全聚焦方式声学影响图

Chi-Hang Kwan
Guillaume Painchaud-April
Benoit Lepage
Dieser Aufsatz wurde erstmals im Rahmen des ASNT Research Symposiums 2019 präsentiert.

ABSTRACT

In diesem Artikel wird das neu entwickelte semianalytische Modell zur prognostischen Kartierung der Amplitudenempfindlichkeit bei der Total Focusing Method (TFM) für ungerichtete und gerichtete Fehler erläutert. Für komplexe Schallwege mit Interaktionen an mehreren Grenzflächen und Wellenmodiumwandlungen kann ein Prüfer mit Kenntnissen über die AIM-Funktion (Acoustic Influence Map) den Prüfplan verbessern, um das Signal-Rausch-Verhältnis des resultierenden TFM-Bilds zu maximieren und die Fehlererkennungswahrscheinlichkeit zu erhöhen. Die Genauigkeit dieses neuen Schallwegmodells wurde durch Versuche unter Verwendung von Prüfkörpern mit Querbohrungen und Kreisscheibenreflektoren getestet und validiert. Die Ergebnisse der Validierungsversuche zeigen eine gute Übereinstimmung zwischen den empirischen TFM-Amplitudenkarten und der theoretischen AIM-Amplitudenkarte. Die Ergebnisse zeigen zudem, dass das Modell bei der Auswahl des optimalen TFM-Prüfmodus verwendet werden kann

EINFÜHRUNG

Die Total Focusing Method (TFM) ist eine Technik zur Schallbündelbildung mit synthetische Aperturen, die im Bereich der zerstörungsfreien Prüfung in den letzten zehn Jahren aktiv entwickelt wurde [1]. Durch das Anlegen entsprechender Übertragungs- und Empfangsverzögerungen an A-Bild-Daten eines FMC-Datensatzes (Full Matrix Capture) kann mithilfe von TFM elektronisch auf jede Stelle in einem Prüfbereich fokussiert werden. Da jeder Punkt elektronisch im Fokus ist, kann mittels TFM, im Vergleich zu herkömmlichen Phased-Array-Ultraschallprüfverfahren, eine bessere Auflösung erreicht werden. Durch die Berechnung und Anwendung der Laufzeit von mehreren akustischen Modi kann Multi-Modus-TFM zusätzliche Informationen über das Prüfteil bieten [2].

Trotz der oben genannten Vorteile unterliegt TFM auch gewissen Einschränkungen, die physikalischen Gesetzen zugrunde liegen. Ein Prüfbereich kann aufgrund der Effekte von Grenzflächeninteraktionen, Einschränkungen bei der Schallbündelung und Abschwächungen bei der Schallausbreitung eine schlechte Empfindlichkeit aufweisen. Aufgrund der Neuheit der TFM-Technik, der fehlenden Prüfstandards, der Komplexität der Bildgebung mit Multi-Modus-TFM und der unzureichenden Kenntnisse über die physikalischen TFM-Einschränkungen wird die Festlegung eines optimalen Prüfplans, der das Signal-Rausch-Verhältnis und die Erkennungswahrscheinlichkeit maximiert, für den Prüfer erschwert. Somit muss ein neues Werkzeug entwickelt werden, das die akustische Empfindlichkeitskarte eines bestimmten TFM-Prüfplan einschätzt.

AIM-FUNKTION (ACOUSTIC INFLUENCE MAP)

Die AIM-Funktion (Acoustic Influence Map) bietet eine theoretische akustische Amplitudenempfindlichkeitskarte für einen bestimmten TFM-Prüfplan. Im Allgemeinen haben gerichtete und ungerichtete Fehler unterschiedliche AIM-Amplitudenkurven. Zu ZfP-Beispielen ungerichteter Streufehler gehören Schlacke und Porosität in Schweißnähten, wohingegen Beispiele gerichteter Streufehler ungenügende Durchschweißung in Schweißnähten und verschiedene Risse sind. Das gerichtete Streusignal des Fehlers ist ein wichtiger Parameter, der häufig bei der Modellierung mit Phased-Array-Sensorsystemen vernachlässigt wird.

