CN107024542B - 用于测试对象的机载超声测试系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于测试对象(3)的机载超声测试系统，包括超声生成器(1、9)、超声接收器(2)、用于控制这两者的控制布置、以及用于显示被测试的测试对象(3)的图像的计算机辅助测试结果界面。在空气耦合或气体耦合的脉冲回波布置中或在空气耦合或气体耦合的传输模式布置中，超声生成器(1)是不依赖于机械可变形或振荡部件的无谐振热声超声生成器，超声接收器(2)是无膜且无谐振光学麦克风。利用该测试系统，在不需要液体并且没有干扰振铃效应的情况下以高精度对测试对象进行测试是可能的。

Description

用于测试对象的机载超声测试系统
技术领域
本公开涉及超声测试领域。
背景技术
当前发展状况
在该部分中，[]内的数字指代第二部分末尾记录的现有技术引用。
多年以来，确定组件的机械完整性而不引入损坏的无损测试(NDT)方法在工业的各个分支中非常重要。对于各种目的(例如，制造中的综合质量控制、使用中的检查或使用中的缺陷评估和监控)，在此过程中牺牲测试对象是无益的([1])。这种检查对船舶、航天、汽车行业或建筑尤其关键，因为在这些情况下，材料破坏可危害人类安全。
在这些工业分支中，近年来对稳健、耐用的轻型结构的需求已经逐渐促进纤维增强复合(FRC)材料(尤其是碳纤维复合(CFC)材料)的使用。与金属相比，它们通常以复杂的层状结构为特征，因此各向异性材料属性([2])导致需要可靠地进行鉴别的各种不同的可能缺陷类型([2]、[3])。因此，适于这些材料的NDT技术的发展(优选地允许高度自动化以节省成本并提高可靠性以及测试速度)有着重要意义。
目前已经发展了许多NDT方法，可在对比文件[4]中找到对这些方法的概述。基于底层物理检测机制，这些方法主要落入一些广义分类：磁粉检查、感应电流检查或涡流检查、视觉和光学检查、射线照相法和温度记录、超声、以及声波检查和剪切散斑([15])。第一分类限于铁磁材料并且因此不适用于FRC的检查，而涡流检查专门适用于CFC，因为碳纤维是导电的，即使周围基质通常不导电。已经针对FRC评估和实施了属于所有其他分类的测试过程。对用于复合材料的NDT技术的比较考察([3]、[5])显示，这些技术都不能等同地适用于对此时FRC中常见的不同缺陷类型中的每一种缺陷类型的检测。虽然所有的方法有其优点和缺点，但一些方法天生限制于某些测试对象几何体。例如，除了透明材料的可视缺陷以外，视觉和光学检查方法(具有或不具有有色的或荧光液体渗透剂)限制于表面缺陷的检测。声波检查方法通常遭受相对低的灵敏度([3])和空间分辨率。剪切散斑和温度记录限制于近表面缺陷的检测。
另一方面，超声方法(＝超声波方法)和射线照相法原则上能够以高空间分辨率和灵敏度检测并定位表面和体内缺陷。然而，对于FRC，基于射线照相法的方法(包括高分辨率的CT成像)在不使用吸收液体渗透剂的X光束(或伽马)的情况下不能很好地适合对分层缺陷(其构成FRC中最常见的缺陷种类之一([2]))的检测。然而，这导致过程的显著复杂化，并将方法限制于对比液体可渗透的表面或近表面层的检查。此外，在许多测试环境中不想要或不接受液体。
由于各种超声技术的多功能性和好的灵敏度，它们被经常应用于对FRC进行检查([6])。它们中的大部分采用压电变换器用于超声脉冲的生成、它们的检测或这两者([5])。虽然已经发展出许多具体方法来提供对缺陷的检测、成像或体积定位，但用变换器的确切配置和数目进行区分的话这些方法通常落入两种不同的操作模式。一种方法是透射传输模式，在这种方法中测试样本被放置在分别用作发送器和接收器的两个压电变换器中间。在这种配置中，接收器检测由于缺陷导致的主超声脉冲的衰减。与金属相比，由于超声在FRC中的显著衰减，这种配置限制样本形状和厚度([3])。可替代地，可以采用脉冲回波方法，在这种方法中从样本的一侧检测由于缺陷导致的主脉冲反射或反向散射。该方法显著地促进了对具有不同厚度的复杂形状测试对象的适用性-由于仅从一侧接入测试对象是足够的。
传统的超声测试系统分别采用诸如水或乳剂或胶体之类的介质来保证超声脉冲到测试对象的良好耦合。然而，要允许使用高达约20MHz的超声频率的话要求浸入到变换器和样本之间的水池或水射流中。耦合液体不能用于某些FRC结构([6])或某些测试环境，这导致对非接触测试方法的需求。
一种积极发展的针对无接触测试的选项是全光学激光超声方法([7])，在这种方法中通过吸收测试样本内的足够强的激光脉冲来创建超声脉冲，并用干涉测量来执行检测。一种不同的方法是空气耦合的超声([8])，类似于传统的基于变换器的方法，但是放弃耦合介质。这种方法通过越来越敏感的高度谐振集中的超声变换器来实现(例如，[9])，从而允许缺陷检测，尽管由于空气间隙导致耦合降低。虽然使用透射传输模式的空气耦合系统现在可用，但允许在样本的一侧测试的、空气耦合的脉冲回波配置的实现方式存在显著的问题。高度谐振的变换器在很多时间段在脉冲生成和检测两者期间振荡，导致显著增加的“死区”([3])。该术语表示测试对象的近表面区域，其中由于主脉冲、来自样本表面的反射以及由来自缺陷的反向散射提供的实际信号之间的重叠导致缺陷测试不可能实现。由于这个原因，本领域技术人员避免使用该测试方法用于精确的材料测试。
