專利名稱：工業(yè)應(yīng)用的相控陣超聲檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及工業(yè)應(yīng)用的超聲成像方法，具體地說，是利用先進(jìn)的相控陣超聲系統(tǒng)檢測(cè)在工業(yè)環(huán)境中發(fā)現(xiàn)的元件和結(jié)構(gòu)(統(tǒng)稱為元件)缺陷的改進(jìn)的超聲成像方法。
背景技術(shù)：
工業(yè)應(yīng)用中使用較輕的元件以及使用較長(zhǎng)的工程設(shè)計(jì)壽命的工業(yè)元件都增加了對(duì)用于工業(yè)環(huán)境的增強(qiáng)的無損傷檢測(cè)技術(shù)的需求。為滿足當(dāng)前的需求，就需要以更高的生產(chǎn)率檢測(cè)更小的缺陷。醫(yī)學(xué)成像工具，例如GE LOGIQ 9以及GE LOGIQ Book等，包括許多工業(yè)應(yīng)用所需要的特性。
工業(yè)應(yīng)用的常規(guī)超聲檢測(cè)系統(tǒng)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(shù)。其限制包括如果是固定聚焦透鏡系統(tǒng)就只能在場(chǎng)的聚焦深度內(nèi)進(jìn)行檢測(cè)，或在相控陣系統(tǒng)的界限內(nèi)產(chǎn)生聚焦束。一般，工業(yè)應(yīng)用的常規(guī)超聲系統(tǒng)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(duì)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(nèi)的高靈敏度工業(yè)檢測(cè)通常伴隨著使用適當(dāng)?shù)木劢固筋^作多次掃描。這種檢測(cè)由于需要多次掃描所以很費(fèi)時(shí)。高靈敏度大深度范圍的檢測(cè)也用多區(qū)域法進(jìn)行，此時(shí)使用多頻道獲取系統(tǒng)來同時(shí)監(jiān)控來自多探頭的數(shù)據(jù)，每個(gè)探頭監(jiān)控測(cè)試元件內(nèi)一個(gè)單獨(dú)的深度。工業(yè)應(yīng)用的常規(guī)超聲檢測(cè)系統(tǒng)通常限于測(cè)試元件的單角度聲束詢問。成角度超聲束的產(chǎn)生方法是或者將探頭附加在鍥形材料上，相對(duì)測(cè)試元件形成一個(gè)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(cè)試元件速度的不同足以引起聲束的折射。
用于工業(yè)檢測(cè)的常規(guī)相控陣成像超聲系統(tǒng)通常限于聲束的形成，更先進(jìn)的這類系統(tǒng)可提供動(dòng)態(tài)深度聚焦，但不能進(jìn)行動(dòng)態(tài)孔徑定徑。動(dòng)態(tài)孔徑定徑對(duì)操縱聲束性能是需要的。
因此需要提供一種工業(yè)應(yīng)用的檢測(cè)方法，它既可提供動(dòng)態(tài)聚焦，又可提供動(dòng)態(tài)孔徑定徑。該方法還需要能補(bǔ)償在測(cè)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(yè)應(yīng)用的檢測(cè)方法，它能因測(cè)試元件/間隔物界面的折射而對(duì)操縱超聲發(fā)射束進(jìn)行補(bǔ)償。此外，還需要校正因彎曲的測(cè)試元件/間隔物之間界面而引起的表面幾何效應(yīng)。為了增加生產(chǎn)率，也需要提供一種單次檢測(cè)方法，這樣不需要費(fèi)時(shí)的移動(dòng)探頭就可檢測(cè)工業(yè)元件。也需要一種可利用超聲檢測(cè)技術(shù)來檢測(cè)通過管道的產(chǎn)品流質(zhì)量的方法。為了減少檢測(cè)時(shí)間，需要采用全陣列聲透射。而且，對(duì)于工業(yè)應(yīng)用，需要引入具有相應(yīng)探頭位置的圖像與通常醫(yī)學(xué)應(yīng)用中使用的先進(jìn)超聲成像系統(tǒng)的同步。

發(fā)明內(nèi)容
簡(jiǎn)要地說，按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，提供了檢測(cè)元件的一種方法。該檢測(cè)方法包括激勵(lì)形成陣列的多個(gè)換能器，以產(chǎn)生沿所選射線路徑從陣列聚焦到元件上的超聲發(fā)射束。陣列被具有材料速度vw的間隔物與元件分開。該檢測(cè)方法還包括利用換能器作為接收元件來產(chǎn)生多個(gè)回聲信號(hào)，并在多個(gè)頻道處理回聲信號(hào)。處理包括將回聲信號(hào)沿所選的射線路徑動(dòng)態(tài)地聚焦到元件中至少一個(gè)焦點(diǎn)P上。動(dòng)態(tài)聚焦包括調(diào)節(jié)延遲波形以補(bǔ)償在測(cè)試元件和間隔物之間界面上超聲發(fā)射束的折射并將延遲波形加到各頻道的回聲信號(hào)上以產(chǎn)生多個(gè)延遲的回聲信號(hào)。處理還包括將活性接收元件數(shù)作為波幅Rs的函數(shù)來調(diào)節(jié)，以提供接收時(shí)的動(dòng)態(tài)孔徑。調(diào)節(jié)接收元件數(shù)包括補(bǔ)償在元件和間隔物之間界面上超聲發(fā)射束的折射。處理還包括從活性接收元件合計(jì)延遲的回聲信號(hào)以產(chǎn)生一個(gè)聚焦的回聲信號(hào)。
檢測(cè)元件的另一個(gè)方法實(shí)施例包括對(duì)陣列中的每個(gè)換能器加單獨(dú)的激勵(lì)脈沖，產(chǎn)生沿所選的射線路徑聚焦到元件的超聲發(fā)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(cè)方法還包括沿所選的射線路徑以相對(duì)表面法線的角度θ操縱超聲發(fā)射束。操縱包括調(diào)節(jié)發(fā)射延遲波形，以補(bǔ)償在測(cè)試元件和間隔物之間界面上超聲發(fā)射束的折射并用發(fā)射延遲波形調(diào)制激勵(lì)脈沖。檢測(cè)方法還包括利用換能器作為接收元件產(chǎn)生多個(gè)回聲信號(hào)并利用延遲波形處理多個(gè)頻道中的回聲信號(hào)，延遲波形包括多個(gè)接收延遲，每個(gè)接收延遲包括一個(gè)靜態(tài)接收操縱項(xiàng)?；芈曅盘?hào)處理包括調(diào)節(jié)每個(gè)靜態(tài)接收操縱項(xiàng)以補(bǔ)償在元件和間隔物界面上的超聲發(fā)射束的折射，將延遲波形加到各頻道中的回聲信號(hào)上以產(chǎn)生多個(gè)延遲的回聲信號(hào)，并合計(jì)來自接收元件的延遲回聲信號(hào)以產(chǎn)生一個(gè)操縱的回聲信號(hào)。
