1、第一章超聲相控陣檢測技術發展史及優點1.1 超聲相控陣檢測技術的發展史20世紀20年代，蘇聯科學家S.J.Slkolov就已經開始了超聲成像的研究。其后由于技術上的種種原因，超聲成像研究進展緩慢。之后隨著電子技術和計算機技術的迅速發展，大大推動了超聲成像的研究和應用。目前，在無損檢測領域，已被發展或正在研究的超聲檢測成像方法主要有以下幾種。1、掃描超聲成像：脈沖超聲回波（實際上是超聲回波通過超聲換能器轉換成電信號的波形）在顯示屏上可以由不同的顯示方式，包括A型、B型、C型、P型、F型掃描顯示。2、超聲全息：基于波前重建原理，即通過物波和參考波干涉形成的圖案（全息圖），然后經過反衍射積分的重建過

2、程，獲得物體的圖像。早期的超聲全息模仿光全息原理，使用液面成像方式。目前研究比較活躍的聲全息方法是掃描聲全息，大致分為激光束掃描聲全息和計算機重建聲全息兩類。3、超聲顯微鏡：利用聲波對物體內部的聲不連續性（如缺陷、力學特性或微觀組織變化等）進行高分辨率成像檢測的系統和技術。其原理是用高頻（工作頻率可高達2GHz）超聲波照射樣品，形成樣品的微觀聲學參數分布，能獲得被測物體表面和近表面結構的高分辨率圖像。4、超聲CT：計算機層析超聲成像，它是借鑒X射線CT而發展的超聲成像技術。其用一束超聲波依次沿不同方位角照射物體，并同時檢測物體中目標的散射波（即投影），再由投影來計算反演重建目標的像。目前超聲C

3、T主要有透射型和反射型兩種，而圖像重建也有兩種理論，射線理論和衍射理論。5、ALOK超聲成像（amplituden and laufzeit orts kurven）技術，即幅度傳播時間位置曲線技術。利用幅度傳播時間位置曲線，通過傳播時間補償和信號疊加的方法，從回撥信號中識別來自缺陷的回波信息而去除噪聲信號，并可給出用B型顯示的缺陷圖像。6、衍射傳播時間技術（TOFD）：依靠超聲波和缺陷端部相互作用發出的衍射波來檢出缺陷并對其進行定量的檢測技術，并可給出A型掃描顯示及D掃描、B掃描灰度圖像顯示。7、合成孔徑聚焦技術（SAFT）：采用小孔徑換能器和較低的工作頻率，以獲得高的空間分辨力的一種超聲檢

4、測技術，能在近場區工作，并能實現三維成像的特點。8、超聲相控陣成像：通過控制陣列換能器中各個陣元激勵（或接收）脈沖的時間延遲，改變由各陣元發射（或接收）聲波到達（或來自）物體內某點時的相位關系，實現聚焦點和聲束方位的變化，從而完成相控陣波束合成，形成成像掃描線的技術，可給出A型、B型、C型、P型及3D掃描成像。至今超聲相控陣技術已有近20多年的發展歷史。初期主要應用于醫療領域,醫學超聲（見圖1-1所示）成像中用相控陣換能器快速移動聲束對被檢器官進行成像（見圖1-2所示），而大功率超聲利用其可控聚焦特性局部升溫熱療治癌,使目標組織升溫并減少非目標組織的功率吸收。最初,系統的復雜性、固體中波動傳播

5、的復雜性及成本費用高等原因使其在工業無損檢測中的應用受限。然而隨著電子技術和計算機技術的快速發展,超聲相控陣技術逐漸應用于工業無損檢測。圖1-1 醫用相控陣設備圖1-2 器官檢查近年來，超聲相控陣技術以其靈活的聲束偏轉及聚焦性能越來越引起人們的重視。由于壓電復合材料、納秒級脈沖信號可控制、數據處理分析、軟件技術和計算機模擬等高新技術在超聲相控陣成像領域中的綜合應用，使得超聲相控陣檢測技術得以快速發展，逐漸應用于工業無損檢測領域。在超聲相控陣成像檢測儀器設備方面，國外有以色列SONOTRON NDT公司、加拿大R/D TECH公司、美國GE公司、日本OLYMPUS公司、英國SONATEST公司、

