Piezoelektrisk og laser ultralydssystem tager 3-D ultralydsbilleder af faste stoffer

Et nyt system, udviklet af Tohoku University-forskere i Japan i samarbejde med Los Alamos National Laboratory i USA, tager 3-D-billeder, der kan detektere defekter i metalliske strukturer. Tilgangen blev offentliggjort i tidsskriftet Anvendt fysik bogstaver og kunne øge sikkerheden i kraftværker og fly.

Yoshikazu Ohara og kolleger ved Tohoku University bruger ikke-destruktive teknikker til at studere strukturer, og ønskede at finde en måde at producere 3-D billeder af strukturelle defekter. De udviklede en ny teknologi, kaldet det piezoelektriske og laser ultralydssystem (PLUS), der kombinerer styrkerne ved to forskellige enheder til at producere højopløselige 3D-billeder af defekter i metalliske strukturer

"Vi tror på, at PLUS vil bane vejen for nøjagtig evaluering af materialestyrke, identifikation af defekter, og finde ud af, hvordan defekter oprindeligt begyndte at dannes, " siger Ohara.

Aktuelt tilgængelige "ultrasonic phased arrays" er et kraftfuldt værktøj til billeddannelse af interne defekter i faste stoffer, men kun i to dimensioner. Disse enheder er lavet af en piezoelektrisk endimensionel array-transducer med et begrænset antal individuelle elementer - op til 128. Elektriske impulser i de piezoelektriske elementer konverteres til en mekanisk vibration, der udsender ultralydsbølger ind i materialet, der undersøges. Ultralydsbølger reflekteres tilbage fra interne defekter og omdannes til elektriske signaler, der kan oversættes til et 2-D-billede.

I PLUS, bølgerne genereret i et materiale fra en piezoelektrisk transducer med et enkelt element modtages af et laser-dopplervibrometer, som bevæger sig rundt i materialets overflade for at få en god 2-D scanning af området. Som et resultat af denne proces, den modtager de spredte og reflekterede bølger ved et meget større antal "punkter" end dem, der kan modtages af en piezoelektrisk array-transducer. Informationen modtaget af laser-dopplervibrometeret overføres med et oscilloskop til en computer, hvor det behandles af en billedalgoritme og konverteres til et 3-D billede.

"Ultrasoniske fasede arrays, som er på forkant med ultralydsinspektion, kan kun levere 2D-billeder på grund af deres begrænsede antal elementer, " siger Ohara. "PLUS gør det muligt at have tusindvis af elementer som et resultat af at inkorporere 2-D-scanningen af ​​et laser-dopplervibrometer i stedet for en piezoelektrisk array-transducer."

Selvom det kun er testet på defekter i metalliske materialer, Ohara siger, at deres teknologi kan anvendes på andre materialer, herunder beton og sten, simpelthen ved at ændre den fasede array-sender til en, der udsender et andet område af ultralydsfrekvenser.

En ulempe er den lange dataindsamling og behandlingstid, hvilket tager flere timer. Imidlertid, dette kan forkortes ved at anvende en højhastigheds analog-til-digital-konverter i stedet for oscilloskopet, ved at bruge et mere følsomt laser-dopplervibrometer, ved at bruge forskellige billedalgoritmer, og anvendelse af en grafisk behandlingsenhed.