超声无损检测成像技术分析

王海环 安长建

山东科捷工程检测有限公司 山东 济南 250101

引言

在传统的材料冷热加工过程中，经常会出现一些意料之外的产品质量问题。比如，由于冷却速度不均匀会引起产品出现裂纹，导致残余应力较为集中；熔融状态的金属在凝固时未及时将气泡排出，使得产品出现气孔，从而削弱产品的连续性；或物件由于长时间运转而出现了疲劳状态，使得产品强度下降。一系列问题都有可能会使得产品报废，严重时可能会引起生产系统发生停止。因此。要及时对物体进行定性定量的检测从而避免安全事故发生。而探究反应产品内部缺陷的高精准度成像方法，一直是工业检测领域内的重大研究事项。

在传统的超声无损检测技术中，一般根据脉冲回波法来检测产品的描绘时间与幅值，从而形成一维的图像，用于表征材料的内部缺陷，特别是在纵向深度上的状况。但是这种技术很难精准的检测工件表面或近表面出现的一些气孔，存在检测盲区[1]。因此，这种只对工件进行初步检测从而做出定性的分析手段，容易受到主观因素的影响，从而导致漏检、误检问题出现。随着现代工业的快速发展。传统的检测手段远远不能满足当下的工业生产需求，这就更需要一种高直观性、高精准度、可靠性强的超声检测技术来对设备进行健康检测，发现工件的缺陷问题。因此，研究技术人员将研究重点放到了材料内部缺陷的直观性检测中。超声成像检测技术，是目前无损检测领域定量化评价的重要研究热点。近几年来，在材料性能表征、零部件质量评价，产品性能评估过程中，超声检测技术发展迅速，具有发展最快、应用广泛的特点，同时具备了强穿透力、高灵敏性、强指向性等特点，被广泛地应用于航空、石油、工业制造、特种设备等领域[2]。在现代无损检测技术发展过程中，超声成像技术是一种广受关注的技术。它是通过压电换能器或者是激光的方式来促进超声波的传播。借助某些方法对采集到的缺陷回波数据进一步分析处理，从而形成图像重构。将内部的微型结构借助图像的形式清晰地表现出来，从而帮助工作人员更直观的借助图像进行定量分析产品内部的缺陷问题，并且做出损伤评估。当下随着计算机技术网络技术、数字化技术的不断发展，超声成像技术越来越成熟。其方法和检测手段也被广泛应用到了各个领域中，作为未来无损检测发展的重要方向之一，超声成像检测技术的灵活性，灵敏度研究将对于无损检测产生重要意义。

1 超声检测成像的原理

超声成像，简单来说就是借助超声波手段来获取物体可见成像的一种技术。超声波的特点是可穿透不透光物体，因此，利用超声波可以穿透工件内部，获取内部结构声学特性，借助该技术将这些特性转变成人眼可见的图像[3]。依靠超声波转变形成的图像称为声像，受到生理因素的限制但无法直接来感受声像，因此需要借助光学或电子学等方式，将声像进一步转化为肉眼可见到图像或者是图形。这种人眼可见的图像和图形被称为声学像，可以反映工件内部一个或几个声场参量的不同于分布情况。同时，对于一个物体可以借助生物学特性，比如声阻抗率，声速等特性，从而得到不同的声学像。

图1 超声波的成像方法和过程示意图

2 不同的超声成像技术

2.1 扫描超声成像技术

扫描超声成像是将超声检测到的数据用视图进行呈现的方式，他们根据超声波脉冲回波在荧屏上的不同呈现方式。可分为A-扫描、B-扫描、C-扫描、D-扫描、S-扫描以及P-扫描等。例如，A-扫描作为一维显示的扫描技术，是各种扫描技术的基础。它主要是依靠超声脉冲幅度或者是波形与超声传播时间的关系进行显示。B-扫描超声成像是借助与声速传播方向平行，且垂直于测量表面的剖面来显示的方法，一幅B显示是一系列A显示的叠加[4]。C-扫描主要是呈现样品的横断面，成像范围较广，优越性较好，但不足是无法实时成效。D-扫描呈现的视图与B-扫描方向垂直。S-扫描的优势，是能够呈现实际的深度，通过二维显示重现体积，呈现缺陷周向分布和径向分布、深度位置等相关信息。

2.2 超声波成像

声波作为一种力学波，能够改变传播介质中的某些力学参数，比如，质点位置、运动速度、介质密度等，同时液体还可能会引起辐射压力，利用上述参数的变化。可以将声波转换为可见的视图。目前，最常用且有效的声波显示技术是施利仑法和光弹法，其中施利仑法主要是依据引起介质密度变化进而引发光折射率变化的一种方法；光弹法成像，主要靠超声改变应力，在各同向性固体中，应力将会引发光的双折射效应，当光通过应力区后，会发生偏振改变。在20世纪80年代，我国著名的声学专家应崇福，曾经借助动态光弹法系统，来研究固体中的超声过程，在研究中他们首次发现了声波沿着孔壁爬行，在材料边棱内部，出现散射现象和在带状的裂缝中出现散射现象，同时他们首次发现了兰姆波和瑞利波[5]。观察到兰姆波板端中出现的散射现象，瑞利波围绕材料尖角的散射现象，同时他们借助技术提升光弹法的清晰程度，使得光弹照片的质量在全国乃至国际上走在了前列。

