專利名稱：工業應用的相控陣超聲檢測方法
技術領域：
本發明一般涉及工業應用的超聲成像方法，具體地說，是利用先進的相控陣超聲系統檢測在工業環境中發現的元件和結構(統稱為元件)缺陷的改進的超聲成像方法。
背景技術：
工業應用中使用較輕的元件以及使用較長的工程設計壽命的工業元件都增加了對用于工業環境的增強的無損傷檢測技術的需求。為滿足當前的需求，就需要以更高的生產率檢測更小的缺陷。醫學成像工具，例如GE LOGIQ 9以及GE LOGIQ Book等，包括許多工業應用所需要的特性。
工業應用的常規超聲檢測系統或采用具有固定聚焦透鏡的探頭或采用有限能力的相控陣成像技術。其限制包括如果是固定聚焦透鏡系統就只能在場的聚焦深度內進行檢測，或在相控陣系統的界限內產生聚焦束。一般，工業應用的常規超聲系統或使用脈沖回聲模式的單探頭，或使用透射或投擲和捕捉(pitch and catch)模式的一對探頭。這些探頭或不聚焦，或用附加的透鏡聚焦。要求在大深度范圍內的高靈敏度工業檢測通常伴隨著使用適當的聚焦探頭作多次掃描。這種檢測由于需要多次掃描所以很費時。高靈敏度大深度范圍的檢測也用多區域法進行，此時使用多頻道獲取系統來同時監控來自多探頭的數據，每個探頭監控測試元件內一個單獨的深度。工業應用的常規超聲檢測系統通常限于測試元件的單角度聲束詢問。成角度超聲束的產生方法是或者將探頭附加在鍥形材料上，相對測試元件形成一個角度；或是將探頭浸入具有一種材料速度的材料中，此速度與測試元件速度的不同足以引起聲束的折射。
用于工業檢測的常規相控陣成像超聲系統通常限于聲束的形成，更先進的這類系統可提供動態深度聚焦，但不能進行動態孔徑定徑。動態孔徑定徑對操縱聲束性能是需要的。
因此需要提供一種工業應用的檢測方法，它既可提供動態聚焦，又可提供動態孔徑定徑。該方法還需要能補償在測試元件和間隔物(例如水間隔物)之間界面上的折射。也需要提供一種工業應用的檢測方法，它能因測試元件/間隔物界面的折射而對操縱超聲發射束進行補償。此外，還需要校正因彎曲的測試元件/間隔物之間界面而引起的表面幾何效應。為了增加生產率，也需要提供一種單次檢測方法，這樣不需要費時的移動探頭就可檢測工業元件。也需要一種可利用超聲檢測技術來檢測通過管道的產品流質量的方法。為了減少檢測時間，需要采用全陣列聲透射。而且，對于工業應用，需要引入具有相應探頭位置的圖像與通常醫學應用中使用的先進超聲成像系統的同步。
發明內容
簡要地說，按照本發明的一個實施例，提供了檢測元件的一種方法。該檢測方法包括激勵形成陣列的多個換能器，以產生沿所選射線路徑從陣列聚焦到元件上的超聲發射束。陣列被具有材料速度vw的間隔物與元件分開。該檢測方法還包括利用換能器作為接收元件來產生多個回聲信號，并在多個頻道處理回聲信號。處理包括將回聲信號沿所選的射線路徑動態地聚焦到元件中至少一個焦點P上。動態聚焦包括調節延遲波形以補償在測試元件和間隔物之間界面上超聲發射束的折射并將延遲波形加到各頻道的回聲信號上以產生多個延遲的回聲信號。處理還包括將活性接收元件數作為波幅Rs的函數來調節，以提供接收時的動態孔徑。調節接收元件數包括補償在元件和間隔物之間界面上超聲發射束的折射。處理還包括從活性接收元件合計延遲的回聲信號以產生一個聚焦的回聲信號。
檢測元件的另一個方法實施例包括對陣列中的每個換能器加單獨的激勵脈沖，產生沿所選的射線路徑聚焦到元件的超聲發射束。如上述，陣列被具有材料速度vw的間隔物與元件分開。檢測方法還包括沿所選的射線路徑以相對表面法線的角度θ操縱超聲發射束。操縱包括調節發射延遲波形，以補償在測試元件和間隔物之間界面上超聲發射束的折射并用發射延遲波形調制激勵脈沖。檢測方法還包括利用換能器作為接收元件產生多個回聲信號并利用延遲波形處理多個頻道中的回聲信號，延遲波形包括多個接收延遲，每個接收延遲包括一個靜態接收操縱項。回聲信號處理包括調節每個靜態接收操縱項以補償在元件和間隔物界面上的超聲發射束的折射，將延遲波形加到各頻道中的回聲信號上以產生多個延遲的回聲信號，并合計來自接收元件的延遲回聲信號以產生一個操縱的回聲信號。
還提供了用于檢測具有檢測表面的元件的單次方法的實施例。單次檢測方法包括(a)定位換能器陣列，使之面對元件的檢測表面，(2)激勵換能器，產生沿所選射線路徑從陣列聚焦到元件上的超聲發射束，(c)利用換能器作為接收元件產生多個回聲信號，(d)圍繞一個軸改變陣列和元件的相對角度方向并重復步驟(b)和(c)，以及(e)處理多個頻道中的回聲信號，以形成至少一個處理的回聲信號。
還提供了檢測通過管道的產品流的方法實施例。該檢測方法包括激勵形成陣列的多個換能器以傳送超聲能量到管道內，由反射的超聲能量產生多個接收信號，并處理在多個頻道中的接收信號。處理包括將接收信號與頻率基準進行比較以確定對反射的超聲能量所造成的多個頻率偏移。
