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超聲檢測(cè)技術(shù)的起源與發(fā)展歷程
縱觀歷史，任何一項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展從來(lái)不是一蹴而就，超聲波檢測(cè)技術(shù)從初識(shí)到被廣泛認(rèn)可，從A超再到近些年來(lái)如火如荼的超聲波衍生檢測(cè)技術(shù)，如TOFD、超聲相控陣、導(dǎo)波等技術(shù)的成功應(yīng)用，期間經(jīng)歷了一段漫長(zhǎng)而又艱辛的發(fā)展歷程，凝聚了數(shù)輩人無(wú)數(shù)的心血和智慧。
一、超聲波檢測(cè)技術(shù)起源
回顧超聲波檢測(cè)技術(shù)的起源，還得將歷史時(shí)針撥回到“超聲波”被發(fā)現(xiàn)的那段神奇又美妙的時(shí)光。1793年夏天，意大利科學(xué)家拉扎羅·斯帕拉捷（Lazzaro Spallanzani），一次無(wú)意中的發(fā)現(xiàn)，好奇心驅(qū)動(dòng)他揭露了蝙蝠的飛行秘密——原來(lái)蝙蝠是靠聽(tīng)覺(jué)來(lái)辨別方向、確認(rèn)目標(biāo)的！為后人研究“超聲波”提供了理論基礎(chǔ)和指導(dǎo)方向，也為人們帶來(lái)巨大的恩惠。后來(lái)人們繼續(xù)研究，終于弄清楚其中奧秘，“超聲波”神秘面紗逐漸被揭開(kāi)。
1830年，法國(guó)科學(xué)家菲利克斯·薩伐爾（Félix Savart），利用巨大的齒輪控制“沙伐音輪”旋轉(zhuǎn)的角速度，使之發(fā)出各種特定頻率的聲音，并產(chǎn)生了頻率24000Hz的聲波，是人類(lèi)第1次利用人工機(jī)械技術(shù)產(chǎn)生的超聲波。1876年，英國(guó)科學(xué)家弗朗西斯·高爾頓（Francis Galton）利用氣哨實(shí)驗(yàn)，產(chǎn)生了高達(dá)30000Hz的超聲波，從此超聲波開(kāi)始來(lái)到人們的視野中。
1880年，法國(guó)物理學(xué)家皮埃爾·居里（Pierre Curie）、雅克·居里（Jacques Paul Curie）兩兄弟發(fā)現(xiàn)電氣石具有壓電效應(yīng)。1881年，他們通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了逆壓電效應(yīng)，并得出了正逆壓電常數(shù)。后來(lái)人們根據(jù)壓電效應(yīng)原理研究出利用電子技術(shù)產(chǎn)生超聲波的方法，從此迅速揭開(kāi)了發(fā)展與推廣超聲技術(shù)的歷史新篇章。
1912年4月14日，載著2224名船員和旅客被稱(chēng)作“yongbuchenmo”的泰坦尼克號(hào)在大西洋中撞擊冰山發(fā)生沉船事故，導(dǎo)致船上1519人遇難，泰坦尼克號(hào)沉沒(méi)的消息震驚了整個(gè)西方世界。至此引起科學(xué)界的高度注意，隨后科學(xué)家們提出利用超聲波探測(cè)水下的冰山，超聲波技術(shù)再次引起人們的思考。1916年，正直于第1次世界大戰(zhàn)間，為了偵測(cè)敵軍水下潛艇，法國(guó)物理學(xué)家保羅·朗之萬(wàn)（Paul Langevin）領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)小組展開(kāi)了水下潛艇聲吶技術(shù)的研究，小組針對(duì)石英壓電晶體振動(dòng)的研究，成功獲取了在水中傳播的超聲波，利用超聲波探測(cè)水下潛艇并確定其位置。朗之萬(wàn)研究小組成功的將超聲波應(yīng)用到實(shí)際中，其研究成果為聲吶技術(shù)奠定了基礎(chǔ)，同時(shí)對(duì)超聲波的研究得以進(jìn)一步的促進(jìn)。
1926年，美國(guó)物理學(xué)家羅伯特.威廉姆斯.伍德（Robert Williams Wood）和阿爾弗雷德.李.魯密斯（Alfred Lee Loomis）借鑒前輩保羅·朗之萬(wàn)等人的研究成果，合作研究高功率的超聲波實(shí)驗(yàn)。幾年的努力，共同發(fā)表了數(shù)篇關(guān)于高頻聲波物理能量的文獻(xiàn)，為功率超聲領(lǐng)域打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
