本公開涉及超聲測試領域。
背景技術：
當前發(fā)展狀況
在該部分中，[]內(nèi)的數(shù)字指代第二部分末尾記錄的現(xiàn)有技術引用。
多年以來，確定組件的機械完整性而不引入損壞的無損測試(ndt)方法在工業(yè)的各個分支中非常重要。對于各種目的(例如，制造中的綜合質(zhì)量控制、使用中的檢查或使用中的缺陷評估和監(jiān)控)，在此過程中犧牲測試對象是無益的([1])。這種檢查對船舶、航天、汽車行業(yè)或建筑尤其關鍵，因為在這些情況下，材料破壞可危害人類安全。
在這些工業(yè)分支中，近年來對穩(wěn)健、耐用的輕型結構的需求已經(jīng)逐漸促進纖維增強復合(frc)材料(尤其是碳纖維復合(cfc)材料)的使用。與金屬相比，它們通常以復雜的層狀結構為特征，因此各向異性材料屬性([2])導致需要可靠地進行鑒別的各種不同的可能缺陷類型([2]、[3])。因此，適于這些材料的ndt技術的發(fā)展(優(yōu)選地允許高度自動化以節(jié)省成本并提高可靠性以及測試速度)有著重要意義。
目前已經(jīng)發(fā)展了許多ndt方法，可在對比文件[4]中找到對這些方法的概述?；诘讓游锢頇z測機制，這些方法主要落入一些廣義分類：磁粉檢查、感應電流檢查或渦流檢查、視覺和光學檢查、射線照相法和溫度記錄、超聲、以及聲波檢查和剪切散斑([15])。第一分類限于鐵磁材料并且因此不適用于frc的檢查，而渦流檢查專門適用于cfc，因為碳纖維是導電的，即使周圍基質(zhì)通常不導電。已經(jīng)針對frc評估和實施了屬于所有其他分類的測試過程。對用于復合材料的ndt技術的比較考察([3]、[5])顯示，這些技術都不能等同地適用于對此時frc中常見的不同缺陷類型中的每一種缺陷類型的檢測。雖然所有的方法有其優(yōu)點和缺點，但一些方法天生限制于某些測試對象幾何體。例如，除了透明材料的可視缺陷以外，視覺和光學檢查方法(具有或不具有有色的或熒光液體滲透劑)限制于表面缺陷的檢測。聲波檢查方法通常遭受相對低的靈敏度([3])和空間分辨率。剪切散斑和溫度記錄限制于近表面缺陷的檢測。
另一方面，超聲方法(＝超聲波方法)和射線照相法原則上能夠以高空間分辨率和靈敏度檢測并定位表面和體內(nèi)缺陷。然而，對于frc，基于射線照相法的方法(包括高分辨率的ct成像)在不使用吸收液體滲透劑的x光束(或伽馬)的情況下不能很好地適合對分層缺陷(其構成frc中最常見的缺陷種類之一([2]))的檢測。然而，這導致過程的顯著復雜化，并將方法限制于對比液體可滲透的表面或近表面層的檢查。此外，在許多測試環(huán)境中不想要或不接受液體。
由于各種超聲技術的多功能性和好的靈敏度，它們被經(jīng)常應用于對frc進行檢查([6])。它們中的大部分采用壓電變換器用于超聲脈沖的生成、它們的檢測或這兩者([5])。雖然已經(jīng)發(fā)展出許多具體方法來提供對缺陷的檢測、成像或體積定位，但用變換器的確切配置和數(shù)目進行區(qū)分的話這些方法通常落入兩種不同的操作模式。一種方法是透射傳輸模式，在這種方法中測試樣本被放置在分別用作發(fā)送器和接收器的兩個壓電變換器中間。在這種配置中，接收器檢測由于缺陷導致的主超聲脈沖的衰減。與金屬相比，由于超聲在frc中的顯著衰減，這種配置限制樣本形狀和厚度([3])?？商娲?，可以采用脈沖回波方法，在這種方法中從樣本的一側檢測由于缺陷導致的主脈沖反射或反向散射。該方法顯著地促進了對具有不同厚度的復雜形狀測試對象的適用性-由于僅從一側接入測試對象是足夠的。
傳統(tǒng)的超聲測試系統(tǒng)分別采用諸如水或乳劑或膠體之類的介質(zhì)來保證超聲脈沖到測試對象的良好耦合。然而，要允許使用高達約20mhz的超聲頻率的話要求浸入到變換器和樣本之間的水池或水射流中。耦合液體不能用于某些frc結構([6])或某些測試環(huán)境，這導致對非接觸測試方法的需求。
一種積極發(fā)展的針對無接觸測試的選項是全光學激光超聲方法([7])，在這種方法中通過吸收測試樣本內(nèi)的足夠強的激光脈沖來創(chuàng)建超聲脈沖，并用干涉測量來執(zhí)行檢測。一種不同的方法是空氣耦合的超聲([8])，類似于傳統(tǒng)的基于變換器的方法，但是放棄耦合介質(zhì)。這種方法通過越來越敏感的高度諧振集中的超聲變換器來實現(xiàn)(例如，[9])，從而允許缺陷檢測，盡管由于空氣間隙導致耦合降低。雖然使用透射傳輸模式的空氣耦合系統(tǒng)現(xiàn)在可用，但允許在樣本的一側測試的、空氣耦合的脈沖回波配置的實現(xiàn)方式存在顯著的問題。高度諧振的變換器在很多時間段在脈沖生成和檢測兩者期間振蕩，導致顯著增加的“死區(qū)”([3])。該術語表示測試對象的近表面區(qū)域，其中由于主脈沖、來自樣本表面的反射以及由來自缺陷的反向散射提供的實際信號之間的重疊導致缺陷測試不可能實現(xiàn)。由于這個原因，本領域技術人員避免使用該測試方法用于精確的材料測試。
