多通道動(dòng)態(tài)光彈成像系統(tǒng)的研制

劉力博，陸銘慧，劉勛豐，張 倩

（南昌航空大學(xué) 無損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330063）

聲波是一種無法直接觀察到的應(yīng)力波。人們研究聲波時(shí)，通常用傳聲器、超聲換能器等進(jìn)行測(cè)量。在研究材料中超聲波的傳播及散射時(shí)，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(cè)［1］。隨著現(xiàn)代無損檢測(cè)技術(shù)的快速發(fā)展和檢測(cè)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(cè)技術(shù)越來越多地應(yīng)用到工程實(shí)踐中，聲波在材料中的傳播過程也隨之越來越復(fù)雜。為了讓人們更直觀地觀察這些復(fù)雜聲場(chǎng)，筆者研制了多通道動(dòng)態(tài)光彈成像系統(tǒng)。此系統(tǒng)可以為無損檢測(cè)工作者，特別是利用多陣元超聲聚焦聲波來檢測(cè)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(chǎng)提供可視化的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 動(dòng)態(tài)光彈技術(shù)

各向同性透明固體在應(yīng)力作用下會(huì)表現(xiàn)出如同晶體一樣的雙折射效應(yīng)。根據(jù)Maxwell的應(yīng)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(yīng)力分布，這就是通常的光彈應(yīng)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(yīng)力的分布，但聲波是運(yùn)動(dòng)著的應(yīng)力區(qū)，因此不能采用通常的靜態(tài)光彈技術(shù)。在光學(xué)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(duì)高速運(yùn)動(dòng)的聲波進(jìn)行瞬時(shí)采樣。拍攝瞬時(shí)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(xiàng)措施之一配合光彈方法，來觀察和記錄超聲波運(yùn)動(dòng)圖像的技術(shù)稱為“動(dòng)態(tài)光彈技術(shù)”。高速照相方法曝光時(shí)間要求很短，需用幾十萬次每秒的高速照相機(jī)，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(fèi)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(dāng)時(shí)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(dòng)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(shí)間寬度大大小于聲波的周期，達(dá)到了瞬時(shí)曝光的目的，是一種簡(jiǎn)單有效的成像途徑。

2 多通道動(dòng)態(tài)光彈成像系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)由硬件和軟件組成，總體設(shè)計(jì)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(hào)為WV－CP230，靈敏度F0.75時(shí)為0.6Lux。

圖1 多通道動(dòng)態(tài)光彈成像系統(tǒng)示意圖

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

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

圖2 試驗(yàn)裝置實(shí)物圖

2.2 典型電路

多通道延時(shí)控制器是此系統(tǒng)的時(shí)序控制單元，設(shè)計(jì)原理如圖3所示。主要由單片機(jī)89S52、串行接口電路、延時(shí)單元、譯碼電路和基準(zhǔn)時(shí)鐘電路等組成。單片機(jī)89S52 負(fù)責(zé)將從上位機(jī)接收的延時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送到各個(gè)延時(shí)單元中，從而控制各通道超聲波的發(fā)射延遲時(shí)間和聲光延遲時(shí)間；譯碼電路為多通道延時(shí)控制器的各個(gè)延時(shí)單元分配系統(tǒng)地址，保證每個(gè)延時(shí)單元都獲得各自對(duì)應(yīng)的延時(shí)數(shù)據(jù)；延時(shí)單元采用計(jì)數(shù)器延時(shí)方式，多個(gè)延時(shí)計(jì)數(shù)器串聯(lián)組合；時(shí)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(jī)COM 口相連保持通訊；編程接口使用下載線，并轉(zhuǎn)為USB 接口連接方式，方便對(duì)單片機(jī)的編程。圖4為多通道延時(shí)控制器實(shí)物圖。

圖3 多通道延時(shí)控制器原理框圖

圖4 多通道延時(shí)控制器實(shí)物圖

2.3 軟件系統(tǒng)

系統(tǒng)軟件是整個(gè)檢測(cè)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(chǔ)與傳輸?shù)裙δ堋D像獲取包括動(dòng)態(tài)預(yù)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(cè)量等，處理結(jié)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(biāo)選定多陣元聚焦聲波的焦點(diǎn)位置，也可以用鼠標(biāo)繪制聚焦聲波焦點(diǎn)的掃查路徑。當(dāng)焦點(diǎn)位置確定后，系統(tǒng)軟件可以自動(dòng)計(jì)算超聲波各發(fā)射通道的發(fā)射延遲時(shí)間，并通過串口將延時(shí)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳到下位機(jī)中，控制硬件電路進(jìn)行工作，得到相應(yīng)的超聲聚焦波束。

3 多通道動(dòng)態(tài)光彈試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)樣品設(shè)計(jì)

試驗(yàn)中聚焦聲波的發(fā)射聲源是4 個(gè)矩形晶片（主頻2 MHz）組成的均勻線陣，每個(gè)晶片寬度3mm、長(zhǎng)度30 mm，由一片大壓電晶片分割而成。各個(gè)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(gè)晶片的超聲波發(fā)射。由于晶片寬度遠(yuǎn)小于晶片長(zhǎng)度，所以每個(gè)小晶片可近似視為輻射柱面波的線狀光源。當(dāng)每個(gè)小波陣面被延時(shí)適當(dāng)?shù)南辔缓褪┘酉嗤恼穹鶗r(shí)，可以產(chǎn)生可調(diào)向的超聲聚焦波束［2］。

試驗(yàn)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(chǎng)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(chǎng)，因此光彈法顯示的是前進(jìn)聲波的側(cè)面像，從圖5可以看到一層層波陣面。光透過聲波后的強(qiáng)度與聲波的應(yīng)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(gè)晶片輻射的超聲聚焦波束在玻璃中進(jìn)行聲束掃查時(shí)的屏幕截圖。圖5（a）～（d）四幅圖像分別為聲束掃查進(jìn)行到不同時(shí)刻的截圖（T1＜T2＜T3＜T4）。圖中焦點(diǎn)掃查路徑由操作者自定義，采用動(dòng)態(tài)預(yù)覽方式后，聚焦波束的焦點(diǎn)會(huì)沿掃查路徑移動(dòng)，模擬相控陣聚焦聲波的聲束掃查過程。波束焦點(diǎn)由入射縱波聚焦產(chǎn)生，圖中明暗條紋顯著區(qū)即為焦點(diǎn)位置。除主縱波外，聲場(chǎng)中還有晶片沿徑向振動(dòng)產(chǎn)生的橫波，由于橫波的傳播速度慢，故在傳播過程中會(huì)落后于縱波。在4張截圖中，A～D分別表示4個(gè)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(shí)的反射聲場(chǎng)。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(qiáng)度更大。在實(shí)際探傷中，聚焦聲波更有利于小缺陷的檢出。

4 結(jié)語

設(shè)計(jì)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(dòng)態(tài)光彈系統(tǒng)，實(shí)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(jì)算機(jī)屏幕上。通過模擬相控陣工作原理，系統(tǒng)可激勵(lì)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(shù)的各種聲束掃查方式。此系統(tǒng)還可為陣列式換能器的設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)依據(jù)，并能夠驗(yàn)證已有的聲學(xué)理論，對(duì)超聲無損檢測(cè)具有重要的指導(dǎo)意義。

［1］ 應(yīng)崇福，張守玉，沈建中.超聲在固體中的散射［M］.北京：國(guó)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(cè)［J］.無損檢測(cè)，2008，30（8）：523.