超声相控阵检测教材-第一章-相控阵技术的发展史及优点

第一章超声相控阵检测技术发展史及优点
1.1 超声相控阵检测技术的发展史
20世纪20年代，苏联科学家S.J.Slkolov就已经开始了超声成像的研究。

其后由于技术上的种种原因，超声成像研究进展缓慢。

之后随着电子技术和计算机技术的迅速发展，大大推动了超声成像的研究和应用。

目前，在无损检测领域，已被发展或正在研究的超声检测成像方法主要有以下几种。

1、扫描超声成像：脉冲超声回波（实际上是超声回波通过超声换能器转换成电信号的
波形）在显示屏上可以由不同的显示方式，包括A型、B型、C型、P型、F型扫
描显示。

2、超声全息：基于波前重建原理，即通过物波和参考波干涉形成的图案（全息图），然
后经过反衍射积分的重建过程，获得物体的图像。

早期的超声全息模仿光全息原理，使用液面成像方式。

目前研究比较活跃的声全息方法是扫描声全息，大致分为激光
束扫描声全息和计算机重建声全息两类。

3、超声显微镜：利用声波对物体内部的声不连续性（如缺陷、力学特性或微观组织变
化等）进行高分辨率成像检测的系统和技术。

其原理是用高频（工作频率可高达
2GHz）超声波照射样品，形成样品的微观声学参数分布，能获得被测物体表面和近表面结构的高分辨率图像。

4、超声CT：计算机层析超声成像，它是借鉴X射线CT而发展的超声成像技术。

其用
一束超声波依次沿不同方位角照射物体，并同时检测物体中目标的散射波（即投影），再由投影来计算反演重建目标的像。

目前超声CT主要有透射型和反射型两种，而
图像重建也有两种理论，射线理论和衍射理论。

5、ALOK超声成像（amplituden and laufzeit orts kurven）技术，即幅度—传播时间—位
置曲线技术。

利用幅度—传播时间—位置曲线，通过传播时间补偿和信号叠加的方
法，从回拨信号中识别来自缺陷的回波信息而去除噪声信号，并可给出用B型显示的缺陷图像。

6、衍射传播时间技术（TOFD）：依靠超声波和缺陷端部相互作用发出的衍射波来检出
缺陷并对其进行定量的检测技术，并可给出A型扫描显示及D扫描、B扫描灰度图
像显示。

7、合成孔径聚焦技术（SAFT）：采用小孔径换能器和较低的工作频率，以获得高的空
间分辨力的一种超声检测技术，能在近场区工作，并能实现三维成像的特点。

8、超声相控阵成像：通过控制阵列换能器中各个阵元激励（或接收）脉冲的时间延迟，
改变由各阵元发射（或接收）声波到达（或来自）物体内某点时的相位关系，实现
聚焦点和声束方位的变化，从而完成相控阵波束合成，形成成像扫描线的技术，可
给出A型、B型、C型、P型及3D扫描成像。

至今超声相控阵技术已有近20多年的发展历史。

初期主要应用于医疗领域,医学超声（见图1-1所示）成像中用相控阵换能器快速移动声束对被检器官进行成像（见图1-2所示），而大功率超声利用其可控聚焦特性局部升温热疗治癌,使目标组织升温并减少非目标组织的功率吸收。

最初,系统的复杂性、固体中波动传播的复杂性及成本费用高等原因使其在工业无损检测中的应用受限。

然而随着电子技术和计算机技术的快速发展,超声相控阵技术逐渐应用于工业无损检测。

图1-1 医用相控阵设备图1-2 器官检查
近年来，超声相控阵技术以其灵活的声束偏转及聚焦性能越来越引起人们的重视。

由于压电复合材料、纳秒级脉冲信号可控制、数据处理分析、软件技术和计算机模拟等高新技术在超声相控阵成像领域中的综合应用，使得超声相控阵检测技术得以快速发展，逐渐应用于工业无损检测领域。

