声全息扫查技术在工业装置中应用

1.扫查声全息原理

扫查声全息的基本构成如图3.4-9所示。该系统采用电子相位检测以产生全息图，无需参考束换能器。来自被检工件的波前在接收孔径上被逐点取样，将取得的信号直接乘以参考信号，所得为电子信息而不是声信息，用以产生全息照相编码。然后采用与接收孔径扫查方式相同，且同步的信号扫查，将这些编码储存在介质上。所记录的全息图倘若不是所要求的形式，便将它变换成全息相片透明软片，而图像采用光进行观察。这种“分两步走”方法的最后一步的另一种可供选择的方式是将全息图记录在计算机的存储器中，并用数字方式重建图像。

图3.4-9 一种能用于A显示、B显示、C显示和扫查声全息的工业用声和光检测系统框图

扫查系统是声全息技术的一项革新。这种方法有两个优点：一是能合成很大的均匀的波前，尤其是照射的波前，可能达到与全息图孔径相同的尺寸；二是可用同一个扫查器照射和接收，因而有可能用直接反射法获得图像。

信号为脉冲式，因此可用时间门来排除不希望的回波。脉冲持续时间可调到任何要求的数值，从声波频率的几个周期，到相邻脉冲间隔50%这一上限。长的脉冲时间用于检测工件内部较深的区域，使反射脉冲不致与发射脉冲相混淆。在工业装置中，换能器实用频率范围为1～10MHz，脉冲持续时间为5～20μs，脉冲重复频率500～1000次/s。所提供的换能器频带相当窄（中心频率的±5%）。换能器应放置在能使其焦点落在工件表面上的位置，使脉冲进入被检工件并以表面上的一点发散开的球形波前通过工件。根据入射角的不同，在工件内既可以产生纵波，也可以产生横波。

2.扫查系统

扫查系统已有许多种类型，实用性较好的见表3.4-12。

3.重建装置

扫查声全息都需要重建装置，将记录的全息图变换为适当的光调制器。常用的重建装置列于表3.4-13。

表3.4-12 实用扫查系统

（续）

表3.4-13 常用的重建装置

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缺陷图像的尺寸和实际尺寸之间的关系取决于记录超声波束波长、再现光束波长和光学再现系统的参量，并可用下式给出

式中 R——工件前表面到缺陷的距离；

M——缺陷实际的长度对缺陷图像的长度比；

m₁——扫查长度对全息图的长度比；

m₂——电子系统的电子放大倍数；

λ——再现光束的波长；

λ_s——记录超声波束的波长；

D——从全息图到观察屏的固定距离；

f——聚焦透镜的焦距；

d——从聚焦透镜到全息图的可变距离。

4.扫查声全息设备

为便于现场使用，工业用扫查声全息检测设备通常都分为若干部分。图3.4-10示出了工业用商售扫查系统的某些部件，该装置不用固定的水浸槽而用喷水水柱。

辅助机构的设计使扫查器能在机翼等有一定曲率的表面，甚至带复杂外形的表面扫查。扫查器为数控，能在X与Y方向做栅状扫查。两相邻扫查线间有6种间距可供选择：0.15mm、0.30mm、0.46mm、0.60mm、0.76mm和0.91mm。扫查系统单张全息图能记录的最大面积为105mm×105mm。系统可与直径为25mm、焦距为102mm、频率为0.5～10MHz的换能器配合使用。