声全息检测技术：原理、系统与应用深度解析

声全息检测，作为全息技术在超声波无损检测（NDT）领域的重要延伸，其核心思想与激光全息一脉相承。两者都根植于波动方程所描述的干涉与散射规律，本质上都是为了捕捉和重建波前信息。然而，声全息所面对的介质、波长以及记录与重建方法，都使其成为一个独特且充满挑战的工程领域。

这项技术通过向工件发射超声波，利用声透镜或声反射镜收集穿透或反射的散射波，在特定平面上形成声波图像。随后，传感器将这幅无形的声图转换为可见的光学图像。超声波具备穿透不透明物体的能力，这使得声全息能够精准探测工件内部的缺陷、非均质性以及其他微观组织结构的异常。

但一个固有的挑战随之而来：声波的波长远大于光波。这种从声学记录到光学显示的转换，不可避免地导致图像分辨力的下降。若要追求更高的分辨力，就必须采用接近光频率的超高频超声波，这又对设备和工艺提出了更高的要求。

目前，主流的声全息检测装置主要分为两大技术路径：一是光学模拟声全息，它借鉴光学全息的思路，使用特定的记录介质替代照相底片来捕捉超声波干涉图；二是扫查声全息，其原理更接近于合成孔径雷达，通过机械或电子扫查并借助计算机进行成像。

光学模拟声全息技术详解

光学模拟声全息是最早实现商业化的技术路径之一，其中以液面声全息法最具代表性。

液面声全息法

液面声全息系统的基本构成包含声学系统与光学系统两大部分，如图1所示。

图1 液面声全息系统的基本形式

1. 声学系统

声学系统的核心是由同一振荡器激励的两个独立超声波换能器，它们与待测工件一同浸没在水槽中。一个换能器发射的声束穿过工件，携带其内部结构信息，形成“物体声束”；另一个则提供相位和幅度稳定的“参考声束”。两者通常采用脉冲工作方式。

在工业应用中，物体声束的典型参数范围为：

• 声波频率： 1-10 MHz
• 脉冲持续时间： 50-300 μs
• 脉冲重复频率： 60-100 s^-1

为保证成像质量，声学系统的布置需遵循以下准则：

1. 声束叠加：两换能器必须精确地指向液面的同一区域，使物体声束与参考声束在此处叠加。两者干涉会在液面形成稳定的微小涟波图，这便是物理形式的声全息图。
2. 时间同步：必须精确调节参考声束的脉冲到达液面的时间，以补偿物体声束因穿过工件而产生的延迟，确保两束波在成像区实现瞬时干涉。
3. 振动隔离：在成像区域设置充水的隔离槽，以屏蔽环境振动对脆弱的液面涟波图的干扰。
4. 声学聚焦：在物体声束的路径上设置声透镜，将工件的声学图像聚焦到成像区的液面上。
5. 背景滤波：在声透镜的焦点处放置一个由高声阻抗材料制成的小圆盘（声阑），用以阻挡未被工件信息调制的直达声束，提高信噪比。

在工作模式上，脉冲超声波束相比连续波具有明显优势，如易于调节、可避免驻波干扰等。而在成像方式上，穿透式与反射式各有千秋，反射式成像质量更优但系统设计更复杂。

2. 光学系统

液面声全息的巧妙之处在于，液面涟波形成的全息图可直接作为一种动态的衍射光栅。当相干的激光束照射到这片涟波上时，会发生衍射。通过观察特定衍射级次的光，即可实时重建出超声波图像。

光学系统的布置同样有严格要求：

1. 同步照明：若采用脉冲激光，其脉冲周期必须与超声波脉冲同步，确保激光仅在液面涟波图最稳定时进行照明。
2. 光束整形：若采用连续波激光，光束在照射前需通过空间滤波器，以改善光束模式，确保照明均匀性。
3. 空间滤波：在反射光的路径中设置光学准直透镜和针孔光阑滤波器，将反射光聚焦。通过光阑精确地只让一阶衍射光通过，挡住其他所有衍射级次和背景光，从而获得清晰的显示图像。