1929年，前蘇聯(lián)學(xué)者索科洛夫（Sokolov）發(fā)表了一篇關(guān)于超聲波振蕩在各種物體中傳播問(wèn)題的文章，提出利用超聲波良好的穿透性來(lái)檢測(cè)不透明物體內(nèi)部缺陷的設(shè)想。1935年，索科洛夫在蘇聯(lián)發(fā)表討論金屬材料內(nèi)部缺陷探傷的著作，著作中描述利用超聲波穿透法進(jìn)行的試驗(yàn)結(jié)果，同年申請(qǐng)了穿透法zhuanli。第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)后，市面上出現(xiàn)了基于索科洛夫原理制造的超聲波穿透法檢測(cè)儀器。但由于該檢測(cè)儀器的發(fā)射和接收探頭需放置在試件兩側(cè)，并始終保持探頭位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系，同時(shí)對(duì)缺陷檢測(cè)靈敏度很低，其應(yīng)用范圍受到極大限制。雖然該設(shè)備并未在市場(chǎng)上普及和推廣，但是穿透法檢測(cè)儀器誕生標(biāo)志著超聲波檢測(cè)技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域*被應(yīng)用，也是工業(yè)超聲檢測(cè)技術(shù)發(fā)展的重要?dú)v史轉(zhuǎn)折點(diǎn)。
1940年，美國(guó)人Firestone*介紹了基于脈沖發(fā)射法的超聲檢測(cè)儀器，并在之后的幾年進(jìn)行了試驗(yàn)和完善。1946年，英國(guó)人D.O.Spronle研制成功第1臺(tái)A型脈沖反射式超聲波檢測(cè)儀。該檢測(cè)儀的工作原理是從物體的同一側(cè)發(fā)射和接收超聲波，能夠檢測(cè)出物體內(nèi)部細(xì)微缺陷，并能夠較準(zhǔn)確的確定缺陷位置和測(cè)量缺陷尺寸。不久，美國(guó)和英國(guó)分別開(kāi)發(fā)出更先進(jìn)的A型脈沖反射式超聲波檢測(cè)儀，使超聲檢測(cè)成為一種實(shí)用的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。1950年后，A型脈沖反射式超聲波檢測(cè)儀已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)國(guó)家的鋼鐵冶煉、機(jī)械制造和船舶制造等領(lǐng)域的鑄鍛鋼件和厚壁鋼板的檢測(cè)。
20世紀(jì)60年代，隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，以前制約儀器電子性能的很多指標(biāo)，如放大線性、動(dòng)態(tài)范圍、靈敏度余量和當(dāng)量讀數(shù)精度等主要技術(shù)指標(biāo)都取得了突破性進(jìn)展，超聲波檢測(cè)儀器的性能也得到了大幅度的提升。1964年，德國(guó)KK（KrautKramer）公司成功研制小型超聲波檢測(cè)儀，開(kāi)啟了近代超聲檢測(cè)技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的新紀(jì)元。
20世紀(jì)70年代末，微處理器的出現(xiàn)，使數(shù)字集成電路性能產(chǎn)生質(zhì)的飛躍，同時(shí)為超聲波檢測(cè)儀器設(shè)備的發(fā)展提供了新的便利條件。發(fā)達(dá)國(guó)家推出計(jì)算機(jī)輔助的自動(dòng)超聲檢測(cè)裝置，主要應(yīng)用于形狀相對(duì)規(guī)則的物體檢測(cè)。與此同時(shí)，國(guó)外還相繼開(kāi)展了信號(hào)處理技術(shù)的研究。1983年，德國(guó)KK公司推出了第1臺(tái)便攜式USD-Ｉ型數(shù)字化超聲波檢測(cè)儀。盡管其體積較大，重量較重，與目前使用的儀器相比功能還不完善。但USD-Ｉ的問(wèn)世，標(biāo)志著超聲波檢測(cè)儀開(kāi)始進(jìn)入數(shù)字化時(shí)代。隨著數(shù)字式超聲檢測(cè)儀器的不斷發(fā)展，模擬式超聲檢測(cè)儀逐漸被取代，模擬機(jī)成為了超聲檢測(cè)發(fā)的一個(gè)不磨滅符號(hào)。
邁入21世紀(jì)后，常規(guī)超聲波檢測(cè)技術(shù)達(dá)到一定成熟階段，但由于該技術(shù)存在特定的限制，已經(jīng)面臨著新的發(fā)展瓶頸，致使超聲波衍生檢測(cè)新技術(shù)獲得快速進(jìn)步和廣闊的發(fā)展空間。