在[16]中公開了無接觸焊接機械接頭樣本的質(zhì)量測試過程。其使用方波調(diào)制的激光光束來在樣本中激起超聲脈沖波，并在超聲脈沖波傳播通過接頭之后用干涉測量來測量它的脈沖幅度。激光被移向測試對象并被從測試對象移開。對于檢測，使用本身公知的干涉測量方法。對測試對象的機械地移動的表面進行光學掃描，或者通過現(xiàn)有技術麥克風的方式來進行檢測，而無需使用任何熱-聲效應。
在[17]中公開了用于層的非機械接觸測量的測量設備，該測量設備包括光源，光源可操作來生成脈沖，該脈沖適應于與該層相互作用以便在鄰近該層的氣體介質(zhì)中生成熱波，這利用了光-聲效應。熱波導致聲信號被生成。測量設備還包括適應于響應于聲信號來檢測第一信號的檢測器，檢測器不與該層機械接觸。第一信號表示被測層。
在[18]中公開了允許在不損壞材料的情況下對產(chǎn)品進行檢查的、用于材料的無損評估的另一方法和布置。連續(xù)波高功率激光跨材料進行掃描，其使用熱彈性擴張來創(chuàng)建材料表面和材料中的超聲波?？梢酝ㄟ^不同的方法來實現(xiàn)對來自測試件的超聲的檢測，分別提供區(qū)域檢測、線檢測或點檢測。每次捕獲單個數(shù)據(jù)點的點檢測是用于激光超聲波的典型方法。可以使用接觸變換器，但通常使用光學檢測方法。已經(jīng)使用不同的干涉儀，包括外差式(雙光束)、共焦法布里-珀羅、以及光折變量子阱。探測激光光束針對樣本上的檢測點。反射的光被聚集在干涉儀中并且由光電探測器感測。由超聲引起的表面位移改變光的干擾，這創(chuàng)建了信號。檢測點可以與生成激光(脈沖回波)位于相同側或相反側(透射傳輸)。所有的這些方法依靠聲音檢測器或麥克風中的元件的變形或空間移動。即使在偏好的線檢測中(尤其是通過氣耦合的激光聲檢測)，超聲通過引導激光光束通過聲干擾被感測。通過物理位移的干擾引起光束的光學路徑的改變，這可以用位置敏感的光電檢測器來檢測。
現(xiàn)有技術參考
[1]gardner，w.e.，“improvingtheeffectivenessandreliabilityofnon-destructivetesting(提高無損測試的有效性和可靠性)”，seriesinternationalseriesonmaterialsevaluationandnon-destructivetesting(國際系列之關于材料演進和無損測試的系列)，pergamonpress(培格曼出版社)(1992)。
[2]
[3]kapadia，a.，“bestpracticeguide：non-destructivetestingofcompositematerials(最佳實踐指南：復合材料的無損測試)”(2008)。
[4]wong，s.b.，“non-destructivetesting-theory，practiceandindustrialapplications(無損測試——理論、實踐和工業(yè)應用)”，lambertacademicpublishing(蘭伯特學術出版)(2014)。
[5]vaara，p.和leinonen，j.，“technologysurveyonndtofcarbon-fiber5composites(關于碳纖維復合材料的ndt的技術調(diào)查)”(2012)。
[6]hsu，d.k.，“nondestructiveinspectionofcompositestructures：methodsandpractice(符合結構的無損檢查：方法和實踐)”，inproceedingsofthe17thworldconferenceonnondestructivetesting(第17屆無損測試世界大會學報)(2008)。
[7]pelianov，i.、buma，t.、xia，j.、wei，c-w.、以及o’donnell，m.，“ndtoffiber-reinforcedcompositeswithanewfiber-opticpump-probelaser-ultrasoundsystem(利用新的光纖泵探激光超聲系統(tǒng)的纖維增強復合物的ndt)”，光聲學2，63-74(2014)
