刘力博，陆铭慧，刘勋丰，张 倩

（南昌航空大学 无损检测技术教育部重点实验室，南昌 330063）

声波是一种无法直接观察到的应力波。人们研究声波时，通常用传声器、超声换能器等进行测量。在研究材料中超声波的传播及散射时，只能在材料表面接收声波，得到局部的信息。声波在材料内部的行为及其变化过程则只能理论推演，而不能直接观测［1］。随着现代无损检测技术的快速发展和检测要求的不断提高，多通道超声波探伤和相控阵等多阵元超声波检测技术越来越多地应用到工程实践中，声波在材料中的传播过程也随之越来越复杂。为了让人们更直观地观察这些复杂声场，笔者研制了多通道动态光弹成像系统。此系统可以为无损检测工作者，特别是利用多阵元超声聚焦声波来检测材料缺陷的科技工作者，提供超声波在固体中传播的可视化图像。系统可以模拟相控阵声束扫查的工作过程，为研究相控阵声场提供可视化的实验依据。

1 动态光弹技术

各向同性透明固体在应力作用下会表现出如同晶体一样的双折射效应。根据Maxwell的应力－光折射定律，利用偏振光干涉法，可以观察到透明固体内的应力分布，这就是通常的光弹应力分析。发展到目前，最有效而常用的声波显示方法就是光弹法。

光弹法一般用来显示透明固体中静态应力的分布，但声波是运动着的应力区，因此不能采用通常的静态光弹技术。在光学玻璃中，纵波声速约为5 900m／s，横波声速为3 600 m／s左右，为获得声波的图像，必须对高速运动的声波进行瞬时采样。拍摄瞬时物体的图像一般有两种方法，即高速照相和使用频闪光源。两项措施之一配合光弹方法，来观察和记录超声波运动图像的技术称为“动态光弹技术”。高速照相方法曝光时间要求很短，需用几十万次每秒的高速照相机，高灵敏度感光胶片及极精密的同步曝光系统。即使这样，耗费了大量底片也只能抓拍到声传播过程中的某一短暂瞬间。再加上高速照相的方法不便于当时察看，也给研究工作带来了—些困难。由于上述这些原因，近几年人们倾向于在光源上想办法［1］。笔者研制的多通道动态光弹系统采用高亮度LED 作为频闪光源，并且要求光脉冲时间宽度大大小于声波的周期，达到了瞬时曝光的目的，是一种简单有效的成像途径。

2 多通道动态光弹成像系统的实现

2.1 系统设计方案

系统由硬件和软件组成，总体设计框架如图1所示。光源S为高亮度LED，激发它的电脉冲宽度为20ns，光源发出的光脉冲3dB带宽为50ns，有较好的同步性能。凸透镜L1和L2焦距为316 mm（有 效 口 径φ≈120 mm），凹 透 镜L3焦 距 为－400mm（有效口径φ＝46 mm）。CCD 选用的型号为WV－CP230，灵敏度F0.75时为0.6Lux。

图1 多通道动态光弹成像系统示意图

系统在0时刻命令发出多路声激发脉冲，通过延时后，在T时刻命令发出光脉冲。上述过程以较低的频率重复，就可以观察或记录到被拍摄的固体中的声场。在此系统中，CCD 摄像机和计算机相连接，用来拍摄和记录试验图像。

系统工作时，操作者可以通过上位机的可视化软件对硬件电路进行控制。当观察系统模拟相控阵声束扫查过程时，操作者可以首先在软件界面上指定聚焦声波焦点的扫查路径，软件系统能够根据扫查路径自动计算各通道超声波的发射延迟时间，并将各通道延时参数发送给下位机。多通道延时控制器（下位机）通过max232三线制与上位机COM 口相连实现通讯，在接收到延时数据后，按一定时序给各声路和光路发出激励脉冲，控制声光协调工作，从而实现对声波的瞬时采样。系统的声光延时时间在0～100μs内可调，最小时间间隔为25ns，相当于玻璃中传播距离约0.15 mm。图2 为试验装置实物图。