還提供了用于檢測(cè)具有檢測(cè)表面的元件的單次方法的實(shí)施例。單次檢測(cè)方法包括(a)定位換能器陣列，使之面對(duì)元件的檢測(cè)表面，(2)激勵(lì)換能器，產(chǎn)生沿所選射線路徑從陣列聚焦到元件上的超聲發(fā)射束，(c)利用換能器作為接收元件產(chǎn)生多個(gè)回聲信號(hào)，(d)圍繞一個(gè)軸改變陣列和元件的相對(duì)角度方向并重復(fù)步驟(b)和(c)，以及(e)處理多個(gè)頻道中的回聲信號(hào)，以形成至少一個(gè)處理的回聲信號(hào)。
還提供了檢測(cè)通過管道的產(chǎn)品流的方法實(shí)施例。該檢測(cè)方法包括激勵(lì)形成陣列的多個(gè)換能器以傳送超聲能量到管道內(nèi)，由反射的超聲能量產(chǎn)生多個(gè)接收信號(hào)，并處理在多個(gè)頻道中的接收信號(hào)。處理包括將接收信號(hào)與頻率基準(zhǔn)進(jìn)行比較以確定對(duì)反射的超聲能量所造成的多個(gè)頻率偏移。


參考附圖閱讀了以下詳細(xì)說明后就能更好的理解本發(fā)明的這些以及其它特性，方面和優(yōu)點(diǎn)，在所有附圖中同樣的符號(hào)代表同樣的部件，附圖包括圖1是超聲成像系統(tǒng)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(yīng)；圖4示出單次檢測(cè)方法；圖5示出元件的“縫合”圖像，對(duì)材料速度與元件材料速度不同的間隔物有補(bǔ)償或沒有補(bǔ)償；圖6示出透射檢測(cè)方法；圖7示出常規(guī)的“投擲和捕捉”檢測(cè)技術(shù)；圖8示出對(duì)投擲和捕捉都使用換能器陣列的改進(jìn)的“投擲和捕捉”檢測(cè)技術(shù)；圖9示出檢測(cè)通過管道檢測(cè)產(chǎn)品流的方法；圖10示出對(duì)陣列中第一組換能器的每一個(gè)(換能器)同時(shí)激勵(lì)；圖11示出對(duì)投擲和捕捉使用單一換能器陣列的另一改進(jìn)的“投擲和捕捉”檢測(cè)技術(shù)。
具體實(shí)施例方式
A.動(dòng)態(tài)孔徑和動(dòng)態(tài)聚焦參閱圖1和2說明檢測(cè)元件10的一種方法。該方法包括激勵(lì)組成陣列14的多個(gè)換能器12，以產(chǎn)生沿所選射線路徑16從陣列聚焦到元件10上的超聲發(fā)射束，如圖1所示，圖1以方框圖形式示出超聲成像系統(tǒng)100。每個(gè)換能器12都由，例如，發(fā)射器28所產(chǎn)生的脈沖激勵(lì)。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(biāo)出的實(shí)例包括一些固體結(jié)構(gòu)，加工成一側(cè)與換能器表面的幾何形狀相配合，另一側(cè)與元件的幾何形狀相配合。靴常用有機(jī)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(chǎn)生多個(gè)回聲信號(hào)，并在多個(gè)頻道20處理回聲信號(hào)。例如，將反射回陣列14的超聲能量由各換能器12轉(zhuǎn)換成電信號(hào)(回聲信號(hào))并通過一組開關(guān)32單獨(dú)加到接收器30上。對(duì)于圖1所示的示范系統(tǒng)，發(fā)射器28，接收器30以及開關(guān)32都由數(shù)字控制器19根據(jù)操作員輸入的命令來控制。
處理包括將回聲信號(hào)沿所選的射線路徑16動(dòng)態(tài)聚焦到元件10中至少一個(gè)焦點(diǎn)P上。動(dòng)態(tài)聚焦包括調(diào)節(jié)有多個(gè)接收延遲的延遲波形(profile)以補(bǔ)償在測(cè)試元件10和間隔物18間界面22上超聲發(fā)射束的折射。典型的接收延遲包括時(shí)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(gè)接收延遲包括一個(gè)在接收回聲時(shí)變化的聲束聚焦時(shí)間延遲，以提供在發(fā)出回聲的波幅內(nèi)所接收的超聲能量的動(dòng)態(tài)聚焦。正如在授于O’Donnell的美國專利號(hào)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(xiàn)包括在本文內(nèi))，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(diǎn)P的波幅，v是元件10的材料速度，θ是聲束16相對(duì)表面法線21的入射角。但，該表達(dá)式并不補(bǔ)償在元件/間隔物界面22的折射。為補(bǔ)償在界面22上的折射，此表達(dá)式的典型調(diào)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(zhǎng)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(zhǎng)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(hào)上，產(chǎn)生多個(gè)延遲的回聲信號(hào)。例如，接收器30以一系列波幅Rs(Rw對(duì)于既定角θ為常數(shù))取樣回聲信號(hào)，并提供適當(dāng)?shù)慕邮昭舆t以便沿取樣聲束動(dòng)態(tài)聚焦到點(diǎn)P。這樣，每次發(fā)射一個(gè)超聲脈沖都能獲得一系列回聲信號(hào)樣本，它們代表著由位于沿超聲接收聲束的相應(yīng)系列點(diǎn)P所反射的聲波數(shù)量。
為了提供接收時(shí)的動(dòng)態(tài)孔徑24，處理還包括調(diào)節(jié)作為波幅Rs函數(shù)的(Rw對(duì)于既定入射角θ為常數(shù))活性接收元件的數(shù)量。此處所用的詞語“活性接收元件”12是指其回聲接收信號(hào)包括在總體聚焦回聲信號(hào)內(nèi)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(hào)在計(jì)算聚焦回聲信號(hào)時(shí)忽略不計(jì)。
調(diào)節(jié)接收元件12的數(shù)量包括對(duì)超聲發(fā)射束在元件10和間隔物18之間界面22的折射加以補(bǔ)償。例如，對(duì)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(shù)F，孔徑寬度A根據(jù)公式F＝R/A來調(diào)節(jié)。所以在此常規(guī)實(shí)例中，隨著波幅R的增加，A也必須增加以維持恒定的焦數(shù)F。換句話說，有更多的活性接收元件12的延遲回聲信號(hào)對(duì)聚焦回聲信號(hào)起作用。如上述，超聲發(fā)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(fā)生折射。為補(bǔ)償該折射，根據(jù)表達(dá)式F＝[Rw+Rs(vs/vw)]/A，對(duì)孔徑寬度A進(jìn)行調(diào)節(jié)。
除了上述動(dòng)態(tài)聚焦和動(dòng)態(tài)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(hào)加以合計(jì)，產(chǎn)生一個(gè)聚焦的回聲信號(hào)。例如，延遲回聲信號(hào)在接收器30中加以合計(jì)，形成聚焦的回聲信號(hào)，該聚焦的回聲信號(hào)可以用來，例如，產(chǎn)生顯示器17上圖像中的一個(gè)像素或一個(gè)線條。