Um die Amplitudenempfindlichkeitskarte zu berechnen, haben wir ein semianalytisches akustisches Schallbündelmodell entwickelt, das das bidirektionale Spannungssignal der TFM-Prüfmodi Implus-Echo, Self-Tandem und Double-Skip berechnet. Dieses akustische Modell berücksichtigt die Effekte der Übertragungs- und Reflexionskoeffizienten, der geometrischen Schallbündelausbreitung und der Dämpfung im Material. Zudem verwendet das Modell das Rayleigh-Sommerfeld-Integral [3], um das Fernfeld-Streusignal eines Kreisscheibenreflektors (KSR) zu berechnen. Die Streusignale des KSR dienen zur Simulation von gerichteten Fehlern.

VALIDIERUNGSVERSUCHE Um die Genauigkeit des akustischen Modells zu untersuchen, wurden Validierungsversuche durchgeführt, bei denen experimentell erhaltene TFM-Amplitudenkarten mit einer theoretisch berechneten TFM-AIM-Karte verglichen wurden. Die Ergebnisse zweier Validierungsversuche werden in folgendem Abschnitt vorgestellt. Der erste Validierungsversuch wurde mit einem Prüfkörper durchgeführt, der Querbohrungen mit kleinem Durchmesser besitzt, die das Streusignal von ungerichteten Fehlern simulieren. Der zweite Validierungsversuch wurde mit einem Prüfkörper durchgeführt, der Kreisscheibenreflektoren besitzt, die das Streusignal von gerichteten Fehlern simulieren. Für die in diesem Artikel vorgestellten Ergebnisse gilt die Definition, dass die x-Achse rechts vom ersten Sensorelement positiv und die z-Achse unter der Oberfläche des Prüfkörpers positiv ist. In Abbildung 1 ist ein schematisches Diagramm dieses Koordinatensystems dargestellt.

Abbildung 1: In diesem Artikel verwendetes Koordinatensystem.

Validierung mit Querbohrung

Der Validierungsversuch mit den Querbohrungen wurde mit einem metrischen NAVSHIPS 1018 Stahlprüfkörper durchgeführt, der Querbohrungen mit einem Durchmesser von 1,2 mm (0,05 Zoll) in Tiefen ab 6,25 mm (0,25 Zoll) bis 37,5 mm (1,5 Zoll) in Abständen von 6,25 mm besitzt. Durch Drehen des Prüfkörpers können Querbohrungen in Tiefen von 6,25 mm (0,25 Zoll) bis 68,75 mm (2,7 Zoll) untersucht werden. Im Rahmen dieses Versuchs wurde ein 5L32-A31 Sensor mit 32 Elementen, einer Mittenfrequenz von 5 MHz und einem Elementabstand von 0,6 mm verwendet. Der Sensor wurde an einen 36,1º SA31-N55S-IHC Rexolite Vorlaufkeil gekoppelt. In Abbildung 2 ist ein schematisches Diagramm des Versuchs dargestellt.

Abbildung 2: Schematisches Diagramm des Versuchs mit Querbohrung. Hinweis: Die Prüfung ist nur als Draufsicht abgebildet.

Durch das Bewegen des Sensors auf der Oberfläche des Prüfkörpers wurden Streuechos der Querbohrungen an verschiedenen Positionen bezogen zum Sensor erhalten. An jeder Prüfposition wurden FMC-Datensätze ermittelt, die zur Erstellung der empirische TFM-Amplitudenkarten nachbearbeitet wurden. Eine Beschreibung des Nachbearbeitungsalgorithmus folgt im folgenden Unterabschnitt.

