超声多波聚焦与多分量成像检测研究

Considering the difficulty of low signal to noise ratio in single wave testing, This project presents a multi wave (compressional wave, shear wave, and guided wave) focusing, scanning, and imaging method based on characteristics of the ultrasonic phased array and time reversal. Through theoretical research, numerical simulation and experimental measurement, the distribution characteristics of ultrasonic multi wave focusing field, multi wave dynamical focusing and scanning, grating lobe and side lobe control method, multi wave focusing receiving and imaging, multi component imaging are all systematically studied to improve the signal to noise ratio and image resolution of ultrasonic imaging testing. The project also presents a method for controlling the polarization direction of the ultrasonic field at the focus. The method can make the polarization direction of the ultrasound field at focus rotate continuously for testing the defects in many directions, angles and levels when the multi wave focused beam and focus position are unchanged. It provides a new method to detect the defects and identify the defect directions. Through the study of this project, theory and method system about multi wave focusing and multi component imaging detection will be established. It will provide a new method and technology for industrial ultrasonic imaging detection and improve the technical level of China's ultrasonic imaging testing.

针对单一波型检测时信噪比低下的困难，本项目结合超声相控阵和声波时间反转法的特点，提出研究一种固体介质中超声多波（纵波、横波和导波等）聚焦、扫描与成像检测方法。通过理论研究、数值仿真和实验测量，深入系统地开展多波聚焦方法及聚焦声场分布特性、多波动态聚焦和扫描方法及内在特性、聚焦声场栅瓣和旁瓣控制方法、多波聚焦接收和成像方法、多分量成像处理方法等方面的研究，努力提高目前超声成像检测的信噪比和图像分辨率。项目还提出并研究一种基于多波聚焦的声场偏振方向控制方法，在多波聚焦声束和焦点位置都不变的情况下，通过控制换能器各阵元激励信号的波形和幅度，使焦点处声场偏振方向不断旋转，实现对缺陷的多方位、多角度和多层次的查扫，为实际缺陷检测及缺陷方向识别提供新的检测方法。通过本项目研究，建立一种多波聚焦与多分量成像检测的理论和方法体系，为工业超声成像检测提供新的方法和技术，提高我国超声成像检测的技术。

随着科学技术的不断发展，人们对成像检测的要求越来越高，尤其是在核电及航空航天等领域，要求可检测的缺陷越来越小，要求成像分辨率越来越高。这对超声成像检测提出了挑战。对于细微的缺陷，单一类型的声波在缺陷上的反射回波信号很弱，超声换能器难以捕捉到缺陷反射回波信号，很容易常造成漏检和误判。针对这一问题，本项目结合超声相控阵和声波时间反转法的特点，提出一种固体介质中超声多波（纵波、横波和导波等）聚焦、扫描与成像检测方法。通过理论研究、数值仿真和实验测量，深入系统地开展多波聚焦方法及聚焦声场分布特性、多波动态聚焦和扫描方法及内在特性、聚焦声场栅瓣和旁瓣控制方法、多波聚焦接收和成像方法、多分量成像处理方法等方面的研究，提高目前超声检测的信噪比和图像分辨率。通过4年的研究，本项目顺利完成了预期的研究目标，重点解决了多波聚焦理论与方法、瞬态声场栅瓣和旁瓣控制理论、焦点处声束主偏振方向控制、多波多分量成像等多项关键科学和技术问题，建立了完整的多波聚焦与多分量成像检测理论体系及相应的实验平台。研究结果表明，超声相控阵多波聚焦与多分量成像检测方法能够有效提高超声检测的成像范围和成像质量，基于多波聚焦的声束主偏振方向控制方法能够提高缺陷方向的识别能力，本项目的研究为超声成像检测提供了一个新的技术途径。