在[16]中公开了无接触焊接机械接头样本的质量测试过程。其使用方波调制的激光光束来在样本中激起超声脉冲波，并在超声脉冲波传播通过接头之后用干涉测量来测量它的脉冲幅度。激光被移向测试对象并被从测试对象移开。对于检测，使用本身公知的干涉测量方法。对测试对象的机械地移动的表面进行光学扫描，或者通过现有技术麦克风的方式来进行检测，而无需使用任何热-声效应。
在[17]中公开了用于层的非机械接触测量的测量设备，该测量设备包括光源，光源可操作来生成脉冲，该脉冲适应于与该层相互作用以便在邻近该层的气体介质中生成热波，这利用了光-声效应。热波导致声信号被生成。测量设备还包括适应于响应于声信号来检测第一信号的检测器，检测器不与该层机械接触。第一信号表示被测层。
在[18]中公开了允许在不损坏材料的情况下对产品进行检查的、用于材料的无损评估的另一方法和布置。连续波高功率激光跨材料进行扫描，其使用热弹性扩张来创建材料表面和材料中的超声波。可以通过不同的方法来实现对来自测试件的超声的检测，分别提供区域检测、线检测或点检测。每次捕获单个数据点的点检测是用于激光超声波的典型方法。可以使用接触变换器，但通常使用光学检测方法。已经使用不同的干涉仪，包括外差式(双光束)、共焦法布里-珀罗、以及光折变量子阱。探测激光光束针对样本上的检测点。反射的光被聚集在干涉仪中并且由光电探测器感测。由超声引起的表面位移改变光的干扰，这创建了信号。检测点可以与生成激光(脉冲回波)位于相同侧或相反侧(透射传输)。所有的这些方法依靠声音检测器或麦克风中的元件的变形或空间移动。即使在偏好的线检测中(尤其是通过气耦合的激光声检测)，超声通过引导激光光束通过声干扰被感测。通过物理位移的干扰引起光束的光学路径的改变，这可以用位置敏感的光电检测器来检测。
现有技术参考
[1]Gardner,W.E.，“Improving the effectiveness and reliability of non-destructive testing(提高无损测试的有效性和可靠性)”，Series Internationalseries on materials evaluation and non-destructive testing(国际系列之关于材料演进和无损测试的系列)，Pergamon Press(培格曼出版社)(1992)。
[2]
Figure GDA0001879194540000041
R.，“Ndt Methods For Evaluating Carbon Fiber Composites(用于评估碳纤维复合材料的Ndt方法)”，In Proceedings of Composites Testing andModel Identification(复合材料测试和模型辨识学报)(2004)。
[3]Kapadia,A.，“Best practice guide:Non-destructive testing ofcomposite materials(最佳实践指南：复合材料的无损测试)”(2008)。
[4]Wong,S.B.，“Non-Destructive Testing–Theory,Practice and IndustrialApplications(无损测试——理论、实践和工业应用)”，Lambert Academic Publishing(兰伯特学术出版)(2014)。
[5]Vaara,P.和Leinonen,J.，“Technology Survey on NDT of Carbon-fiber5Composites(关于碳纤维复合材料的NDT的技术调查)”(2012)。
[6]Hsu,D.K.，“Nondestructive inspection of composite structures:Methods and practice(符合结构的无损检查：方法和实践)”，In Proceedings of the17th World Conference on Nondestructive Testing(第17届无损测试世界大会学报)(2008)。
[7]Pelianov,I.、Buma,T.、Xia,J.、Wei,C-W.、以及O’Donnell,M.，“NDT offiber-reinforced composites with a new fiber-optic pump-probe laser-ultrasound system(利用新的光纤泵探激光超声系统的纤维增强复合物的NDT)”，光声学2，63-74(2014)
[8]zfp-WiKi，慕尼黑工业大学(TU München)，http://zfp.cbm.bgu.tum.de/ mediawiki/index.php/Luftultraschall:_Funktionsweise_und_
Figure GDA0001879194540000051
2015年10月28日访问。
[9]Ingenieurbüro Dr.Hillger，http://www.dr-hillger.de，2015年10月28日访问。
[10]Daschewski,M.等，“Resonanzfreie Messung und Anregung vonUltraschall(低谐振和超声波测量)”，In Technisches Messen(测量技术)，82(3)(2015)。