3. 声光相互作用与图像畸变

声全息图像的重建使用了波长极短的相干光（λ）来观测由波长长得多的声波（λ_s）形成的全息图。为了有效衍射光波，全息图的尺寸通常会被光学系统缩小m倍。

这种巨大的波长差异（通常λ_s/λ > 300）是图像畸变和深度失真的根源。

图2 利用平面参考波束形成全息图的原理

图3 平面照射声束全息图的成像原理

从物理过程来看（如图2和图3所示），全息图记录了物体波和参考波的干涉信息。当用光波再现时，会同时产生两个像：一个是与原始目标相似的虚像，另一个是共轭的实像（凸出部位变为凹陷，即“幻视”现象）。

重建图像的角度关系（α’）与原始声波角度（α）之间的关系可以用下式描述： sin α’ = (mλ/λ_s)sin α + (mλ/λ_s)sin θ 其中θ是参考波的入射角。

只有在小角度近似（α ≈ sin α）且满足特定条件时，畸变才能被忽略。在实际应用中（m值约为4-12，声波入射角小于30°），横向畸变通常可以接受。然而，图像在深度方向上会被拉伸，产生所谓的“深度失真”，其失真系数约为λ_s/(mλ)。为了最小化畸变和失真，在不影响观察的前提下，全息图缩得越小越好。但如果后续用光学系统放大图像，深度失真会再次被放大。

4. 系统局限、性能与工业装置

液面声全息系统一次能够成像的区域受限于换能器和声透镜的尺寸（典型最大直径约152 mm）。对于大型工件，必须分段移动工件进行扫查成像。

图4 检测条带产品的液面声全息系统声学部分简图

灵敏度与分辨力: 系统的灵敏度取决于液面涟波的稳定性，典型系统可探测的最小声强约为10 ~ 10^-2 W/m²。 横向分辨力(Δx)和深度分辨力(Δz)可由以下公式确定： Δx = 1.22λ_s / (f / a) Δz = 2λ_s / (f / a)² 其中，λ_s是声波波长，f是声透镜焦距，a是声透镜孔径。例如，使用f/3透镜和5 MHz频率检测钢或铝时，横向分辨力约1 mm，深度分辨力约5 mm。

工业装置: 工业用液面声全息系统（图5）通常设计有独立的工件水槽和转换水槽，通过声窗连接，以提高抗振稳定性。这类设备体积和重量较大（如重约450 kg），基本为固定式安装（图6）。

图5 工业用液面声全息系统简图

图6 检测小型金属件的工业用液面全息装置

针对特定需求，也开发了专用设备，如用于连续检测金属带材的系统（图7、图8），通过进出口水封设计实现带材的连续移动。

图7 检测连续移动金属带的液面声全息装置声光系统简图

图8 检测连续移动金属带的工业用液面声全息装置

下表为液面声全息在25%水中某些参数的计算实例。

其他光学模拟装置

除了液面法，研究人员还开发了其他几种利用光学原理进行模拟的声全息装置。

• 粒子室（Pohlman室）：利用悬浮在液体中的微小粒子（如铝粉）在声场作用下的取向来显示声压分布。这种方法可以实时观察，但响应时间很慢（秒级）。

• 超声波摄像装置：这是一种声学的“摄像管”，其核心是一个将声压分布直接转换为电信号分布的压电面板（声敏面）。电子束扫查该面板背面，产生的二次电子发射受声场调制，从而在示波管上形成可见图像。

