超聲無損檢測成像技術

摘 要:超聲無損檢測成像技術在現代工業的很多領域中都有很重要的用途，具有非常廣闊的發展前景。對掃描超聲成像、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成像的發展、原理、特點和應用做了分析，可以更好地指導實際應用，并指出了超聲無損檢測成像技術的發展方向。關鍵詞:超聲; 無損檢測; 成像技術; SAFT成像

中圖分類號:TN919-34文獻標識碼:A

文章編號: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30年代提出了超聲波檢測的早期研究，在40年代出現的脈沖回波探傷儀器成為超聲波檢測技術的重要標識。20世紀50年代初，真正用于醫學診斷的超聲裝置問世。60年代末，由于電子技術、計算機技術和信號處理技術的飛速發展，聲成像研究恢復了生機。70年代形成了幾種較成熟的方法，大量商品化設備上市，在醫學診斷中得到極其廣泛的應用，在工業材料超聲檢測中也逐漸得到應用[1]。現在，超聲成像檢測技術已經在很多領域發揮著重要的作用。

1 超聲檢測成像原理

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部結構聲學特性的信息，超聲成像技術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，必須采用光學的或電子學的或其他方式轉化為肉眼可見的圖像或圖形，這種肉眼可見的像被稱為“聲學像”，聲學像反映了物體內部某個或幾個聲場參量的分布或差異。反過來，對于同一物體，利用不同的聲學參量，例如聲阻抗率、聲速或聲衰減等，可以生成不同的聲學像。

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數據的視圖顯示，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。

表1 掃描超聲成像技術

掃描方式顯示方法特 點

A-掃描超聲脈沖幅度或波形與超聲傳播時間的關系一維顯示，是各種掃描的基礎

B-掃描與聲束傳播方向平行且與測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mm2到幾個m2，優越性強，但不能實時成像

D-掃描數據的二維顯示視圖與B顯示方向垂直

S-掃描探頭延時和折射角已作校正，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體積能在掃描過程中顯示圖像;能顯示實際深度

P-掃描顯示探頭在管內壁檢測或在圓筒形工件外壁檢測時所得數據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

聲波是力學波，它會改變傳播介質中的一些力學參數，比如質點位置、質點運動速度、介質密度、介質中應變、應力等，液體中還引起輻射壓力。利用這些參數變化可以使聲波成為可見。1937年，Pohlman制成第一臺聲-光圖像轉換器[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。施利侖法的根據是聲波導致介質密度變化，而后引起光折射率的改變。光彈法成像原理是超聲引起應力，在各向同性固體中，應力產生光的雙折射效應，光通過應力區后，偏振將發生變化。80年代，我國著名聲學專家應崇福和他領導的小組用動態光彈法系統研究了固體中的超聲散射，把這個方法的價值提到了新的高度。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。他們提高了動態光彈法的顯示清晰度，80年代前期的光彈照片質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全部信息，并實現成像的一種聲成像技術和信息處理手段。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與探測器的輸出電信號相加，用疊加信號的幅度去調制熒光屏光點的亮度，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。另一類是計算機重建聲全息，它是利用掃描記錄到的全息函數與重建像函數之間是空間傅氏變換對的關系，直接由計算機計算而實現的重建[4]。

2.4 ALOK法成像

ALOK(Amplituen and Laufzeit Orts Kurren)法即幅度-傳播時間-位置曲線法，原理如圖1所示。一個自發自收的超聲換能器在試樣表面按照一定規則進行移動掃描，如果A點是試樣內的缺陷，那么在位置1處接收到的回波信號中，在t1=2X2f，t+Y2n/c的傳播時間處有一個回波小峰。同樣，在位置2接收的回波信號中，在傳播時間t2=2(Xf，t-ΔX)2+Y2f，t/c處也會出現一個小峰。由于這個缺陷是確定的，因此在以后的各檢測位置上，在聲時-位置曲線對的傳播時間上都會出現A點的反射回波。同樣，由于檢測位置與缺陷A之間的距離有規律變換，缺陷回波的幅度也會隨位置的變換而有規律的變化。而噪聲則不會在出現的時間與幅度上隨檢測位置而有規律的變化。利用傳播時間-位置及幅度-位置曲線，就可以從回波信號中識別來自缺陷的回波信號，并用B顯示給出缺陷的像[5]。