[11]专利WO2008000007A1
[12]专利WO2010029509A1
[13]专利WO2012163681A1
[14]来自维基百科：自由的百科全书，2015年11月23日，https:// en.wikipedia.org/wiki/Phased array ultrasonics[PA(即相控阵)探针包括许多小的超声波变换器(通常是基于压电的元件)，它们中的每一个可以被独立地施以脉冲。通过改变时序(例如，通过沿行依次逐个对元件施以脉冲)，建立起相长干涉的图案，这导致设定角度的光束。换言之，光束可以被电子地控制。光束像搜索灯通过被检查的组织或对象一样被扫描，并且来自多个光束的数据被放在一起以得到视觉图像，该视觉图像显示通过对象的薄片。]
[15]来自维基百科：自由的百科全书，2015年11月24日，https:// en.wikipedia.org/wiki/Shearography
[16]专利DE102004030154A1
[17]专利US20150233870A1
[18]专利US2011048135A1
待解决的问题
为了总结现有技术中出现的问题，做出以下陈述：
上文介绍的NDT测试系统具有以下限制或不足：
A)在非机载系统中，在测试对象和测试系统之间原则上需要接触介质而不是空气。然而，尤其对于大尺寸的测试对象，将接触介质应用于测试对象上是耗时的，并且接触介质可能污染测试对象。如果使用水例如作为接触介质，则测试对象可能生锈/氧化，这是不期望的。
B)通常在传输模式中使用传统的机载超声测试系统。这需要从测试对象的两侧的实体可达性，并不是所有的测试环境都可以保证这一点。尤其对于大尺寸的测试对象或者安装在窄的隔间中的测试对象或类似对象，从两侧可达可能极具挑战性或者不可能。
C)如果在反射模式中使用传统系统(脉冲回波方法)，通常被用作发送器和接收器的压电变换器的脉冲后振荡(振铃；也见图2)限制系统的时间分辨率，并且因此限制深度分辨率。例如，对于薄测试对象，或接近表面处有瑕疵的厚测试对象，相应的反射信号的时间序列可能叠加并且因此妨碍清楚的信号分析，而这是测试对象的清晰图像所需要的。也可以说所谓的“死区时间”导致“死区”。
D)大部分测试对象吸收的较高的超声频率多于较低的超声频率。另一方面，用较高的频率将会获得更好的分辨率，因为相应的较小的波长用更高的精度分辨小尺寸的内部缺陷。出于这个原因，在传统系统中，需要并使用若干个具有不同质量的超声检测器。低频接收器用于允许厚的测试对象，并且高频接收器用于允许具有高空间分辨率的清晰图像。由于高谐振设计(由于以下事实被需要，即对于非谐振设计，接收器的灵敏度将会非常不好)，传统的机载超声检测器具有非常有限的频率带宽。然而，同时使用若干个接收器可能导致相互干扰和复杂的机械设置，并且循序使用不同配置可能导致测试时间的增加，这对于大部分情形来说是不期望的。
E)在传统机载测试系统中，检测器的灵敏度通常与其尺寸成比例。这对于例如压电式接收器来说是事实。因此，需要大尺寸的接收器来检测潜在微弱的信号，因为所发射的超声可能被测试对象的吸收和散射衰减。然而，超声测试系统获得的图像的分辨率不仅是声频的函数，其也可能严重受接收器尺寸的限制。
因此，本发明的任务是找到一种方式来避免超声测试环境中对诸如液体耦合流体的接触介质的需要，同时避免已知的空气耦合(特殊的无接触介质)超声材料测试系统的缺点；从而创建针对测试对象的机载超声测试系统，其可被用于各种测试对象。
所提出的解决方案
在该部分中，[]内的数字指代第二部分末尾记录的现有技术引用。
权利要求书和下文中描述的技术允许避免这些问题，并且因此有效地实施针对FRC和类似材料的单侧脉冲回波超声NDT方法。从本发明的意义上来说，类似材料覆盖可以用超声进行测试的所有材料。这包括用以下元件中的一者或多者制造的部件：木材、塑料、橡胶、玻璃、陶瓷、以及金属。嵌有金属线的轮胎、IC板、飞机机翼、门板、同轴电缆等带来不同的示例。
本发明解决第3部分中讨论的所有问题。所提出的超声测试系统包括无谐振热声超声生成器(发射器)。在[10]中可以找到示例和解释。[10]的整体通过引用被结合于此。该系统还包括无膜且无谐振的光学麦克风。这种麦克风没有机械可变形部件，并且检测声压引起的介质(优选气体或流体介质)的折射率的改变。可在[11-13]中找到示例和解释。[11-13]的整体(特别是[11-13]的图以及关于图的描述)通过引用被结合于此。可以在www.xarion.com找到其它的示例，例如，产品线Eta。这种光学麦克风在空气中工作在从10Hz到高达1MHz的范围内，并且在液体中高达25MHz，这使得它们非常适于超声检测。根据本发明，生成器和麦克风处于空气耦合脉冲回波布置或处于空气耦合传输模式布置。热声生成器是超声生成设备，其不依赖于机械可变形或物理振荡部件，但通过快速连续加热和冷却其表面来生成超声。所述生成的超声然后发射到或发射通过测试对象。涉及振荡机械可变形元件的变换器例如将是基于压电式晶体或扬声器膜的变换器。然而，这种具有机械可变形元件的变换器具有上述问题，并且出于这个原因不是所偏好的。
