一次看懂超声波扫描显微镜(SAM)原理

为什么超声波能够用于精密检测？

在同一种介质中，声速通常基本稳定，因此频率越高，波长越短。较短的波长通常具有更高的分辨能力，更有利于识别微小结构，超声扫描显微镜通常采用MHz级高频超声。

超声为什么能发现材料内部异常？

为了使超声波稳定进入样品，SAM通常采用水作为耦合介质。如果探头与样品之间存在空气，超声波会在空气界面产生强烈反射，难以有效进入样品。相比空气，水能够显著减少探头与样品之间的声能损失，为超声波进入样品建立稳定的耦合通道。检测过程中，探头向样品发射超声脉冲。声波进入材料后，会在样品表面、不同结构界面或异常区域发生反射，也可能继续向前透射。系统接收这些信号，并将其转换成可以分析的电信号。根据信号的采集位置、返回时间和显示方式不同，便形成了A扫、B扫、C扫和T扫等不同结果。

A扫：记录一个测点的回波信息

系统记录一个测点上回波返回的时间和幅值，形成一条完整的回波波形，这就是A扫（A-Scan）。

A扫的横坐标通常表示时间，也可以根据材料声速换算成深度。纵坐标表示回波幅值，即反射信号的强弱。由于超声波在材料中的传播速度已知，系统可以根据回波返回时间，判断不同界面所对应的深度位置。需要注意的是，A扫不是材料内部的照片，而是一个测点上的超声信号记录。

B扫：沿扫描方向形成剖面图

当探头沿一条直线移动，并在连续位置采集A扫数据时，系统会将扫描位置与回波深度信息进行组合，形成B扫（B-Scan）。

B扫通常用于观察材料内部沿某一截面的结构变化。它可以理解为：将一系列连续位置的A扫，按照扫描顺序排列，形成一张内部剖面图。

C扫：提取某一深度范围形成平面图

当探头在样品表面进行二维扫描时，每一个XY位置都会采集相应的A扫数据。系统通过设置时间门，提取某一深度范围内的回波特征，再按照各测点的XY坐标进行排列，就形成了C扫（C-Scan）。

C扫的横轴和纵轴分别对应样品表面的X、Y位置，图像颜色则反映所选时间门内的回波幅值或其他信号特征。因此，C扫能够直观显示某一界面或深度范围内异常信号的位置、范围与分布情况，也是SAM*常见的成像方式之一。

需要注意的是，C扫中的颜色并不直接等于缺陷大小或严重程度。图像颜色还会受到声阻抗差异、探头频率、增益、聚焦状态和异常方向等多种因素影响，通常需要结合A扫、样品结构和检测参数进行判断。

T扫：根据透射信号形成平面图

T扫（T-Scan）采用透射检测方式，通常由发射探头和接收探头分别布置在样品两侧。

发射探头向样品发出超声波，接收探头记录穿过整个样品后的透射信号。在二维扫描过程中，系统记录每一个XY位置上的透射信号强弱，再按照位置进行排列，形成透射图像。透射信号较弱的区域，可能意味着超声传播过程中发生了较强反射、散射或衰减。

与反射式C扫相比，T扫反映的是超声波穿过样品后的整体能量变化。它能够显示异常区域的平面位置，但通常不能像反射式检测那样，直接根据回波时间判断异常位于哪一层。

多层扫描

一条A扫中，通常包含来自多个深度界面的回波。系统可以设置时间门（Gate），只提取某一段时间范围内的回波信号。由于回波时间可以对应材料中的深度，因此时间门实际上决定了系统正在观察哪个界面或深度范围。

当设置多个时间门时，系统就可以分别提取多个深度范围内的回波信息，并形成相应的C扫描图像，这种方式通常称为多层扫描（Multi-layer Scan）。

在扫描参数和数据采集范围满足要求的情况下，系统可以基于一次采集的A扫数据，通过设置不同时间门，提取多个深度范围的信息。因此，多层扫描并不是将样品真正“逐层切开”，而是根据回波返回时间，对不同深度的信息进行选择、提取和成像。

从一个测点的A扫，到剖面成像的B扫、平面成像的C扫、透射成像的T扫，再到多层扫描，本质上都是对超声信号进行采集、提取、组织和显示，从不同角度反映材料内部状态。

从山谷中的一声回响，到蝙蝠利用回波感知世界，再到超声扫描显微镜呈现材料内部结构，背后的基本逻辑始终没有改变：发出声波，接收信号，再从信号中获取信息。

SAM并不是像相机一样直接拍摄材料内部，而是利用超声波与不同界面的相互作用，获取反射或透射信号，再通过信号处理与成像技术，将原本不可见的内部结构转化为可分析的图像。

每一幅图像背后，都源自超声波与材料内部结构的一次“对话”。