參考附圖閱讀了以下詳細說明后就能更好的理解本發明的這些以及其它特性，方面和優點，在所有附圖中同樣的符號代表同樣的部件，附圖包括圖1是超聲成像系統的方框圖；圖2示出由間隔物分開的陣列和元件，元件和間隔物具有不同的材料速度，分別為Vs和Vw；圖3示出由換能器陣列和彎曲表面元件之間的間隔物引起的二次透鏡效應；圖4示出單次檢測方法；圖5示出元件的“縫合”圖像，對材料速度與元件材料速度不同的間隔物有補償或沒有補償；圖6示出透射檢測方法；圖7示出常規的“投擲和捕捉”檢測技術；圖8示出對投擲和捕捉都使用換能器陣列的改進的“投擲和捕捉”檢測技術；圖9示出檢測通過管道檢測產品流的方法；圖10示出對陣列中第一組換能器的每一個(換能器)同時激勵；圖11示出對投擲和捕捉使用單一換能器陣列的另一改進的“投擲和捕捉”檢測技術。
具體實施例方式
A.動態孔徑和動態聚焦參閱圖1和2說明檢測元件10的一種方法。該方法包括激勵組成陣列14的多個換能器12，以產生沿所選射線路徑16從陣列聚焦到元件10上的超聲發射束，如圖1所示，圖1以方框圖形式示出超聲成像系統100。每個換能器12都由，例如，發射器28所產生的脈沖激勵。如圖2所示，陣列14由材料速度為Cw的間隔物18與元件10分開。典型間隔物18包括水，其它液體，例如油和甘油，以及加工的楔(靴)。靴標出的實例包括一些固體結構，加工成一側與換能器表面的幾何形狀相配合，另一側與元件的幾何形狀相配合。靴常用有機玻璃或透明合成樹脂形成。該方法還包括利用換能器12作為接收元件12產生多個回聲信號，并在多個頻道20處理回聲信號。例如，將反射回陣列14的超聲能量由各換能器12轉換成電信號(回聲信號)并通過一組開關32單獨加到接收器30上。對于圖1所示的示范系統，發射器28，接收器30以及開關32都由數字控制器19根據操作員輸入的命令來控制。
處理包括將回聲信號沿所選的射線路徑16動態聚焦到元件10中至少一個焦點P上。動態聚焦包括調節有多個接收延遲的延遲波形(profile)以補償在測試元件10和間隔物18間界面22上超聲發射束的折射。典型的接收延遲包括時間和/或相位延遲，在圖1中以(Tk)表示。如果是線性陣列14，每個接收延遲包括一個在接收回聲時變化的聲束聚焦時間延遲，以提供在發出回聲的波幅內所接收的超聲能量的動態聚焦。正如在授于O’Donnell的美國專利號5,235,982，題目為“Dynamic transmit focusing of a steered ultrasonic beam”中所述，(該專利已作為參考文獻包括在本文內)，延遲一般可用下式表示Tk＝(k-(N-1)/2)2d2cos2θ/2Rv式中R為來自陣列14中心的焦點P的波幅，v是元件10的材料速度，θ是聲束16相對表面法線21的入射角。但，該表達式并不補償在元件/間隔物界面22的折射。為補償在界面22上的折射，此表達式的典型調整為Tk＝[k-(N-1)/2]2d2cos2θ/[2(Rwvw+Rsvs)]式中Rw是聲束在間隔物18中沿中心聲束軸16延伸的長度，vw是在間隔物18中的材料速度，Rs是聲束在元件10中沿中心聲束軸16延伸的長度，vs是在元件10中的材料速度。延遲波形加到各頻道20的回聲信號上，產生多個延遲的回聲信號。例如，接收器30以一系列波幅Rs(Rw對于既定角θ為常數)取樣回聲信號，并提供適當的接收延遲以便沿取樣聲束動態聚焦到點P。這樣，每次發射一個超聲脈沖都能獲得一系列回聲信號樣本，它們代表著由位于沿超聲接收聲束的相應系列點P所反射的聲波數量。
為了提供接收時的動態孔徑24，處理還包括調節作為波幅Rs函數的(Rw對于既定入射角θ為常數)活性接收元件的數量。此處所用的詞語“活性接收元件”12是指其回聲接收信號包括在總體聚焦回聲信號內的換能器。示范的活性接收元件在圖2中以陰影表示。相反，非活性接收元件12的回聲信號在計算聚焦回聲信號時忽略不計。
調節接收元件12的數量包括對超聲發射束在元件10和間隔物18之間界面22的折射加以補償。例如，對于入射到在元件而元件表面處材料速度沒有顯著變化的元件的超聲束16，為了維持恒定的焦數F，孔徑寬度A根據公式F＝R/A來調節。所以在此常規實例中，隨著波幅R的增加，A也必須增加以維持恒定的焦數F。換句話說，有更多的活性接收元件12的延遲回聲信號對聚焦回聲信號起作用。如上述，超聲發射束16在元件10和間隔物18之間的界面22處由于材料速度vw和vs不匹配而發生折射。為補償該折射，根據表達式F＝[Rw+Rs(vs/vw)]/A，對孔徑寬度A進行調節。
除了上述動態聚焦和動態孔徑定徑之外，處理還包括將來自全部活性接收元件的延遲回聲信號加以合計，產生一個聚焦的回聲信號。例如，延遲回聲信號在接收器30中加以合計，形成聚焦的回聲信號，該聚焦的回聲信號可以用來，例如，產生顯示器17上圖像中的一個像素或一個線條。
