超聲無損檢測(cè)成像技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展方向

引言

So ko lov 于20 世紀(jì)30 年代提出了超聲波檢測(cè)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(cè)技術(shù)的重要標(biāo)識(shí)。20 世紀(jì)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(jì)算機(jī)技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù)的飛速發(fā)展，聲成像研究恢復(fù)了生機(jī)。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(cè)中也逐漸得到應(yīng)用 ?，F(xiàn)在,超聲成像檢測(cè)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(cè)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(gè)或幾個(gè)聲場(chǎng)參量的分布或差異。反過來，對(duì)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

掃描超聲成像是超聲檢測(cè)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(diǎn)。

表1 掃描超聲成像技術(shù)

2. 2 超聲波顯像

聲波是力學(xué)波，它會(huì)改變傳播介質(zhì)中的一些力學(xué)參數(shù)，比如質(zhì)點(diǎn)位置、質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)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(tái)聲光圖像轉(zhuǎn)換器。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(guó)著名聲學(xué)專家應(yīng)崇福和他領(lǐng)導(dǎo)的小組用動(dòng)態(tài)光彈法系統(tǒng)研究了固體中的超聲散射，把這個(gè)方法的價(jià)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(dòng)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(guó)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(chǎng)全部信息，并實(shí)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(hào)與探測(cè)器的輸出電信號(hào)相加，用疊加信號(hào)的幅度去調(diào)制熒光屏光點(diǎn)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(jì)算機(jī)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(duì)的關(guān)系，直接由計(jì)算機(jī)計(jì)算而實(shí)現(xiàn)的重建。

2. 4 ALOK 法成像

ALOK ( Amplituen and Laufzeit Ort s Kurren) 法即幅度傳播時(shí)間位置曲線法，原理如圖1 所示。一個(gè)自發(fā)自收的超聲換能器在試樣表面按照一定規(guī)則進(jìn)行移動(dòng)掃描，如果A 點(diǎn)是試樣內(nèi)的缺陷，那么在位置1 處接收到的回波信號(hào)中，在的傳播時(shí)間處有一個(gè)回波小峰。同樣，在位置2 接收的回波信號(hào)中，在傳播時(shí)間處也會(huì)出現(xiàn)一個(gè)小峰。由于這個(gè)缺陷是確定的，因此在以后的各檢測(cè)位置上，在聲時(shí)位置曲線對(duì)的傳播時(shí)間上都會(huì)出現(xiàn)A 點(diǎn)的反射回波。同樣，由于檢測(cè)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(huì)隨位置的變換而有規(guī)律的變化。而噪聲則不會(huì)在出現(xiàn)的時(shí)間與幅度上隨檢測(cè)位置而有規(guī)律的變化。利用傳播時(shí)間位置及幅度位置曲線，就可以從回波信號(hào)中識(shí)別來自缺陷的回波信號(hào)，并用B 顯示給出缺陷的像。

2. 5 相控陣法

超聲相控陣技術(shù)于雷達(dá)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(jì)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(jì)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(jī)制、微電子技術(shù)、及計(jì)算機(jī)功率的最新發(fā)展，對(duì)相控陣技術(shù)的完善和精細(xì)化都有卓著貢獻(xiàn)。

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(dú)立進(jìn)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(gè)陣元按照一定延時(shí)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(diǎn)和指向性[ 6] ，如圖2 所示。改變各陣元激發(fā)的延時(shí)規(guī)律，可以改變焦點(diǎn)位置和波束指向，形成在一定空間范圍內(nèi)的掃描聚焦。

圖2 相控陣成像檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)。

2. 6 超聲顯微鏡

超聲顯微鏡是利用聲波對(duì)物體內(nèi)力學(xué)特性進(jìn)行高分辨率成像研究的系統(tǒng)和技術(shù)，是20 世紀(jì)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(hào)檢測(cè)和計(jì)算機(jī)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(duì)不透明材料內(nèi)部層層遞進(jìn)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(duì)生物組織可以進(jìn)行活體檢查，可實(shí)現(xiàn)生物學(xué)家們長(zhǎng)期盼望的 活檢 。

