超声检测技术研究发展方向

超声检测通常是指超声波与工件互相作用，通过对透射、反射和散射的超声波的波型、位置、特征进行分析，对工件进行宏观缺陷检测，几何表征检测，组织构造、力学特性变化的检测和表征，并进一步对其整体使用性能进行评价的一种先进、科学的检测技术手段。

利用超声波对工件缺陷进行检测的方法，始于20世纪30年代初。1929年苏联科学家首次在检测金属内部的缺陷时，应用了超声波；之后随着检测技术的发展，将近10年的发展，美国科学家推出了脉冲回波式超声检测仪。超声检测技术被普遍应用在工业检测领域是在20世纪60年代。直到20世纪80年代末，随着计算机技术以及电子元器件的高速发展，促进了超声检测技术的发展，产生了数字式超声波检测仪。这类设备的使用也使得检测结果更加形象、准确。

随着各领域的快速发展，超声检测技术也正飞速的发展，成像技术、相控阵技术、3D相控阵技术、人工神经网络（ANNs）技术、超声导波技术等逐渐成熟，推进了超声检测技术的发展。

目前，常规超声检测已经是一项非常成熟的无损检测技术，广泛应用于石油、医疗、核工业、航空航天、交通、机械等行业。超声检测技术未来研究发展方向主要有如下两个方面：

(1) 超声本身技术的研究与改进；

(2) 超声辅助和配套技术的研究与改进。

超声自身技术研究

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激光超声检测技术

激光超声检测技术是利用脉冲激光产生超声脉冲对工件进行检测。激光可以通过产生热弹效应（或少数热蚀作用）或利用中介材料（被测材料周围的其他物质）这两种方式激发超声波。激光超声的优点主要体现为三个方面：

(1) 可远距离检测，激光超声可远距离传播，传播过程中的衰减较小；

(2) 非直接接触，检测时不需直接接触或靠近工件，检测安全性较高；

(3) 空间及时间分辨率高，检测分辨率高。

基于上述优点，激光超声检测特别适合在恶劣环境下对工件进行实时、在线的检测，通过快速超声扫描成像完成检测结果显示。

但是激光超声也存在一些缺点，例如超声检测虽然分辨力高但灵敏度相对较低。由于检测系统涉及激光和超声系统，所以完整的激光超声检测系统体积较大、构造复杂、造价高。

目前，激光超声技术正在向两个方向发展：

(1) 激光超快速激发机制及激光与微观粒子的相互作用、微观特性等的学术研究；

(2) 工业上的在线定位监测。

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电磁超声检测技术

电磁超声波（EMAT）是利用电磁感应的方法激励和接收超声波。如果将高频电流通入靠近被测金属表面的线圈中，将会有一个相同频率的感应电流在被测的金属中产生，这时如果在被测金属外施加一个恒定磁场，则感应电流就会产生一个相同频率的洛仑兹力，该力作用在被测金属点阵上，引发被测金属的晶体结构周期性的振动，从而激励产生超声波。

电磁超声换能器是由高频线圈、外界磁场和被测导体三部分组成。在对工件进行检测时，这三个部分共同参与，完成了电磁超声的核心技术在电、磁、声之间转换，通过对线圈结构和摆放位置的调整，或者对高频线圈物理参数的调整，可以快速地改变被测导体的受力情况，从而产生不同类型的超声波。

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空气耦合超声检测技术

空气耦合超声检测技术是一种以空气作为耦合介质的新型非接触的超声无损检测方法。该方法的优点是非接触、非浸润、完全无损，避免了传统超声检测的一些弊端。近年来空气耦合超声检测技术在复合材料的缺陷检测、材料性能的评估、自动化检测等方面得到了广泛的应用。

目前该项技术的研究主要集中在空气耦合激发超声场特性与理论，以及高效率、低噪声空气耦合探头研究两方面。利用 COMSOL 多物理场仿真软件对空气耦合的超声场进行建模与仿真，从而对被检工件中的缺陷进行定性、定量、成像等分析，提高了检测效率，为非接触超声的实际应用提供了有益探索。

超声辅助技术研究

超声辅助技术研究主要是指在不改变超声方法和原理的基础上，利用其他领域的技术（如信息采集及处理技术、图像生成技术、人工智能技术、自动化技术等），对超声检测的步骤（信号采集、信号分析处理、缺陷成像）进行优化，从而得到更准确的检测结果。

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神经网络技术

神经网络（Neural Networks, NNs）是一种模仿动物NNs行为特征，进行分布式并行信息处理的算法数学模型。该网络依靠系统的复杂程度，通过调整内部大量节点之间相互连接的关系，从而达到处理信息的目的。

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三维成像技术

三维成像（Three-Dimensional Imaging）技术作为超声检测辅助技术发展的重要方向，近年来也得到了众多学者关注。通过演示结果的3D成像，使检测结果更具体、直观。

目前，随着现代科技的发展，超声检测技术已经显现出高速、多元化、高科技化的发展趋势，未来的发展也必将延续这种发展趋势，并朝着自动化、智能化、数字化、立体化、系列化、多功能化等方向发展。同时超声检测的发展要遵循的原则，一定是准确、真实、可靠。随着超声检测技术的不断完善，也使得检测仪器的产品质量得到保障、检测环境更加优越、检测效率提高。在国民经济高速发展的趋势下，超声检测作为监测产品质量的手段之一，必将得到更多的关注。同时，也会促使超声检测技术更快、更好地发展。

作者：杨琛

来源：流体测量与控制