日本东北大学（Tohoku University）研究人员与美国洛斯阿拉莫斯国家实验室（Los Alamos National Laboratory）合作开发的一种新系统，称为“压电和激光超声系统”(Piezoelectric and Laser Ultrasonic System, PLUS），可以拍摄固体的3D高分辨率图像，以检测金属结构中的缺陷，可用于增强发电厂和飞机的安全性。该方法发表在《Applied Physics Letters》上。

图1. 分支应力腐蚀裂纹的高分辨率三维成像结果。图片来源：东北大学

当前可用的“超声相控阵”系统已在材料表征和成像等无损评估领域中得到广泛采用，尽管许多缺陷显示出复杂的三维结构，但大多数超声相控阵系统仅提供二维图像。这些设备是由压电一维阵列换能器制成，该换能器具有数量有限的单个元件（最多128个）。压电元件中的电脉冲被转换成机械振动，向研究的材料发射超声波。超声波从内部缺陷反射回来，转换成电信号，电信号可以被转换成二维图像。

所提出的压电和激光超声系统（PLUS）结合了压电发射器，使用激光多普勒振动计接受压电换能器在材料中产生的波，对待检结构进行检测，创建一个无接触的接收点矩阵阵列从而获得良好的2D扫描区域。由于这一过程，它接收到的散射波和反射波的“点”比压电阵列换能器能接收到的多得多。压电发射器的发射可补偿激光多普勒测振仪固有的低灵敏度。激光多普勒振动计接收到的信息由示波器传输到计算机，在制定PLUS的3D成像算法后，研究人人员证明了具有4096个接收点（即64 x 64个点）的PLUS在具有平底孔的样品中实现了高分辨率3D成像。同时，他们还可视化了应力腐蚀裂纹的复杂结构。

图2. 高分辨率三维超声成像系统（PLUS）示意图。图片来源：东北大学

Ohara说：“由于超声波相控阵的元件有限，处于超声检查前沿的超声相控阵只能提供2D图像。PLUS通过结合激光多普勒振动计的2D扫描功能与压电阵列换能器相结合，使得的成千上万个元件成为可能。”

尽管仅对金属材料中的缺陷进行了测试，但Ohara表示，只需将相控阵发射器更改为发射不同范围超声波频率的发射器，他们的技术就可以应用于其他的材料，包括混凝土和岩石。

但是，该技术的缺点之一是数据采集和处理时间长，需要几个小时。这可以通过采用高速模数转换器代替示波器，使用更灵敏的激光多普勒振动计，利用不同的成像算法并采用图形处理单元来缩短此时间。

研究人员认为PLUS的3D成像能力可能会为准确评估材料强度，识别缺陷类型以及阐明缺陷引发机制开辟新途径。

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