声成像基本原理简介

图3.4-11 X射线荧光显示与超声波成像间的类比

在声成像中，用一个声源以超声波场来照射被检目标（见图3.4-11），当声波穿过被检目标时，它们将被异常吸收、反射、折射与散射。超声波离开被检目标产生的投影图像，被含有对声敏感的液晶层检测屏转换成在偏振光下观察的相应的可见图像。

关于声成像图像的质量有三个主要参数：几何分辨力、对比（灰度）分辨力和屏横向分辨力。

1.几何分辨力

图像几何分辨力是关于声图像在检测屏上精确描绘不连续的能力。它是由检测屏检测以前，超声波被不连续（障碍）衍射的程度确定的。倘若屏甚为靠近不连续，用平面波形成的不连续的阴影图像将不受围绕它周边的边缘现象影响，而被很好地确定。当不连续至屏的距离增加时，不连续的阴影图像仍将能辨认，但由于近场（菲湟尔）衍射引起的干扰图形就变得较为显著。当不连续至屏距离增加到更远时，干涉图形将不断改变，从而降低图像的质量。在不连续至屏距离很大的情况，由于远场（夫琅和费）衍射，不连续图像与实际不连续将显示有很少或没有相似之处。

按照经典的波的衍射定理，远场衍射存在于

式中 L——障碍（不连续）至检测屏距离；

D——障碍（不连续）大小；

λ——超声波波长。

因而，如果很好地保持L小于存在远场衍射的距离，就能获得足够的不连续分辨力。作为实际经验法则，L必须不大于1/4倍远场衍射存在的距离，即

式中 L_nf——不连续的近场长度。

2.对比分辨力

超声波成像中产生的阴影图像是一幅合成的声衰减分布图。所以，对给定的不连续显示的对比度取决于：①不连续与周围正常材料之间的超声波衰减差（声对比度）；②在良好光的衬托下，检测屏满足于检测显示（不连续相对于周围正常材料所形成的）声对比度变化的能力。

影响上述两点的因素很多，包括超声波频率、不连续的声特性、工件的超声波特性以及检测屏的声-光特征函数。

（1）频率为保证不连续图像的充分形成，不连续的尺寸必须大于波长；否则，超声波在不连续的周围衍射，将不能形成指示不连续存在的适当对比度。通常，不连续应该约为波长的10倍（D≈10λ）。另外，样件厚度T应限制在不连续尺寸的近场长度附近（T≈L_nf），从而使工件内任何处的不连续均能被检出。

（2）不连续的超声波特性声对比的产生是由于不连续比其周围的正常材料受到更大的超声波特性的作用。例如，均匀样件中的气孔，由于气孔-样件界面的大的声阻抗失配，形成对入射超声波强的逆向反射，从而产生的大的声对比。在另一方面，类似于样件的外来夹杂物（例如，聚乙烯对苯二甲酸在塑料增强复合材料中）的声阻抗可能只产生轻度的声对比。如果不连续的衰减特性与其周围正常材料有显著不同，声对比也能是明显的。通常说法是，声对比度C_A可以定义为：不连续图像I_D与其周围正常材料图像I_N之间声波强度的比

图3.4-12 平行超声波束为检测平板工件提供适用的声照射

（3）被检工件的超声波特性当超声波穿过浸在水中的被检工件时，它们可能形成：①水与被检工件界面的反射；②水与被检工件界面的折射；③正常工件引起的洐射、散射与吸收。在平面工件（如平板）中，一束平行声束垂直入射到工件表面上，可以用来形成超声波图像，如图3.4-12所示。水与被检工件界面之间反射能量的量值将决定于被检工件与水的声阻抗之间的失配。然而，衰减在整个被检工件范围将相对均匀。所以，任何不连续的存在，由于其相对于均匀背景的声对比的增加，而将被检测出来，如图3.4-13所示。