雖然對提供動態孔徑定徑和動態聚焦是以材料速度不匹配的由間隔物18分開的元件10和陣列14進行說明的，但該組合也適用于對元件10的接觸超聲檢測，例如作為工業檢測應用。“接觸”的意思是指陣列14被放置成直接和元件10相接觸。(圖1和2中未示出。)但，如果沒有隔離物18，元件10的表面22處就沒有材料速度的不匹配，因而元件10的表面22處也就沒有折射。于是，對于沒有間隔物18的元件10的超聲檢測，不作動態定孔徑和聚焦校正以補償在元件表面22處的折射。沒有間隔物18的動態孔徑定徑和聚焦在例如授于Charles E.Thomas的美國專利號4,180,790，題目為”Dynamic Array Aperture and Focus Control for Ultrasonic ImagingSystems”中有說明，該專利已作為參考包括在本文內。
有利的是，動態孔徑結合動態聚焦的使用能在整個檢測深度內控制所需的聚焦特性。
最好陣列14含有大量的換能器12，例如128個或1024個，以提供大的檢測面積。要使用大量的換能器而不相應增加頻道20的數量并減少所需的開關32的數量，換能器12可以復用，例如在授于Thomas等的美國專利號5,329,930，題目為”Phased Array SectorScanner with Multiplexed Acoustic Transducer Elements”中所述，該專利已作為參考包括在本文內。有利的是，相對常規的工業超聲檢測方法而言，獨立使用128個換能器12或通過復用使用1028個換能器12便于提高生產率和檢測的靈活性。
最好引導或操縱超聲束將聲束通過一組角度θ移動來掃描元件10。按照一個更特別的實施例，單獨的激勵信號脈沖加到各個換能器上，用分別的電壓驅動各換能器12(變跡法)。該實施例示于圖2，此時檢測方法還包括沿所選的射線路徑16以相對表面法線21的角度θ來操縱超聲發射束。操縱包括調節發射延遲波形以補償超聲發射束在界面22的折射。發射延遲波形包括一組發射延遲，而且每個發射延遲包括一個靜態操縱項。示范的發射延遲包括時間和/或相位延遲，在圖1中也用(Tk)表示。操縱還包括用發射延遲波形調制激勵信號脈沖。例如，發射器28對加到序列換能器元件12上的每個信號脈沖都加一個發射延遲。如果發射延遲為零(Tk＝0)，則所有換能器元件12同時受激，所得的超聲束被導向垂直于間隔物18和元件10之間的界面22。為操縱超聲束，從陣列14的一端(k＝1)到另一端(k＝N)加到第k個信號脈沖的發射延遲Tk可以表示為Tk(θ)＝(d/vw)sinθ(k-1)式中d為換能器元件12之間的距離，如圖1所示。該發射延遲波形(Tk)補償了在界面22上受控超聲束的折射。除了操縱超聲束的發射，該檢測方法還包括形成受控的聚焦回聲信號，方法是將延遲波形加到各頻道的回聲信號上來形成延遲的回聲信號(操縱接收)。在此操縱實施例中，延遲波形包括一組接收延遲，每個接收延遲包括一個靜態接收操縱項。對每個靜態接收操縱項加以調節以補償在界面的折射。每個靜態接收操縱項在接收時是和上述發射延遲同樣的延遲Tk(θ)。雖然只示出了一個角度θ，本專業的技術人員能了解也可沿相對共用軸21的多個角度(θ，ψ)來操縱超聲束。本實施例包括單角度(θ)和多角度(θ，ψ)操縱。
為了在各種深度Rs掃描元件10，使用了多次發射。對于檢測方法的該具體實施例，在每個連續激勵時間間隔ti將各信號脈沖加到各換能器12上，對每個連續激勵時間間隔ti產生回聲信號。例如，在第一時間間隔t1，分別驅動每個換能器12，產生第一組回聲信號。在第二時間間隔t2，分別驅動每個換能器12，產生第二組回聲信號，依此類推。在此實施例中，在每個連續第i個激勵時間間隔ti，回聲信號沿所選的射線路徑16動態聚焦到不同波幅Ri的多個焦點Pi。在焦點Pi的動態聚焦包括調節包含多個接收延遲Tki的各延遲波形(Tki)，以補償超聲發射束在元件10和間隔物18之間界面22上的折射。這些調節的進行如上所述。除了對每個時間間隔ti動態聚焦，對于本具體實施例的檢測方法，對每個時間間隔ti，進行動態定孔徑。具體地說，對每個連續激勵時間間隔ti調節作為波幅Rs函數的活性接收元件的數量，以補償超聲發射束在元件10和間隔物18之間界面22上的折射。為了對每個波幅Ri產生一個回聲聚焦信號，對每個連續激勵時間間隔，將來自所有活性接收元件的延遲回聲信號例如在接收器30中加以合計。
為顯示所得的圖像數據，將來自多個深度的圖像數據組合(縫合)成單一幀(圖像)是有用的。采用顯示系統17顯示該單一幀。圖像縫合在業界已知，此處不再贅述。但應指出當通過間隔物18形成圖像時，常規醫學超聲成像系統會由于間隔物18(Vw)和元件10(Vs)之間的材料速度差而使圖像失真，該失真在圖5中示出。如圖所示，未經補償的圖像使對應于間隔物18的圖像部分失真Vs/Vw。為了補償界面22上材料速度的不匹配，按照一個具體的實施例，對應于間隔物18的圖像部分減少了Vs/Vw。經補償的圖像也示于圖5。另一種校正是去除對應于間隔物18的圖像部分。例如用加在顯示系統17上的成像軟件，就可以進行以上任一種校正。
