有关全聚焦方式（TFM）的常见问题解答

Frage: Was ist TFM und in welcher Verbindung steht sie zu FMC?

Antwort: Die Total Focusing Method (TFM) basiert auf dem gleichen Steuer- und Fokussierprinzip wie die herkömmliche Phased-Array-Ultraschallprüfung (PAUT). Mit TFM erfolgt die Fokussierung jedoch im gesamten Prüfbereich (TFM-Bereich), nicht nur in einer festgelegten Tiefe. Bei der TFM könnten theoretisch fokussierte Schallwellen zu allen Positionen im Prüfbereich übertragen werden, der für einen solchen Erfassungszyklus erforderliche Zeitaufwand ist jedoch erheblich.

Da für ZfP-Anwendungen lineare Schallwellen verwendet werden, kann die physikalische Überlagerung von Schallwellen beim Senden und Empfangen ein bestimmtes Schallbündel erzeugen (Schallbündelbildung), das durch eine Summierung nach der Erfassung repliziert werden kann. Bei der synthetischen TFM-Schallbündelbildung, die der physikalischen Schallbündelbildung entspricht, müssen alle rohen A-Bilder der Sender- und Empfängeraperturen eines Sensors erfasst werden. Ohne einen kompletten Datensatz von rohen A-Bildern können nicht alle fokussierten Schallbündel berechnet werden. Zur Erfassung dieses Datensatzes wird dann die FMC-Datenerfassung (Full Matrix Capture) verwendet.

Frage: Wie funktioniert TFM?

Antwort: Zuerst gibt der Prüfer die Parameter des TFM-Prüfbereichs ein, der den tatsächlichen Prüfbereich darstellt. Der TFM-Bereich ist unterteilt in ein Raster, wobei die Größe jeder Position (oder Pixels) (Rasterauflösung) in dem Raster vom Prüfer festgelegt wird. Um aussagekräftige Ergebnisse mithilfe der FMC-Daten zu erzielen, fügt der TFM-Algorithmus Schlüsselvariablen (wie den akustischen Ausbreitungsmodus und die Auflösung) ein, was die Daten in Wellengruppen unterteilt. Mit der Wellengruppe TT-T wird beispielsweise eine gepulste Transversalwelle von der Innenfläche reflektiert, bevor sie jedes Pixel im ROI erreicht, und dann als Transversalwelle auf einem direkten Weg von jedem Pixel auf das Empfängerelement trifft.

Einstellen der Parameter des TFM-Prüfbereichs

Frage: Was ist FMC und wie funktioniert es?

Antwort: Die Schallwellenerfassung mittels FMC (Full Matrix Capture) ergibt einen FMC-Datensatz. Der FMC-Datensatz ist die Sammlung aller Kombinationen von empfangenen rohen A-Bildern, die aus der Übertragung jedes Elements eines Phased-Array-Sensors oder einer Anordnung von Sensoren erhalten werden. Bei der Methode sendet jedes Sensorelement nacheinander einen Impuls, während alle anderen Elemente die zurückkehrenden Schallwellen empfangen.

Schauen Sie sich das Video zur Funktionsweise von FMC und TFM an.

Frage: Warum wird die TFM zur Verarbeitung von FMC-Datensätzen verwendet?
Oder anders formuliert:
Frage: Warum wird FMC zur Erzeugung von TFM-Bildern verwendet?

Antwort: Der FMC-Datensatz kann mit jedem Verfahren zur Schallbündelbildung verarbeitet werden. Rohe FMC-Daten (rohe A-Bilder) können z. B. zur synthetischen Nachbildung einer typischen Phased-Array-Erfassung (PA) verwendet werden. Die PA-Schallbündelbildungsmethode fokussiert das Schallbündel jedoch nur in einer präzisen Tiefe im Prüfteil, während TFM die Darstellung der akustischen Amplitude des gesamten Prüfbereichs (TFM-Bereichs) ermöglicht, wobei jede Pixelposition in diesem Bereich fokussiert ist. Die Möglichkeit, einen vollständig fokussierten Bereich zu erhalten, ist der Hauptgrund für die Verwendung von TFM zur Verarbeitung von FMC-Daten.

Und umgekehrt, um TFM-Bilder mit einer für ZfP-Anwendungen effizienten Erfassungsrate zu erhalten, muss die FMC-Erfassung verwendet werden. Die Berechnung des TFM-Bildes erfordert den gesamten Satz roher A-Bilder für die Apertur. Derselbe FMC-Datensatz kann die Grundlage mehrerer TFM-Bilder aus verschiedenen Wellengruppen sein.

