Page 19 - 《应用声学》2025年第1期

第 44 卷 第 1 期 张楠等： 检测声学成像原理与技术综述 15

结构表面垂直且与声束传播方向平行的剖面图。相
1 二维厚度截面成像
比 A 扫信号，它能够直观地反映缺陷在结构厚度剖
1.1 单阵元扫描成像 面上的分布信息 [9] 。如图 2 所示，类似的图像呈现
1.1.1 单探头扫查原理 方式也称为B扫描显示方式。
对于具备自发自收功能的单阵元探头，A 型扫 Cੳڏ(ο᜽)
描(Amplitude scan, A-Scan)是最原始的检测方式。
该方式基于脉冲回波原理，所得信号图的横坐标代
表时间，纵坐标代表幅值，显示的是回波在时域上的 Sੳڏ(ഷ੕᭧) ൦ᤉᣉ/ඵࣱᣉ
幅值分布，可以提供波包的能量强弱和传播时间等 ੳಊᣉ/᫂एᣉ ᡔܦᣉ/ງएᣉ
信息 [5] 。类似的波形呈现方式也称为 A 扫描显示。 ᡔܦᣉ/ງएᣉ
若在检测点发出的声波的传播路径附近不存在缺
Bੳڏ
陷，则 A 扫的信号图中只会包含激励波包和结构底 (౽ᝈएʾᄊபՔҖ᭧આॖ)
部的回波；反之，激励波包和底部回波之间必然会出 ᡔܦᣉ/ງएᣉ
现缺陷回波。对于特定的缺陷，其尺寸越大，反射波 Dੳڏ(ቫ᭧)
包的幅值越强；离探头越近，则波包出现的时刻越
图 2 超声 B、C、D、S 扫描显示方式 [10]
早。结合声速，可以进一步对缺陷的位置进行估计。
Fig. 2 Ultrasound scanning mode of B-scan, C-
值得注意的是，尽管可以将声束的传播路径看 scan, D-scan and S-scan [10]
作射线，但单探头实际发出的声束具有一定的宽度，
且会在沿着声束主轴方向在传播的过程中逐渐扩 然而，鉴于声束会在传播过程中逐渐扩散并
散。以单一阵元发射出的声束为例，其辐射声场由 具有一定的水平宽度，即使是不在缺陷正上方的
沿着声束主轴对称的主瓣和旁瓣两部分组成。主瓣 阵元，依然存在接收到缺陷反射回波的可能性。这
部分的声场能量在主轴方向上最强，随着出射方向 就使得最后获得的原始超声回波信号图中，在缺
与主轴方向夹角的增大而逐渐减弱。声束的有效宽 陷附近可能产生双曲线形式 (Hyperbola) 的畸变伪
度可以用半扩散角进行衡量，其公式如下 [6] ： 影 [11] 。图 3 给出了扫查过程和畸变产生的原理示
意图 (图 3(b) 仅展示了部分来自目标反射体上端面
β = arcsin(αλ/d ϕ ), (1)
的回波波形) [12] 。在这种情况下，为确保成像质量，
式 (1) 中：λ 为波长，m；d ϕ 为探头孔径，m。对于圆
一种方式是使用宽度较窄、指向性较强的声束进行
形探头，声束能量下降 6 dB 时的 α 取 0.51，而下降
20 dB时的α 取0.87 [6] 。在检测时，声束的能量越集 X ֓N X  X N
中，横向分辨率也就越高。鉴于波束角的大小与声
束主瓣的宽度密切相关，可以选用大孔径探头和较 r 
高的工作频率对声束在某一深度上的横向分辨率 r ֓N r N
进行提升。
1.1.2 B型扫描模式 ᄬಖԦ࠱ʹ ԥజጳႚԫ͢ॖ

B 型扫描 (Brightness scan，B-Scan) 建立在 A
扫的基础之上，是一种基础的超声成像方式。鉴于 (a) ੳଡ᣿ሮ

A 扫只能获取某一测点处结构深度方向的信息，B
扫将超声探头沿着特定的水平方向进行移动，对不
同测点进行 A 扫 [7] 。在此基础上，将 A 扫信号各时
刻的幅值映射为对应的像素值 (这也是后文许多成
像技术实现信号 -图像转换的常用方法)，并以横坐 (b) ڀฉฉॎ˗ᄊԥజጳႚԫᇨਓڏ
标作为探头位置、纵坐标作为传播时间将处理过的 图 3 B 型扫描过程示意图 [12]
多组信号进行并排展示 [8] 。最后生成的图像即是与 Fig. 3 The process of B-scan [12]