二、超聲波衍生檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展
TOFD檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展始于上個(gè)世紀(jì)70年代。1970年，Miller*發(fā)表關(guān)于發(fā)現(xiàn)裂紋衍射信號(hào)的文獻(xiàn)，但他未能識(shí)別出該信號(hào)，與TOFD發(fā)明失之交臂。1977年底，為了更精確地對(duì)缺陷進(jìn)行定量研究，英國(guó)Maurice Silk博士首先提出TOFD檢測(cè)技術(shù)。在同一時(shí)期，我國(guó)中科院也檢測(cè)出裂紋衍射信號(hào)，并總結(jié)出利用衍射信號(hào)測(cè)量裂紋高度的方法，但并未邁入TOFD檢測(cè)技術(shù)行列。隨后幾年，數(shù)字化技術(shù)的高速發(fā)展，也是TOFD技術(shù)發(fā)展活躍的時(shí)期。1982年英國(guó)首先研制出可用于現(xiàn)場(chǎng)的TOFD檢測(cè)儀器，同時(shí)英國(guó)BS7706:1984標(biāo)準(zhǔn)的頒布與實(shí)施，為該技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展夯實(shí)了基礎(chǔ)。其后幾年，歐洲和美國(guó)陸續(xù)出臺(tái)了一系列TOFD檢測(cè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和儀器設(shè)備，為T(mén)OFD檢測(cè)技術(shù)推廣和應(yīng)用鋪開(kāi)了一條嶄新的大道。
超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展要早于TOFD，初期主要應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域。1959年，Tom Brown研制出了*超聲相控陣檢測(cè)系統(tǒng)，并申請(qǐng)了zhuanli。20世紀(jì)70年代，市場(chǎng)上出現(xiàn)第1臺(tái)醫(yī)用超聲相控陣檢測(cè)系統(tǒng)，由于相控陣檢測(cè)系統(tǒng)復(fù)雜、成本高昂、技術(shù)不足等原因，使其在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用和發(fā)展受到限制。直到80年代，真正意思上的第1臺(tái)工業(yè)用超聲相控陣檢測(cè)設(shè)備研制成功。1992年，美國(guó)通用電氣公司（GE）研制成功了數(shù)字式超聲相控陣實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)，隨后的十余年，美國(guó)、法國(guó)、英國(guó)、加拿大、德國(guó)等西方發(fā)達(dá)國(guó)家相繼研制出功能更完善、應(yīng)用范圍更廣的超聲相控陣檢測(cè)系統(tǒng)和設(shè)備。目前，超聲相控陣檢測(cè)的研究主要集中在新型相控陣探頭的開(kāi)發(fā)及優(yōu)化、針對(duì)不同檢測(cè)對(duì)象的檢測(cè)方法的研究、數(shù)據(jù)處理、缺陷分析等方面。
近些年來(lái)，其他超聲波衍生技術(shù)的發(fā)展猶如雨后春筍般出現(xiàn)，導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)、電磁超聲檢測(cè)技術(shù)、超聲三維成像技術(shù)、可記錄式自動(dòng)超聲檢測(cè)等新技術(shù)已經(jīng)被成功應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域的工業(yè)檢測(cè)中，超聲波檢測(cè)技術(shù)正朝著分支更細(xì)、應(yīng)用更廣的垂直領(lǐng)域發(fā)展。
三、國(guó)內(nèi)超聲檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展
解放前，我國(guó)很長(zhǎng)一段時(shí)間處于混沌狀態(tài)，技術(shù)落后。新中國(guó)成立初期，國(guó)內(nèi)各行各業(yè)面臨百?gòu)U待興，無(wú)損檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域仍處于一片空白，初，中國(guó)的超聲檢測(cè)技術(shù)發(fā)展借鑒了西方發(fā)達(dá)國(guó)家的成功經(jīng)驗(yàn)。