雖然對(duì)提供動(dòng)態(tài)孔徑定徑和動(dòng)態(tài)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(jìn)行說明的，但該組合也適用于對(duì)元件10的接觸超聲檢測(cè)，例如作為工業(yè)檢測(cè)應(yīng)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(duì)于沒有間隔物18的元件10的超聲檢測(cè)，不作動(dòng)態(tài)定孔徑和聚焦校正以補(bǔ)償在元件表面22處的折射。沒有間隔物18的動(dòng)態(tài)孔徑定徑和聚焦在例如授于Charles E.Thomas的美國專利號(hào)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(nèi)。
有利的是，動(dòng)態(tài)孔徑結(jié)合動(dòng)態(tài)聚焦的使用能在整個(gè)檢測(cè)深度內(nèi)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(gè)或1024個(gè)，以提供大的檢測(cè)面積。要使用大量的換能器而不相應(yīng)增加頻道20的數(shù)量并減少所需的開關(guān)32的數(shù)量，換能器12可以復(fù)用，例如在授于Thomas等的美國專利號(hào)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(nèi)。有利的是，相對(duì)常規(guī)的工業(yè)超聲檢測(cè)方法而言，獨(dú)立使用128個(gè)換能器12或通過復(fù)用使用1028個(gè)換能器12便于提高生產(chǎn)率和檢測(cè)的靈活性。
最好引導(dǎo)或操縱超聲束將聲束通過一組角度θ移動(dòng)來掃描元件10。按照一個(gè)更特別的實(shí)施例，單獨(dú)的激勵(lì)信號(hào)脈沖加到各個(gè)換能器上，用分別的電壓驅(qū)動(dòng)各換能器12(變跡法)。該實(shí)施例示于圖2，此時(shí)檢測(cè)方法還包括沿所選的射線路徑16以相對(duì)表面法線21的角度θ來操縱超聲發(fā)射束。操縱包括調(diào)節(jié)發(fā)射延遲波形以補(bǔ)償超聲發(fā)射束在界面22的折射。發(fā)射延遲波形包括一組發(fā)射延遲，而且每個(gè)發(fā)射延遲包括一個(gè)靜態(tài)操縱項(xiàng)。示范的發(fā)射延遲包括時(shí)間和/或相位延遲，在圖1中也用(Tk)表示。操縱還包括用發(fā)射延遲波形調(diào)制激勵(lì)信號(hào)脈沖。例如，發(fā)射器28對(duì)加到序列換能器元件12上的每個(gè)信號(hào)脈沖都加一個(gè)發(fā)射延遲。如果發(fā)射延遲為零(Tk＝0)，則所有換能器元件12同時(shí)受激，所得的超聲束被導(dǎo)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(gè)信號(hào)脈沖的發(fā)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(fā)射延遲波形(Tk)補(bǔ)償了在界面22上受控超聲束的折射。除了操縱超聲束的發(fā)射，該檢測(cè)方法還包括形成受控的聚焦回聲信號(hào)，方法是將延遲波形加到各頻道的回聲信號(hào)上來形成延遲的回聲信號(hào)(操縱接收)。在此操縱實(shí)施例中，延遲波形包括一組接收延遲，每個(gè)接收延遲包括一個(gè)靜態(tài)接收操縱項(xiàng)。對(duì)每個(gè)靜態(tài)接收操縱項(xiàng)加以調(diào)節(jié)以補(bǔ)償在界面的折射。每個(gè)靜態(tài)接收操縱項(xiàng)在接收時(shí)是和上述發(fā)射延遲同樣的延遲Tk(θ)。雖然只示出了一個(gè)角度θ，本專業(yè)的技術(shù)人員能了解也可沿相對(duì)共用軸21的多個(gè)角度(θ，ψ)來操縱超聲束。本實(shí)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(fā)射。對(duì)于檢測(cè)方法的該具體實(shí)施例，在每個(gè)連續(xù)激勵(lì)時(shí)間間隔ti將各信號(hào)脈沖加到各換能器12上，對(duì)每個(gè)連續(xù)激勵(lì)時(shí)間間隔ti產(chǎn)生回聲信號(hào)。例如，在第一時(shí)間間隔t1，分別驅(qū)動(dòng)每個(gè)換能器12，產(chǎn)生第一組回聲信號(hào)。在第二時(shí)間間隔t2，分別驅(qū)動(dòng)每個(gè)換能器12，產(chǎn)生第二組回聲信號(hào)，依此類推。在此實(shí)施例中，在每個(gè)連續(xù)第i個(gè)激勵(lì)時(shí)間間隔ti，回聲信號(hào)沿所選的射線路徑16動(dòng)態(tài)聚焦到不同波幅Ri的多個(gè)焦點(diǎn)Pi。在焦點(diǎn)Pi的動(dòng)態(tài)聚焦包括調(diào)節(jié)包含多個(gè)接收延遲Tki的各延遲波形(Tki)，以補(bǔ)償超聲發(fā)射束在元件10和間隔物18之間界面22上的折射。這些調(diào)節(jié)的進(jìn)行如上所述。除了對(duì)每個(gè)時(shí)間間隔ti動(dòng)態(tài)聚焦，對(duì)于本具體實(shí)施例的檢測(cè)方法，對(duì)每個(gè)時(shí)間間隔ti，進(jìn)行動(dòng)態(tài)定孔徑。具體地說，對(duì)每個(gè)連續(xù)激勵(lì)時(shí)間間隔ti調(diào)節(jié)作為波幅Rs函數(shù)的活性接收元件的數(shù)量，以補(bǔ)償超聲發(fā)射束在元件10和間隔物18之間界面22上的折射。為了對(duì)每個(gè)波幅Ri產(chǎn)生一個(gè)回聲聚焦信號(hào)，對(duì)每個(gè)連續(xù)激勵(lì)時(shí)間間隔，將來自所有活性接收元件的延遲回聲信號(hào)例如在接收器30中加以合計(jì)。
為顯示所得的圖像數(shù)據(jù)，將來自多個(gè)深度的圖像數(shù)據(jù)組合(縫合)成單一幀(圖像)是有用的。采用顯示系統(tǒng)17顯示該單一幀。圖像縫合在業(yè)界已知，此處不再贅述。但應(yīng)指出當(dāng)通過間隔物18形成圖像時(shí)，常規(guī)醫(yī)學(xué)超聲成像系統(tǒng)會(huì)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(jīng)補(bǔ)償?shù)膱D像使對(duì)應(yīng)于間隔物18的圖像部分失真Vs/Vw。為了補(bǔ)償界面22上材料速度的不匹配，按照一個(gè)具體的實(shí)施例，對(duì)應(yīng)于間隔物18的圖像部分減少了Vs/Vw。經(jīng)補(bǔ)償?shù)膱D像也示于圖5。另一種校正是去除對(duì)應(yīng)于間隔物18的圖像部分。例如用加在顯示系統(tǒng)17上的成像軟件，就可以進(jìn)行以上任一種校正。