[8]zfp-wiki，慕尼黑工業(yè)大學(tumünchen)，http：//zfp.cbm.bgu.tum.de/mediawiki/index.php/lufiultraschall：_funktionsweise_und_
[9]ingenieurbürodr.hillger，http：//www.dr-hillger.de，2015年10月28日訪問。
[10]daschewski，m.等，“resonanzfreiemessungundanregungvonultraschall(低諧振和超聲波測量)”，intechnischesmessen(測量技術)，82(3)(2015)。
[11]專利wo2008000007a1
[12]專利wo2010029509a1
[13]專利wo2012163681a1
[14]來自維基百科：自由的百科全書，2015年11月23日，https：//en.wikipedia.org/wiki/phasedarrayultrasonics[pa(即相控陣)探針包括許多小的超聲波變換器(通常是基于壓電的元件)，它們中的每一個可以被獨立地施以脈沖。通過改變時序(例如，通過沿行依次逐個對元件施以脈沖)，建立起相長干涉的圖案，這導致設定角度的光束。換言之，光束可以被電子地控制。光束像搜索燈通過被檢查的組織或對象一樣被掃描，并且來自多個光束的數(shù)據(jù)被放在一起以得到視覺圖像，該視覺圖像顯示通過對象的薄片。]
[15]來自維基百科：自由的百科全書，2015年11月24日，https：//en.wikipedia.org/wiki/sheafography
[16]專利de102004030154a1
[17]專利us20150233870a1
[18]專利us2011048135a1
待解決的問題
為了總結現(xiàn)有技術中出現(xiàn)的問題，做出以下陳述：
上文介紹的ndt測試系統(tǒng)具有以下限制或不足：
a)在非機載系統(tǒng)中，在測試對象和測試系統(tǒng)之間原則上需要接觸介質(zhì)而不是空氣。然而，尤其對于大尺寸的測試對象，將接觸介質(zhì)應用于測試對象上是耗時的，并且接觸介質(zhì)可能污染測試對象。如果使用水例如作為接觸介質(zhì)，則測試對象可能生銹/氧化，這是不期望的。
b)通常在傳輸模式中使用傳統(tǒng)的機載超聲測試系統(tǒng)。這需要從測試對象的兩側的實體可達性，并不是所有的測試環(huán)境都可以保證這一點。尤其對于大尺寸的測試對象或者安裝在窄的隔間中的測試對象或類似對象，從兩側可達可能極具挑戰(zhàn)性或者不可能。
c)如果在反射模式中使用傳統(tǒng)系統(tǒng)(脈沖回波方法)，通常被用作發(fā)送器和接收器的壓電變換器的脈沖后振蕩(振鈴；也見圖2)限制系統(tǒng)的時間分辨率，并且因此限制深度分辨率。例如，對于薄測試對象，或接近表面處有瑕疵的厚測試對象，相應的反射信號的時間序列可能疊加并且因此妨礙清楚的信號分析，而這是測試對象的清晰圖像所需要的。也可以說所謂的“死區(qū)時間”導致“死區(qū)”。
d)大部分測試對象吸收的較高的超聲頻率多于較低的超聲頻率。另一方面，用較高的頻率將會獲得更好的分辨率，因為相應的較小的波長用更高的精度分辨小尺寸的內(nèi)部缺陷。出于這個原因，在傳統(tǒng)系統(tǒng)中，需要并使用若干個具有不同質(zhì)量的超聲檢測器。低頻接收器用于允許厚的測試對象，并且高頻接收器用于允許具有高空間分辨率的清晰圖像。由于高諧振設計(由于以下事實被需要，即對于非諧振設計，接收器的靈敏度將會非常不好)，傳統(tǒng)的機載超聲檢測器具有非常有限的頻率帶寬。然而，同時使用若干個接收器可能導致相互干擾和復雜的機械設置，并且循序使用不同配置可能導致測試時間的增加，這對于大部分情形來說是不期望的。
e)在傳統(tǒng)機載測試系統(tǒng)中，檢測器的靈敏度通常與其尺寸成比例。這對于例如壓電式接收器來說是事實。因此，需要大尺寸的接收器來檢測潛在微弱的信號，因為所發(fā)射的超聲可能被測試對象的吸收和散射衰減。然而，超聲測試系統(tǒng)獲得的圖像的分辨率不僅是聲頻的函數(shù)，其也可能嚴重受接收器尺寸的限制。
因此，本發(fā)明的任務是找到一種方式來避免超聲測試環(huán)境中對諸如液體耦合流體的接觸介質(zhì)的需要，同時避免已知的空氣耦合(特殊的無接觸介質(zhì))超聲材料測試系統(tǒng)的缺點；從而創(chuàng)建針對測試對象的機載超聲測試系統(tǒng)，其可被用于各種測試對象。
所提出的解決方案
在該部分中，[]內(nèi)的數(shù)字指代第二部分末尾記錄的現(xiàn)有技術引用。
