超聲無損檢測成像技術(shù)

摘 要:超聲無損檢測成像技術(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、特點和應(yīng)用做了分析，可以更好地指導(dǎo)實際應(yīng)用，并指出了超聲無損檢測成像技術(shù)的發(fā)展方向。關(guān)鍵詞:超聲; 無損檢測; 成像技術(shù); 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(xiàn)的脈沖回波探傷儀器成為超聲波檢測技術(shù)的重要標識。20世紀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)、計算機技術(shù)和信號處理技術(shù)的飛速發(fā)展，聲成像研究恢復(fù)了生機。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)材料超聲檢測中也逐漸得到應(yīng)用[1]。現(xiàn)在，超聲成像檢測技術(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(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。

表1 掃描超聲成像技術(shù)

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(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(yōu)越性強，但不能實時成像

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;能顯示實際深度

P-掃描顯示探頭在管內(nèi)壁檢測或在圓筒形工件外壁檢測時所得數(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，它會改變傳播介質(zhì)中的一些力學(xué)參數(shù)，比如質(zhì)點位置、質(zhì)點運動速度、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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)的小組用動態(tài)光彈法系統(tǒng)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(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全部信息，并實現(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與探測器的輸出電信號相加，用疊加信號的幅度去調(diào)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(shù)與重建像函數(shù)之間是空間傅氏變換對的關(guān)系，直接由計算機計算而實現(xiàn)的重建[4]。

2.4 ALOK法成像

ALOK(Amplituen and Laufzeit Orts Kurren)法即幅度-傳播時間-位置曲線法，原理如圖1所示。一個自發(fā)自收的超聲換能器在試樣表面按照一定規(guī)則進行移動掃描，如果A點是試樣內(nèi)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(xiàn)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(xiàn)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(guī)律變換，缺陷回波的幅度也會隨位置的變換而有規(guī)律的變化。而噪聲則不會在出現(xiàn)的時間與幅度上隨檢測位置而有規(guī)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(shù)來源于雷達電磁波相控陣技術(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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)、微型機制、微電子技術(shù)、及計算機功率的最新發(fā)展，對相控陣技術(shù)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(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)部的各陣元可以獨立進行超聲發(fā)射或接收。在相控陣超聲發(fā)射狀態(tài)下，陣列換能器中各個陣元按照一定延時規(guī)律順序激發(fā)，產(chǎn)生的超聲發(fā)射子波束在空間合成，形成聚焦點和指向性[6]，如圖2所示。改變各陣元激發(fā)的延時規(guī)律，可以改變焦點位置和波束指向，形成在一定空間范圍內(nèi)的掃描聚焦[5-6]。

圖2 相控陣成像檢測關(guān)鍵技術(shù)

2.6 超聲顯微鏡

超聲顯微鏡是利用聲波對物體內(nèi)力學(xué)特性進行高分辨率成像研究的系統(tǒng)和技術(shù)，是20世紀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)、信號檢測和計算機圖像科學(xué)技術(shù)于一體，是一種典型的高科技產(chǎn)物。它可以對不透明材料內(nèi)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(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70年代發(fā)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(nèi)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?shù)难舆t并進行疊加，以獲得被成像點的逐點聚焦聲學(xué)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(shù)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(xiàn)高分辨率成像。當一個超聲收、發(fā)的探頭沿直線移動，每隔距離d發(fā)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(jù)各成像點的空間位置，對接收到的信號作適當?shù)穆晻r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(shù)[5]。SAFT成像的分辨率高，能在近場區(qū)工作，并能實現(xiàn)三維成像。

2.8 衍射時差法(TOFD)超聲成像技術(shù)

TOFD(Time Of Flight Diffraction)檢測技術(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探測和測量缺陷尺寸。檢測過程中，激發(fā)探頭產(chǎn)生的寬角度縱波基本可覆蓋整個檢測區(qū)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(jié)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(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、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)測預(yù)報、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[9]。

3 超聲檢測成像的發(fā)展方向

當今世界很多國家都越來越重視無損檢測技術(shù)在國民經(jīng)濟各部門中的作用，超聲無損檢測成像技術(shù)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(yīng)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?nèi)栽谥铝τ诤芏喾矫娴难芯浚缏暷嫔⑸淅碚摗⑿鲁上駲C制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模式識別等信號處理理論、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)只是眾多進步的代表。超聲無損檢測技術(shù)伴隨材料與工業(yè)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展，并隨著人們對產(chǎn)品質(zhì)量與安全性的不斷重視而得到進一步提高。

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