• 照相底片法：利用超声波能提高照相乳胶感光度的效应。在显影过程中用声场照射底片，声强高的区域显影更快，从而记录下全息图。此法成本低，但操作繁琐且非实时。

扫查声全息技术

扫查声全息是该领域的一项重大革新，它将全息图的生成从物理干涉转向了电子处理和计算机重建。

1. 扫查声全息原理

其基本构成如图9所示，系统核心是采用电子相位检测技术来生成全息图，因此不再需要物理上的参考声束换能器。

图9 一种集成了A/B/C扫描和扫查声全息功能的工业检测系统框图

工作流程如下：

1. 数据采集：单个探头（或探头阵列）在工件上方按预定路径扫查，逐点采集来自工件的声波信号。
2. 电子干涉：采集到的电信号直接与一个内部产生的电子参考信号相乘（混频），得到包含相位和幅度信息的电子编码。
3. 数据存储：这些编码与扫查位置同步，存储在计算机存储器中。
4. 图像重建：存储的全息数据通过数字算法进行重建，最终在屏幕上显示出内部图像。

这种方法有两大优势：

• 大孔径合成：通过扫查可以合成非常大的有效孔径，理论上不受换能器尺寸限制，这对于提高分辨率至关重要。
• 单探头收发：同一个探头可以同时用作发射器和接收器，非常适合采用反射法工作，便于单面检测。

系统通常使用脉冲信号，并利用时间门技术来选通特定深度的回波，有效抑制杂波。工业装置的典型参数为：频率1-10 MHz，脉冲持续时间5-20 μs，脉冲重复频率500-1000 Hz。

2. 扫查系统与重建装置

扫查声全息记录的是数字全息图，需要通过重建装置将其转换为可见图像。

重建图像中缺陷的尺寸（M）和深度（R）与系统参数的关系可通过以下公式计算： R = m₁²(λ_s/λ) · [D(f - d)] / [D - (f - d)] M = (m₂/m₁) · (λ/λ_s) · (D/R) 其中，m₁是扫查长度与全息图长度之比，m₂是电子放大倍数，λ_s和λ分别是声波和光波的波长，D、f、d是光学系统参数。在纯数字重建中，这些关系被算法内化。

3. 扫查声全息设备

为便于现场使用，工业级扫查声全息设备通常是模块化的，包括扫查器、超声波单元和专用计算机（图10）。耦合方式也更灵活，除了传统水浸，还可以使用喷水水柱，方便对大型或异形工件（如机翼）进行检测。

图10 商品化扫查声全息系统的主要部件

现代扫查器多为数控，可进行精确的栅格扫查，扫查步距可调（如0.15 mm至0.91 mm），单次可记录面积可达105 mm × 105 mm。

技术对比与选择

液面声全息 vs. 扫查声全息

这两种主流技术路径各有侧重，适用于不同的检测场景。

声全息检测器性能比较

下表汇总了各种声全息检测方法的关键性能指标。

从性能对比中可以看出，不同的声全息技术在灵敏度、实时性和系统复杂度上存在巨大差异。要获得一幅信噪比高、结果可靠的全息图像，对检测方案设计、设备参数配置和操作人员的专业能力都有极高要求。这正是专业检测实验室的核心价值所在。 精工博研测试技术（河南）有限公司（原郑州三磨所国家磨料磨具质量检验检测中心），央企，国字头检测机构，专业的权威第三方检测机构，专业检测复合材料、金属构件等内部缺陷，可靠准确。欢迎沟通交流，电话19939716636

应用概况与展望

尽管声全息装置相对复杂且成本较高，但其提供的高信息密度和直观成像能力，使其在许多关键领域具有不可替代的优势。其应用场景主要集中在三个方面：

1. 关键部件检测：在航空航天、核工业等对可靠性要求极高的领域，利用声全息进行缺陷的精确定位和表征。
2. 实验室仲裁分析：作为高端分析工具，用于新材料的研发评估、常规检测方法结果的验证，或用于新型无损检测仪器的设计与校准。
3. 常规超声的拓展：在某些传统超声技术难以满足要求的场合，声全息可作为一种增强手段，提供更丰富的诊断信息。

随着计算能力的飞速发展和换能器技术的不断进步，特别是高速换能器阵列和先进数字重建算法的成熟，声全息技术正逐步从实验室走向更广阔的工业现场，有望在高端制造、材料科学和结构健康监测等领域扮演越来越重要的角色。