超声无损检测成像技术

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2. 2 超声波显像

声波是力学波，它会改变传播介质中的一些力学参数，比如质点位置、质点运动速度、介质密度、介质中应变、应力等，液体中还引起辐射压力。利用这些参数变化可以使声波成为可见。 1937 年，Pohlman 制成第一台声光图像转换器。到目前，最有效而常用的声波显示方法是施利仑法和光弹法。施利仑法的根据是声波导致介质密度变化，而后引起光折射率的改变。光弹法成像原理是超声引起应力，在各向同性固体中，应力产生光的双折射效应，光通过应力区后，偏振将发生变化。80 年代，我国着名声学专家应崇福和他领导的小组用动态光弹法系统研究了固体中的超声散射，把这个方法的价值提到了新的高度。在他们的散射研究中,首次目睹了声波沿孔壁爬行，在材料棱边内部的散射和在带状裂缝的散射，还首次窥见了兰姆波和瑞利波，观察了前者在板端的散射，后者绕材料尖角的散射。他们提高了动态光弹法的显示清晰度，80 年代前期的光弹照片质量之高在国际上已属罕见。

2. 3 超声全息

超声全息是利用干涉原理来记录被观察物体声场全部信息，并实现成像的一种声成像技术和信息处理手段。扫描声全息大致分为两类，一类是激光重建声全息，它是用与入射波同频率的电信号与探测器的输出电信号相加，用叠加信号的幅度去调制荧光屏光点的亮度，在荧光屏上形成全息图。将全息图拍摄下来，再用激光照射全息图，获得重建像。另一类是计算机重建声全息，它是利用扫描记录到的全息函数与重建像函数之间是空间傅氏变换对的关系，直接由计算机计算而实现的重建。

2. 4 ALOK 法成像

ALOK ( Amplituen and Laufzeit Ort s Kurren) 法即幅度传播时间位置曲线法，原理如图1 所示。一个自发自收的超声换能器在试样表面按照一定规则进行移动扫描，如果A 点是试样内的缺陷，那么在位置1 处接收到的回波信号中，在的传播时间处有一个回波小峰。同样，在位置2 接收的回波信号中，在传播时间处也会出现一个小峰。由于这个缺陷是确定的，因此在以后的各检测位置上，在声时位置曲线对的传播时间上都会出现A 点的反射回波。同样，由于检测位置与缺陷A之间的距离有规律变换，缺陷回波的幅度也会随位置的变换而有规律的变化。而噪声则不会在出现的时间与幅度上随检测位置而有规律的变化。利用传播时间位置及幅度位置曲线，就可以从回波信号中识别来自缺陷的回波信号，并用B 显示给出缺陷的像。

2. 5 相控阵法

超声相控阵技术来源于雷达电磁波相控阵技术，医用B 超是最先采用超声相控阵技术的。20 世纪80 年代初，相控阵超声波技术从医疗领域跃入工业领域。

20 世纪80 年代中期，压电复合材料的研制成功，为复合型相控阵探头的制作开创新途径。压电复合技术、微型机制、微电子技术、及计算机功率的最新发展，对相控阵技术的完善和精细化都有卓着贡献。

图1 ALOK 法原理。

超声相控阵系统由超声阵列换能器和相应的电子控制系统组成。超声阵列换能器由许多小的压电晶片 ( 阵元)按照一定形状排列而成的，其内部的各阵元可以独立进行超声发射或接收。在相控阵超声发射状态下，阵列换能器中各个阵元按照一定延时规律顺序激发，产生的超声发射子波束在空间合成，形成聚焦点和指向性[ 6] ，如图2 所示。改变各阵元激发的延时规律，可以改变焦点位置和波束指向，形成在一定空间范围内的扫描聚焦。

图2 相控阵成像检测关键技术。

2. 6 超声显微镜

超声显微镜是利用声波对物体内力学特性进行高分辨率成像研究的系统和技术，是20 世纪80 年代研制成功的重要的三维显微观察设备，它集现代微波声学、信号检测和计算机图像科学技术于一体，是一种典型的高科技产物。它可以对不透明材料内部层层递进行显微观察，直至表面以下几毫米甚至几十毫米的深度，可以获得丰富的信息：其次是对生物组织可以进行活体检查，可实现生物学家们长期盼望的活检。

2. 7 合成孔径聚焦成像( SAFT )

合成孔径聚焦( Sy nthet IC Aperture Fo cusingTechnique，SAFT) 超声成像是20 世纪70 年代发展起来的一种比较有潜力的成像方法，它以点源探头在被测物体的表面上扫描，接收来自物体内部各点的散射声信号并加以存储，然后对不同接收位置上探头接收的声信号引入适当的延迟并进行叠加，以获得被成像点的逐点聚焦声学像。在超声检测中，常用聚焦探头来提高检测的分辨率。在焦点上超声波的束径b 与声波波长、焦距F 及探头尺寸D 之间有: b = 1. 03F / D，频率越高,探头的孔径越大，检测的分辨率就越高。合成孔径聚焦技术就是用信号处理的方法使小孔径的换能器阵列具有大孔径阵的指向特性的功能，实现高分辨率成像。

当一个超声收、发的探头沿直线移动，每隔距离d 发射一个声波，同时接收来自物体各点的散射信号并加以储存。根据各成像点的空间位置，对接收到的信号作适当的声时延或相位延迟后再合成得到被成像物体的逐点聚焦成像，这就是合成孔径聚焦成像技术。SA FT 成像的分辨率高，能在近场区工作，并能实现三维成像。

2. 8 衍射时差法( TOFD) 超声成像技术

TOFD( T ime Of Flig ht Diff ract i ON ) 检测技术通常采用一发一收并且角度相同的双探头模式，利用缺陷尖端的衍射波信号探测和测量缺陷尺寸。检测过程中，激发探头产生的宽角度纵波基本可覆盖整个检测区域[ 7] 。

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