超聲無損檢測成像技術分析

王海環 安長建

山東科捷工程檢測有限公司 山東 濟南 250101

引言

在傳統的材料冷熱加工過程中，經常會出現一些意料之外的產品質量問題。比如，由于冷卻速度不均勻會引起產品出現裂紋，導致殘余應力較為集中；熔融狀態的金屬在凝固時未及時將氣泡排出，使得產品出現氣孔，從而削弱產品的連續性；或物件由于長時間運轉而出現了疲勞狀態，使得產品強度下降。一系列問題都有可能會使得產品報廢，嚴重時可能會引起生產系統發生停止。因此。要及時對物體進行定性定量的檢測從而避免安全事故發生。而探究反應產品內部缺陷的高精準度成像方法，一直是工業檢測領域內的重大研究事項。

在傳統的超聲無損檢測技術中，一般根據脈沖回波法來檢測產品的描繪時間與幅值，從而形成一維的圖像，用于表征材料的內部缺陷，特別是在縱向深度上的狀況。但是這種技術很難精準的檢測工件表面或近表面出現的一些氣孔，存在檢測盲區[1]。因此，這種只對工件進行初步檢測從而做出定性的分析手段，容易受到主觀因素的影響，從而導致漏檢、誤檢問題出現。隨著現代工業的快速發展。傳統的檢測手段遠遠不能滿足當下的工業生產需求，這就更需要一種高直觀性、高精準度、可靠性強的超聲檢測技術來對設備進行健康檢測，發現工件的缺陷問題。因此，研究技術人員將研究重點放到了材料內部缺陷的直觀性檢測中。超聲成像檢測技術，是目前無損檢測領域定量化評價的重要研究熱點。近幾年來，在材料性能表征、零部件質量評價，產品性能評估過程中，超聲檢測技術發展迅速，具有發展最快、應用廣泛的特點，同時具備了強穿透力、高靈敏性、強指向性等特點，被廣泛地應用于航空、石油、工業制造、特種設備等領域[2]。在現代無損檢測技術發展過程中，超聲成像技術是一種廣受關注的技術。它是通過壓電換能器或者是激光的方式來促進超聲波的傳播。借助某些方法對采集到的缺陷回波數據進一步分析處理，從而形成圖像重構。將內部的微型結構借助圖像的形式清晰地表現出來，從而幫助工作人員更直觀的借助圖像進行定量分析產品內部的缺陷問題，并且做出損傷評估。當下隨著計算機技術網絡技術、數字化技術的不斷發展，超聲成像技術越來越成熟。其方法和檢測手段也被廣泛應用到了各個領域中，作為未來無損檢測發展的重要方向之一，超聲成像檢測技術的靈活性，靈敏度研究將對于無損檢測產生重要意義。

1 超聲檢測成像的原理

超聲成像，簡單來說就是借助超聲波手段來獲取物體可見成像的一種技術。超聲波的特點是可穿透不透光物體，因此，利用超聲波可以穿透工件內部，獲取內部結構聲學特性，借助該技術將這些特性轉變成人眼可見的圖像[3]。依靠超聲波轉變形成的圖像稱為聲像，受到生理因素的限制但無法直接來感受聲像，因此需要借助光學或電子學等方式，將聲像進一步轉化為肉眼可見到圖像或者是圖形。這種人眼可見的圖像和圖形被稱為聲學像，可以反映工件內部一個或幾個聲場參量的不同于分布情況。同時，對于一個物體可以借助生物學特性，比如聲阻抗率，聲速等特性，從而得到不同的聲學像。