Erstellung der empirischen TFM-Amplitudenkarte

Grundschritte zur Erstellung der empirischen TFM-Amplitudenkarte:

• Für einen bestimmten Fehler wird an einer festgelegten Prüfposition eine Blende für die Tiefe (z-Richtung) verwendet, um eine Amplitudenlinie der Breite auf der Amplitudenkarte zu erhalten.
• Schritt 1 wird an verschiedenen Prüfpositionen wiederholt, um eine kombinierte Amplitudenlinie für einen bestimmten Fehler zu erhalten.
• Die Schritte 1 und 2 werden bei jedem anderen Fehler wiederholt, um kombinierte Amplitudenlinien an verschiedenen z-Positionen zu erhalten.
• Die kombinierten Amplitudenlinien werden in z-Richtung interpoliert, um die endgültige TFM-Amplitudenkarte zu erhalten.

In Abbildung 3 ist Schritt 1 dargestellt. Abbildung 3 zeigt, dass zuerst eine TFM-Prüfbahn der Breite der Amplitudenkarte in den von der z-Blende festgelegten Tiefen gebildet wird. Die Position der z-Blende wird basierend auf der bekannten Tiefenlage des Fehlers ausgewählt. An jeder x-Position der TFM-Prüfbahn wird die maximale Amplitude der z-Richtung verwendet, um die unten in Abbildung 3 gezeigte Amplitudenlinie zu erhalten.

Abbildung 3: Verfahren zum Erhalt einer Amplitudenlinie für einen bestimmten Fehler an einer Prüfposition.

Um die kombinierte Amplitudenlinie für einen bestimmten Fehler zu bilden, werden alle Amplitudenlinien verglichen, die an verschiedenen Prüfpositionen erhalten wurden, und die maximalen Amplitudenwerte aufgezeichnet. Dieses Verfahren ist in Abbildung 4 dargestellt.

Abbildung 4: Verfahren zur Bildung kombinierter Amplitudenlinien an verschiedenen Prüfpositionen.

Nach der Bildung der kombinierten Amplitudenlinie für einen bestimmten Fehler wird der Vorgang für alle Fehler an unterschiedlichen Tiefen wiederholt. Abbildung 5 zeigt die kombinierten Amplitudenlinien für den TT-Modus mit Impuls-Echo, die für die im NAVSHIPS Prüfkörper vorhandenen Querbohrungen erhalten wurden (obere und untere Ausrichtung). In Abbildung 5 und allen anderen TFM-bezogenen Abbildungen des Versuchs in diesem Artikel sind die Amplituden der TFM-Bilder nicht normalisiert. Da in der Erfassungselektronik ein 12-Bit-Digitalisierer verwendet wird und der Sensor 32 Elemente enthält, beträgt die theoretische maximale Amplitude im TFM-Bild 2097152 (212 ÷ 2 × 32 × 32).

Es sei darauf hingewiesen, dass die kombinierten Amplitudenlinien für Querbohrungen in den Tiefen 6,25 mm (0,25 Zoll), 62,5 mm (2,5 Zoll) und 68,75 mm (2,7 Zoll) nicht in Abbildung 5 dargestellt sind. Da diese Querbohrungen nahe an den seitlichen Grenzflächen des Prüfteils liegen, konnten keine vollständigen kombinierten Amplitudenlinien der gesamten Breite der Amplitudenkarte erhalten werden.

Abbildung 5: Die kombinierten Amplitudenlinien der Querbohrungen im NAVSHIPS Prüfkörper.

Vergleich der empirischen TFM-Amplitudenkarte mit der AIM-Amplitudenkarte

Die in Abbildung 6 (a) gezeigte empirische TFM-Amplitudenkarte wurden mittels einer Interpolation in z-Richtung an den in Abbildung 5 gezeigten kombinierten Amplitudenlinien erhalten.