2.3 超声全息

超声全息成像是借助干涉原理，将观察到的物体声像信息详细记录下来，并以成像的方式，包括声像学技术和信息处理技术两种技术。扫描声全息主要可以划分为两类，一是激光重建声全息，该技术是借助与入射波相同频率的电信号，与探测器输出的电信号进行叠加。借助形成的信号幅度来调节荧光屏上点的亮度，从而在屏幕上生成全息图，将生成的全息图进行保存，再用激光进行照射，得到重建相。二是计算机重建声全息，该技术是借助扫描得到的全新函数与重建相函数两者间的空间傅氏变换对关系，借助计算机计算实现的重建过程。

2.4 相控阵法

超声相控阵法是从雷达电磁波相控阵技术中演变而来的。我们日常用到的医用B超技术是最早使用超声相控阵技术的。在20世纪80年代初，该技术从医学领域进入到工业领域中，特别是压电复合材料的成功出现，进一步开拓了复合型相控阵探头的生产。压电复合技术、微电子技术以及计算机技术的不断发展，进一步促进了相控阵技术的精细化进程。该种技术是主要有两部分组成，一是超声阵列换能器，它是由许许多多小的压电晶片依照相应的形状组合而成，内部的各个压电晶片，可以独立进行超声发射或者是接收信号；另一部分是相应的电子控制系统。在超声相控阵超声发射过程中，阵列换能器中各个阵元若能按照延时顺序激发，其发射的子波束在空间形成，具备聚焦点和指向性。若改变个阵元及发的延时规律，将会进一步改变焦点的位置和波束，从而在空间范围内生成扫描聚焦。

2.5 超声显微镜

超声显微镜是借助声波对物体内力学特性进行高分辨率成像研究的技术和手段，是20世纪研制成功的一种非常重要的三维显微设备，它包含了现代微波声学、信号监测和计算机图像科学技术，该技术可以对不透明物体内部，进行显微观察，可达表面以下几毫米甚至几十毫米，获得物体丰富的信息，此外他还可以对生物组织进行活体检测，实现了生物学家们所要求的“活检”技术。

2.6 合成孔径聚焦成像

合成孔径聚焦成像是20世纪70年代出现的一种较有发展潜力的技术手段。它可以利用电源探头扫描物体表面。通过物体内部各点的散射声信号发出的信号进行存储。然后利用不同接收位置上接收到的声信号，进行适当的延迟处理，叠加从而获得被成像点的逐点聚焦声学像。在该种检测成效技术手段中，通常是借助聚焦探头来不断提高检测的分辨率。通常在焦点上超声波的频率越高，所采用的探头的孔径越大，其检测到的分辨率就会越高。合成孔径聚焦技术主要是借助信号处理的手段，将小孔径的换能器分裂，转为大孔径阵的指向特性，从而实现高分辨率成像。如果一个超声收发的探头按照直线移动，每隔固定的距离发射一个光波，同时接受来自物体各点上的散射信号，并进行储存。根据各个像点的位置对接收的信号进行延迟处理，合并再得到物体的逐点聚焦成像。这就是合成孔径聚焦成像技术，该技术分辨率高，可以在进场区操作实现三维成像。

2.7 衍射时差法超声成像技术

衍射时差法超声成像技术是采用一收一发，并利用了角度相同的双探头手段。通过缺陷尖端的衍射波信号进行监测和量化缺陷的大小，在检测过程中激光探头发出的宽角度纵波覆盖范围较广，几乎可以涵盖整个检测区域。同时该技术对于焊缝中缺陷部位的检测率较为准确。容易检测出方向性不好的缺陷，同时可以较为敏感地发现表面延伸的缺陷，在使用横向模式时，对于信号处理支持下，可以快速、测试出缺陷。同时在现行模式下的定量、精准度，也表现较好。该技术与脉冲反射法共同使用，效果更佳。

2.8 时间反转法

时间反转法，作为一种新成像技术它是通过声像互易性以及自适应聚焦特性的方法，在非均质界之中使用效果较好。传统成像方法以及普通的现代成像方法在特殊的环境，比如强散射体环境中，因为介质不均匀会使得声速发生多途效应从而引起散焦，导致波形的畸变，进而使得呈现的图像分辨率较低，无法满足高质量成像的需求。时间反转法作为一种自适应的聚焦方法和手段，可以在未知的环境条件下实现声像能量的聚集，时间反转法的成像原理，主要是通过换能器单阵型源激励，在靶点处发出信号，发出的声波信号在不均匀的介质中会出现散射，直到到达目标后会经过各种路径反射到换能器阵列中，并随之进行储存，随后阵列还能对接收到的信号进行后续的处理，按照先到后发、后到先发的规则使得信号进行反转后发射。随着稳定的介质特性，不同的震源在经历重新发射后会，沿着原来的路径进行传播，最后使得生产的能量在原来的靶点处聚集，最终实现成像域内的聚集，增强目标的对象能量，从而提升成像质量的要求。该方法是通过光学中的相位共轭镜延伸到声学领域中的，同时该技术可以通过多次的迭代使得聚集的效果更加明显，但是，该方法也存在一定的局限性，若是像域内存在多个散射目标，该技术只能对其中散射能力最强的一个目标，进行聚焦。

3 超声检测成像的发展趋势

随着信息技术的不断发展，越来越多的国家和地区重视无损检测技术在国民经济发展中的作用，无损检测成像技术具备自动化、智能化的优势，超声成像作为定量无损检测的手段之一，在各种探测过程中应用超声技术来检测缺陷，是当前各领域重点探索的项目之一。当下，人们仍致力于研究超声检测成像技术，如新成像机制、神经网络模式识别等信号处理方式。本文阐述的几种成像技术，仅为其中具有代表性的部分技术，超声无损检测技术必将伴随着技术以及材料的发展而不断发展，并随着人们对产品质量要求，以及安全性的追求而得到进一步的提升。