B.操縱本發明的另一種方法實施例也結合圖1和圖2加以說明。檢測元件10的檢測方法包括對形成陣列14的各個換能器12分別加激勵脈沖，產生沿所選射線路徑16從陣列14聚焦到元件10的超聲發射束。如圖2所示，陣列14用材料速度為cw的間隔物18與元件10分開。該方法還包括以相對表面法線21的角度θ沿所選射線路徑操縱超聲發射束。操縱包括調節發射延遲波形(Tk)以補償超聲發射束在界面22的折射，如上所述。操縱還包括用發射延遲波形(Tk)調制激勵脈沖，如上所述。檢測方法還包括用換能器12作為接收元件12產生多個回聲信號，并利用延遲波形處理多個頻道20的回聲信號。延遲波形包括多個接收延遲，每個接收延遲具有一個靜態接收操縱項，如上所述。處理包括調節每個靜態接收操縱項以補償在元件10和間隔物18之間界面22上超聲發射束的折射，將延遲波形(Tk)加到各頻道20中的回聲信號上以產生多個延遲的回聲信號，并合計來自接收元件12的延遲回聲信號以產生一個操縱的回聲信號。如上對第一實施例所述，回聲信號由每個換能器12產生并通過一組開關32分別加到接收器30上。每個接收延遲Tk(θ)加到各第k個換能器12上的回聲信號以形成各延遲回聲信號。延遲回聲信號在接收器30中合計。
除了操縱超聲束外，提供動態孔徑定徑對檢測工業元件也是有用的。因而，對于更特別的實施例，處理步驟還包括將活性接收元件12數量作為波幅R的函數來調節，以提供接收時的動態孔徑24。如上述，活性接收元件12是其回聲接收信號包括在總體操縱回聲信號內的換能器12。相反，非活性接收元件12的回聲信號在計算操縱回聲信號時忽略不計。由于界面22上材料速度的不匹配，接收元件12數量的調節包括補償界面22上超聲發射束的折射。例如，根據表達式F＝[Rw+Rs(vs/vw)]/A，對孔徑寬度A進行調節，如上所述。如前指出，Rw是聲束在間隔物18中沿中心聲束軸16延伸的長度，Cw是在間隔物18中的材料速度，Rs是聲束在元件10中沿中心聲束軸16延伸的長度，vs是在元件10中的材料速度。Rw和Rs在圖2中有示范表示。對于此操縱加動態孔徑的實施例，合計步驟包括將所有活性接收元件12的延遲回聲信號加以合計，產生受操縱的回聲信號。雖然只示出了一個角度(θ)，本專業的技術人員能認識到也可沿相對多個角度(θ，ψ)來操縱超聲束。本實施例包括單角度(θ)和多角度(θ，ψ)操縱。
除了操縱縱向波，也需要操縱其它波型來檢測工業元件。工業元件10，諸如鍛件、坯料、焊點(焊件)、及其它固體，支持剪切波和表面波的傳播。簡要的說，聲波具有三種主要的傳播模式縱向、剪切和表面波。另外的傳播模式包括拉姆波(Lamb wave)，史通利波(Stonely wave)，和延伸波(extensional wave)。剪切波的速度VSH大約為縱向波速度VL的一半(VSH～0.5VL)，表面波的速度VSU大約為剪切波速度的0.9倍(VSU～0.9VSH)。如以上對圖2的討論，以角度θ入射到間隔物18/元件10的界面22(例如水/鋼界面22)的超聲束在元件中以折射角φ折射，入射和折射角之間的關系由斯涅耳(Snell)定律決定sinθ/sinφ＝VW/VS。更特別的是，這三種模式具有一個特殊的折射角φ。即，縱向波以折射角φL折射，由sinθ/sinφL＝VW/VL決定；剪切波以折射角φSH折射，由sinθ/sinφSH＝VW/VSH決定；表面波以折射角φSU折射，由sinθ/sinφSU＝VW/VSU決定。隨著入射角θ的增加，折射角φL和φSH也增加，直到達到各自的臨界角φL＝90°和φSH＝90°，在此點縱向波和剪切波不再在元件10中傳播。入射角θ相應的臨界值由斯涅耳定律決定并對縱向和剪切波型各不相同，這是因為這兩種波型具有不同的速度VL和VSH。
如上述，工業元件10支持剪切和表面波的傳播。所以，對于本檢測方法的另一具體實施例，單獨的激勵脈沖加到每個換能器12上，產生聚焦到元件10中的剪切波超聲發射束。有利的是，在同一頻率下剪切波的波長λSH大約等于縱向波波長λL的一半，就可對缺陷有更大的分辨率。此外，如果入射角θ超過第一臨界角φL，縱向波就不在元件10中傳播，使用剪切波就可在所需角度θ檢測元件，而沒有錯誤的縱向波信號干擾超聲檢測。同理，對于本檢測方法的另一具體實施例，單獨的激勵脈沖加到每個換能器12上，產生沿元件表面22的表面波超聲發射束。有利的是，用表面波對工業元件作超聲檢測便于檢測元件表面22，包括探測元件10表面22上的裂紋(表面裂紋)。常規的超聲檢測方法采用縱向波，因此是一種容量檢測工具。表面波波型增強了表面裂紋的探測和檢測能能力。
本專業的技術人員將認識到，這里所描述的其他檢測技術也有利地結合了這些剪切和表面波波形檢測。
C.表面幾何形狀現參閱圖1和圖3說明沿元件10的彎曲表面22(例如錐形、圓柱形或復合半徑表面22)以及在材料速度為cw的隔離物18上檢測元件10的方法。由于隔離物18的材料速度Vw和元件10的材料速度Vs不匹配，彎曲的表面22通過折射產生二次透鏡效應，隔離物18起著像透鏡的作用，改變了超聲束的特性。該二次透鏡效應在圖3中示出，它使所得圖像的質量下降。該檢測方法實施例校正了這種二次透鏡效應，并包括調節發射延遲波形以補償至少一個表面幾何形狀的效應。發射延遲波形包括一組發射延遲Tk，每個發射延遲包括一個靜態表面幾何項，可以用費爾馬(Fermat)方程計算從同相到達所需焦點P的每個元件12獲得能量所需的延遲來確定這一項。該方法還包括用發射延遲波形(Tk)調制多個激勵信號脈沖。更具體地說，發射器28從陣列14的一端(k＝1)到另一端(k＝N)對各第k個激勵信號脈沖加每個發射延遲Tk。該方法還包括將各個已調制激勵信號脈沖加到形成陣列14的各換能器12上。陣列14與元件10分開相距RW。這樣，超聲發射束的產生就可沿所選射線路徑16從陣列14聚焦到元件10中。通過靜態表面幾何項，加上發射延遲Tk校正了發射的二次透鏡效應。檢測方法還包括利用換能器12作為接收元件12產生多個回聲信號，并處理在多個頻道20中的回聲信號。