Abbildung 6 (a) zeigt, dass dieser TFM-Prüfplan bei kleinem (30º) und großem (> 70º) Einschallwinkel eine schlechte Empfindlichkeit aufweist. Die schlechte Empfindlichkeit bei kleinem Einschallwinkel entsteht durch niedrige Transmissionskoeffizientenwerte des Rexolite Vorlaufkeils am Stahlprüfkörper [4]. Die Ursache für die schlechte Empfindlichkeit bei großem Einschallwinkel wiederum ist eine schlechte Fokussierung, die durch hohe effektive Blendenwerte verursacht wurde [5]. Diese Ergebnisse entsprechen den empfohlenen Einschallwinkeln für herkömmliche Phased-Array-Prüfungen mit Schrägeinschallung [6].

Abbildung 6: (a) Empirische Amplitudenkarte für Querbohrungen und (b) theoretische Amplitudenkarte (AIM) für Querbohrungen für TT-Modus mit Impuls-Echo. 30º und 70º Einschallwinkel (vom Mittelpunkt der aktiven Apertur) wurden hinzugefügt. Die entsprechende Amplitudenkarte für Querbohrungen ist in Abbildung 6 (b) dargestellt.

Beim Vergleich der Abbildungen 6 (a) und (b) ist ersichtlich, dass das akustische Modell den Bereich innerhalb des Prüfplans, der die optimale Empfindlichkeit aufweist, genau vorhersagen kann. Die Abweichungen zwischen den beiden Abbildungen können auf kleine Änderungen des Ankoppeldrucks zurückgeführt werden, mit dem der Sensor auf der Oberfläche des Prüfteils bewegt wird. Es sei darauf hingewiesen, dass die Amplitude der theoretischen AIM-Amplitudenkarte in zufälligen Einheiten angegeben ist, da es äußerst schwierig ist, die genaue Größe der vom Erfassungssystem empfangenen Spannungssignale zu modellieren. Da für verschiedene AIM-Amplitudenkarten jedoch einheitliche zufällige Einheiten verwendet werden, sind die akustischen TFM-Empfindlichkeiten verschiedener Prüfpläne und verschiedener akustischer Modi vergleichbar.

Validierungsversuch mit Kreisscheibenreflektoren

Um die Genauigkeit des akustischen Modells zur Voraussage der Amplitudenempfindlichkeit für gerichtete Fehler zu überprüfen, wurden Validierungsversuche an einem maßanfertigten Prüfkörper durchgeführt. Der Prüfkörper besitzt eine Dicke von 20 mm und Kreisscheibenreflektoren, die entsprechend dem Profil einer typischen J-Naht gebohrt wurden. Für diesen Versuch wurden 5 Kreisscheibenreflektoren verwendet, deren Normalenvektoren der Unterseite 3º unter der Horizontalen ausgerichtet sind. In Abbildung 7 ist ein Foto des Prüftköpers mit Angaben zu den Scan-Achsen dargestellt.

Abbildung 7: Maßanfertigter Prüfkörper mit Scan-Achsen.

Für diesen Versuch wurde ein 5L32-A32 Sensor mit 32 Elementen mit einer Mittenfrequenz von 5 MHz und einem Elementabstand von 1 mm verwendet. Der Sensor wurde an einen 36,1º SA32-N55S-IHC Rexolite Vorlaufkeil gekoppelt. Da die Ausrichtung der Unterseiten der Kreisscheibenreflektoren nahezu vertikal ist, wurden die erfassten FMC-Datensätze im Self-Tandem-Modus (Single-Skip) verarbeitet. In Abbildung 8 ist ein schematisches Diagramm des Prüfplans dargestellt.

Abbildung 8: Schematisches Diagramm des Validierungsversuchs für TFM-Modus mit Self-Tandem.

Vergleich der empirischen TFM-Amplitudenkarte mit der AIM-Amplitudenkarte.