B.操縱本發(fā)明的另一種方法實(shí)施例也結(jié)合圖1和圖2加以說明。檢測(cè)元件10的檢測(cè)方法包括對(duì)形成陣列14的各個(gè)換能器12分別加激勵(lì)脈沖，產(chǎn)生沿所選射線路徑16從陣列14聚焦到元件10的超聲發(fā)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(duì)表面法線21的角度θ沿所選射線路徑操縱超聲發(fā)射束。操縱包括調(diào)節(jié)發(fā)射延遲波形(Tk)以補(bǔ)償超聲發(fā)射束在界面22的折射，如上所述。操縱還包括用發(fā)射延遲波形(Tk)調(diào)制激勵(lì)脈沖，如上所述。檢測(cè)方法還包括用換能器12作為接收元件12產(chǎn)生多個(gè)回聲信號(hào)，并利用延遲波形處理多個(gè)頻道20的回聲信號(hào)。延遲波形包括多個(gè)接收延遲，每個(gè)接收延遲具有一個(gè)靜態(tài)接收操縱項(xiàng)，如上所述。處理包括調(diào)節(jié)每個(gè)靜態(tài)接收操縱項(xiàng)以補(bǔ)償在元件10和間隔物18之間界面22上超聲發(fā)射束的折射，將延遲波形(Tk)加到各頻道20中的回聲信號(hào)上以產(chǎn)生多個(gè)延遲的回聲信號(hào)，并合計(jì)來自接收元件12的延遲回聲信號(hào)以產(chǎn)生一個(gè)操縱的回聲信號(hào)。如上對(duì)第一實(shí)施例所述，回聲信號(hào)由每個(gè)換能器12產(chǎn)生并通過一組開關(guān)32分別加到接收器30上。每個(gè)接收延遲Tk(θ)加到各第k個(gè)換能器12上的回聲信號(hào)以形成各延遲回聲信號(hào)。延遲回聲信號(hào)在接收器30中合計(jì)。
除了操縱超聲束外，提供動(dòng)態(tài)孔徑定徑對(duì)檢測(cè)工業(yè)元件也是有用的。因而，對(duì)于更特別的實(shí)施例，處理步驟還包括將活性接收元件12數(shù)量作為波幅R的函數(shù)來調(diào)節(jié)，以提供接收時(shí)的動(dòng)態(tài)孔徑24。如上述，活性接收元件12是其回聲接收信號(hào)包括在總體操縱回聲信號(hào)內(nèi)的換能器12。相反，非活性接收元件12的回聲信號(hào)在計(jì)算操縱回聲信號(hào)時(shí)忽略不計(jì)。由于界面22上材料速度的不匹配，接收元件12數(shù)量的調(diào)節(jié)包括補(bǔ)償界面22上超聲發(fā)射束的折射。例如，根據(jù)表達(dá)式F＝[Rw+Rs(vs/vw)]/A，對(duì)孔徑寬度A進(jìn)行調(diào)節(jié)，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(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)于此操縱加動(dòng)態(tài)孔徑的實(shí)施例，合計(jì)步驟包括將所有活性接收元件12的延遲回聲信號(hào)加以合計(jì)，產(chǎn)生受操縱的回聲信號(hào)。雖然只示出了一個(gè)角度(θ)，本專業(yè)的技術(shù)人員能認(rèn)識(shí)到也可沿相對(duì)多個(gè)角度(θ，ψ)來操縱超聲束。本實(shí)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(cè)工業(yè)元件。工業(yè)元件10，諸如鍛件、坯料、焊點(diǎn)(焊件)、及其它固體，支持剪切波和表面波的傳播。簡(jiǎn)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(duì)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(guān)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(gè)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(dá)到各自的臨界角φL＝90°和φSH＝90°，在此點(diǎn)縱向波和剪切波不再在元件10中傳播。入射角θ相應(yīng)的臨界值由斯涅耳定律決定并對(duì)縱向和剪切波型各不相同，這是因?yàn)檫@兩種波型具有不同的速度VL和VSH。
如上述，工業(yè)元件10支持剪切和表面波的傳播。所以，對(duì)于本檢測(cè)方法的另一具體實(shí)施例，單獨(dú)的激勵(lì)脈沖加到每個(gè)換能器12上，產(chǎn)生聚焦到元件10中的剪切波超聲發(fā)射束。有利的是，在同一頻率下剪切波的波長(zhǎng)λSH大約等于縱向波波長(zhǎng)λL的一半，就可對(duì)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(cè)元件，而沒有錯(cuò)誤的縱向波信號(hào)干擾超聲檢測(cè)。同理，對(duì)于本檢測(cè)方法的另一具體實(shí)施例，單獨(dú)的激勵(lì)脈沖加到每個(gè)換能器12上，產(chǎn)生沿元件表面22的表面波超聲發(fā)射束。有利的是，用表面波對(duì)工業(yè)元件作超聲檢測(cè)便于檢測(cè)元件表面22，包括探測(cè)元件10表面22上的裂紋(表面裂紋)。常規(guī)的超聲檢測(cè)方法采用縱向波，因此是一種容量檢測(cè)工具。表面波波型增強(qiáng)了表面裂紋的探測(cè)和檢測(cè)能能力。
本專業(yè)的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，這里所描述的其他檢測(cè)技術(shù)也有利地結(jié)合了這些剪切和表面波波形檢測(cè)。
C.表面幾何形狀現(xiàn)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(fù)合半徑表面22)以及在材料速度為cw的隔離物18上檢測(cè)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(chǎn)生二次透鏡效應(yīng)，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(yīng)在圖3中示出，它使所得圖像的質(zhì)量下降。該檢測(cè)方法實(shí)施例校正了這種二次透鏡效應(yīng)，并包括調(diào)節(jié)發(fā)射延遲波形以補(bǔ)償至少一個(gè)表面幾何形狀的效應(yīng)。發(fā)射延遲波形包括一組發(fā)射延遲Tk，每個(gè)發(fā)射延遲包括一個(gè)靜態(tài)表面幾何項(xiàng)，可以用費(fèi)爾馬(Fermat)方程計(jì)算從同相到達(dá)所需焦點(diǎn)P的每個(gè)元件12獲得能量所需的延遲來確定這一項(xiàng)。該方法還包括用發(fā)射延遲波形(Tk)調(diào)制多個(gè)激勵(lì)信號(hào)脈沖。更具體地說，發(fā)射器28從陣列14的一端(k＝1)到另一端(k＝N)對(duì)各第k個(gè)激勵(lì)信號(hào)脈沖加每個(gè)發(fā)射延遲Tk。該方法還包括將各個(gè)已調(diào)制激勵(lì)信號(hào)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(fā)射束的產(chǎn)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(tài)表面幾何項(xiàng)，加上發(fā)射延遲Tk校正了發(fā)射的二次透鏡效應(yīng)。檢測(cè)方法還包括利用換能器12作為接收元件12產(chǎn)生多個(gè)回聲信號(hào)，并處理在多個(gè)頻道20中的回聲信號(hào)。