图2 试验装置实物图

2.2 典型电路

多通道延时控制器是此系统的时序控制单元，设计原理如图3所示。主要由单片机89S52、串行接口电路、延时单元、译码电路和基准时钟电路等组成。单片机89S52 负责将从上位机接收的延时数据发送到各个延时单元中，从而控制各通道超声波的发射延迟时间和声光延迟时间；译码电路为多通道延时控制器的各个延时单元分配系统地址，保证每个延时单元都获得各自对应的延时数据；延时单元采用计数器延时方式，多个延时计数器串联组合；时钟电路采用有源晶振，频率40 MHz；串行接口电路采用MAX232三线制与上位机COM 口相连保持通讯；编程接口使用下载线，并转为USB 接口连接方式，方便对单片机的编程。图4为多通道延时控制器实物图。

图3 多通道延时控制器原理框图

图4 多通道延时控制器实物图

2.3 软件系统

系统软件是整个检测系统的重要部分，具有图像获取、图像处理、硬件控制、数据存储与传输等功能。图像获取包括动态预览、连续拍摄图像、保存图像和波形采集。图像处理包括局部三维显示和图像测量等，处理结果能够直接在监视器上显示出来，用黑白显示或伪彩色显示。在软件控制界面中，操作者可以用鼠标选定多阵元聚焦声波的焦点位置，也可以用鼠标绘制聚焦声波焦点的扫查路径。当焦点位置确定后，系统软件可以自动计算超声波各发射通道的发射延迟时间，并通过串口将延时数据实时传到下位机中，控制硬件电路进行工作，得到相应的超声聚焦波束。

3 多通道动态光弹试验

3.1 试验样品设计

试验中聚焦声波的发射声源是4 个矩形晶片（主频2 MHz）组成的均匀线阵，每个晶片宽度3mm、长度30 mm，由一片大压电晶片分割而成。各个晶片相互平行贴合在玻璃样品表面，晶片间距2mm，系统最多可控制16 个晶片的超声波发射。由于晶片宽度远小于晶片长度，所以每个小晶片可近似视为辐射柱面波的线状光源。当每个小波阵面被延时适当的相位和施加相同的振幅时，可以产生可调向的超声聚焦波束［2］。

试验用玻璃样品纵波声速为5 900m／s，与工业中常用的钢铁等金属材料声速相近，因此研究超声波在玻璃中的传播规律，可以模拟声波在一些不透明材料（金属和非金属等）中的声传播行为。

3.2 声场图像分析

由于显示声波的脉冲光束以垂直于声波传播的方向通过声场，因此光弹法显示的是前进声波的侧面像，从图5可以看到一层层波阵面。光透过声波后的强度与声波的应力平方成比例，因此声波在玻璃中的传播图像显示为明暗相间的条纹。

图5为4个晶片辐射的超声聚焦波束在玻璃中进行声束扫查时的屏幕截图。图5（a）～（d）四幅图像分别为声束扫查进行到不同时刻的截图（T1＜T2＜T3＜T4）。图中焦点扫查路径由操作者自定义，采用动态预览方式后，聚焦波束的焦点会沿扫查路径移动，模拟相控阵聚焦声波的声束扫查过程。波束焦点由入射纵波聚焦产生，图中明暗条纹显著区即为焦点位置。除主纵波外，声场中还有晶片沿径向振动产生的横波，由于横波的传播速度慢，故在传播过程中会落后于纵波。在4张截图中，A～D分别表示4个晶片在声束扫查过程中产生的横波波前。

图6为超声波在传播过程中遇圆柱形空气界面时的反射声场。从图中可以看出，聚焦声波生成的反射波明暗条纹显著，声波强度更大。在实际探伤中，聚焦声波更有利于小缺陷的检出。

4 结语

设计了一种观察多阵元超声聚焦声波在固体中传播规律的多通道动态光弹系统，实现了超声波的可视化，声波在透明固体中的传播过程能够以图像方式直观地显示在计算机屏幕上。通过模拟相控阵工作原理，系统可激励出可调向的超声聚焦波束，并能够模拟相控阵聚焦声束的扫查过程。聚焦声束的扫查路径可以由操作者自己定义，从而可以模拟相控阵技术的各种声束扫查方式。此系统还可为阵列式换能器的设计提供试验参考。利用与工业中常用的钢铁等金属材料的声速接近的玻璃作为试验样品，可以模拟声波在一些不透明材料（金属和非金属等）中的声传播行为，为超声探伤提供试验依据，并能够验证已有的声学理论，对超声无损检测具有重要的指导意义。

［1］ 应崇福，张守玉，沈建中.超声在固体中的散射［M］.北京：国防工业出版社，1994：32－33，36－37.

［2］ 李衍.管道环焊缝相控阵超声检测［J］.无损检测，2008，30（8）：523.