看到一層層波陣面。光透過聲波后的強度與聲波的應力平方成比例，因此聲波在玻璃中的傳播圖像顯示為明暗相間的條紋。

圖5為4個晶片輻射的超聲聚焦波束在玻璃中進行聲束掃查時的屏幕截圖。圖5（a）～（d）四幅圖像分別為聲束掃查進行到不同時刻的截圖（T1＜T2＜T3＜T4）。圖中焦點掃查路徑由操作者自定義，采用動態(tài)預覽方式后，聚焦波束的焦點會沿掃查路徑移動，模擬相控陣聚焦聲波的聲束掃查過程。波束焦點由入射縱波聚焦產(chǎn)生，圖中明暗條紋顯著區(qū)即為焦點位置。除主縱波外，聲場中還有晶片沿徑向振動產(chǎn)生的橫波，由于橫波的傳播速度慢，故在傳播過程中會落后于縱波。在4張截圖中，A～D分別表示4個晶片在聲束掃查過程中產(chǎn)生的橫波波前。

圖6為超聲波在傳播過程中遇圓柱形空氣界面時的反射聲場。從圖中可以看出，聚焦聲波生成的反射波明暗條紋顯著，聲波強度更大。在實際探傷中，聚焦聲波更有利于小缺陷的檢出。

4 結語

設計了一種觀察多陣元超聲聚焦聲波在固體中傳播規(guī)律的多通道動態(tài)光彈系統(tǒng)，實現(xiàn)了超聲波的可視化，聲波在透明固體中的傳播過程能夠以圖像方式直觀地顯示在計算機屏幕上。通過模擬相控陣工作原理，系統(tǒng)可激勵出可調(diào)向的超聲聚焦波束，并能夠模擬相控陣聚焦聲束的掃查過程。聚焦聲束的掃查路徑可以由操作者自己定義，從而可以模擬相控陣技術的各種聲束掃查方式。此系統(tǒng)還可為陣列式換能器的設計提供試驗參考。利用與工業(yè)中常用的鋼鐵等金屬材料的聲速接近的玻璃作為試驗樣品，可以模擬聲波在一些不透明材料（金屬和非金屬等）中的聲傳播行為，為超聲探傷提供試驗依據(jù)，并能夠驗證已有的聲學理論，對超聲無損檢測具有重要的指導意義。

［1］ 應崇福，張守玉，沈建中.超聲在固體中的散射［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1994：32－33，36－37.

［2］ 李衍.管道環(huán)焊縫相控陣超聲檢測［J］.無損檢測，2008，30（8）：523.