除了校正了發(fā)射的二次透鏡效應(yīng)外，該檢測(cè)方法還校正了接收的二次透鏡效應(yīng)。因此，回聲信號(hào)處理包括對(duì)在各頻道20中的回聲信號(hào)加延遲波形，以產(chǎn)生多個(gè)延遲回聲信號(hào)，用以波補(bǔ)償至少一個(gè)表面幾何效應(yīng)。與發(fā)射延遲波形類似，該延遲波形包括一組接收延遲(Tk)，每個(gè)接收延遲包括一個(gè)靜態(tài)表面幾何項(xiàng)，可以用費(fèi)爾馬方程計(jì)算從同相到達(dá)所需焦點(diǎn)P的每個(gè)元件12獲得能量所需的延遲來確定這一項(xiàng)。更具體地說，靜態(tài)表面幾何項(xiàng)對(duì)發(fā)射和接收是相同的。更具體地說，接收延遲Tk是在數(shù)字控制器19的控制下由接收器30從各第k個(gè)接收元件12加到回聲信號(hào)上。
處理回聲信號(hào)還包括合計(jì)來自接收元件12的延遲回聲信號(hào)，產(chǎn)生一個(gè)表面幾何效應(yīng)補(bǔ)償回聲信號(hào)。回聲信號(hào)可以例如在控制器19的控制下在接收器30中合計(jì)。
D.單次檢測(cè)工業(yè)應(yīng)用通常涉及檢測(cè)多種元件10的檢測(cè)，例如坯件和鍛件。因此，有效的檢測(cè)過程對(duì)減少檢測(cè)時(shí)間和成本是至關(guān)重要的。為了增強(qiáng)檢測(cè)效率，提供了一種單次檢測(cè)方法實(shí)施例，用于檢測(cè)具有檢測(cè)表面22的元件10。單次檢測(cè)方法結(jié)合圖4進(jìn)行說明，包括定位面對(duì)元件10的檢測(cè)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(jīng)過間隔物18面對(duì)檢測(cè)表面22。此外，陣列14可以徑向或軸向與元件10對(duì)準(zhǔn)。圖4中，標(biāo)有“R”和“A”的陣列14分別徑向或軸向與元件10對(duì)準(zhǔn)。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(cè)方法還包括激勵(lì)換能器12，產(chǎn)生沿所選射線路徑16從陣列14聚焦到元件10上的超聲發(fā)射束。利用換能器12作為接收元件12來產(chǎn)生多個(gè)回聲信號(hào)。單次檢測(cè)方法還包括圍繞軸26改變陣列和元件的相對(duì)角度定向，重復(fù)進(jìn)行激勵(lì)換能器12的步驟以及產(chǎn)生多個(gè)回聲信號(hào)。陣列14和元件10的相對(duì)角度定向可以用圍繞軸26旋轉(zhuǎn)陣列14或旋轉(zhuǎn)元件10的方法來改變。回聲信號(hào)在多個(gè)頻道20中處理，形成至少一個(gè)已處理的回聲信號(hào)。雖然處理步驟是按圍繞軸26旋轉(zhuǎn)陣列14來列出，但應(yīng)理解該順序包括了序列處理和集中處理。對(duì)于順序處理，先適當(dāng)定位陣列14，激勵(lì)換能器12，產(chǎn)生一組回聲信號(hào)并加以處理。然后旋轉(zhuǎn)陣列14，重復(fù)激勵(lì)，產(chǎn)生和處理步驟，得到第二組回聲信號(hào)，等等。同理，對(duì)于集中處理，陣列14圍繞軸26的每一次角度增量產(chǎn)生數(shù)組回聲信號(hào)，然后處理這些組的回聲信號(hào)。得到的已處理回聲信號(hào)或作為單獨(dú)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(gè)角度增量檢測(cè)元件10，可以避免陣列14在元件表面22上的平移運(yùn)動(dòng)，增加了檢測(cè)過程的整體效率。根據(jù)單次檢測(cè)方法的一個(gè)具體實(shí)施例，對(duì)應(yīng)于元件10的最終圖像的已處理回聲信號(hào)是這樣獲得的即陣列14和元件10的相對(duì)定向僅限于圍繞軸26旋轉(zhuǎn)?！跋抻凇钡囊馑际亲罱K圖像是在陣列14(或元件10)圍繞軸26的一個(gè)或多個(gè)旋轉(zhuǎn)定向時(shí)獲得，沒有陣列14相對(duì)元件10的其它定位。例如，對(duì)此實(shí)施例，不需要陣列14相對(duì)元件10作平移運(yùn)動(dòng)。最好，對(duì)此實(shí)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(zhuǎn)陣列14就能掃描到整個(gè)感興趣的面積。例如，可以使用單個(gè)的大陣列或用數(shù)個(gè)較小的陣列組合在一起。有利的是，該實(shí)施例避免了費(fèi)時(shí)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(cè)表面22的元件10的更具體的實(shí)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(cè)表面22相仿。
E.透射除了單射線檢測(cè)外，也可以將元件10定位在發(fā)射陣列14和接收陣列14之間來檢測(cè)元件10，如圖6所示。常規(guī)是使用單超聲探頭(未示出)通過透射超聲檢測(cè)來檢測(cè)元件10。這些探頭要移動(dòng)數(shù)次來掃描元件。有利的是，利用陣列14作發(fā)射和接收便利于電子掃描元件10，從而不需要檢測(cè)設(shè)備在元件10上作費(fèi)時(shí)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。
F.投擲和捕捉另一種常規(guī)的檢測(cè)技術(shù)示于圖7。如圖所示，超聲發(fā)射束由第一探頭42“投擲”到檢測(cè)元件10中，并被第二探頭42“捕捉”。該技術(shù)用于裂隙-尖端的折射探測(cè)。圖示結(jié)構(gòu)用于探測(cè)元件10中裂隙40的底部和尖端，而且根據(jù)此信息，確定裂隙40的大小。但此技術(shù)要求對(duì)探頭42的機(jī)械操縱，因此比較慢也麻煩。用陣列14來代替各單個(gè)探頭42改進(jìn)了參閱圖7所述的技術(shù)。圖8和11示出一種改進(jìn)的“投擲和捕捉”檢測(cè)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(gè)換能器12子集受激來發(fā)射超聲束，且至少一個(gè)換能器12子集接收反射的超聲能量。各發(fā)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(gè)換能器12子集用作發(fā)射，一個(gè)子集用作接收。對(duì)于圖11的實(shí)施例，一個(gè)換能器12子集用作發(fā)射，兩個(gè)子集用作接收。這種單射線投擲和捕捉實(shí)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(fā)射的聲束，至少另一組換能器12接收來自測(cè)試元件10的反射聲束。