图3.4-13 超声波传输穿过平板工件

然而，对凹面与复杂几何形状工件平行声束就不适合。例如，在图3.4-14a中，水与工件界面间超过临界角θ的强折射射束将被全部反射而不能使其形成合适的图像（图3.4-14a中声束3与3′处在临界角外）。这一问题可以应用发散声束克服，以形成图像，如图3.4-14b所示。必须注意的是，用声成像形成曲面和复杂几何形状工件的超声波图像将受到由于射束发散引起的几何形状的投影偏差的影响，好在通常声成像只要求作为不连续的筛选技术。一旦检测到了不连续，可以用现有的定量无损检测方法加以评估，判定接收还是拒收。(www.xing528.com)

（4）检测屏的声-光特性显示不连续的检测器屏（也称声-光显示器）的光对比度决定于不连续与周围正常材料间的声对比度以及检测器屏的声-光转换曲线，如图3.4-15所示。这一曲线表达了声强度（照射量水平）与相应的光通量的关系，曲线的斜率规定了相对于正常材料背景的不连续声对比度的光对比度当量。在工业系统中采用的屏提供适用于不同无损检测项目的范围很宽的斜率。

绝大多数屏从超声波转换到可见图像的物理机理是基于屏内液晶材料的二次折射性质的。在一种屏的类型中，其液晶分子初始状态是相互平行排列，而且是垂直于边界基片的，如图3.4-16a所示。在这种分子排列中，屏的性质像一个单轴正晶体厚板，其光轴平行于通称指向器的分子排列方向n，当在偏振光下观察时，屏出现均匀的暗区（见图3.4-17a），它的光的透过度可描述为

图3.4-14 凹面工件折射声-超声波

图3.4-15 声-光转换曲线

式中 ϕ——入射光偏振平面与以液晶指向器周向与垂直方向组成的平面的两面角；

τ——迟滞，正常射线与异常射线间的相位差，由下式给出

n_eff——有效折射率，由下式给出

d——液晶层厚度；

n_o——正常射线折射率；

n_e——异常射线折射率；

λ——用于观察屏的光的波长；

θ——指向器n与光传播方向间的角。

图3.4-16 超声波导致液晶分子重新取向

在正常入射观察条件下θ为零，就是说指向器n和光的传播方向是共线的（见图3.4-16a）。因此，屏呈现观察的暗区场（见图3.4-17a）。然后，当屏的一个区域暴露在超声波中，分子受到一个改变其取向的力矩。这就使暴露区的θ倾斜，随之使τ因而使分子原来的取向T_非零不同于原先的排列（见图3.4-16b）。从而，超声波照射的区域在观察屏场内可看到其亮度的改变（见图3.4-17b）。光亮的程度取决于超声波的强度（照射量水平）与屏的声-光转换曲线。必须注意的是，检测屏上的超声波图像可以用视频摄像机与数字读出器将其数字化，以增进对比度和放大图像。在这一方法中，超声波数据可以用伪彩色和灰度等级（如256深浅等级）显示。

3.屏横向分辨力

在声成像中，横向分辨力大多由两个相隔小间距不连续的近场长度所决定。只要保持不连续至屏的距离低于两目标中较小者的近场长度，在屏上的两个不连续的阴影图像将会得到分离。否则，超声波在到达屏幕的时间内，将出现不可忽视的扩展（夫琅和费衍射）。如果两目标是能被超声波所分辨的，则屏的视频分辨力必须满足能正确可靠地把超声波阴影图像转换为目视图像。由于超声波图像转换到目视图像是用不可计数的众多液晶分子实施的，因而屏的视频分辨力通常不是一个问题。典型的分子大小大约为2nm，而且分子间的交互作用不可维持大于几微米。所以，对绝大多数关注的材料，1～15MHz范围的超声波波长将远大于检测屏像素的尺寸。因此，对任何不连续的图像应是能充分分辨的。

除上述几何分辨力、对比分辨力和屏横向分辨力三个因素以外，图像质量还与声源的相干涉有关。如果源发射的是一个单频连续波，将会出现诸如斑纹和环状的相干图像。因此，在声成像中使用的是具适当频率带宽的源，以防止产生目标的相干图像。

图3.4-17 声-光的视场显示