从本发明的更广泛的角度来看，激光光束和材料样本的组合或激光光束和测试对象本身的组合也可以被认为是无谐振热声超声生成器。因此，具有优选的高强度的激光光束工作在脉冲模式中，使得短脉冲或若干短脉冲的序列的激光辐射由于与目标材料的相互作用而生成热声冲击波。目标材料样本例如可以是引入在所述测试对象表面和激光脉冲源之间的任何板，或其可以是样本本身的表面。此外，所述目标材料还可以是埋藏在测试对象内的材料层，例如，测试对象内的特殊光吸收物质。
无膜且无谐振光学麦克风是全光学声压检测器。它不依赖于机械可变形的部件(例如，压电式晶体或麦克风膜)，因为它通过基于光波长改变的干涉仪读出的光学装置来检测压力变化，其中光波长改变由声压引起的气体或流体介质的折射率的改变引起。所述类型的声音检测器进一步具有无谐振的优点，从而显著减小或优选地完全去除任何“死区”。
对于所提出的装置来说，由于机载超声波的使用，对测试对象进行无接触检查是可能的。不需要诸如水或胶体之类的接触介质。此外，所提出的装置允许对测试对象的单侧测试。因此不需要从两侧的可达性，但从两侧的可达性仍然是可能的。此外，所提出的装置中与无膜光学麦克风相结合使用的热声生成器不显示现有技术测试装备通常展示的振铃效应(也见图2)，但是能够在大约几微秒或低于1微秒内发射非常短的类狄拉克激励信号。通过类狄拉克激励脉冲，导致类似于数学狄拉克函数的信号，即无限薄的激励尖峰。这种行为也适用于由激光激励引发的热声波。这也适用于用作信号检测器的光学麦克风：它也不显示振铃效应，并且因此可以检测非常短的类狄拉克超声信号而不增加伪时间信号扩大。由于所提出的测试装置的这种真实的时间脉冲响应，薄的材料可以被检查，厚的测试对象的缺陷(即使它们位于接近表面的地方)也可以被检查。不出现死区和时间信号遮蔽效应。根据傅里叶原理，由热声生成器发射的短脉冲包含大的频率带宽。另一方面，光学检测系统(即光学麦克风)的特点是它的数MHz的非常大的检测带宽。因此，根据本发明的设备能够同时处理低频和高频。这允许对厚尺寸测试对象的检查，同时允许高的空间分辨率。此外，该装置可以是非常小尺寸的(也见图3)，因此不会除去图像的非常高的空间分辨率。
可以在引用[11-13]中找到光学麦克风，[11-13](特别是关于它们的图以及对所述图进行解释的说明书)通过引用被结合于此。
可以在夏楼激光音响有限责任公司(XARION Laser Acoustics GmbH)的网站(www.xarion.com)找到这种有用的光学麦克风的实践示例。
然而，本发明不限于任何特殊类型的光学麦克风。优选地，光学麦克风的光纤耦合的实施例(夏楼激光音响有限责任公司www.xarion.at的Eta产品系列类型)最好地用于本目的。
发明内容
根据本公开的一方面，提供了一种用于测试对象的机载超声测试系统，包括声音生成器(1、9)、声音接收器(2)、用于控制生成器和接收器两者的控制布置、以及连接到接收器(2)以显示来源于声音接收器(2)的信号的被测试的测试对象(3)的图像的计算机辅助测试结果界面，该系统的特征在于：在空气耦合或气体耦合的脉冲回波布置中或在空气耦合或气体耦合的传输模式布置中，声音生成器(1)是不依赖于机械可变形或振荡部件的无谐振热声超声生成器，声音接收器(2)是没有机械可变形部件的无膜且无谐振光学麦克风，检测由声压引发的气体介质或流体介质的折射率的改变。
根据本公开的另一方面，提供了一种用于采用生成器(1、9)和接收器(2)利用超声空气压力波对测试对象(3)进行测试的方法，其特征在于：在测试对象(3)的前面、在测试对象的表面上或在被放置在测试对象(3)前面、测试对象(3)的表面上或被埋藏在测试对象(3)内的吸收目标(13)处创建无谐振热声超声空气压力波的生成器(9)被选择，并且来自测试对象的反射超声空气压力波(5b)被作为传感器(2)的激光光学麦克风接收和检测，该激光光学麦克风没有机械可变形部件、检测由声压引发的气体介质或流体介质的折射率的改变，其中被检测的波(5b)被分析并且结果以传统方式被显示。
附图说明
图示在重叠方法中被描述。相同参考标号指代相同元件。
图1示出典型的创造性装置。
图2a示出已知的测试设备的包括振铃的信号。
图2b示出来自热声变换器的无振铃信号，本发明与无膜且无谐振的激光光学麦克风相结合使用该热声变换器。
图3示出聚焦实施例。
图4示出不同的装置。
图5示出另一不同的装置。
图6示出无膜且无谐振的光学麦克风的配置。
图7示出扫描系统。
图8示出采用热声变换器的阵列和无膜且无谐振的光学麦克风的阵列的阵列系统。
具体实施方式
图1中示出的是典型的创造性装置。从热声生成器1a将机载超声波5发射到空气中或另一声音传播介质(例如，测试环境中可能存在的特定气体10)中。这种特定气体例如可以包括氮气或二氧化碳或气体混合物，例如，thorlabs Inc(https://www.thorlabs.de)处可获得的Thorlabs气体(惰性除尘气体)，其由于测试对象3将不被暴露于氧气中这一事实受到偏好，其还由于因折射率的压力相关的改变取决于介质这一事实而提高无膜且无谐振光学麦克风的灵敏度受到偏好。声音传播介质也可以是任何液体(例如，油、水、血液或其它)；然而，在气体中使用时热声生成器的效率更为有利。其结果是，声音传播介质将通常是普通的环境空气。声波入射到测试对象3。由于来自测试对象的前表面或后表面、或来自内部缺陷6或来自任何特定超声反射部件的反射，接收器2检测到声波。这种部件例如可以是光纤的松散的细丝、复合材料中的裂缝、以及smd集成电路中的元件或计算机母版上的离散部件或类似物。此外，层复合结构内的脱层可以被检测到，即使损坏从外部不可见。