G.多普勒已知用超聲測(cè)量血流，最好能將為監(jiān)控血流所開發(fā)的超聲技術(shù)延伸到工業(yè)應(yīng)用，例如通過導(dǎo)管或管道(例如化學(xué)供料管)或通過儀器管道(已用的例如，用于熱交換流)監(jiān)控產(chǎn)品流。工業(yè)應(yīng)用中的管道、導(dǎo)管及產(chǎn)品在其中流動(dòng)的其它容器在此統(tǒng)稱為“管道”。需要對(duì)通過管道的產(chǎn)品流進(jìn)行檢測(cè)，是因?yàn)樵诠艿辣谏系某练e(或積聚)會(huì)限制和/或擾亂產(chǎn)品流通過管道。此外，熱交換器會(huì)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(cè)方法，以檢測(cè)和監(jiān)控這類問題。
結(jié)合圖9說明檢測(cè)通過管道50的產(chǎn)品流的方法。該方法包括激勵(lì)形成陣列14的多個(gè)換能器12，以傳送超聲能量入管道50。例如，由發(fā)射器28在控制器19的控制下通過T/R(發(fā)射/接收)開關(guān)32來激勵(lì)換能器12。應(yīng)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(chǎn)生多個(gè)接收信號(hào)，并處理多個(gè)頻道20中的接收信號(hào)。對(duì)于圖9所示的實(shí)施例，接收信號(hào)由換能器12作為接收元件12產(chǎn)生。處理包括將接收信號(hào)與頻率基準(zhǔn)進(jìn)行比較，以確定對(duì)反射的超聲能量所造成的多個(gè)頻率偏移。處理例如由受數(shù)字控制器19控制的接收器30進(jìn)行。根據(jù)更具體的實(shí)施例，處理還包括產(chǎn)生通過管道50的產(chǎn)品流的圖像。對(duì)于圖9的實(shí)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(chǎn)品流成像，就可探測(cè)和監(jiān)控管道壁上的沉積所引起的流限制。
對(duì)于另一個(gè)實(shí)施例，檢測(cè)方法還包括將頻率偏移轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換成音頻輸出，再通過至少一個(gè)揚(yáng)聲器44發(fā)射出去。將頻率偏移轉(zhuǎn)換成音頻輸出為操作員檢測(cè)通過管道的產(chǎn)品流的問題提供了一種快速手段。
H.全陣列聲透射為增強(qiáng)對(duì)工業(yè)元件超聲檢測(cè)的信噪比，另一種工業(yè)超聲檢測(cè)方法包括全陣列聲透射。參閱圖10來說明檢測(cè)元件10的這種方法。該檢測(cè)方法包括同時(shí)激勵(lì)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(shù)量而增加。根據(jù)一個(gè)具體的實(shí)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(duì)此具體的實(shí)施例，形成陣列14的每個(gè)換能器12同時(shí)被激勵(lì)，從而提供全陣列聲透射。第一組換能器由(例如)發(fā)射器28在數(shù)字控制器19的控制下激勵(lì)。
該檢測(cè)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(hào)，并利用接收元件12從反散射超聲信號(hào)產(chǎn)生多個(gè)接收信號(hào)。根據(jù)一個(gè)具體的實(shí)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(hào)以形成一組聲束形式圖像數(shù)據(jù)。接收信號(hào)可由(例如)接收器30在數(shù)字控制器19的控制下進(jìn)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(hào)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(nèi)。
通過同時(shí)激勵(lì)第一組換能器12，元件10的整個(gè)感興趣的區(qū)域就可有聲穿透，而不需要靠連續(xù)激勵(lì)形成陣列14的換能器12來電子掃描元件10。這樣，相對(duì)連續(xù)驅(qū)動(dòng)形成檢測(cè)陣列14的換能器12而言，圖10所示的方法增加了獲得檢測(cè)數(shù)據(jù)的速度。成像時(shí)間(故而檢測(cè)時(shí)間)的相應(yīng)減少增加了生產(chǎn)率，這在工業(yè)環(huán)境中特別有利。應(yīng)用此方法實(shí)施例來檢測(cè)坯件也很有利，即驅(qū)動(dòng)第一組換能器12一次，坯件10就完全有聲透射，相對(duì)連續(xù)激活換能器12來說減少了檢測(cè)時(shí)間。
I.圖像位置醫(yī)學(xué)應(yīng)用的超聲檢測(cè)系統(tǒng)很先進(jìn)，而且提供了許多工業(yè)應(yīng)用所需的特性，例如動(dòng)態(tài)聚焦，動(dòng)態(tài)孔徑，操縱，以及多普勒頻率偏移。醫(yī)學(xué)應(yīng)用的先進(jìn)超聲檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)例包括GE LOGIQ 9和GE LOGIQBook。但，醫(yī)學(xué)應(yīng)用的超聲檢測(cè)系統(tǒng)通常采用基于任意定時(shí)基準(zhǔn)的預(yù)定義掃描速率，以觸發(fā)一個(gè)新圖象形成序列?！叭我狻钡囊馑际侵付〞r(shí)基準(zhǔn)不與陣列位置相聯(lián)系。但對(duì)于工業(yè)應(yīng)用，最好能識(shí)別獲得既定幀(圖象)的位置，以便在檢測(cè)后充分表征元件10。所以，上述檢測(cè)方法最好能獲得與陣列14和正被檢測(cè)的元件之間的相對(duì)位置同步的圖像(幀)。更具體的說，所采用的定時(shí)基準(zhǔn)應(yīng)選擇為與陣列14和元件10的相對(duì)位置同步。例如可以用編碼器來跟蹤運(yùn)動(dòng)的軸線位置。常用的脈沖/位置同步技術(shù)稱為“位置脈沖”(pulse onposition”，在機(jī)械系統(tǒng)(此處為陣列14)到達(dá)下一個(gè)數(shù)據(jù)獲取位置時(shí)加一個(gè)TTL電平脈沖。