In Abbildung 9 (a) und (b) sind die empirische Amplitudenkarte und die theoretische Amplitudenkarte (AIM) zu Kreisscheibenreflektoren für den TTT-Modus mit Self-Tandem dargestellt. Beim Vergleich der zwei Diagramme ist ersichtlich, dass das akustische Modell eine genaue Voraussage der relativen akustischen Empfindlichkeit innerhalb des Prüfbereichs getroffen hat. Abbildung 9 legt nahe, dass sich der TTT-Modus mit Self-Tandem besser für die Erkennung von vertikalen Fehlern nahe der Unterseite des Prüfteils eignet.

Abbildung 9: (a) Empirische Amplitudenkarte und theoretische Amplitudenkarte (AIM) [b] zu Kreisscheibenreflektoren für TTT-Modus mit Self-Tandem

In Abbildung 10 (a) und (b) sind die empirische Amplitudenkarte und die theoretische Amplitudenkarte (AIM) zu Kreisscheibenreflektoren für den TLT-Modus mit Self-Tandem dargestellt. Erneut ist ersichtlich, dass das akustische Modell eine genaue Voraussage der relativen akustischen Empfindlichkeit innerhalb des Prüfbereichs getroffen hat. Die Schwingungen der empirischen Amplitudenkarte von x = 25 mm (1 Zoll) bis x = 40 mm (1,6 Zoll) wurden durch Interferenzen anderer akustischer Modi erzeugt, die ähnliche Laufzeiten aufweisen.

Beim Vergleich von Abbildung 9 mit Abbildung 10 ist zudem ersichtlich, dass das Verhältnis der maximalen Amplitude der zwei Self-Tandem-Modi für die empirischen Amplitudenkarten ungefähr 3,3 (13800/4200) und für die theoretische AIM-Amplitudenkarte ungefähr 3,4 (1,23/0,36) betragen. Die Ähnlichkeit der Amplitudenverhältnisse deutet darauf hin, dass das akustische Modell auch zur Voraussage der relativen akustischen Empfindlichkeit bei verschiedenen TFM-Bildgebungsmodi verwendet werden kann.

Abbildung 10: (a) Empirische Amplitudenkarte und theoretische AIM-Amplitudenkarte [b] zu Kreisscheibenreflektoren für TLT-Modus mit Self-Tandem.

BEISPIELANWENDUNG

Die Nützlichkeit des akustischen Modells wurde zudem an einem Beispiel in der Praxis untersucht, bei dem die theoretische AIM-Amplitudenkarte als richtungsweisend für die Auswahl des TFM-Prüfmodus galt. In diesem Beispiel wurde eine V-Naht mit einer bekannten ungenügenden Durchschweißung untersucht. Der Nahtwinkel beträgt ungefähr 35º. Es wurden der gleiche 5L32-A32 Sensor und der gleiche SA32-N55S-IHC Vorlaufkeil verwendet wie im Validierungsversuch zu den Kreisscheibenreflektoren. In Abbildung 11 ist ein schematisches Diagramm der Versuchseinstellungen dargestellt.

Abbildung 11: Schematisches Diagramm der Prüfung auf ungenügende Durchschweißung.

Das theoretische Modell simuliert eine ungenügende Durchschweißung mit einem KSR mit einem Durchmesser von 5 mm (0,2 Zoll) und einer Unterseite, die im 35°-Winkel zur Vertikalen ausgerichtet ist. In Abbildung 12 ist die entsprechende theoretische AIM-Amplitudenkurve für den TLT-Modus mit Self-Tandem und den TTTT-Modus mit Double-Skip dargestellt.

Abbildung 12: Theoretische AIM-Amplitudenkurve für einen Prüfplan zu ungenügender Durchschweißung im (a) TLT-Modus mit Self-Tandem und (b) TTTT-Modus mit Double-Skip.