權利要求書和下文中描述的技術允許避免這些問題，并且因此有效地實施針對frc和類似材料的單側脈沖回波超聲ndt方法。從本發(fā)明的意義上來說，類似材料覆蓋可以用超聲進行測試的所有材料。這包括用以下元件中的一者或多者制造的部件：木材、塑料、橡膠、玻璃、陶瓷、以及金屬。嵌有金屬線的輪胎、ic板、飛機機翼、門板、同軸電纜等帶來不同的示例。
本發(fā)明解決第3部分中討論的所有問題。所提出的超聲測試系統(tǒng)包括無諧振熱聲超聲生成器(發(fā)射器)。在[10]中可以找到示例和解釋。[10]的整體通過引用被結合于此。該系統(tǒng)還包括無膜且無諧振的光學麥克風。這種麥克風沒有機械可變形部件，并且檢測聲壓引起的介質(zhì)(優(yōu)選氣體或流體介質(zhì))的折射率的改變?？稍赱11-13]中找到示例和解釋。[11-13]的整體(特別是[11-13]的圖以及關于圖的描述)通過引用被結合于此?？梢栽?u>www.xarion.com找到其它的示例，例如，產(chǎn)品線eta。這種光學麥克風在空氣中工作在從10hz到高達1mhz的范圍內(nèi)，并且在液體中高達25mhz，這使得它們非常適于超聲檢測。根據(jù)本發(fā)明，生成器和麥克風處于空氣耦合脈沖回波布置或處于空氣耦合傳輸模式布置。熱聲生成器是超聲生成設備，其不依賴于機械可變形或物理振蕩部件，但通過快速連續(xù)加熱和冷卻其表面來生成超聲。所述生成的超聲然后發(fā)射到或發(fā)射通過測試對象。涉及振蕩機械可變形元件的變換器例如將是基于壓電式晶體或揚聲器膜的變換器。然而，這種具有機械可變形元件的變換器具有上述問題，并且出于這個原因不是所偏好的。
從本發(fā)明的更廣泛的角度來看，激光光束和材料樣本的組合或激光光束和測試對象本身的組合也可以被認為是無諧振熱聲超聲生成器。因此，具有優(yōu)選的高強度的激光光束工作在脈沖模式中，使得短脈沖或若干短脈沖的序列的激光輻射由于與目標材料的相互作用而生成熱聲沖擊波。目標材料樣本例如可以是引入在所述測試對象表面和激光脈沖源之間的任何板，或其可以是樣本本身的表面。此外，所述目標材料還可以是埋藏在測試對象內(nèi)的材料層，例如，測試對象內(nèi)的特殊光吸收物質(zhì)。
無膜且無諧振光學麥克風是全光學聲壓檢測器。它不依賴于機械可變形的部件(例如，壓電式晶體或麥克風膜)，因為它通過基于光波長改變的干涉儀讀出的光學裝置來檢測壓力變化，其中光波長改變由聲壓引起的氣體或流體介質(zhì)的折射率的改變引起。所述類型的聲音檢測器進一步具有無諧振的優(yōu)點，從而顯著減小或優(yōu)選地完全去除任何“死區(qū)”。
對于所提出的裝置來說，由于機載超聲波的使用，對測試對象進行無接觸檢查是可能的。不需要諸如水或膠體之類的接觸介質(zhì)。此外，所提出的裝置允許對測試對象的單側測試。因此不需要從兩側的可達性，但從兩側的可達性仍然是可能的。此外，所提出的裝置中與無膜光學麥克風相結合使用的熱聲生成器不顯示現(xiàn)有技術測試裝備通常展示的振鈴效應(也見圖2)，但是能夠在大約幾微秒或低于1微秒內(nèi)發(fā)射非常短的類狄拉克激勵信號。通過類狄拉克激勵脈沖，導致類似于數(shù)學狄拉克函數(shù)的信號，即無限薄的激勵尖峰。這種行為也適用于由激光激勵引發(fā)的熱聲波。這也適用于用作信號檢測器的光學麥克風：它也不顯示振鈴效應，并且因此可以檢測非常短的類狄拉克超聲信號而不增加偽時間信號擴大。由于所提出的測試裝置的這種真實的時間脈沖響應，薄的材料可以被檢查，厚的測試對象的缺陷(即使它們位于接近表面的地方)也可以被檢查。不出現(xiàn)死區(qū)和時間信號遮蔽效應。根據(jù)傅里葉原理，由熱聲生成器發(fā)射的短脈沖包含大的頻率帶寬。另一方面，光學檢測系統(tǒng)(即光學麥克風)的特點是它的數(shù)mhz的非常大的檢測帶寬。因此，根據(jù)本發(fā)明的設備能夠同時處理低頻和高頻。這允許對厚尺寸測試對象的檢查，同時允許高的空間分辨率。此外，該裝置可以是非常小尺寸的(也見圖3)，因此不會除去圖像的非常高的空間分辨率。
可以在引用[11-13]中找到光學麥克風，[11-13](特別是關于它們的圖以及對所述圖進行解釋的說明書)通過引用被結合于此。
可以在夏樓激光音響有限責任公司(xarionlaseracousticsgmbh)的網(wǎng)站(www.xarion.com)找到這種有用的光學麥克風的實踐示例。