圖1 超聲波的成像方法和過程示意圖

2 不同的超聲成像技術

2.1 掃描超聲成像技術

掃描超聲成像是將超聲檢測到的數據用視圖進行呈現的方式，他們根據超聲波脈沖回波在熒屏上的不同呈現方式。可分為A-掃描、B-掃描、C-掃描、D-掃描、S-掃描以及P-掃描等。例如，A-掃描作為一維顯示的掃描技術，是各種掃描技術的基礎。它主要是依靠超聲脈沖幅度或者是波形與超聲傳播時間的關系進行顯示。B-掃描超聲成像是借助與聲速傳播方向平行，且垂直于測量表面的剖面來顯示的方法，一幅B顯示是一系列A顯示的疊加[4]。C-掃描主要是呈現樣品的橫斷面，成像范圍較廣，優越性較好，但不足是無法實時成效。D-掃描呈現的視圖與B-掃描方向垂直。S-掃描的優勢，是能夠呈現實際的深度，通過二維顯示重現體積，呈現缺陷周向分布和徑向分布、深度位置等相關信息。

2.2 超聲波成像

聲波作為一種力學波，能夠改變傳播介質中的某些力學參數，比如，質點位置、運動速度、介質密度等，同時液體還可能會引起輻射壓力，利用上述參數的變化。可以將聲波轉換為可見的視圖。目前，最常用且有效的聲波顯示技術是施利侖法和光彈法，其中施利侖法主要是依據引起介質密度變化進而引發光折射率變化的一種方法；光彈法成像，主要靠超聲改變應力，在各同向性固體中，應力將會引發光的雙折射效應，當光通過應力區后，會發生偏振改變。在20世紀80年代，我國著名的聲學專家應崇福，曾經借助動態光彈法系統，來研究固體中的超聲過程，在研究中他們首次發現了聲波沿著孔壁爬行，在材料邊棱內部，出現散射現象和在帶狀的裂縫中出現散射現象，同時他們首次發現了蘭姆波和瑞利波[5]。觀察到蘭姆波板端中出現的散射現象，瑞利波圍繞材料尖角的散射現象，同時他們借助技術提升光彈法的清晰程度，使得光彈照片的質量在全國乃至國際上走在了前列。

2.3 超聲全息

超聲全息成像是借助干涉原理，將觀察到的物體聲像信息詳細記錄下來，并以成像的方式，包括聲像學技術和信息處理技術兩種技術。掃描聲全息主要可以劃分為兩類，一是激光重建聲全息，該技術是借助與入射波相同頻率的電信號，與探測器輸出的電信號進行疊加。借助形成的信號幅度來調節熒光屏上點的亮度，從而在屏幕上生成全息圖，將生成的全息圖進行保存，再用激光進行照射，得到重建相。二是計算機重建聲全息，該技術是借助掃描得到的全新函數與重建相函數兩者間的空間傅氏變換對關系，借助計算機計算實現的重建過程。

2.4 相控陣法

超聲相控陣法是從雷達電磁波相控陣技術中演變而來的。我們日常用到的醫用B超技術是最早使用超聲相控陣技術的。在20世紀80年代初，該技術從醫學領域進入到工業領域中，特別是壓電復合材料的成功出現，進一步開拓了復合型相控陣探頭的生產。壓電復合技術、微電子技術以及計算機技術的不斷發展，進一步促進了相控陣技術的精細化進程。該種技術是主要有兩部分組成，一是超聲陣列換能器，它是由許許多多小的壓電晶片依照相應的形狀組合而成，內部的各個壓電晶片，可以獨立進行超聲發射或者是接收信號；另一部分是相應的電子控制系統。在超聲相控陣超聲發射過程中，陣列換能器中各個陣元若能按照延時順序激發，其發射的子波束在空間形成，具備聚焦點和指向性。若改變個陣元及發的延時規律，將會進一步改變焦點的位置和波束，從而在空間范圍內生成掃描聚焦。

2.5 超聲顯微鏡

超聲顯微鏡是借助聲波對物體內力學特性進行高分辨率成像研究的技術和手段，是20世紀研制成功的一種非常重要的三維顯微設備，它包含了現代微波聲學、信號監測和計算機圖像科學技術，該技術可以對不透明物體內部，進行顯微觀察，可達表面以下幾毫米甚至幾十毫米，獲得物體豐富的信息，此外他還可以對生物組織進行活體檢測，實現了生物學家們所要求的“活檢”技術。