除了校正了發射的二次透鏡效應外，該檢測方法還校正了接收的二次透鏡效應。因此，回聲信號處理包括對在各頻道20中的回聲信號加延遲波形，以產生多個延遲回聲信號，用以波補償至少一個表面幾何效應。與發射延遲波形類似，該延遲波形包括一組接收延遲(Tk)，每個接收延遲包括一個靜態表面幾何項，可以用費爾馬方程計算從同相到達所需焦點P的每個元件12獲得能量所需的延遲來確定這一項。更具體地說，靜態表面幾何項對發射和接收是相同的。更具體地說，接收延遲Tk是在數字控制器19的控制下由接收器30從各第k個接收元件12加到回聲信號上。
處理回聲信號還包括合計來自接收元件12的延遲回聲信號，產生一個表面幾何效應補償回聲信號。回聲信號可以例如在控制器19的控制下在接收器30中合計。
D.單次檢測工業應用通常涉及檢測多種元件10的檢測，例如坯件和鍛件。因此，有效的檢測過程對減少檢測時間和成本是至關重要的。為了增強檢測效率，提供了一種單次檢測方法實施例，用于檢測具有檢測表面22的元件10。單次檢測方法結合圖4進行說明，包括定位面對元件10的檢測表面22的換能器12的陣列14，例如圖4所示。陣列14可以直接或經過間隔物18面對檢測表面22。此外，陣列14可以徑向或軸向與元件10對準。圖4中，標有“R”和“A”的陣列14分別徑向或軸向與元件10對準。此外，也可以將陣列14形成為沿元件10既徑向又軸向地延伸，例如安排成直角(未示出)。單次檢測方法還包括激勵換能器12，產生沿所選射線路徑16從陣列14聚焦到元件10上的超聲發射束。利用換能器12作為接收元件12來產生多個回聲信號。單次檢測方法還包括圍繞軸26改變陣列和元件的相對角度定向，重復進行激勵換能器12的步驟以及產生多個回聲信號。陣列14和元件10的相對角度定向可以用圍繞軸26旋轉陣列14或旋轉元件10的方法來改變。回聲信號在多個頻道20中處理，形成至少一個已處理的回聲信號。雖然處理步驟是按圍繞軸26旋轉陣列14來列出，但應理解該順序包括了序列處理和集中處理。對于順序處理，先適當定位陣列14，激勵換能器12，產生一組回聲信號并加以處理。然后旋轉陣列14，重復激勵，產生和處理步驟，得到第二組回聲信號，等等。同理，對于集中處理，陣列14圍繞軸26的每一次角度增量產生數組回聲信號，然后處理這些組的回聲信號。得到的已處理回聲信號或作為單獨的幀顯示，或縫合在一起，形成元件的單一圖像。
有利的是，用圍繞軸26的多個角度增量檢測元件10，可以避免陣列14在元件表面22上的平移運動，增加了檢測過程的整體效率。根據單次檢測方法的一個具體實施例，對應于元件10的最終圖像的已處理回聲信號是這樣獲得的即陣列14和元件10的相對定向僅限于圍繞軸26旋轉。“限于”的意思是最終圖像是在陣列14(或元件10)圍繞軸26的一個或多個旋轉定向時獲得，沒有陣列14相對元件10的其它定位。例如，對此實施例，不需要陣列14相對元件10作平移運動。最好，對此實施例，陣列14足夠大，以能延伸到元件10上所感興趣的面積，這樣圍繞軸26旋轉陣列14就能掃描到整個感興趣的面積。例如，可以使用單個的大陣列或用數個較小的陣列組合在一起。有利的是，該實施例避免了費時又麻煩的陣列14或元件10的重新定位。
按照適用于具有彎曲檢測表面22的元件10的更具體的實施例(圖4中未示出)，定位步驟還包括或直接或通過間隔物18使陣列14的輪廓與彎曲的檢測表面22相仿。
E.透射除了單射線檢測外，也可以將元件10定位在發射陣列14和接收陣列14之間來檢測元件10，如圖6所示。常規是使用單超聲探頭(未示出)通過透射超聲檢測來檢測元件10。這些探頭要移動數次來掃描元件。有利的是，利用陣列14作發射和接收便利于電子掃描元件10，從而不需要檢測設備在元件10上作費時的機械運動。
F.投擲和捕捉另一種常規的檢測技術示于圖7。如圖所示，超聲發射束由第一探頭42“投擲”到檢測元件10中，并被第二探頭42“捕捉”。該技術用于裂隙-尖端的折射探測。圖示結構用于探測元件10中裂隙40的底部和尖端，而且根據此信息，確定裂隙40的大小。但此技術要求對探頭42的機械操縱，因此比較慢也麻煩。用陣列14來代替各單個探頭42改進了參閱圖7所述的技術。圖8和11示出一種改進的“投擲和捕捉”檢測方法，在該方法中用單一陣列14既作投擲又作捕捉。更具體地說，陣列14的至少一個換能器12子集受激來發射超聲束，且至少一個換能器12子集接收反射的超聲能量。各發射和接收換能器12子集在圖8和11中以“T”和”R”表示。如圖8所示，一個換能器12子集用作發射，一個子集用作接收。對于圖11的實施例，一個換能器12子集用作發射，兩個子集用作接收。這種單射線投擲和捕捉實施例不限于圖8和11所示的具體配置，而可包含單陣列14的任何安排，其中至少一組換能器形成發射的聲束，至少另一組換能器12接收來自測試元件10的反射聲束。