1952年鐵道科學(xué)院孫大雨參照蘇聯(lián)УЗД－12型儀超聲波檢測(cè)儀仿制成功，標(biāo)志著我國(guó)邁出了超聲波檢測(cè)儀研制的第1步。1953年，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春機(jī)電研究所笪天錫和向明等人臨危受命，組成了儀器研制攻堅(jiān)小組，初仿制加拿大制造的超聲波檢測(cè)儀，于1954年仿制成功。1953年江南造船廠開(kāi)始吳繩武等人參照從蘇聯(lián)引進(jìn)的超聲波檢測(cè)儀進(jìn)行學(xué)習(xí)和研究，自行設(shè)計(jì)電路，同時(shí)燒制鈦酸鋇壓電陶瓷，于1955年成功研制江南Ｉ型超聲波檢測(cè)儀，標(biāo)志著我國(guó)第1代定型超聲波檢測(cè)儀的誕生。1980年，汕頭超聲推出CTS-22型超聲波檢測(cè)儀，其主要技術(shù)指標(biāo)已達(dá)到同類(lèi)產(chǎn)品的水平，并在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間成為我國(guó)超聲波檢測(cè)儀的主流產(chǎn)品。1988年，中科院武漢物理所成功研制國(guó)內(nèi)數(shù)字化超聲波檢測(cè)儀的原理樣機(jī)，第二年，成功研制國(guó)內(nèi)臺(tái)全數(shù)字化超聲波檢測(cè)儀。從1993年開(kāi)始，國(guó)內(nèi)涌現(xiàn)出許多的儀器設(shè)備生產(chǎn)廠家，國(guó)產(chǎn)數(shù)字式超聲波檢測(cè)設(shè)備百花齊放的呈現(xiàn)。
以此同時(shí)，國(guó)內(nèi)的其他超聲檢測(cè)新技術(shù)踏入了蓬勃發(fā)展階段，自1990年以來(lái)，我國(guó)無(wú)損檢測(cè)研究和從業(yè)人員高度重視TOFD這項(xiàng)技術(shù)，并開(kāi)始研究和嘗試應(yīng)用于工程檢測(cè)。2003年，*1重型機(jī)械集團(tuán)公司將TOFD技術(shù)應(yīng)用于神華煤液化工程中壁厚300mm的加氫反應(yīng)器的檢測(cè)中，是國(guó)內(nèi)早應(yīng)用TOFD技術(shù)的企業(yè)，并申請(qǐng)和制定了企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
國(guó)內(nèi)超聲相控陣技術(shù)及儀器設(shè)備的研究腳步遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于歐美發(fā)達(dá)國(guó)家，但也有部分高校、研究機(jī)構(gòu)、設(shè)備廠家做了深入的研究，取得了顯著成果。我國(guó)早在2001年將超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于西氣東輸?shù)墓こ添?xiàng)目中，但是使用的相控陣檢測(cè)設(shè)備卻是加拿大R/D Tech公司生產(chǎn)的。直到2010年后，國(guó)內(nèi)超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)發(fā)展迅速，幾大生產(chǎn)廠家陸續(xù)研制出國(guó)產(chǎn)超聲相控陣檢測(cè)設(shè)備，近幾年，國(guó)產(chǎn)超聲相控陣設(shè)備的性能基本接近了水平。
超聲檢測(cè)技術(shù)發(fā)展與進(jìn)步離不開(kāi)設(shè)備的支持，每一次技術(shù)突破都凝聚了前人大量的汗水和智慧。據(jù)了解，有部分研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)著手研究物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、人工智能等技術(shù)在超聲檢測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用的研究，并在醫(yī)療檢測(cè)領(lǐng)域成功應(yīng)用。伴隨著科技發(fā)展的趨勢(shì)，在未來(lái)發(fā)展中，或許會(huì)將更多的現(xiàn)代高科技產(chǎn)物更廣闊的應(yīng)用于工業(yè)檢測(cè)領(lǐng)域，就讓我們拭目以待。