2.6 合成孔徑聚焦成像

合成孔徑聚焦成像是20世紀70年代出現的一種較有發展潛力的技術手段。它可以利用電源探頭掃描物體表面。通過物體內部各點的散射聲信號發出的信號進行存儲。然后利用不同接收位置上接收到的聲信號，進行適當的延遲處理，疊加從而獲得被成像點的逐點聚焦聲學像。在該種檢測成效技術手段中，通常是借助聚焦探頭來不斷提高檢測的分辨率。通常在焦點上超聲波的頻率越高，所采用的探頭的孔徑越大，其檢測到的分辨率就會越高。合成孔徑聚焦技術主要是借助信號處理的手段，將小孔徑的換能器分裂，轉為大孔徑陣的指向特性，從而實現高分辨率成像。如果一個超聲收發的探頭按照直線移動，每隔固定的距離發射一個光波，同時接受來自物體各點上的散射信號，并進行儲存。根據各個像點的位置對接收的信號進行延遲處理，合并再得到物體的逐點聚焦成像。這就是合成孔徑聚焦成像技術，該技術分辨率高，可以在進場區操作實現三維成像。

2.7 衍射時差法超聲成像技術

衍射時差法超聲成像技術是采用一收一發，并利用了角度相同的雙探頭手段。通過缺陷尖端的衍射波信號進行監測和量化缺陷的大小，在檢測過程中激光探頭發出的寬角度縱波覆蓋范圍較廣，幾乎可以涵蓋整個檢測區域。同時該技術對于焊縫中缺陷部位的檢測率較為準確。容易檢測出方向性不好的缺陷，同時可以較為敏感地發現表面延伸的缺陷，在使用橫向模式時，對于信號處理支持下，可以快速、測試出缺陷。同時在現行模式下的定量、精準度，也表現較好。該技術與脈沖反射法共同使用，效果更佳。

2.8 時間反轉法

時間反轉法，作為一種新成像技術它是通過聲像互易性以及自適應聚焦特性的方法，在非均質界之中使用效果較好。傳統成像方法以及普通的現代成像方法在特殊的環境，比如強散射體環境中，因為介質不均勻會使得聲速發生多途效應從而引起散焦，導致波形的畸變，進而使得呈現的圖像分辨率較低，無法滿足高質量成像的需求。時間反轉法作為一種自適應的聚焦方法和手段，可以在未知的環境條件下實現聲像能量的聚集，時間反轉法的成像原理，主要是通過換能器單陣型源激勵，在靶點處發出信號，發出的聲波信號在不均勻的介質中會出現散射，直到到達目標后會經過各種路徑反射到換能器陣列中，并隨之進行儲存，隨后陣列還能對接收到的信號進行后續的處理，按照先到后發、后到先發的規則使得信號進行反轉后發射。隨著穩定的介質特性，不同的震源在經歷重新發射后會，沿著原來的路徑進行傳播，最后使得生產的能量在原來的靶點處聚集，最終實現成像域內的聚集，增強目標的對象能量，從而提升成像質量的要求。該方法是通過光學中的相位共軛鏡延伸到聲學領域中的，同時該技術可以通過多次的迭代使得聚集的效果更加明顯，但是，該方法也存在一定的局限性，若是像域內存在多個散射目標，該技術只能對其中散射能力最強的一個目標，進行聚焦。

3 超聲檢測成像的發展趨勢

隨著信息技術的不斷發展，越來越多的國家和地區重視無損檢測技術在國民經濟發展中的作用，無損檢測成像技術具備自動化、智能化的優勢，超聲成像作為定量無損檢測的手段之一，在各種探測過程中應用超聲技術來檢測缺陷，是當前各領域重點探索的項目之一。當下，人們仍致力于研究超聲檢測成像技術，如新成像機制、神經網絡模式識別等信號處理方式。本文闡述的幾種成像技術，僅為其中具有代表性的部分技術，超聲無損檢測技術必將伴隨著技術以及材料的發展而不斷發展，并隨著人們對產品質量要求，以及安全性的追求而得到進一步的提升。