G.多普勒已知用超聲測量血流，最好能將為監控血流所開發的超聲技術延伸到工業應用，例如通過導管或管道(例如化學供料管)或通過儀器管道(已用的例如，用于熱交換流)監控產品流。工業應用中的管道、導管及產品在其中流動的其它容器在此統稱為“管道”。需要對通過管道的產品流進行檢測，是因為在管道壁上的沉積(或積聚)會限制和/或擾亂產品流通過管道。此外，熱交換器會阻塞或卡住，引起流限制。超聲最好能提供非破壞性，非侵入性的檢測方法，以檢測和監控這類問題。
結合圖9說明檢測通過管道50的產品流的方法。該方法包括激勵形成陣列14的多個換能器12，以傳送超聲能量入管道50。例如，由發射器28在控制器19的控制下通過T/R(發射/接收)開關32來激勵換能器12。應注意，雖然陣列14在圖9中示為與管道50相接觸，陣列14和管道50也可以用一種間隔物分開，例如水、其它適宜于將超聲能量耦合到管道50和陣列14的液體，或一種靴(未示出)。該方法還包括從反射的超聲能量產生多個接收信號，并處理多個頻道20中的接收信號。對于圖9所示的實施例，接收信號由換能器12作為接收元件12產生。處理包括將接收信號與頻率基準進行比較，以確定對反射的超聲能量所造成的多個頻率偏移。處理例如由受數字控制器19控制的接收器30進行。根據更具體的實施例，處理還包括產生通過管道50的產品流的圖像。對于圖9的實施例，利用已知的成像軟件(未示出)將圖像顯示在顯示器17上。將通過管道的產品流成像，就可探測和監控管道壁上的沉積所引起的流限制。
對于另一個實施例，檢測方法還包括將頻率偏移轉換成聲音輸出。例如利用已知的聲頻軟件(未示出)，例如在GE LOGIQ 9中所提供的，將頻率偏移轉換成音頻輸出，再通過至少一個揚聲器44發射出去。將頻率偏移轉換成音頻輸出為操作員檢測通過管道的產品流的問題提供了一種快速手段。
H.全陣列聲透射為增強對工業元件超聲檢測的信噪比，另一種工業超聲檢測方法包括全陣列聲透射。參閱圖10來說明檢測元件10的這種方法。該檢測方法包括同時激勵陣列14中的第一組換能器12，如圖10所示。示范的第一組換能器12用有陰影的換能器12表示。信噪比隨第一組中包含的換能器12的數量而增加。根據一個具體的實施例，第一組換能器12包括形成陣列14的所有換能器。換句話說，對此具體的實施例，形成陣列14的每個換能器12同時被激勵，從而提供全陣列聲透射。第一組換能器由(例如)發射器28在數字控制器19的控制下激勵。
該檢測方法還包括用陣列中的第二組換能器12作為接收元件12從元件10接收一組反散射的超聲信號，并利用接收元件12從反散射超聲信號產生多個接收信號。根據一個具體的實施例，第二組換能器12包括形成陣列14的所有換能器。該方法還包括處理接收信號以形成一組聲束形式圖像數據。接收信號可由(例如)接收器30在數字控制器19的控制下進行處理。這些處理步驟是已知的，示范的處理步驟在授予Chiao等人的美國專利號6,048,315，題目為“Method and Apparatus for Ultrasonic Synthetic transmit ApertureImaging Using Orthogonal Complementary Codes”有所說明，此專利已作為參考包括在本文內。
通過同時激勵第一組換能器12，元件10的整個感興趣的區域就可有聲穿透，而不需要靠連續激勵形成陣列14的換能器12來電子掃描元件10。這樣，相對連續驅動形成檢測陣列14的換能器12而言，圖10所示的方法增加了獲得檢測數據的速度。成像時間(故而檢測時間)的相應減少增加了生產率，這在工業環境中特別有利。應用此方法實施例來檢測坯件也很有利，即驅動第一組換能器12一次，坯件10就完全有聲透射，相對連續激活換能器12來說減少了檢測時間。
I.圖像位置醫學應用的超聲檢測系統很先進，而且提供了許多工業應用所需的特性，例如動態聚焦，動態孔徑，操縱，以及多普勒頻率偏移。醫學應用的先進超聲檢測系統的實例包括GE LOGIQ 9和GE LOGIQBook。但，醫學應用的超聲檢測系統通常采用基于任意定時基準的預定義掃描速率，以觸發一個新圖象形成序列。“任意”的意思是指定時基準不與陣列位置相聯系。但對于工業應用，最好能識別獲得既定幀(圖象)的位置，以便在檢測后充分表征元件10。所以，上述檢測方法最好能獲得與陣列14和正被檢測的元件之間的相對位置同步的圖像(幀)。更具體的說，所采用的定時基準應選擇為與陣列14和元件10的相對位置同步。例如可以用編碼器來跟蹤運動的軸線位置。常用的脈沖/位置同步技術稱為“位置脈沖”(pulse onposition”，在機械系統(此處為陣列14)到達下一個數據獲取位置時加一個TTL電平脈沖。
