超声无损检测成像技术的应用及发展方向

引言

So ko lov 于20 世纪30 年代提出了超声波检测的早期研究，在40 年代出现的脉冲回波探伤仪器成为超声波检测技术的重要标识。20 世纪50 年代初，真正用于医学诊断的超声装置问世。60 年代末，由于电子技术、计算机技术和信号处理技术的飞速发展，声成像研究恢复了生机。70 年代形成了几种较成熟的方法，大量商品化设备上市，在医学诊断中得到极其广泛的应用，在工业材料超声检测中也逐渐得到应用 。现在,超声成像检测技术已经在很多领域发挥着重要的作用。

1  超声检测成像原理

超声成像就是用超声波获得物体可见图像的方法。

由于超声波可以穿透很多不透光的物体，所以利用超声波可以获得这些物体内部结构声学特性的信息，超声成像技术将这些信息变成人眼可见的图像。由声波直接形成的图像称为 声像 ，由于生理的限制，人眼是不能直接感知声像的，必须采用光学的或电子学的或其他方式转化为肉眼可见的图像或图形，这种肉眼可见的像被称为 声学像 ，声学像反映了物体内部某个或几个声场参量的分布或差异。反过来，对于同一物体，利用不同的声学参量，例如声阻抗率、声速或声衰减等，可以生成不同的声学像。

2  各种超声成像方法

2. 1  扫描超声成像

扫描超声成像是超声检测数据的视图显示，最基本的超声扫描方式有A扫描，B扫描，C扫描，D扫描，S扫描，P扫描等，它们分别是超声脉冲回波在荧光屏上不同的显示方式。表1 是以上扫描方式的显示方法和特点。

表1  扫描超声成像技术

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 ion) 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] 。

TOFD 对于焊缝中部缺陷检出率很高，容易检出方向性不好的缺陷，可以识别向表面延伸的缺陷，使用横向TOFD 模式时，特别是在信号处理的帮助下缺陷定量很准，线形模式下的定量精度也可以接受，和脉冲反射法相结合时效果更好。

2. 9  超声CT ( Computed T omog raphy) 成像

英国从事超声成像的专家P. N. T Wells 在2000 年的论文!超声成像技术的现状与未来?中指出: 在最近的十几年里，有关超声成像技术的研究在医学成像领域至少占25% 以上的份额，并且这种趋势还在继续增长。

超声CT 技术发展于医学并取得了成功，此外还用于工业材料的无损检测、航空航天、军事工业及钢铁企业等高科技领域或部门： CT 还在地球资源勘探、地震预测预报、地质构造等方面有广泛而深入的应用。超声CT 总的发展趋势是向着高速、清晰、可靠方向发展，即数据采集、成像速度更为快捷，重建图像具有更高的空间分辨率、密度分辨率，图像更为清晰、可靠。此外，如何在数据缺损时或根据很少的投影数据能够很好地重建图像，也是未来CT 必须解决的问题。重建三维图像是CT 的又一发展趋势。

3  超声检测成像的发展方向

当今世界很多国家都越来越重视无损检测技术在国民经济各部门中的作用，超声无损检测成像技术大多有自动化和智能化的特点，超声成像是定量无损检测的重要工具，在各种探伤手段中，应用超声手段来检测缺陷是目前各国正在探索的一个重点。目前，人们仍在致力于很多方面的研究，如声逆散射理论、新成像机制、神经网络、模式识别等信号处理理论、优质超声探头和其他超声成像元件等。本文所阐述的几种成像技术只是众多进步的代表。超声无损检测技术伴随材料与工业技术的发展而发展，并随着人们对产品质量与安全性的不断重视而得到进一步提高。