利用本发明，另一方面人们还检测例如浸没在重水或类似物中的碳棒或铀棒中的裂缝。在这种情况下机载设备可以被浸没到反应堆容器中。因此，本发明可以被用于气体或液体中的各种测试对象。
屏蔽墙可以按被用于隔离不需要的直接声音(例如，从测试对象的表面反射的声音、或来自声音源(生成器/发射器)的声音)的空间关系被放置在生成器和检测器之间。通常，包括硬件和软件的控制单元12被用于生成电脉冲信号、分析接收器2获得的电信号并生成测试对象的图像。
更具体地，硬件包括(i)任意信号生成器，其能够生成被发送到生成器1a的电激励脉冲，以及(ii)信号分析硬件(通常是模数转换器并且可选地是诸如DSP芯片之类的数字信号处理单元)，其从检测器2接收它的输入，以及(iii)机械扫描器(参见图7)，用于在测试对象的表面上方物理地移动生成器1a和检测器2，以及(iv)软件例程，其能够在处理并整合幅度、时间和频谱数据流的同时控制信号生成器、信号分析硬件、扫描器。更具体地，使用傅里叶变换来对所接收的信号的频谱信息进行分析可以是感兴趣的。由于生成器和检测器两者的宽频谱带宽，许多频率可以被发射并同时被接收。因此，通过使用频谱分析作为信号处理的一部分，许多频带可以同时被研究。因此，可以避免多个连续的扫描过程(每一者使用不同的频率，如现有技术设备中所常见的)。这种控制单元12可以是IngenieurbueroDr.Hillger http://www.dr-hillger.de处可获得的商业可用设备(例如，Dr.HillgerUSPC 4000AirTech(扫描器)、Hill-Scan 3010(转换器)和Hilgus(软件))，或者其可以是专门建立的系统。控制单元12用电连接17连接到计算机系统18用于数据记录/记载、信号分析、经由监视器的进一步处理和显示。
图1中使用的其它参考标号：
1a：热声超声生成器
2：无膜且无谐振光学麦克风(超声接收器)
3：被测设备、测试对象、材料样本
4：光学屏蔽墙
5：从生成器1a、5b到接收器2的超声压力波5a
6：材料缺陷
10：测试环境中的介质：空气或其它气体或其它液体
12：控制单元
14：角度，超声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类似地与测试对象3的表面上的垂直线/法线成特定角度。该角度在图示中未被示出，并且可能取决于所示出的超声生成器角度14但是也取决于其它物理物质(例如，材料样本)而变化。在实践中用户将改变角度14以及接收器2的相应的角度，以使得所接收的信号是最大的或者接近最大。优选地，生成器1和/或接收器2在使用时在空间上被放置成相对于测试对象3的表面上的垂直面成角度14来面对测试对象3。根据本发明的可选特征，所述角度14可以针对生成器1和/或接收器2到测试对象3上的所述垂直表面的相对位置而变化。
17：电线
18：计算机系统
图1的设备的可能变体：
生成器1a和测试对象3之间或接收器2与测试对象3之间的角度14(更精确地：被发射的超声的轴与测试对象的表面法线之间形成的角度)可以被改变以便使某信号分量最大。注意，对超声测量领域技术人员来说，如图1中所指示的角度14不仅应用于其中指示了该角度14的具体元件，而是应用于所有相关角度。这包括从生成器到测试对象的表面的直线(发射方向)与从接收器(接收的方向)到测试对象的直线之间的角度。同样地，该装置中使用的任何其它元件中的角度可以被改变。根据对性能方面的期望效果，每个组件的角度可以相互之间相同或不同。为了改变所述角度，相对于测试对象3对生成器1a进行旋转，以使声波以不同的角度入射到测试对象，该不同的角度可以是0°(180°)和90°之间的更多任意角度。这同样地适用于接收器2和测试对象之间的角度。
生成器1a、接收器2和测试对象3之间的距离可以被改变以使某一信号分量最大。为了改变所述距离，生成器1a和接收器2被放置为在物理上更接近(例如，相距几毫米)彼此，或者被放置为远离(例如，相距数米)彼此。这同样分别适用于生成器和测试对象之间的距离，和/或接收器与测试对象之间的距离。
生成器1和接收器2可以被安装在一个载体上或者被安装在不同的载体上，并且生成器1a和接收器2甚至可以被放置在测试对象3的相对侧，导致传输设置测量。
图2(现有技术)在上半部分中示出从传统的200kHz压电式超声生成器发射的信号并在下面示出从传统的500kHz生成器(右)发射的信号。电刺激(粗线)和从压电式生成器发射的相对应的发射超声信号被示出。即使电刺激非常短(在该示例中，其长度为2μs)，所产生的声音信号仍可以具有数百μs的长度，这是因为压电式晶体显示出由于其自谐振导致的严重的振铃效应。
图2b示出从热声生成器发射的、由无膜且无谐振光学麦克风测量的声信号。电刺激(粗线)和相应的声信号被示出。热声生成器和光学麦克风都没有显示出自谐振行为，因为两种变换器都不是基于机械运动部件的，检测声压引起的气体或流体介质的折射率的改变。因此，所记录的信号非常短并且高度对应于电刺激。现有压电式接收器的传统状态不可能用于在不增加不期望的机械谐振效应的情况下进行检测。此外，传统的电容式麦克风将不具有足够的频率带宽(通常限制于140kHz)来记录该长度为2μs的短脉冲，其需要至少1/2μs＝500kHz的带宽。