Frage: Kann auf rohe unverarbeitete FMC-Datensätze (Full Matrix Capture) im OmniScan X3 Prüfgerät zugegriffen werden?

Antwort: Zum Zeitpunkt der Veröffentlichung dieses Blogartikels ist kein Zugriff möglich. Behalten Sie die Website aber im Auge, denn es werden stets neue Lösungen für die OmniScan X3 Serie entwickelt!

Frage: Welcher akustische Ausbreitungsmodus sollte zur Bildgebung eines vertikalen Reflektors verwendet werden?

Antwort: Einige Modi (oder Wellengruppen) scheinen sich besser für vertikale Reflektoren zu eignen als andere. Wie empfehlen, mit dem Self-Tandem-Modus unter der Verwendung der Wellengruppe TTT-TT oder TT-T zu beginnen. Das Problem ist jedoch, dass eine Wellengruppe normalerweise nur eine Teilansicht eines vertikalen Reflektors liefert. Zusätzliche Wellengruppen, wie der TL-T-Modus, können dabei helfen, die Bildlücken zu füllen, die der gewählte Modus geschaffen hat, wohingegen Impuls-Echo-Wellengruppen, wie T-T und TT-TT, zur Erkennung von Kantenechos und der Spitze bei Risstiefenmessung verwendet werden können.

Eine Bildverarbeitungs- und Erkennungsmethode kann mit der AIM-Funktion (Acoustic Influence Map) des OmniScan X3 Prüfgeräts zusammen mit verschiedenen Nachweistests kombiniert werden, um die Vor- und Nachteile jedes Ausbreitungsmodus vollständig zu charakterisieren und zu verstehen. Beachten Sie dabei, dass die Verwendung von Self-Tandem-Modi eine Herausforderung darstellen kann, da die Dicke des zu prüfenden Materials und die Schallgeschwindigkeit darin genau gemessen werden müssen, um die erwarteten Ergebnisse zu erhalten.

Erfahren Sie mehr über die AIM-Funktion in diesem Whitepaper: TFM-Modus mit angezeigtem AIM-Prüfbereich.

Frage: Kann der HydroFORM Scanner für die TFM-Datenverarbeitung verwendet werden?

Antwort: Leider ist dies nur bei ganz bestimmten wenigen Anwendungen mit konstantem Wasservorlauf möglich. Deswegen kann der HydroFORM Scanner noch nicht im TFM-Modus eingesetzt werden. Aufgrund des Unterschieds zwischen der Schallgeschwindigkeit in Wasser und des zu prüfenden Materials kann bereits eine sehr geringe Abweichung der Wassersäule einer relativ großen Abweichung des Schallwegs im Prüfmaterial entsprechen. Eine Änderung der Wassersäule von 0,5 mm entspricht beispielsweise letztendlich einem Schallwegunterschied von 2 mm in Kohlenstoffstahl, was die TFM-Fokussierfähigkeit negativ beeinträchtigt. Behalten Sie die Website aber im Auge, wir entwickeln stetig neue Lösungen.

Frage: Was sind die Vorteile des optimierten TFM-Bilds des OmniScan X3 Prüfgeräts?

Antwort: Der größte Vorteil bei der Verwendung des optimierten TFM-Bilds besteht darin, die Amplitudenschwingungen auszublenden, die von den verwendeten natürlich oszillierenden Schallwellen der A-Bilder als ausgehender Datensatz Basisdatensatz stammen. Ohne Oszillationen ist die Amplitude kontinuierlicher und die Fehlergrößenbestimmung ist einfacher.

Das optimierte TFM-Bild kann zudem unter Beibehaltung des gleichen Werts der Amplitudentreue mit einer schnelleren Erfassungsrate als die oszillierende Standard-TFM-Wiedergabe erhalten werden. Die folgenden Abbildungen zeigen Wasserstoffversprödung bei hohen Temperaturen mit deaktiviertem (oben) und aktiviertem optimiertem Bild (unten). Mit aktivierter Funktion für das optimierte TFM-Bild kann die Rasterauflösung gröber sein, wobei die Amplitudentreue unter 2 dB (Standardtoleranz) bleibt und die Erfassungsrate steigt. Vergleicht man diese beiden Bilder, können die Echos von Fehlern auf dem optimiertem TFM-Bild leichter identifiziert werden. Da das optimierte TFM-Bild hinsichtlich der Schwingungen stabiler ist, kann es die Fehlerinterpretation und die amplitudenbasierte Fehlergrößenbestimmung erleichtern.

Erfahren Sie mehr über das optimierte TFM-Bild in diesem Whitepaper: Total Focusing Method (TFM) mit Hüllkurve-Funktion.