如上述，許多醫學應用的許多超聲檢測系統，例如GE LOGIQ 9和GE LOGIQ Book，一般不使圖像與獲取此圖像的位置同步。所以，對于本發明的另一個實施例，將超聲檢測系統，例如GE LOGIQ 9和GE LOGIQ Book，更改為獲取與陣列14的機械位置同步的數據。更具體地說，定時輸入與輸出被改為與位置相關，對醫學應用的超聲檢測系統的示范定時輸入包括用于EKG輸入或用于腳踏開關(未示出)的電路。
雖然此文僅示出并說明了本發明的某些特性，本專業的技術人員可以作許多更改和變動。所以應理解所附權利要求應覆蓋符合本發明真正精神的所有這些更改和變動。
權利要求
1.檢測元件(10)的一種方法，包括(a)激勵形成陣列(14)的多個換能器12，以產生沿所選的射線路徑(16)從陣列聚焦到元件的超聲發射束，所述陣列被材料速度為vw的間隔物(18)從所述元件分隔開；(b)利用換能器作為接收元件(12)產生多個回聲信號；以及(c)處理多個頻道(20)中的所述回聲信號，所述處理包括(i)沿所述所選的射線路徑將所述回聲信號動態聚焦到所述元件中至少一個焦點P，其中所述動態聚焦包括(A)調節延遲波形，以補償所述超聲發射束在所述元件和所述間隔物之間界面(22)上的折射；(B)將所述延遲波形加到所述各頻道中的所述回聲信號，以產生多個延遲的回聲信號；(ii)調節活性接收元件數作為波幅Rs的函數，提供接收動態孔徑(24)，其中所述調節活性接收元件數包括補償超聲發射束在元件和間隔物之間界面上的折射；(iii)合計來自所有所述活性接收元件的所述延遲回聲信號，以產生聚焦的回聲信號。
2.如權利要求1所述的檢測方法，其中所述激勵換能器(12)包括對各所述換能器分別加激勵信號脈沖，所述檢測方法還包括(d)以相對表面法線(21)的角度θ沿所述所選射線路徑操縱所述超聲發射束，所述操縱包括(i)調節發射延遲波形以補償所述超聲發射束在所述元件和所述間隔物之間的所述界面上的折射，所述發射延遲波形包括多個發射延遲，各發射延遲包括一個靜態操縱項，以及(ii)用所述發射延遲波形調制所述激勵信號脈沖；以及(e)通過所述將所述延遲波形加到所述各頻道的所述回聲信號，產生操縱的回聲信號，藉以形成所述延遲的回聲信號，其中所述延遲波形包括多個接收延遲，各接收延遲包括一個靜態操縱項，其中所述調節所述延遲波形調節各所述靜態操縱項以補償所述界面的折射。
3.如權利要求2所述的檢測方法，其中所述操縱包括以角度θ和ψ沿所述所選射線路徑操縱所述超聲發射束。
4.如權利要求1所述的檢測方法，其中所述換能器(12)的所述激勵包括在每個連續激勵時間間隔ti將一個單獨的信號脈沖加到各所述換能器上，所述回聲信號的所述產生是對每個所述連續激勵時間間隔ti進行，所述動態聚焦包括在每個連續第i個所述激勵時間間隔tk期間，將所述回聲信號沿所述所選的射線路徑動態聚焦到各波幅Ri的多個焦點Pi，所述調節所述活性接收元件數是作為所述波幅Rs的函數對每個所述連續激勵時間間隔ti進行，以及所有所述活性接收元件的所述延遲回聲信號的所述合計是對每個所述連續激勵時間間隔進行，以產生對所述各波幅Ri的聚焦回聲信號。
5.檢測元件(10)的一種方法，包括(a)對形成陣列(14)的每個換能器(12)分別加激勵脈沖，以產生沿所選的射線路徑(16)從陣列聚焦到所述元件的超聲發射束，所述陣列用材料速度為vw的間隔物(18)與所述元件分隔開；(b)以相對表面法線(21)的角度θ沿所述所選射線路徑操縱超聲發射束，所述操縱包括(i)調節發射延遲波形以補償所述超聲發射束在所述元件和所述間隔物之間所述界面上的折射，所述發射延遲波形包括多個發射延遲，各發射延遲包括一個靜態操縱項，以及(ii)用所述發射延遲波形調制所述激勵脈沖。(c)利用所述換能器作為接收元件(12)產生多個回聲信號；以及(d)利用延遲波形處理多個頻道(20)的所述回聲信號，所述延遲波形包括多個接收延遲，每個接收延遲包括一個靜態接收操縱項，所述處理包括(i)調節各所述靜態接收操縱項以補償所述超聲發射束在所述元件和所述間隔物之間所述界面上的折射；(ii)對所述各頻道的所述回聲信號加所述延遲波形，以產生多個延遲回聲信號；以及(iii)合計來自接收元件的延遲回聲信號，產生操縱的回聲信號。
6.如權利要求4所述的檢測方法，其中所述處理步驟還包括(iv)調節活性接收元件(12)數作為波幅Rs的函數，以提供接收的動態孔徑(24)，其中所述調節接收元件數包括補償所述超聲發射束在所述元件(10)和所述間隔物(18)之間的所述界面上的折射；其中所述合計步驟包括合計來自所有所述活性接收元件的所述延遲回聲信號，以產生所述操縱的回聲信號。
7.如權利要求5所述的檢測方法，其中所述操縱包括以角度θ和ψ沿所述所選射線路徑操縱所述超聲發射束。
8.如權利要求5所述的檢測方法，其中所述加(脈沖)步驟包括對各所述換能器(12)分別加激勵脈沖，以產生聚焦到所述元件(10)的剪切波超聲發射束。