6、英國Technology Design公司等致力研發相控陣檢測系統設備，并且已經在各行各業無損檢測領域得到了成功地應用。同時國內也有多家公司在對超聲相控陣檢測設備進行研究，如廣州多浦樂電子科技有限公司、汕頭超聲研究所、武漢中科創新技術股份有限公司，且這些設備已逐步投入生產并在市場中得到推廣應用。1.2超聲相控陣檢測的優點超聲相控陣檢測與其他無損檢測方法對比具有如下所述的優勢：1）采用電子方法控制聲束聚焦和掃描，檢測速度成倍提高：超聲波束方向可自由變換；焦點可以調節甚至實現動態聚焦；探頭固定不動便能實現超聲波扇掃或者線掃；相控陣技術可進行電子掃描，比通常的光柵掃描快一個數量等級；2）具有良好的聲

7、束可達性，能對復雜幾何形狀的工件進行探查：用一個相控陣探頭，就能涵蓋多種應用，不象普通超聲探頭應用單一有限；對某些檢測，可接近性是“攔路虎”，而對相控陣，只需用一小巧的陣列探頭，就能完成多個單探頭分次往復掃查才能完成的檢測任務；3）通過優化控制焦點尺寸、焦區深度和聲束方向，可使檢測分辨力、信噪比和靈敏度等性能得到提高；4）通常不需要輔助掃查裝置，探頭不與工件直接接觸，數據以電子文件格式存儲，操作靈活簡便且成本低。5）真實幾何結構成像技術：解決復雜幾何構件檢測難題；現場實時生成幾何形狀圖象；輕松指出缺陷真實特征位置；成像由各聲束 A掃數據生成；實際檢測結合工藝軌跡追蹤；可用于所有形式的焊縫檢測；

8、同步顯示A、B、S、C、D、P、3D掃描數據。超聲相控陣檢測成像方式與第一節中提到的其他超聲成像方式相比較，超聲相控陣成像具有綜合的優點，這表現在如下幾個方面：1）與B型、C型等掃描成像方式相比，相控陣超聲成像使用陣列換能器（探頭），不需要移動探頭就可以實現對被檢測試樣一定聲場范圍內進行計算機控制的聚焦掃查。另外，在B型、C型等掃描成像方式中的聲束時有單探頭發出的，其焦距、焦深等參數都是固定的，在不移動探頭位置的條件下，不能在整個視場內得到清晰一致的成像；而相控陣超聲成像則能通過計算機的程序靈活控制焦點位置、大小、焦深等多種參數，從而可得到均勻一致、高分辨率的清晰成像。2）超聲全息能得到目標的

9、立體像，但它的靈敏度和分辨率不高，設備復雜昂貴，目前還未得到普遍應用。相控陣超聲成像的檢測靈敏度和分辨率大大高于超聲全息，而且通過對各個方向掃描聲束的探測結果進行計算重建，也可以得到被檢物體的三維成像。如采用二維陣列探頭，則可獲得實時三維成像。3）超聲顯微鏡的成像因為所用的換能器頻率高，所以分辨率很高，但它只適用于探查物體表面和近表面微觀結構；相控陣超聲一般不用很高的頻率，成像的分辨率雖然相對較低，但可以對較厚的大工件進行內部成像檢測。4）合成孔徑聚焦技術SAFT成像和ALOK成像都具有分辨率高、信噪比好的優點，是已被證明行之有效的實用化超聲檢測方法。相控陣超聲成像從原理上包含了這兩種成像方式