Standard-TFM-Bild von HTHA-Fehlern mit 0,07 mm Rasterauflösung, 1,7 dB Amplitudentreue und 10,6 Hz Erfassungsrate

Optimiertes TFM-Bild von HTHA-Fehlern mit 0,15 mm Rasterauflösung, 1,9 dB Amplitudentreue und 19,5 Hz Erfassungsrate

Frage: Warum kann TFM aktive Aperturen verwenden, die die doppelte Anzahl PA-Elemente enthalten, wenn dasselbe Gerätemodell und derselbe Sensor verwendet werden?

Antwort: Dies ist möglich, weil die TFM-Bildgebung unter Verwendung von FMC-Daten erzeugt wird. Die FMC-Datenerfassung mit einem Prüfgerät der OmniScan X3 Serie kann bei Bedarf in zwei Teile aufgeteilt werden. Wenn Sie beispielsweise einen Phased-Array-Sensor mit 128 Elementen mit einem 64-Kanal-Prüfgerät, wie dem OmniScan X3 64 Modell, verwenden.

Und so funktioniert es: Zuerst sendet das Gerät ein einzelnes Element und empfängt den zurückkehrenden Ultraschall mit der ersten Hälfte der Elemente. Dann wird das Element erneut gesendet, wobei es diesmal auf die zweite Hälfte der Elemente trifft. Diese zweifache Sendesequenz wiederholt sich für jedes Sensorelement, wodurch die Daten von allen Elementen sehr schnell erfasst werden.

Um TFM mit PA zu vergleichen, lassen Sie uns das Beispiel eines OmniScan X3 64 Prüfgeräts mit einem Sensor mit 128 Elementen verwenden. Im PA-Erfassungsmodus können Sie nur 64 Elemente des Sensors gleichzeitig senden/empfangen. Die PA-Signalverarbeitung ist durch die Anzahl Kanäle im Prüfgerät begrenzt, die in diesem Fall 64 beträgt. Da die TFM-Verarbeitung auf den FMC-Daten basiert, die mit allen 128 Sensorelementen erfasst werden können, verdoppelt sie effektiv die aktive Apertur im Vergleich zu PA.

Frage: Wieso wird in der Prüfplanhilfe eine Farbkarte des Schallbündels im TFM-Modus angezeigt, aber nicht im Phased-Array-Ultraschallmodus (PAUT)?

Antwort: Zum Zeitpunkt der Veröffentlichung dieses Blogartikels ist die AIM-Funktion (Acoustic Influence Map) nur für die TFM verfügbar. Behalten Sie die Website aber im Auge, wir entwickeln stetig neue Lösungen.

Frage: Warum sollte die Rasterauflösung verringert werden?

Antwort: Eine sehr hohe Pixelzahl (hohe Rasterauflösung) kann das TFM-Bild zwar verbessern, die vermehrte Verarbeitung führt jedoch zu einer Verlangsamung der Datenerfassungsrate. Prüfer sollten den besten Messpunkt finden, der eine gute Erkennung und Darstellung bietet, ohne dabei Kompromisse bezüglich der Produktivität zu machen. Prüfgeräte der OmniScan X3 Serie zeigen diverse hilfreiche Messwerte an, die besseres Verständnis der Rasterauflösung in Abhängigkeit von Wellenlänge der Sensormittenfrequenz im Prüfteil sowohl für die Transversalwelle (T-Welle) als auch die Longitudinalwelle (L-Welle) bieten. Ein anderer Messwert bietet einen theoretischen Wert für die Amplitudentreue in Abhängigkeit von ausgewähltem akustischem Modus und Rasterauflösung. Dieser Messwert ist nützlich, da einige neue FMC/TFM-Standards eine Festlegung der Rasterauflösung verlangen, um eine Amplitudentreue von 2 dB oder weniger zu erhalten. Damit können Prüfer leichter das umständliche Messverfahren zur experimentellen Bestimmung der Amplitudentreue umgehen.

Frage: Wodurch unterscheiden sich die Ausbreitungsmodi Impuls-Echo, Self-Tandem und Sender-Empfänger?

Antwort: Der Impuls-Echo-Modus ist ein Ausbreitungsmodus, bei dem das gesendete und das empfangene Schallbündel genau den gleichen Schallweg im Prüfteil nehmen. Impuls-Echo-Modi können mit einem direkten Schallweg (ohne Sprung) oder mit mehreren Sprüngen verwendet werden. Sie werden durch den Schallwellenmodus, longitudinal oder transversal (L oder T), jeder Umlenkung des Schallwegs festgelegt: L-L, T-T, LL-LL, TT-TT, usw.