图3示出可能采用以便辅助精确定向的激励空气压力波的聚焦实施例。优选地，生成器1b被构建为内凹的弯曲的生成器，其中特别地生成器1b具有抛物线型的发射元件。由于热声生成器1b使用μm级厚度的非常薄的箔的事实，它可以被形成弯曲形状的(特别是抛物线型)发射器。生成器1b还可以被安装在特别凹的发射器镜面的前面，该发射器镜面将超声波反射到测试对象上。因此，将所发射的超声信号聚焦到测试对象3上的小点是可能的。这允许更高的空间分辨率。接收器2可以经由薄的机械底座7被放置在生成器1b的前面，因为接收器的尺寸小并且大体不会遮蔽从生成器发射的信号。接收器通常包括中空腔或具有至少一个通孔15，在改进的变体中，所发射的来自生成器1b的声压波5可通过该中空腔或通孔向测试对象传播，并且所反射的声压波也可通过该中空腔或通孔传播。在图6中详细示出该通孔15。由于这种设置(其具有集成生成器和麦克风的方便的探针的形状)，该装置可具有非常小的物理尺寸。在极端情况下，生成器1b可以不大于检测器2的覆盖区。声波5应当通过检测器2被辐射，从而形成具有最小横向尺寸的装置。
图3中使用的其它参考标号：
1b：热声超声发射器/生成器
2：无膜且无谐振光学麦克风(超声接收器)
3：测试对象、材料样本
5：超声压力波
6：材料缺陷
7：机械底座
图3的设备的可能变体：
-生成器1b和测试对象3之间、或接收器2与测试对象3之间、或生成器与接收器之间的角度14(见图1)可以被改变以便使某信号分量最大。
-生成器1b、接收器2和测试对象3之间的距离可以被改变以使某一信号分量最大。
-生成器1b的表面形状可以被改变。根据所要求的声压级别，其可以更小或更大，或者其可以采用球面、平面、抛物镜面的形状或其它有用的形状以用于创建超声压力波的聚焦。
-接收器2的表面形状也可以被改变。根据所要求的检测器灵敏度，其可以更小或更大，或者其可以采用球面、平面、抛物镜面的形状或其它形状以用于将返回的声波引导或反射到光学麦克风的中空腔中。
-附加的镜面元件可以被放置在发射器1b或检测器2的前面(或后面)；另外，针对镜面元件的更完全的解释参考图4。这些镜面元件可以是平面的或具有弯曲表面(例如，抛物线形状)。如果需要，镜面可以包括用于声激励波传输的孔。
-接收器2可以经由机械底座7被安装在发射器1b的前面，使得空气压力波的发射方向和接收方向至少是大体平行的。
图4示出不同的装置，其中生成器1和接收器2可以被放置在测试对象3的相对侧，得到传输设置。除了也在此处的生成器1之外，可以使用替代的超声波源(激光器9)。要注意的是，生成器1和激光器9通常不同时使用，但它们可以分别替代彼此。此外，要注意的是，生成器1可以采用生成器1a的形状或生成器1b的形状，并且因此仅被称为生成器或发射器1。此外，对于使用由激光器9发射的激光光束8作为超声波生成的更详细的描述，参考图5。
图4中的参考标号：
1：热声超声生成器
2：无膜且无谐振光学麦克风(超声接收器)
3：测试对象、材料样本
4：光学屏蔽墙
5：超声压力波
6：材料缺陷
8：激光光束，在测试对象3的表面处生成热声冲击波5
9：激光器
11：镜面元件
图4的可能变体：
-生成器1b和测试对象3之间、或接收器2与测试对象3之间、或生成器与接收器之间的角度14(见图1)可以被改变以便使某信号分量最大。
-激光器9、接收器2和测试对象3之间的距离可以被改变以便使某信号分量最大。
-激光器9可以工作在不同的脉冲长度模式(ps、ns等)和不同的光学波长(例如，1064nm、532nm、远红外处等)。
-接收器2的表面形状可以被改变。根据所要求的检测器灵敏度，其可以更小或更大，或者其可以采用球面、平面、抛物镜面的形状或其它形状。
-附加的镜面元件11可以被放置在检测器2的前面(或后面)。这些镜面元件可以是平面的或具有弯曲表面(例如，抛物线形状)。如果需要，镜面可以包括用于声传输的孔。镜面元件用于以下目的：对于生成器1，可以以不定向的方式辐射声波。也即，不仅可以向测试对象3发射声波，还可以在其它空间方向发射声波。镜面收集这些声波并将它们聚焦到测试对象的表面或内部区域。因此，入射到测试对象的表面的声波密度被最大化，这在许多应用中是可取的。对于检测器2，目的类似：因为从测试对象3辐射的声波可以指向若干个空间方向并且可能由于不入射到检测器2而丢失。镜面元件11收集这些声波并将它们重定向到检测器的孔(中空腔15)。由于所反射的波需要经过的附加的路径长度，与到达检测器2而不经由镜面元件11绕道的直接声音相比，所反射的信号在时间上可被延迟。由于短的时间延迟，这例如可以是不重要的；或者，可以使用时间控制方法隔离随后的信号。此外，可以使用隔声罩4来屏蔽检测器2，使得没有信号入射到检测器2。另一可能性是远离这一位置(大量直接声音被从该位置发射到检测器)放置检测器，并且超声波的主要部分仅可经由镜面元件11到达检测器。