在超声相控阵成像检测仪器设备方面，国外有以色列SONOTRON NDT公司、加拿大R/D TECH公司、美国GE公司、日本OL YMPUS公司、英国SONATEST公司、英国Technology
Design公司等致力研发相控阵检测系统设备，并且已经在各行各业无损检测领域得到了成功地应用。

同时国内也有多家公司在对超声相控阵检测设备进行研究，如广州多浦乐电子科技有限公司、汕头超声研究所、武汉中科创新技术股份有限公司，且这些设备已逐步投入生产并在市场中得到推广应用。

1.2超声相控阵检测的优点
超声相控阵检测与其他无损检测方法对比具有如下所述的优势：
1）采用电子方法控制声束聚焦和扫描，检测速度成倍提高：
①超声波束方向可自由变换；
②焦点可以调节甚至实现动态聚焦；
③探头固定不动便能实现超声波扇扫或者线扫；
④相控阵技术可进行电子扫描，比通常的光栅扫描快一个数量等级；
2）具有良好的声束可达性，能对复杂几何形状的工件进行探查：
①用一个相控阵探头，就能涵盖多种应用，不象普通超声探头应用单一有限；
②对某些检测，可接近性是“拦路虎”，而对相控阵，只需用一小巧的阵列探头，就能完成多
个单探头分次往复扫查才能完成的检测任务；
3）通过优化控制焦点尺寸、焦区深度和声束方向，可使检测分辨力、信噪比和灵敏度等
性能得到提高；
4）通常不需要辅助扫查装置，探头不与工件直接接触，数据以电子文件格式存储，操作灵活简便且成本低。

5）真实几何结构成像技术：解决复杂几何构件检测难题；现场实时生成几何形状图象；轻松指出缺陷真实特征位置；成像由各声束A扫数据生成；实际检测结合工艺轨迹追踪；
可用于所有形式的焊缝检测；同步显示A、B、S、C、D、P、3D扫描数据。

超声相控阵检测成像方式与第一节中提到的其他超声成像方式相比较，超声相控阵成像具有综合的优点，这表现在如下几个方面：
1）与B型、C型等扫描成像方式相比，相控阵超声成像使用阵列换能器（探头），不需要移动探头就可以实现对被检测试样一定声场范围内进行计算机控制的聚焦扫查。

另外，在B型、C型等扫描成像方式中的声束时有单探头发出的，其焦距、焦深等参数都是固定的，在不移动探头位置的条件下，不能在整个视场内得到清晰一致的成像；而相控阵超声成像则能通过计算机的程序灵活控制焦点位置、大小、焦深等多种参数，从而可得到均匀一致、高分辨率的清晰成像。

2）超声全息能得到目标的立体像，但它的灵敏度和分辨率不高，设备复杂昂贵，目前还未得到普遍应用。

相控阵超声成像的检测灵敏度和分辨率大大高于超声全息，而且通过对各个方向扫描声束的探测结果进行计算重建，也可以得到被检物体的三维成像。

如采用
二维阵列探头，则可获得实时三维成像。

3）超声显微镜的成像因为所用的换能器频率高，所以分辨率很高，但它只适用于探查物体表面和近表面微观结构；相控阵超声一般不用很高的频率，成像的分辨率虽然相对较低，但可以对较厚的大工件进行内部成像检测。

4）合成孔径聚焦技术SAFT成像和ALOK成像都具有分辨率高、信噪比好的优点，是已被证明行之有效的实用化超声检测方法。

相控阵超声成像从原理上包含了这两种成像方式的优点：合成孔径聚焦成像和ALOK成像都是以单探头进行移动发射/接收来合成阵列探头的效应，从而获得性能的提高，相控阵超声成像中的阵列传感器则在物理上就是阵列结构，因此同样能获得高分辨率和高信噪比。

由于在一定范围内可免去移动探头的定位扫查机构，相控阵超声成像的系统更加简化、可靠性增强。