Schallwege zum Senden und Empfangen im Self-Tandem-Modus stimmen nicht genau überein, aber die Sende- und Empfangselemente befinden sich im selben Phased-Array-Sensor. In der einfachsten Form springt ein Segment des Schallwegs, entweder im Sende- oder Empfangsweg, am unteren Rand des Prüfteils, und der andere Schallweg, d. h. der Empfangs- bzw. Sendeweg, verläuft direkt. Der Erkennungsbereich befindet sich an der Überlappung beider Schallwege. Wie Impuls-Echo-Modi werden Self-Tandem-Modi (oder Wellengruppen) durch den Schallwellenmodus jeder Umlenkung des Schallwegs definiert: TT-T, TL-T, usw. Self-Tandem-Ausbreitungsmodi umfassen auch Wellengruppen mit mehreren Sprüngen, wie TTT-TT.

Typische Impuls-Echo-Schallwege (drei Abbildungen links) und ein Self-Tandem-Schallweg (Abbildung rechts)

Der Sender-Empfänger-Modus wird auf die gleiche Weise wie der Self-Tandem-Modus definiert, nur mit dem Unterschied, dass sich die Sender- und Empfänger-Elemente an zwei verschiedenen Phased-Array-Sensoren befinden.

Impuls-Echo- und Self-Tandem-Ausbreitungsmodi sind nicht spezifisch für TFM: Sie können auch mit herkömmlichen Phased-Array erhalten werden.

Bei der TFM mit Impuls-Echo-Modus beeinträchtigen Dickenabweichungen im Prüfteil nur die Position des Rückwandechos und ID-bezogenen Fehlerindikationen. Im Gegensatz zu der TFM mit Impuls-Echo-Modus ist der Self-Tandem-Modus aufgrund der kleinen Überlappungen zwischen Sende- und Empfangsfokus äußerst empfindlich gegenüber selbst kleinsten Änderungen der Prüfteildicke. Dickenabweichungen von nur 5 % können TFM-Fehlerindikationen im Self-Tandem-Modus „unscharf“ machen. Daher ist es wichtig, die tatsächliche Dicke des Prüfteils präzise zu messen.

Frage: Kann bei der Prüfung mit TFM ein Vorlaufkeil eingesetzt werden?

Antwort: Selbstverständlich. Genau wie mit PAUT-Sensoren funktioniert die TFM mit und ohne Vorlaufkeile.

Frage: Woher kommt das A-Bild im TFM-Modus?

Antwort: A-Bild neben der TFM-Darstellung stammt von dem rekonstruierten TFM-Bild und nicht von dem rohen FMC-A-Bild-Datensatz. Das A-Bild der TFM zeigt eine Matrix ausgewählter/gezeigter Pixelamplituden an. Darum wird das A-Bild der TFM als synthetisches A-Bild bezeichnet und nicht als summiertes A-Bild wie im PAUT-Modus.

Frage: Ist TFM besser als die Phased-Array-Ultraschallprüfung (PAUT)?

Antwort: Ob sich die Total Focusing Method oder der PAUT-Modus besser eignet, ist abhängig von Anwendung und Präferenz. Sind Äpfel besser als Orangen? Eine Person, die das eine oder andere bevorzugt, kann argumentieren, dass Äpfel sich besser für Apfelkuchen und Orangen besser für Orangensaft eignen. Die Hauptunterschiede zwischen PAUT und TFM sind im Folgendem aufgelistet:

• Fokussierung: Die herkömmliche PAUT-Technik erzeugt Schallbündel, die in einer bestimmten Tiefe fokussiert sind. Die TFM ist so ausgelegt, dass alle Tiefen fokussiert sind. TFM basiert jedoch auf derselben Akustik, die den Einsatz von PAUT ermöglicht: PAUT und TFM unterliegen denselben physikalischen Gesetze, die auch Schallbündelbildung auf dieselbe Weise beeinflussen. Deswegen wird jedoch häufig – und gerade bei TFM – übersehen, dass eine vollständige Fokussierung nur im Nahfeldbereich erreicht werden kann. Im PAUT-Fokusbereich sind die Leistungen von TFM und PAUT beinah gleich. Beachten Sie, dass PAUT mehr Flexibilität bietet, da sie nicht fokussiert (für Voruntersuchungen) oder fokussiert (für genaue Fehlergrößenbestimmung) eingesetzt werden kann.
• Erkennung: TFM und PAUT bieten, je nach Anwendung, eine ähnliche Erkennung oder eine bessere Erkennung als die andere Methode. Da die TFM eine vollständige Fokussierung erreicht, können kleinere Fehlerindikationen, wie Einschlüsse und Porosität, ohne eine Fokusänderung bezüglich der Fehlerposition erkannt werden. Die verschiedenen TFM-Modi und Wellengruppen weisen sehr unterschiedliche Empfindlichkeitsmuster auf. Schließlich ist die TFM bezüglich der Fehlerausrichtung empfindlich, da es sich hierbei ja um eine Ultraschalltechnik handelt. Die Durchführung einer TFM-Prüfung ohne die Kenntnis des Einflusses aller oben genannten Variablen kann zu einer unzureichenden Fehlererkennung führen. Die beste Methode zur Gewährleistung einer angemessenen Erkennung ist das Erzeugen einer simulierten Empfindlichkeitskarte (wie über die AIM-Funktion des OmniScan X3 Prüfgeräts), wobei die Ergebnisse der Simulation durch Nachweistests unterfüttert werden. Auf der anderen Seite ist die PAUT-Erkennungsfähigkeit weithin bekannt, da diese Technik seit Jahrzehnten im ZfP-Bereich verwendet wird. PAUT ist als Verfahren mit hervorragender Erkennung und Größenbestimmung verschiedener Risstypen und ungenügender Durchschweißung anerkannt, gilt aber in Fachkreisen als weniger effektiv bei kleinen Fehlerindikationen, wie einzelnen Poren. Die obige Aussage trifft allgemein zu, aber nur, weil die meisten PAUT-Prüfungen anfänglich nicht fokussiert (als Voruntersuchung) durchgeführt werden. Bei Verwendung von PAUT im fokussierten Modus können in Verbindung mit einem geeigneten, qualitativ hochwertigen Sensor und Vorlaufkeil ähnlich gute Ergebnisse wie mit der TFM erzielt werden. Dies gilt jedoch nur für den Bereich mit fokussiertem Schallbündel.
• Prüfgeschwindigkeit: Da bei der FMC-Datenerfassung normalerweise jedes Element nacheinander sendet, im PAUT-Modus hingegen eine begrenzte Anzahl Sendemodulierungen verwendet wird, ist der PAUT-Modus allgemein schneller. Die TFM erfordert zudem eine intensive Verarbeitung in Echtzeit, was die Datenerfassung weiter verlangsamt – mit PAUT-Geräten ist dies nicht erforderlich. Allgemein kann der PAUT-Modus eine erheblich schnelleren Datenerfassung als TFM bieten, aber nur auf eine Tiefe fokussieren. Beachten Sie, dass die Verwendung des optimierten TFM-Bilds die Erfassungsgeschwindigkeit bez. der Standard-TFM verbessern kann, während die Amplitudentreue auf einem angemessenen Wert gehalten wird.
• Prüfplanhilfe und Simulatoren: Das OmniScan X3 Prüfgerät verfügt über einen AIM-Simulator (Acoustic Influence Map). Er zeigt den Prüfbereich, der mit jeder Wellengruppe abgedeckt wird, um die Auswahl der FMC-Daten zu erleichtern. TFM und PAUT gewährleisten beide eine angemessene Abdeckung des Prüfbereichs. Es ist deshalb wichtig, die jeweilige Methode zu verstehen, um zuverlässige Ergebnisse zu erhalten (siehe den nächsten Punkt Schulung).
• Schulung: TFM und PAUT erfordern entsprechende Schulungen, um effizient eingesetzt werden zu können. Der empfohlene Umfang und Zeitaufwand der Schulung ist für jede Methode fast gleich. Falsche Vorstellungen wie „Jeder kann ein Gerät mit TFM konfigurieren“ oder „Jeder Winkel kann mittels PAUT ausgeschallt werden“ führen dazu, dass Menschen diese Techniken missverstehen. Dies kann zu falschen Annahmen führen und nur eine angemessene Schulung kann dies verhindern.
• Seit Langem verwendete und bewährte Technik: PAUT wird seit mehr als zwei Jahrzehnten in der zerstörungsfreien Prüfung erfolgreich eingesetzt. Anwendungsmöglichkeiten, Funktionen und Einschränkungen sind seit Langem bekannt. Die TFM ist eine vielversprechende neue Technik, die viele Möglichkeiten bietet, die die Industrie noch nicht gänzlich erforscht hat.
• Einstellungen vor Ort: TFM und PAUT ermöglichen das Einstellen vor Ort.
• Justierung: TFM und PAUT erfordern eine angemessene Empfindlichkeitsjustierung, um sicherzustellen, dass die Fehler im gesamten Prüfbereich erkannt werden.