然而，本發(fā)明不限于任何特殊類型的光學麥克風。優(yōu)選地，光學麥克風的光纖耦合的實施例(夏樓激光音響有限責任公司www.xarion.at的eta產(chǎn)品系列類型)最好地用于本目的。
技術實現(xiàn)要素：
根據(jù)本公開的一方面，提供了一種用于測試對象的機載超聲測試系統(tǒng)，包括聲音生成器(1、9)、聲音接收器(2)、用于控制生成器和接收器兩者的控制布置、以及連接到接收器(2)以顯示來源于聲音接收器(2)的信號的被測試的測試對象(3)的圖像的計算機輔助測試結果界面，該系統(tǒng)的特征在于：在空氣耦合或氣體耦合的脈沖回波布置中或在空氣耦合或氣體耦合的傳輸模式布置中，聲音生成器(1)是不依賴于機械可變形或振蕩部件的無諧振熱聲超聲生成器，聲音接收器(2)是沒有機械可變形部件的無膜且無諧振光學麥克風，檢測由聲壓引發(fā)的氣體介質(zhì)或流體介質(zhì)的折射率的改變。
根據(jù)本公開的另一方面，提供了一種用于采用生成器(1、9)和接收器(2)利用超聲空氣壓力波對測試對象(3)進行測試的方法，其特征在于：在測試對象(3)的前面、在測試對象的表面上或在被放置在測試對象(3)前面、測試對象(3)的表面上或被埋藏在測試對象(3)內(nèi)的吸收目標(13)處創(chuàng)建無諧振熱聲超聲空氣壓力波的生成器(9)被選擇，并且來自測試對象的反射超聲空氣壓力波(5b)被作為傳感器(2)的激光光學麥克風接收和檢測，該激光光學麥克風沒有機械可變形部件、檢測由聲壓引發(fā)的氣體介質(zhì)或流體介質(zhì)的折射率的改變，其中被檢測的波(5b)被分析并且結果以傳統(tǒng)方式被顯示。
附圖說明
圖示在重疊方法中被描述。相同參考標號指代相同元件。
圖1示出典型的創(chuàng)造性裝置。
圖2a示出已知的測試設備的包括振鈴的信號。
圖2b示出來自熱聲變換器的無振鈴信號，本發(fā)明與無膜且無諧振的激光光學麥克風相結合使用該熱聲變換器。
圖3示出聚焦實施例。
圖4示出不同的裝置。
圖5示出另一不同的裝置。
圖6示出無膜且無諧振的光學麥克風的配置。
圖7示出掃描系統(tǒng)。
圖8示出采用熱聲變換器的陣列和無膜且無諧振的光學麥克風的陣列的陣列系統(tǒng)。
具體實施方式
圖1中示出的是典型的創(chuàng)造性裝置。從熱聲生成器1a將機載超聲波5發(fā)射到空氣中或另一聲音傳播介質(zhì)(例如，測試環(huán)境中可能存在的特定氣體10)中。這種特定氣體例如可以包括氮氣或二氧化碳或氣體混合物，例如，thorlabsinc(https：//www.thorlabs.de)處可獲得的thorlabs氣體(惰性除塵氣體)，其由于測試對象3將不被暴露于氧氣中這一事實受到偏好，其還由于因折射率的壓力相關的改變?nèi)Q于介質(zhì)這一事實而提高無膜且無諧振光學麥克風的靈敏度受到偏好。聲音傳播介質(zhì)也可以是任何液體(例如，油、水、血液或其它)；然而，在氣體中使用時熱聲生成器的效率更為有利。其結果是，聲音傳播介質(zhì)將通常是普通的環(huán)境空氣。聲波入射到測試對象3。由于來自測試對象的前表面或后表面、或來自內(nèi)部缺陷6或來自任何特定超聲反射部件的反射，接收器2檢測到聲波。這種部件例如可以是光纖的松散的細絲、復合材料中的裂縫、以及smd集成電路中的元件或計算機母版上的離散部件或類似物。此外，層復合結構內(nèi)的脫層可以被檢測到，即使損壞從外部不可見。
利用本發(fā)明，另一方面人們還檢測例如浸沒在重水或類似物中的碳棒或鈾棒中的裂縫。在這種情況下機載設備可以被浸沒到反應堆容器中。因此，本發(fā)明可以被用于氣體或液體中的各種測試對象。
屏蔽墻可以按被用于隔離不需要的直接聲音(例如，從測試對象的表面反射的聲音、或來自聲音源(生成器/發(fā)射器)的聲音)的空間關系被放置在生成器和檢測器之間。通常，包括硬件和軟件的控制單元12被用于生成電脈沖信號、分析接收器2獲得的電信號并生成測試對象的圖像。
更具體地，硬件包括(i)任意信號生成器，其能夠生成被發(fā)送到生成器1a的電激勵脈沖，以及(ii)信號分析硬件(通常是模數(shù)轉換器并且可選地是諸如dsp芯片之類的數(shù)字信號處理單元)，其從檢測器2接收它的輸入，以及(iii)機械掃描器(參見圖7)，用于在測試對象的表面上方物理地移動生成器1a和檢測器2，以及(iv)軟件例程，其能夠在處理并整合幅度、時間和頻譜數(shù)據(jù)流的同時控制信號生成器、信號分析硬件、掃描器。更具體地，使用傅里葉變換來對所接收的信號的頻譜信息進行分析可以是感興趣的。由于生成器和檢測器兩者的寬頻譜帶寬，許多頻率可以被發(fā)射并同時被接收。