如上述，許多醫(yī)學(xué)應(yīng)用的許多超聲檢測(cè)系統(tǒng)，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(duì)于本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，將超聲檢測(cè)系統(tǒng)，例如GE LOGIQ 9和GE LOGIQ Book，更改為獲取與陣列14的機(jī)械位置同步的數(shù)據(jù)。更具體地說，定時(shí)輸入與輸出被改為與位置相關(guān)，對(duì)醫(yī)學(xué)應(yīng)用的超聲檢測(cè)系統(tǒng)的示范定時(shí)輸入包括用于EKG輸入或用于腳踏開關(guān)(未示出)的電路。
雖然此文僅示出并說明了本發(fā)明的某些特性，本專業(yè)的技術(shù)人員可以作許多更改和變動(dòng)。所以應(yīng)理解所附權(quán)利要求應(yīng)覆蓋符合本發(fā)明真正精神的所有這些更改和變動(dòng)。
權(quán)利要求
1.檢測(cè)元件(10)的一種方法，包括(a)激勵(lì)形成陣列(14)的多個(gè)換能器12，以產(chǎn)生沿所選的射線路徑(16)從陣列聚焦到元件的超聲發(fā)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(chǎn)生多個(gè)回聲信號(hào)；以及(c)處理多個(gè)頻道(20)中的所述回聲信號(hào)，所述處理包括(i)沿所述所選的射線路徑將所述回聲信號(hào)動(dòng)態(tài)聚焦到所述元件中至少一個(gè)焦點(diǎn)P，其中所述動(dòng)態(tài)聚焦包括(A)調(diào)節(jié)延遲波形，以補(bǔ)償所述超聲發(fā)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(hào)，以產(chǎn)生多個(gè)延遲的回聲信號(hào)；(ii)調(diào)節(jié)活性接收元件數(shù)作為波幅Rs的函數(shù)，提供接收動(dòng)態(tài)孔徑(24)，其中所述調(diào)節(jié)活性接收元件數(shù)包括補(bǔ)償超聲發(fā)射束在元件和間隔物之間界面上的折射；(iii)合計(jì)來自所有所述活性接收元件的所述延遲回聲信號(hào)，以產(chǎn)生聚焦的回聲信號(hào)。
2.如權(quán)利要求1所述的檢測(cè)方法，其中所述激勵(lì)換能器(12)包括對(duì)各所述換能器分別加激勵(lì)信號(hào)脈沖，所述檢測(cè)方法還包括(d)以相對(duì)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(fā)射束，所述操縱包括(i)調(diào)節(jié)發(fā)射延遲波形以補(bǔ)償所述超聲發(fā)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(fā)射延遲波形包括多個(gè)發(fā)射延遲，各發(fā)射延遲包括一個(gè)靜態(tài)操縱項(xiàng)，以及(ii)用所述發(fā)射延遲波形調(diào)制所述激勵(lì)信號(hào)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(hào)，產(chǎn)生操縱的回聲信號(hào)，藉以形成所述延遲的回聲信號(hào)，其中所述延遲波形包括多個(gè)接收延遲，各接收延遲包括一個(gè)靜態(tài)操縱項(xiàng)，其中所述調(diào)節(jié)所述延遲波形調(diào)節(jié)各所述靜態(tài)操縱項(xiàng)以補(bǔ)償所述界面的折射。
3.如權(quán)利要求2所述的檢測(cè)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(fā)射束。
4.如權(quán)利要求1所述的檢測(cè)方法，其中所述換能器(12)的所述激勵(lì)包括在每個(gè)連續(xù)激勵(lì)時(shí)間間隔ti將一個(gè)單獨(dú)的信號(hào)脈沖加到各所述換能器上，所述回聲信號(hào)的所述產(chǎn)生是對(duì)每個(gè)所述連續(xù)激勵(lì)時(shí)間間隔ti進(jìn)行，所述動(dòng)態(tài)聚焦包括在每個(gè)連續(xù)第i個(gè)所述激勵(lì)時(shí)間間隔tk期間，將所述回聲信號(hào)沿所述所選的射線路徑動(dòng)態(tài)聚焦到各波幅Ri的多個(gè)焦點(diǎn)Pi，所述調(diào)節(jié)所述活性接收元件數(shù)是作為所述波幅Rs的函數(shù)對(duì)每個(gè)所述連續(xù)激勵(lì)時(shí)間間隔ti進(jìn)行，以及所有所述活性接收元件的所述延遲回聲信號(hào)的所述合計(jì)是對(duì)每個(gè)所述連續(xù)激勵(lì)時(shí)間間隔進(jìn)行，以產(chǎn)生對(duì)所述各波幅Ri的聚焦回聲信號(hào)。
5.檢測(cè)元件(10)的一種方法，包括(a)對(duì)形成陣列(14)的每個(gè)換能器(12)分別加激勵(lì)脈沖，以產(chǎn)生沿所選的射線路徑(16)從陣列聚焦到所述元件的超聲發(fā)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(duì)表面法線(21)的角度θ沿所述所選射線路徑操縱超聲發(fā)射束，所述操縱包括(i)調(diào)節(jié)發(fā)射延遲波形以補(bǔ)償所述超聲發(fā)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(fā)射延遲波形包括多個(gè)發(fā)射延遲，各發(fā)射延遲包括一個(gè)靜態(tài)操縱項(xiàng)，以及(ii)用所述發(fā)射延遲波形調(diào)制所述激勵(lì)脈沖。(c)利用所述換能器作為接收元件(12)產(chǎn)生多個(gè)回聲信號(hào)；以及(d)利用延遲波形處理多個(gè)頻道(20)的所述回聲信號(hào)，所述延遲波形包括多個(gè)接收延遲，每個(gè)接收延遲包括一個(gè)靜態(tài)接收操縱項(xiàng)，所述處理包括(i)調(diào)節(jié)各所述靜態(tài)接收操縱項(xiàng)以補(bǔ)償所述超聲發(fā)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(duì)所述各頻道的所述回聲信號(hào)加所述延遲波形，以產(chǎn)生多個(gè)延遲回聲信號(hào)；以及(iii)合計(jì)來自接收元件的延遲回聲信號(hào)，產(chǎn)生操縱的回聲信號(hào)。
6.如權(quán)利要求4所述的檢測(cè)方法，其中所述處理步驟還包括(iv)調(diào)節(jié)活性接收元件(12)數(shù)作為波幅Rs的函數(shù)，以提供接收的動(dòng)態(tài)孔徑(24)，其中所述調(diào)節(jié)接收元件數(shù)包括補(bǔ)償所述超聲發(fā)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(jì)步驟包括合計(jì)來自所有所述活性接收元件的所述延遲回聲信號(hào)，以產(chǎn)生所述操縱的回聲信號(hào)。