图5示出不同的变体装置，其中生成器不是热声生成器而是高强度激光器，工作在短脉冲模式9。所发射的激光光束8一接触测试对象3的介质就产生热声冲击波。如果激光光束在空气中被聚焦并具有足够能量，光束本身(没有除空气以外的其它介质)可以生成等离子放电，这导致冲击波。该冲击波是声波5，其然后被上述装置检测到。出于特定原因，如果超声波将不通过激光光束8与测试对象3的直接接触被生成(例如，当测试对象的材料对激光光束是透明的)，吸收目标13(其不透明)可以被引入到激光光束8中。该吸收目标13具有期望的吸收度(通常为高吸收度)并且将不被激光光束8损坏。它生成热声(超声)声波5，其具有与从生成器(5，图4)辐射的声波相似的属性。吸收目标13或吸收板也可以被放置在介质10中，或者甚至可以被埋藏在测试对象3内部。
图5中的其它参考标号：
2：无膜且无谐振光学麦克风(超声接收器)
3：测试对象、材料样本
4：光学屏蔽墙
5：超声压力波
6：材料缺陷
8：激光光束，在测试对象(3)的表面处生成热声冲击波5
9：激光器
11：镜面元件
13：吸收目标
图5的可能变体：
-发射器1b和测试对象3之间、或接收器2与测试对象3之间、或发射器与接收器2之间的角度14(见图1)可以被改变以便使某信号分量最大。
-激光器9、接收器2和测试对象3之间的距离可以被改变以便使某信号分量最大。
-激光器9可优选地被引导为同轴地沿接收器2的接收器路径，其中生成器光束与接收所反射的声波之间的角度实质上是0°。在该实施例中，来自生成器9的激光光束以及激光麦克风的激光通过一根或两根光纤被传送到保持激光器9和传感器2的单个载体7。优选地，所述载体可安装在扫描器设备上(图7)或甚至可以是手持式设备。
-激光器9可以工作在不同的脉冲长度模式(ps、ns等)和不同的光学波长(例如，1064nm、532nm、远红外处等)。
-激光器9和接收器2可以被放置在测试对象3的相对侧，导致传输设置测量。
-接收器2的表面形状可以被改变。根据所要求的检测器灵敏度，其可以更小或更大，或者其可以采用球面、平面、抛物镜面的形状或其它形状。
-附加的镜面元件11可以被放置在检测器2的前面(或后面)。这些镜面元件可以是平面的或具有弯曲表面(例如，抛物线形状)。如果需要，镜面可以包括用于激励声传输的孔。
图6示出无膜且无谐振光学麦克风的配置。声压5影响通孔15的光学属性，影响光学麦克风的激光光束16。
对于无膜且无谐振光学麦克风的配置的细节，也参见所公布的参考[11-13]。
标号2指示无膜且无谐振光学麦克风(超声接收器)；5指示超声压力波并且11指示镜面元件。
15指示麦克风中填充有任意的介质(根据需要，优选地像空气一样的气体介质或者像液体一样的流体介质，甚至可以使用其他介质)的通孔，16指示用于无膜且无谐振光学麦克风解调的激光光束。该激光光束由麦克风2上的激光二极管直接创建或可能优选地通过光纤被递送。
图7示出采用声音生成器和声音接收器的创造性组合的新扫描器系统，其中声音生成器由不依赖于机械可变形或振荡部件的无膜热声超声生成器制成，声音接收器由无需空气或气体耦合的脉冲回波布置中的任何谐振效应的无膜且无谐振光学麦克风制成。通过导轨21或类似的布置的帮助，沿移动21的方向在测试对象3(材料样本)的表面上移动包含生成器和接收器的测试系统19(参考图1、2、3和5的设备中的任何设备)。
图8示出示例性阵列系统。在该配置中，生成器包括两个、三个、或更多个发射元件1a。也见[14]，其通过引用被结合于此。这些发射元件1a可以被并排布置，或按如图8中所示出的同心方式被布置。通过控制单个元件之间的相位，这种所谓的相控阵配置允许将所发射的波束5定向到具体需要的空间方向。它还允许将超声压力波的波束5聚焦到测试对象3的表面。检测器2还包括两个、三个、或多个无膜且无谐振光学麦克风(超声接收器)。这种检测器配置允许对差分信号进行分析，或进一步提高信号与噪声比。它还可以被用于波束成形分析，或者本领域技术人员常用和公知的其它技术。
权利要求中描述和覆盖了其它设备/变体和方法。

Claims (22)

1.一种用于测试对象的机载超声测试系统，包括声音生成器(1、9)、声音接收器(2)、用于控制所述声音生成器(1、9)和所述声音接收器(2)两者的控制布置、以及连接到所述声音接收器(2)以显示来源于所述声音接收器(2)的信号的被测试的测试对象(3)的图像的计算机辅助测试结果界面，该系统的特征在于：在空气耦合或气体耦合的脉冲回波布置中或在空气耦合或气体耦合的传输模式布置中，所述声音生成器(1、9)是不依赖于机械可变形或振荡部件的无谐振热声超声生成器，所述声音接收器(2)是没有机械可变形部件的无膜且无谐振的基于激光器的光学麦克风，检测由声压引发的气体介质或流体介质的折射率的改变，
其中，所述声音生成器(1、9)被构建为脉冲激光器，该脉冲激光器发射具有小于1微秒的激励脉冲信号的类狄拉克激励激光脉冲。
2.如权利要求1所述的测试系统，其特征在于，声音屏蔽墙(4)被提供以使所述测试对象(3)的反射声波(5b)与所述声音生成器(1、9)的不需要的直接声波(5a)隔离开。
3.如权利要求1所述的测试系统，其中，所述声音生成器(1、9)和/或所述声音接收器(2)在使用时在空间上被放置为相对于所述测试对象(3)的表面的垂直平面成某一角度(14)来面对测试对象(3)，其特征在于所述角度(14)能够关于所述声音生成器(1、9)和/或所述声音接收器(2)到所述测试对象(3)的所述垂直平面的相对位置被改变。