因此，通過使用頻譜分析作為信號處理的一部分，許多頻帶可以同時被研究。因此，可以避免多個連續(xù)的掃描過程(每一者使用不同的頻率，如現(xiàn)有技術設備中所常見的)。這種控制單元12可以是ingenieurbuerodr.hillgerhttp：//www.dr-hillger.de處可獲得的商業(yè)可用設備(例如，dr.hillgeruspc4000airtech(掃描器)、hill-scan3010(轉換器)和hilgus(軟件))，或者其可以是專門建立的系統(tǒng)?？刂茊卧?2用電連接17連接到計算機系統(tǒng)18用于數(shù)據(jù)記錄/記載、信號分析、經(jīng)由監(jiān)視器的進一步處理和顯示。
圖1中使用的其它參考標號：
1a：熱聲超聲生成器
2：無膜且無諧振光學麥克風(超聲接收器)
3：被測設備、測試對象、材料樣本
4：光學屏蔽墻
5：從生成器1a、5b到接收器2的超聲壓力波5a
6：材料缺陷
10：測試環(huán)境中的介質(zhì)：空氣或其它氣體或其它液體
12：控制單元
14：角度，超聲生成器和接收器的不同元件的不同角度的示例。例如，接收器2類似地與測試對象3的表面上的垂直線/法線成特定角度。該角度在圖示中未被示出，并且可能取決于所示出的超聲生成器角度14但是也取決于其它物理物質(zhì)(例如，材料樣本)而變化。在實踐中用戶將改變角度14以及接收器2的相應的角度，以使得所接收的信號是最大的或者接近最大。優(yōu)選地，生成器1和/或接收器2在使用時在空間上被放置成相對于測試對象3的表面上的垂直面成角度14來面對測試對象3。根據(jù)本發(fā)明的可選特征，所述角度14可以針對生成器1和/或接收器2到測試對象3上的所述垂直表面的相對位置而變化。
17：電線
18：計算機系統(tǒng)
圖1的設備的可能變體：
生成器1a和測試對象3之間或接收器2與測試對象3之間的角度14(更精確地：被發(fā)射的超聲的軸與測試對象的表面法線之間形成的角度)可以被改變以便使某信號分量最大。注意，對超聲測量領域技術人員來說，如圖1中所指示的角度14不僅應用于其中指示了該角度14的具體元件，而是應用于所有相關角度。這包括從生成器到測試對象的表面的直線(發(fā)射方向)與從接收器(接收的方向)到測試對象的直線之間的角度。同樣地，該裝置中使用的任何其它元件中的角度可以被改變。根據(jù)對性能方面的期望效果，每個組件的角度可以相互之間相同或不同。為了改變所述角度，相對于測試對象3對生成器1a進行旋轉，以使聲波以不同的角度入射到測試對象，該不同的角度可以是0°(180°)和90°之間的更多任意角度。這同樣地適用于接收器2和測試對象之間的角度。
生成器1a、接收器2和測試對象3之間的距離可以被改變以使某一信號分量最大。為了改變所述距離，生成器1a和接收器2被放置為在物理上更接近(例如，相距幾毫米)彼此，或者被放置為遠離(例如，相距數(shù)米)彼此。這同樣分別適用于生成器和測試對象之間的距離，和/或接收器與測試對象之間的距離。
生成器1和接收器2可以被安裝在一個載體上或者被安裝在不同的載體上，并且生成器1a和接收器2甚至可以被放置在測試對象3的相對側，導致傳輸設置測量。
圖2(現(xiàn)有技術)在上半部分中示出從傳統(tǒng)的200khz壓電式超聲生成器發(fā)射的信號并在下面示出從傳統(tǒng)的500khz生成器(右)發(fā)射的信號。電刺激(粗線)和從壓電式生成器發(fā)射的相對應的發(fā)射超聲信號被示出。即使電刺激非常短(在該示例中，其長度為2μs)，所產(chǎn)生的聲音信號仍可以具有數(shù)百us的長度，這是因為壓電式晶體顯示出由于其自諧振導致的嚴重的振鈴效應。
圖2b示出從熱聲生成器發(fā)射的、由無膜且無諧振光學麥克風測量的聲信號。電刺激(粗線)和相應的聲信號被示出。熱聲生成器和光學麥克風都沒有顯示出自諧振行為，因為兩種變換器都不是基于機械運動部件的，檢測聲壓引起的氣體或流體介質(zhì)的折射率的改變。因此，所記錄的信號非常短并且高度對應于電刺激?，F(xiàn)有壓電式接收器的傳統(tǒng)狀態(tài)不可能用于在不增加不期望的機械諧振效應的情況下進行檢測。此外，傳統(tǒng)的電容式麥克風將不具有足夠的頻率帶寬(通常限制于140khz)來記錄該長度為2μs的短脈沖，其需要至少1/2μs＝500khz的帶寬。