2.5 相控陣法

超聲相控陣技術來源于雷達電磁波相控陣技術，醫用B超是最先采用超聲相控陣技術的。20世紀80年代初，相控陣超聲波技術從醫療領域躍入工業領域。20世紀80年代中期，壓電復合材料的研制成功，為復合型相控陣探頭的制作開創新途徑。壓電復合技術、微型機制、微電子技術、及計算機功率的最新發展，對相控陣技術的完善和精細化都有卓著貢獻。

圖1 ALOK法原理

超聲相控陣系統由超聲陣列換能器和相應的電子控制系統組成。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，其內部的各陣元可以獨立進行超聲發射或接收。在相控陣超聲發射狀態下，陣列換能器中各個陣元按照一定延時規律順序激發，產生的超聲發射子波束在空間合成，形成聚焦點和指向性[6]，如圖2所示。改變各陣元激發的延時規律，可以改變焦點位置和波束指向，形成在一定空間范圍內的掃描聚焦[5-6]。

圖2 相控陣成像檢測關鍵技術

2.6 超聲顯微鏡

超聲顯微鏡是利用聲波對物體內力學特性進行高分辨率成像研究的系統和技術，是20世紀80年代研制成功的重要的三維顯微觀察設備，它集現代微波聲學、信號檢測和計算機圖像科學技術于一體，是一種典型的高科技產物。它可以對不透明材料內部層層遞進行顯微觀察，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;其次是對生物組織可以進行活體檢查，可實現生物學家們長期盼望的“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70年代發展起來的一種比較有潛力的成像方法，它以點源探頭在被測物體的表面上掃描，接收來自物體內部各點的散射聲信號并加以存儲，然后對不同接收位置上探頭接收的聲信號引入適當的延遲并進行疊加，以獲得被成像點的逐點聚焦聲學像。在超聲檢測中，常用聚焦探頭來提高檢測的分辨率。在焦點上超聲波的束徑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，檢測的分辨率就越高。合成孔徑聚焦技術就是用信號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，實現高分辨率成像。當一個超聲收、發的探頭沿直線移動，每隔距離d發射一個聲波，同時接收來自物體各點的散射信號并加以儲存。根據各成像點的空間位置，對接收到的信號作適當的聲時延或相位延遲后再合成得到被成像物體的逐點聚焦成像，這就是合成孔徑聚焦成像技術[5]。SAFT成像的分辨率高，能在近場區工作，并能實現三維成像。

2.8 衍射時差法(TOFD)超聲成像技術

TOFD(Time Of Flight Diffraction)檢測技術通常采用一發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探測和測量缺陷尺寸。檢測過程中，激發探頭產生的寬角度縱波基本可覆蓋整個檢測區域[7]。TOFD對于焊縫中部缺陷檢出率很高，容易檢出方向性不好的缺陷，可以識別向表面延伸的缺陷，使用橫向TOFD模式時，特別是在信號處理的幫助下缺陷定量很準，線形模式下的定量精度也可以接受，和脈沖反射法相結合時效果更好。

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《超聲成像技術的現狀與未來》中指出:在最近的十幾年里，有關超聲成像技術的研究在醫學成像領域至少占25%以上的份額，并且這種趨勢還在繼續增長。超聲CT 技術發展于醫學并取得了成功，此外還用于工業材料的無損檢測、航空航天、軍事工業及鋼鐵企業等高科技領域或部門;CT 還在地球資源勘探、地震預測預報、地質構造等方面有廣泛而深入的應用[8]。超聲CT 總的發展趨勢是向著高速、清晰、可靠方向發展，即數據采集、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，如何在數據缺損時或根據很少的投影數據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 的又一發展趨勢[9]。

3 超聲檢測成像的發展方向

當今世界很多國家都越來越重視無損檢測技術在國民經濟各部門中的作用，超聲無損檢測成像技術大多有自動化和智能化的特點，超聲成像是定量無損檢測的重要工具，在各種探傷手段中，應用超聲手段來檢測缺陷是目前各國正在探索的一個重點。目前，人們仍在致力于很多方面的研究，如聲逆散射理論、新成像機制、神經網絡、模式識別等信號處理理論、優質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只是眾多進步的代表。超聲無損檢測技術伴隨材料與工業技術的發展而發展，并隨著人們對產品質量與安全性的不斷重視而得到進一步提高。

參考文獻

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[2]中國機械工程學會無損檢測分會.超聲波檢測[M].2版.北京:機械工業出版社，2000.

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