了解Dolphitech的矩阵技术
从上个世纪中期至今，超声无损检测经历了长足的发展，在多个领域多种材料有着广泛的应用。早期的超声检测只使用一个超声换能器来接受时域回波信号，这种信号又称为A扫。这种检测方式现在统称为‘传统超声’。之后业界引入了一维线性探头，至今仍是相控阵探头中的主流设计。顾名思义，相控阵的意义在于超声激发设备可以控制矩阵内各个晶体的发射相位。通过延迟相邻晶体的发射时间，每个晶体的产生的声波在材料内发生相长干涉，形成聚焦或者新的传播角度。
Dolphitech在2010年前后推出了基于行阵列设计的矩阵成像（MAUT）探头。经过十数年的发展，矩阵成像已经成为被广泛接受的超声检测方法。美国材料实验协会在2023年新版的标准里就包含有相关标准：ASTM E3370-22‘航空航天应用中复合材料、夹层芯结构和金属的矩阵阵列超声试验的标准实施规程’。
矩阵超声 VS传统超声 VS线性相控阵超声
我们可以通过对比传统超声和线性相控阵超声来了解矩阵超声。首先我们看一下传统单晶超声。
图1–单晶超声探头的基本结构
图1展示了单晶超声探头的内部构造，其核心部分是压电陶瓷晶体。在压电陶瓷的上下两面各有一层导电层。上层的导电层连接激发和接收电路，然后通过开关控制在不同时间点与哪一个电路连接。下层导电层连接接地电路。
当高压电（比如100伏的方波）加载在上层导电层的时候，上层和接地的下层之间就形成了电位差。这种脉冲电位差会使压电陶瓷产生震动，这个震动就是超声波的形成。形成的超声波继续传播，首先经过延迟线，继而在检测材料里传播。所以延迟线作用是延迟声波传入检测样品的时间。
吸声层的作用类似于减震器，可以吸收并减少向‘后方’传播的声波，以避免生成多余的回波，影响测量数据。
当声波从材料内部反射回来的时候，会使压电陶瓷也产生震动。这个震动会使压电陶瓷同时生成一个微电压，并把这个电压传输到接收电路（此时前文提到的开关已经断开与激发电路的连接，变成和接收电路连接的状态）。这个微电压信号就是我们常说的A扫信号。
图2—不同种类的超声技术
图2对比了三种不同的超声技术，传统超声，线性相控阵和矩阵相控阵。在传统超声检测中，超声波由单个晶体发出并在材料里传播。在传统超声中，首先接收到的是界面波，它是声波从延迟线进入检测材料时，在界面产生的反射。如果在材料内部传播的声波没有遇到缺陷，第二个声波将是底面回波。如果超声在传播的途径中遇到缺陷并产生回波，缺陷产生的回波将早于底面回拨的传回探头。检测人员通常需要根据回波的时间，振幅和形态来判断缺陷的位置和类型。这个过程需要有经验的检测人员来完成。
一维相控阵探头的晶体成线性排列，所形成的A扫信号也并排分布。如果将每一个A扫的波幅大小转化成颜色，比如用深灰色代表高波幅值，浅灰色代表低波幅值，那么每个A扫就可以用一条由不同灰度组成的线条。这些并排的线条组合到一起便形成了一个灰度二维图像，也就是我们常说的B扫。每个B扫图都对应着材料中的一个纵切面，并以图象的形式显示这个切面上缺陷的深度和长度。通过B扫来识别缺陷要比传统A扫容易很多。
最后我们来看矩阵超声。矩阵超声的传感器在两个方向上（X和Y）按线性排列，所以A扫的分布可以覆盖一个区域面积，而不只是一条直线。这比起线性相控阵探头又多了一个维度，所以不仅可以实现B扫，还可以呈现C扫和3D成像。这使得数据分析更加容易，可以不需要有经验或者培训的检测人员，就能识别并确定缺陷的位置。
dolphicam2矩阵超声
dolphicam2的超声探头由128个条形发射电极和128个条形接收电极组成，接收电极和发射电极互相垂直排列，如图三和图四所示。在发射层和接收层之间，是一层可以生成超声波的压电材料。所以每一个发射电极和接收电极的交叉点，都会生成一个A扫信号。128个发射极和128个接收极可以生成16384个A扫，对应16384个信号源。Dolphicam2的大部分探头都含有128×128个信号源，这些探头的频率为2.5MHz，3.5MHz，5.0MHz，8.0MHz和10.0MHz。另外1.5MHz的探头有64×64个信号源，0.7MHz探头有32×32个信号源。
图三—dolphicam2探头—直角交叉电极和中间的压电层
图四—dolphicam2探头—交叉的行阵列电极组成的矩阵
矩阵成像
图五—dolphicam2检测碳纤维复材中的撞击伤损 A扫，垂直B扫，水平B扫，波幅C扫，飞行时间C扫，3D成像
Dolphitech在第一代产品dolphicam1之后，推出了第二代产品dolphicam2。图五展示了Dolphicam2矩阵超声可以显示的所有视图。案例图像来自于有撞击伤的碳纤维复材（CFRP），成像使用的探头有128×128，即16384个信号源。用户可以点击C扫，移动交叉线的位置，软件会自动根据交叉线的位置显示对应的A扫和B扫。同时C扫又分为波幅C扫和飞行时间C扫。示例中灰度图显示的是波幅C扫，清楚的展现了材料内部的回波强度；彩色图显示的是飞行时间C扫，可以清楚准确的体现在材料中的产生的回波的深度。示例中的3D成像则更直观的展现的缺陷的形态。
矩阵超声在NDT中的应用
Dolphicam2矩阵超声在不同的材料和行业中有着广泛的应用。其中一个主要应用是检测复材（包括碳纤维复材和玻璃纤维复材）中常见的伤损，如撞击伤，层裂，气孔。这些复材的应用涵盖航空航天，汽车制造和风力发电。除此之外，Dolphicam2的矩阵超声还可以用在金属检测中，比如管道和储蓄罐的内部腐蚀和粘接接头质量等。
以下两个例子来自于两个实际检测结果。图六为波音787机体上的撞击伤。该机机身意外被梯子撞到，导致了机身和加强筋脱粘。图七的案例也来自于航空业，检测样品是被腐蚀的3毫米厚的铝合金板。
图六–被撞击的波音787复材机身（梦幻客机）
C扫显示了机身和加强筋的脱粘部位
图七–飞机铝合金材料中的腐蚀
C扫显示了腐蚀的具体程度