圖3示出可能采用以便輔助精確定向的激勵空氣壓力波的聚焦實施例。優(yōu)選地，生成器1b被構建為內(nèi)凹的彎曲的生成器，其中特別地生成器1b具有拋物線型的發(fā)射元件。由于熱聲生成器1b使用μm級厚度的非常薄的箔的事實，它可以被形成彎曲形狀的(特別是拋物線型)發(fā)射器。生成器1b還可以被安裝在特別凹的發(fā)射器鏡面的前面，該發(fā)射器鏡面將超聲波反射到測試對象上。因此，將所發(fā)射的超聲信號聚焦到測試對象3上的小點是可能的。這允許更高的空間分辨率。接收器2可以經(jīng)由薄的機械底座7被放置在生成器1b的前面，因為接收器的尺寸小并且大體不會遮蔽從生成器發(fā)射的信號。接收器通常包括中空腔或具有至少一個通孔15，在改進的變體中，所發(fā)射的來自生成器1b的聲壓波5可通過該中空腔或通孔向測試對象傳播，并且所反射的聲壓波也可通過該中空腔或通孔傳播。在圖6中詳細示出該通孔15。由于這種設置(其具有集成生成器和麥克風的方便的探針的形狀)，該裝置可具有非常小的物理尺寸。在極端情況下，生成器1b可以不大于檢測器2的覆蓋區(qū)。聲波5應當通過檢測器2被輻射，從而形成具有最小橫向尺寸的裝置。
圖3中使用的其它參考標號：
1b：熱聲超聲發(fā)射器/生成器
2：無膜且無諧振光學麥克風(超聲接收器)
3：測試對象、材料樣本
5：超聲壓力波
6：材料缺陷
7：機械底座
圖3的設備的可能變體：
-生成器1b和測試對象3之間、或接收器2與測試對象3之間、或生成器與接收器之間的角度14(見圖1)可以被改變以便使某信號分量最大。
-生成器1b、接收器2和測試對象3之間的距離可以被改變以使某一信號分量最大。
-生成器1b的表面形狀可以被改變。根據(jù)所要求的聲壓級別，其可以更小或更大，或者其可以采用球面、平面、拋物鏡面的形狀或其它有用的形狀以用于創(chuàng)建超聲壓力波的聚焦。
-接收器3的表面形狀也可以被改變。根據(jù)所要求的檢測器靈敏度，其可以更小或更大，或者其可以采用球面、平面、拋物鏡面的形狀或其它形狀以用于將返回的聲波引導或反射到光學麥克風的中空腔中。
-附加的鏡面元件可以被放置在發(fā)射器1b或檢測器3的前面(或后面)；另外，針對鏡面元件的更完全的解釋參考圖4。這些鏡面元件可以是平面的或具有彎曲表面(例如，拋物線形狀)。如果需要，鏡面可以包括用于聲激勵波傳輸?shù)目住?/p>
-接收器2可以經(jīng)由機械底座7被安裝在發(fā)射器1b的前面，使得空氣壓力波的發(fā)射方向和接收方向至少是大體平行的。
圖4示出不同的裝置，其中生成器1和接收器2可以被放置在測試對象3的相對側，得到傳輸設置。除了也在此處的生成器1之外，可以使用替代的超聲波源(激光器9)。要注意的是，生成器1和激光器9通常不同時使用，但它們可以分別替代彼此。此外，要注意的是，生成器1可以采用生成器1a的形狀或生成器1b的形狀，并且因此僅被稱為生成器或發(fā)射器1。此外，對于使用由激光器9發(fā)射的激光光束8作為超聲波生成的更詳細的描述，參考圖5。
圖4中的參考標號：
1：熱聲超聲生成器
2：無膜且無諧振光學麥克風(超聲接收器)
3：測試對象、材料樣本
4：光學屏蔽墻
5：超聲壓力波
6：材料缺陷
8：激光光束，在測試對象3的表面處生成熱聲沖擊波5
9：激光器
11：鏡面元件
圖4的可能變體：
-生成器1b和測試對象3之間、或接收器2與測試對象3之間、或生成器與接收器之間的角度14(見圖1)可以被改變以便使某信號分量最大。
-激光器9、接收器2和測試對象3之間的距離可以被改變以便使某信號分量最大。
-激光器9可以工作在不同的脈沖長度模式(ps、ns等)和不同的光學波長(例如，1064nm、532nm、遠紅外處等)。
-接收器3的表面形狀可以被改變。根據(jù)所要求的檢測器靈敏度，其可以更小或更大，或者其可以采用球面、平面、拋物鏡面的形狀或其它形狀。
-附加的鏡面元件11可以被放置在檢測器3的前面(或后面)。這些鏡面元件可以是平面的或具有彎曲表面(例如，拋物線形狀)。如果需要，鏡面可以包括用于聲傳輸?shù)目住ｇR面元件用于以下目的：對于生成器1，可以以不定向的方式輻射聲波。也即，不僅可以向測試對象3發(fā)射聲波，還可以在其它空間方向發(fā)射聲波。鏡面收集這些聲波并將它們聚焦到測試對象的表面或內(nèi)部區(qū)域。因此，入射到測試對象的表面的聲波密度被最大化，這在許多應用中是可取的。對于檢測器2，目的類似：因為從測試對象3輻射的聲波可以指向若干個空間方向并且可能由于不入射到檢測器2而丟失。鏡面元件11收集這些聲波并將它們重定向到檢測器的孔(中空腔15)。由于所反射的波需要經(jīng)過的附加的路徑長度，與到達檢測器2而不經(jīng)由鏡面元件11繞道的直接聲音相比，所反射的信號在時間上可被延遲。由于短的時間延遲，這例如可以是不重要的；或者，可以使用時間控制方法隔離隨后的信號。此外，可以使用隔聲罩4來屏蔽檢測器2，使得沒有信號入射到檢測器2。另一可能性是遠離這一位置(大量直接聲音被從該位置發(fā)射到檢測器)放置檢測器，并且超聲波的主要部分僅可經(jīng)由鏡面元件11到達檢測器。