4.如权利要求3所述的测试系统，其中，所述声音生成器(1、9)和/或所述声音接收器(2)在使用时在空间上通过机械底座(7)相对于所述测试对象(3)放置，所述机械底座(7)提供用于调整所述声音生成器(1、9)和所述声音接收器(2)与所述测试对象(3)之间的所述角度(14)和/或距离的装置。
5.如权利要求1所述的测试系统，其特征在于，所述无谐振热声超声生成器被构建为内凹的弯曲的生成器。
6.如权利要求5所述的测试系统，其特征在于，所述无谐振热声超声生成器具有抛物线型发射元件。
7.如权利要求5所述的测试系统，其中，所述无谐振热声超声生成器包含微米级厚度的箔并且被形成为抛物线型的发射器。
8.如权利要求5所述的测试系统，其中，所述无谐振热声超声生成器被安装在凹的发射器镜面的前面，该发射器镜面将超声波反射到所述测试对象上。
9.如权利要求1所述的测试系统，其特征在于，当使用时，所述声音接收器(2)经由机械底座(7)被安装在所述声音生成器(1、9)和所述测试对象(3)之间，其中所述声音接收器(2)包含中空腔或通孔，所发射的声波能够通过所述中空腔或所述通孔向所述测试对象(3)传播。
10.如权利要求1所述的测试系统，其特征在于，所述声音生成器(1、9)包含用于在使用时通过将短的高强度激光脉冲或若干个短的高强度激光脉冲分别应用或发射到所述测试对象的表面或任何吸收目标(13)上以在所述测试对象处或附近或在所述测试对象内创建热声超声波的装置，其中所述吸收目标(13)被引入到所述测试对象的所述表面与激光脉冲源之间、或被引入在所述气体介质或流体介质中、或被埋藏在所述测试对象(3)内部，其中，所述吸收目标(13)是光吸收物质。
11.如权利要求1所述的测试系统，其特征在于，所述声音生成器(1、9)是被引导为同轴地沿所述声音接收器(2)的接收路径的脉冲激光光束，其中生成器光束与接收所反射的声波之间的角度实质上为0°，其中来自所述声音生成器(1、9)的所述激光光束以及所述光学麦克风的激光通过一根或两根光纤被传送到保持所述声音生成器(1、9)和传感器的单个载体，其中所述载体安装在扫描器设备上或者其中所述载体是手持式设备。
12.如权利要求11所述的测试系统，其特征在于，具有多于一个声音生成器(1、9)和/或具有多于一个传感器的多于一个载体以阵列形式被提供。
13.如权利要求1所述的测试系统，其特征在于，至少一个反射镜面(11)被提供以分别将发射器声压波定向和/或聚焦到所述测试对象(3)上或从所述测试对象定向和/或聚焦到所述声音接收器(2)或该声音接收器(2)的中空腔上。
14.如权利要求13所述的测试系统，其中，所述反射镜面(11)包含用于声激励波传输的孔。
15.如权利要求1所述的测试系统，其特征在于，在所述测试对象(3)、所述声音生成器(1、9)和所述声音接收器(2)之间具有空气或气体以允许以热声方式发射的超声波(5)的传播的装置被提供。
16.如权利要求1所述的测试系统，其特征在于，所述声音接收器(2)经由机械底座(7)被安装在所述无谐振热声超声生成器的前面，使得空气压力波的发射方向和接收方向平行。
17.如权利要求1所述的测试系统，其特征在于，所述声音生成器(1、9)包含两个、三个或更多个超声发射元件(1a)，该超声发射元件(1a)被并排布置或以同心方式被布置为相控阵列配置，以便通过控制单个超声发射元件(1a)之间的相位来允许将发射的声波定向到具体需要的空间方向，其中所述相控阵列配置是可控制的以允许将所述发射的声波聚焦到所述测试对象(3)的表面上。
18.如权利要求1所述的测试系统，其特征在于，所述声音接收器(2)包含检测由声压引发的气体介质或流体介质的折射率的改变的两个、三个或更多个没有机械可变形部件的无膜且无谐振光学麦克风作为超声接收器和控制装置，这允许对差分信号进行分析或提高信号与噪声比。
19.一种用于采用声音生成器(1、9)和声音接收器(2)利用超声空气压力波对测试对象(3)进行测试的方法，其特征在于：在所述测试对象(3)的前面、在所述测试对象的表面上或在被放置在所述测试对象(3)前面、所述测试对象(3)的表面上或被埋藏在所述测试对象(3)内的吸收目标(13)处创建无谐振热声超声空气压力波的声音生成器(1、9)被选择，并且来自所述测试对象的反射超声空气压力波(5b)被作为声音接收器(2)的基于激光器的光学麦克风接收和检测，该基于激光器的光学麦克风没有机械可变形部件、检测由声压引发的气体介质或流体介质的折射率的改变，其中被检测的反射超声空气压力波(5b)被分析，
其中，所述声音生成器(1、9)被构建为脉冲激光器，该脉冲激光器发射具有小于1微秒的激励脉冲信号的类狄拉克激励激光脉冲。
20.如权利要求19所述的方法，其中，所述声音生成器(1、9)将短的高强度激光脉冲或若干个短的高强度激光脉冲发射到所述测试对象的表面或任何吸收目标(13)上，以在发射热声空气压力波时在这里创建热声冲击波，其中所述吸收目标(13)被引入到所述测试对象(3)的表面与激光脉冲源之间、或被引入在所述测试对象(3)内。
21.如权利要求19所述的方法，其特征在于，接收到的信号的频谱信息通过使用傅里叶变换用同时发射、接收、和分析许多频率的方式被分析。
22.如权利要求19所述的方法，其特征在于，接收到的信号的频谱信息通过使用频谱分析作为信号处理的一部分被分析。
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