2. 7 合成孔徑聚焦成像( SAFT )

合成孔徑聚焦( Sy nthet ic Aperture Fo cusingTechnique，SAFT) 超聲成像是20 世紀(jì)70 年代發(fā)展起來的一種比較有潛力的成像方法，它以點(diǎn)源探頭在被測(cè)物體的表面上掃描，接收來自物體內(nèi)部各點(diǎn)的散射聲信號(hào)并加以存儲(chǔ)，然后對(duì)不同接收位置上探頭接收的聲信號(hào)引入適當(dāng)?shù)难舆t并進(jìn)行疊加，以獲得被成像點(diǎn)的逐點(diǎn)聚焦聲學(xué)像。在超聲檢測(cè)中，常用聚焦探頭來提高檢測(cè)的分辨率。在焦點(diǎn)上超聲波的束徑b 與聲波波長(zhǎng)、焦距F 及探頭尺寸D 之間有: b = 1. 03F / D，頻率越高,探頭的孔徑越大，檢測(cè)的分辨率就越高。合成孔徑聚焦技術(shù)就是用信號(hào)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(shí)現(xiàn)高分辨率成像。

當(dāng)一個(gè)超聲收、發(fā)的探頭沿直線移動(dòng)，每隔距離d 發(fā)射一個(gè)聲波，同時(shí)接收來自物體各點(diǎn)的散射信號(hào)并加以儲(chǔ)存。根據(jù)各成像點(diǎn)的空間位置，對(duì)接收到的信號(hào)作適當(dāng)?shù)穆晻r(shí)延或相位延遲后再合成得到被成像物體的逐點(diǎn)聚焦成像，這就是合成孔徑聚焦成像技術(shù)。SA FT 成像的分辨率高，能在近場(chǎng)區(qū)工作，并能實(shí)現(xiàn)三維成像。

2. 8 衍射時(shí)差法( TOFD) 超聲成像技術(shù)

TOFD( T ime Of Flig ht Diff ract ion) 檢測(cè)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(hào)探測(cè)和測(cè)量缺陷尺寸。檢測(cè)過程中，激發(fā)探頭產(chǎn)生的寬角度縱波基本可覆蓋整個(gè)檢測(cè)區(qū)域[ 7] 。

TOFD 對(duì)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(shí)別向表面延伸的缺陷，使用橫向TOFD 模式時(shí)，特別是在信號(hào)處理的幫助下缺陷定量很準(zhǔn)，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(shí)效果更好。

2. 9 超聲CT ( Computed T omog raphy) 成像

英國(guó)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(shì)還在繼續(xù)增長(zhǎng)。

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(cè)、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(cè)預(yù)報(bào)、地質(zhì)構(gòu)造等方面有廣泛而深入的應(yīng)用。超聲CT 總的發(fā)展趨勢(shì)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(shí)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(shì)。

3 超聲檢測(cè)成像的發(fā)展方向

當(dāng)今世界很多國(guó)家都越來越重視無損檢測(cè)技術(shù)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門中的作用，超聲無損檢測(cè)成像技術(shù)大多有自動(dòng)化和智能化的特點(diǎn)，超聲成像是定量無損檢測(cè)的重要工具，在各種探傷手段中，應(yīng)用超聲手段來檢測(cè)缺陷是目前各國(guó)正在探索的一個(gè)重點(diǎn)。目前，人們?nèi)栽谥铝τ诤芏喾矫娴难芯?，如聲逆散射理論、新成像機(jī)制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模式識(shí)別等信號(hào)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(jìn)步的代表。超聲無損檢測(cè)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(duì)產(chǎn)品質(zhì)量與安全性的不斷重視而得到進(jìn)一步提高。