圖5示出不同的變體裝置，其中生成器不是熱聲生成器而是高強度激光器，工作在短脈沖模式9。所發(fā)射的激光光束8一接觸測試對象3的介質(zhì)就產(chǎn)生熱聲沖擊波。如果激光光束在空氣中被聚焦并具有足夠能量，光束本身(沒有除空氣以外的其它介質(zhì))可以生成等離子放電，這導致沖擊波。該沖擊波是聲波5，其然后被上述裝置檢測到。出于特定原因，如果超聲波將不通過激光光束8與測試對象3的直接接觸被生成(例如，當測試對象的材料對激光光束是透明的)，吸收目標13(其不透明)可以被引入到激光光束8中。該吸收目標13具有期望的吸收度(通常為高吸收度)并且將不被激光光束8損壞。它生成熱聲(超聲)聲波5，其具有與從生成器(5，圖4)輻射的聲波相似的屬性。吸收目標13或吸收板也可以被放置在介質(zhì)10中，或者甚至可以被埋藏在測試對象3內(nèi)部。
圖5中的其它參考標號：
2：無膜且無諧振光學麥克風(超聲接收器)
3：測試對象、材料樣本
4：光學屏蔽墻
5：超聲壓力波
6：材料缺陷
8：激光光束，在測試對象(3)的表面處生成熱聲沖擊波5
9：激光器
11：鏡面元件
13：吸收目標
圖5的可能變體：
-發(fā)射器1b和測試對象3之間、或接收器2與測試對象3之間、或發(fā)射器與接收器3之間的角度14(見圖1)可以被改變以便使某信號分量最大。
-激光器9、接收器2和測試對象3之間的距離可以被改變以便使某信號分量最大。
-激光器9可優(yōu)選地被引導為同軸地沿接收器2的接收器路徑，其中生成器光束與接收所反射的聲波之間的角度實質(zhì)上是0°。在該實施例中，來自生成器9的激光光束以及激光麥克風的激光通過一根或兩根光纖被傳送到保持激光器9和傳感器2的單個載體7。優(yōu)選地，所述載體可安裝在掃描器設備上(圖7)或甚至可以是手持式設備。
-激光器9可以工作在不同的脈沖長度模式(ps、ns等)和不同的光學波長(例如，1064nm、532nm、遠紅外處等)。
-激光器9和接收器2可以被放置在測試對象3的相對側，導致傳輸設置測量。
-接收器3的表面形狀可以被改變。根據(jù)所要求的檢測器靈敏度，其可以更小或更大，或者其可以采用球面、平面、拋物鏡面的形狀或其它形狀。
-附加的鏡面元件11可以被放置在檢測器3的前面(或后面)。這些鏡面元件可以是平面的或具有彎曲表面(例如，拋物線形狀)。如果需要，鏡面可以包括用于激勵聲傳輸?shù)目住?/p>
圖6示出無膜且無諧振光學麥克風的配置。聲壓5影響通孔15的光學屬性，影響光學麥克風的激光光束16。
對于無膜且無諧振光學麥克風的配置的細節(jié)，也參見所公布的參考[11-13]。
標號2指示無膜且無諧振光學麥克風(超聲接收器)；5指示超聲壓力波并且11指示鏡面元件。
15指示麥克風中填充有任意的介質(zhì)(根據(jù)需要，優(yōu)選地像空氣一樣的氣體介質(zhì)或者像液體一樣的流體介質(zhì)，甚至可以使用其他介質(zhì))的通孔，16指示用于無膜且無諧振光學麥克風解調(diào)的激光光束。該激光光束由麥克風2上的激光二極管直接創(chuàng)建或可能優(yōu)選地通過光纖被遞送。
圖7示出采用聲音生成器和聲音接收器的創(chuàng)造性組合的新掃描器系統(tǒng)，其中聲音生成器由不依賴于機械可變形或振蕩部件的無膜熱聲超聲生成器制成，聲音接收器由無需空氣或氣體耦合的脈沖回波布置中的任何諧振效應的無膜且無諧振光學麥克風制成。通過導軌21或類似的布置的幫助，沿移動21的方向在測試對象3(材料樣本)的表面上移動包含生成器和接收器的測試系統(tǒng)19(參考圖1、2、3和5的設備中的任何設備)。
圖8示出示例性陣列系統(tǒng)。在該配置中，生成器包括兩個、三個、或更多個發(fā)射元件1a。也見[14]，其通過引用被結合于此。這些發(fā)射元件1a可以被并排布置，或按如圖8中所示出的同心方式被布置。通過控制單個元件之間的相位，這種所謂的相控陣配置允許將所發(fā)射的波束5定向到具體需要的空間方向。它還允許將超聲壓力波的波束5聚焦到測試對象3的表面。檢測器2還包括兩個、三個、或多個無膜且無諧振光學麥克風(超聲接收器)。這種檢測器配置允許對差分信號進行分析，或進一步提高信號與噪聲比。它還可以被用于波束成形分析，或者本領域技術人員常用和公知的其它技術。
權利要求中描述和覆蓋了其它設備/變體和方法。