7.如權(quán)利要求5所述的檢測(cè)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(fā)射束。
8.如權(quán)利要求5所述的檢測(cè)方法，其中所述加(脈沖)步驟包括對(duì)各所述換能器(12)分別加激勵(lì)脈沖，以產(chǎn)生聚焦到所述元件(10)的剪切波超聲發(fā)射束。
9.如權(quán)利要求5所述的檢測(cè)方法，其中所述加(脈沖)步驟包括對(duì)各所述換能器(12)分別加激勵(lì)脈沖，以產(chǎn)生沿所述元件(10)的所述表面(22)聚焦的表面波超聲發(fā)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(cè)元件(10)的一種方法，所述檢測(cè)方法包括(a)調(diào)節(jié)發(fā)射延遲波形，以補(bǔ)償至少一個(gè)表面幾何效應(yīng)，所述延遲波形包括多個(gè)發(fā)射延遲，每個(gè)所述發(fā)射延遲包括一個(gè)靜態(tài)表面幾何項(xiàng)；(b)用所述發(fā)射延遲波形調(diào)制多個(gè)激勵(lì)信號(hào)脈沖；(c)將所述調(diào)制激勵(lì)信號(hào)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(gè)換能器(12)上，以產(chǎn)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(fā)射束；(d)利用所述換能器作為接收元件(12)產(chǎn)生多個(gè)回聲信號(hào)；(e)處理多個(gè)頻道(20)的所述回聲信號(hào)，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(hào)上，以產(chǎn)生多個(gè)延遲回聲信號(hào)，以補(bǔ)償至少一種表面幾何效應(yīng)，所述延遲波形包括多個(gè)接收延遲，每個(gè)接收延遲包括一個(gè)靜態(tài)表面幾何項(xiàng)；以及(ii)合計(jì)來自所述接收元件的所述延遲回聲信號(hào)，以產(chǎn)生一個(gè)表面幾何效應(yīng)補(bǔ)償回聲信號(hào)。
11.具有檢測(cè)表面(22)的元件(10)的單次檢測(cè)方法，所述單次檢測(cè)方法包括(a)定位換能器(12)的陣列(14)面對(duì)所述元件的所述檢測(cè)表面；(b)激勵(lì)所述換能器，以產(chǎn)生沿所選路徑(16)從所述陣列聚焦到所述元件上的超聲發(fā)射束；(c)利用所述換能器作為接收元件(12)產(chǎn)生多個(gè)回聲信號(hào)；(d)圍繞軸(26)改變所述陣列和所述元件的所述相對(duì)角度定向，并重復(fù)步驟(b)和(c)；以及(e)處理多個(gè)頻道(20)中的所述回聲信號(hào)，形成至少一個(gè)處理的回聲信號(hào)。
12.如權(quán)利要求9所述的單次檢測(cè)方法，其中對(duì)應(yīng)于所述元件(10)的最終圖像的所述已處理回聲信號(hào)是用所述陣列(14)和所述元件的所述相對(duì)定向僅限于圍繞所述軸(26)旋轉(zhuǎn)的方法而獲得的。
13.如權(quán)利要求9所述的單次檢測(cè)方法，其中所述元件具有彎曲的檢測(cè)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(cè)表面。
14.通過管道(50)的產(chǎn)品流的檢測(cè)方法，所述方法包括(a)激勵(lì)形成陣列(14)的多個(gè)換能器(12)，以將超聲能量發(fā)射到所述管道中；(b)從發(fā)射的超聲能量產(chǎn)生多個(gè)接收信號(hào)；以及(c)處理多個(gè)頻道(20)的所述接收信號(hào)，所述處理包括將所述接收信號(hào)與頻率基準(zhǔn)相比較，以確定加到所述反射的超聲能量的多個(gè)頻率偏移。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述處理還包括產(chǎn)生通過所述管道的所述產(chǎn)品流的圖像。
16.如權(quán)利要求14所述的方法，還包括(d)將頻率偏移轉(zhuǎn)換為音頻輸出。
17.檢測(cè)元件(10)的一種方法，包括(a)同時(shí)激勵(lì)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(gè)反散射的超聲信號(hào)；(c)利用所述接收元件從所述反散射的超聲信號(hào)產(chǎn)生多個(gè)接收信號(hào)；以及(d)處理所述接收信號(hào)，以形成一組聲束形式圖像數(shù)據(jù)。
18.如權(quán)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(quán)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(cè)元件(10)的一種方法，包括(a)激勵(lì)至少一個(gè)發(fā)射組的所述換能器(12)，以產(chǎn)生一個(gè)超聲發(fā)射束，以相對(duì)表面法線(21)的角度θ入射到所述元件的檢測(cè)表面(22)；(b)利用所述陣列中至少一個(gè)接收組的換能器(12)作為接收元件(12)從所述元件接收多個(gè)反散射的超聲信號(hào)，每個(gè)所述發(fā)射和接收組均以所述陣列上的一個(gè)獨(dú)特位置為中心；(c)從所述反散射的超聲信號(hào)產(chǎn)生多個(gè)回聲信號(hào)；以及(d)處理多個(gè)頻道(20)中的所述回聲信號(hào)，以形成一組聲束形式圖像數(shù)據(jù)。
全文摘要
用于檢測(cè)元件(10)的一種方法包括激勵(lì)形成陣列(14)的多個(gè)換能器(12)，產(chǎn)生聚焦到元件的超聲發(fā)射束(超聲束)。陣列和元件由間隔物(18)分開。利用換能器產(chǎn)生多個(gè)回聲信號(hào)，并在多個(gè)頻道(20)中處理回聲信號(hào)。處理包括動(dòng)態(tài)聚焦和提供動(dòng)態(tài)接收孔徑(24)，二者均可補(bǔ)償超聲束在元件/間隔物界面的折射。一種單次檢測(cè)方法包括(a)定位面對(duì)元件的陣列；(b)激勵(lì)換能器；(c)產(chǎn)生多個(gè)回聲信號(hào)；(d)圍繞軸(26)改變陣列和元件的相對(duì)角度定向，并重復(fù)步驟(b)和(c)；以及(e)處理回聲信號(hào)，以形成至少一個(gè)處理的回聲信號(hào)。
文檔編號(hào)G01N29/44GK1530651SQ0315942
公開日2004年9月22日 申請(qǐng)日期2003年9月16日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月16日
發(fā)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(qǐng)人:通用電氣公司