9.如權利要求5所述的檢測方法，其中所述加(脈沖)步驟包括對各所述換能器(12)分別加激勵脈沖，以產生沿所述元件(10)的所述表面(22)聚焦的表面波超聲發射束。
10.沿所述元件的彎曲表面(22)以及在材料速度為vw的間隔物(18)上檢測元件(10)的一種方法，所述檢測方法包括(a)調節發射延遲波形，以補償至少一個表面幾何效應，所述延遲波形包括多個發射延遲，每個所述發射延遲包括一個靜態表面幾何項；(b)用所述發射延遲波形調制多個激勵信號脈沖；(c)將所述調制激勵信號脈沖加到形成陣列14(由所述間隔物使之與所述元件分開)的多個換能器(12)上，以產生沿所選路徑(16)從所述陣列14聚焦到所述元件上的超聲發射束；(d)利用所述換能器作為接收元件(12)產生多個回聲信號；(e)處理多個頻道(20)的所述回聲信號，所述處理包括(i)將延遲波形加到所述各頻道的所述回聲信號上，以產生多個延遲回聲信號，以補償至少一種表面幾何效應，所述延遲波形包括多個接收延遲，每個接收延遲包括一個靜態表面幾何項；以及(ii)合計來自所述接收元件的所述延遲回聲信號，以產生一個表面幾何效應補償回聲信號。
11.具有檢測表面(22)的元件(10)的單次檢測方法，所述單次檢測方法包括(a)定位換能器(12)的陣列(14)面對所述元件的所述檢測表面；(b)激勵所述換能器，以產生沿所選路徑(16)從所述陣列聚焦到所述元件上的超聲發射束；(c)利用所述換能器作為接收元件(12)產生多個回聲信號；(d)圍繞軸(26)改變所述陣列和所述元件的所述相對角度定向，并重復步驟(b)和(c)；以及(e)處理多個頻道(20)中的所述回聲信號，形成至少一個處理的回聲信號。
12.如權利要求9所述的單次檢測方法，其中對應于所述元件(10)的最終圖像的所述已處理回聲信號是用所述陣列(14)和所述元件的所述相對定向僅限于圍繞所述軸(26)旋轉的方法而獲得的。
13.如權利要求9所述的單次檢測方法，其中所述元件具有彎曲的檢測表面(22)，且其中所述定位步驟還包括使所述陣列(14)的輪廓符合所述彎曲的檢測表面。
14.通過管道(50)的產品流的檢測方法，所述方法包括(a)激勵形成陣列(14)的多個換能器(12)，以將超聲能量發射到所述管道中；(b)從發射的超聲能量產生多個接收信號；以及(c)處理多個頻道(20)的所述接收信號，所述處理包括將所述接收信號與頻率基準相比較，以確定加到所述反射的超聲能量的多個頻率偏移。
15.如權利要求14所述的方法，其中所述處理還包括產生通過所述管道的所述產品流的圖像。
16.如權利要求14所述的方法，還包括(d)將頻率偏移轉換為音頻輸出。
17.檢測元件(10)的一種方法，包括(a)同時激勵陣列(14)中的第一組換能器(12)；(b)利用所述陣列中的第二組換能器(12)作為接收元件(12)從所述元件接收多個反散射的超聲信號；(c)利用所述接收元件從所述反散射的超聲信號產生多個接收信號；以及(d)處理所述接收信號，以形成一組聲束形式圖像數據。
18.如權利要求17所述的方法，其中所述第二組換能器(12)包括形成所述陣列(14)的所有所述換能器。
19.如權利要求18所述的方法，其中所述第一組換能器(12)包括形成所述陣列(14)的所有所述換能器。
20.利用單陣列(14)換能器(12)檢測元件(10)的一種方法，包括(a)激勵至少一個發射組的所述換能器(12)，以產生一個超聲發射束，以相對表面法線(21)的角度θ入射到所述元件的檢測表面(22)；(b)利用所述陣列中至少一個接收組的換能器(12)作為接收元件(12)從所述元件接收多個反散射的超聲信號，每個所述發射和接收組均以所述陣列上的一個獨特位置為中心；(c)從所述反散射的超聲信號產生多個回聲信號；以及(d)處理多個頻道(20)中的所述回聲信號，以形成一組聲束形式圖像數據。
全文摘要
用于檢測元件(10)的一種方法包括激勵形成陣列(14)的多個換能器(12)，產生聚焦到元件的超聲發射束(超聲束)。陣列和元件由間隔物(18)分開。利用換能器產生多個回聲信號，并在多個頻道(20)中處理回聲信號。處理包括動態聚焦和提供動態接收孔徑(24)，二者均可補償超聲束在元件/間隔物界面的折射。一種單次檢測方法包括(a)定位面對元件的陣列；(b)激勵換能器；(c)產生多個回聲信號；(d)圍繞軸(26)改變陣列和元件的相對角度定向，并重復步驟(b)和(c)；以及(e)處理回聲信號，以形成至少一個處理的回聲信號。
文檔編號G01N29/44GK1530651SQ0315942
公開日2004年9月22日 申請日期2003年9月16日 優先權日2002年9月16日
發明者T·J·巴青格, T J 巴青格, W·李, 吉爾摩, R·S·吉爾摩, 尼特爾斯, E·J·尼特爾斯, 哈特菲爾德, W·T·哈特菲爾德, 克拉爾森, R·E·克拉爾森, 巴辛格, J·N·巴辛格, 海德, B·H·海德, 查勒克, C·L·查勒克, 麥克利戈特, R·J·麥克利戈特, 弗蘭克林, D·C·弗蘭克林 申請人:通用電氣公司