Abbildung 12 zeigt, dass für die AIM-Amplitudenkurve der TLT-Modus im Vergleich zu dem Double-Skip-Modus unregelmäßiger ist. Demnach wäre es schwieriger, im TLT-Modus eine zuverlässige Größeneinschätzung der ungenügenden Durchschweißung zu erhalten. Darüber hinaus ist die erwartete Amplitude des TLT-Modus 3 Größenordnungen niedriger als die des Double-Skip-Modus. Unter Verwendung dieser theoretischen AIM-Amplitudenkarten kann vorausgesagt werden, dass der TTTT-Modus mit Double-Skip der bevorzugte TFM-Bildgebungsmodus ist. In Abbildung 13 sind entsprechende TFM-Bilder des Versuchs dargestellt.

Abbildung 13 TFM-Bilder von ungenügender Durchschweißung im (a) TLT-Modus mit Self-Tandem und (b) TTTT-Modus mit Double-Skip.

In Abbildung 13 weist das TFM-Bild mit Double-Skip ein angemessenes Signal-Rausch-Verhältnis auf und es bietet eine deutliche Größeneinschätzung der ungenügenden Durchschweißung. Im Vergleich dazu weist das TFM-Bild mit Self-Tandem ein ungenügendes Signal-Rauschverhältnis und abgegrenzte Echos auf, die schwierig zu interpretieren sind. Abgegrenzte Echos ähneln gebeugten Echos der scharfen Enden der ungenügende Durchschweißung. Die Größe und Art des Fehlers sind jedoch TLT-Modus im Self-Tandem schwer einzuschätzen.

Das unzureichende Signal-Rausch-Verhältnis im TFM-Bild im TLT-Modus mit Self-Tandem bestätigt die niedrige Amplitude, die in der theoretischen AIM-Amplitudenkarte in Abbildung 12 (a) gezeigt ist. Es ist jedoch zu beachten, dass das Verhältnis der Echoamplituden in den zwei Modi in Abbildung 13 niedriger ist als das Amplitudenverhältnis, das durch die theoretische AIM-Amplitudenkarte in Abbildung 12 vorausgesagt wird. Da sich die Geometrie der ungenügenden Durchschweißung von einem Kreisscheibenreflektor unterscheidet, könnten die Amplituden der gebeugten Echos von den scharfen Enden der ungenügenden Durchschweißung im theoretischen Modell unterschätzt werden.

ZUSAMMENFASSUNG

Es wurde ein akustisches Modell verwendet, das die TFM-Amplitudenkarte für ungerichtete und gerichtete Fehler genau voraussagen kann. Für einen bestimmten Prüfmodus kann das Modell zum Einstellen des Prüfplans (Apertur, Prüffrequenz, Sensorposition usw.) verwendet werden, um das Signal-Rausch-Verhältnis und die Erkennungswahrscheinlichkeit zu optimieren. Da das Modell ein Vergleich der relativen Amplitude zu verschiedenen akustischen Modi ist, kann es auch zur Auswahl des optimalen TFM-Rekonstruktionsmodus verwendet werden. Es ist geplant, das Modell auf komplexere Geometrien anzuwenden und weitere Streufehler einzuschließen, um die Nützlichkeit des Modells zu erweitern.

LITERATURNACHWEISE

[1] Holmes, C., Drinkwater, B. W. und Wilcox, P. D.: Post-processing of the full matrix of ultrasonic transmit–receive array data for non-destructive evaluation.NDT E Int., Vol. 38, Nr. 8, S. 701–711, Dezember 2005.

[2] Iakovleva, K. Sy, P. Bredif, E., Roy, O. und Lesselier, D.: Development of methods for the analysis of multi-mode TFM images. J. Phys. Conf. Ser., Vol. 1017, S. 012005, Mai 2018.

[3] L. W. S. Jr: Fundamentals of Ultrasonic Nondestructive Evaluation: A Modeling Approach, 2. Ausgabe Springer International Publishing, 2016.

[4] Foundations of Biomedical Ultrasound. Oxford, New York: Oxford University Press, 2006.

[5] Nikolov, S. I., Kortbek, J. und Jensen, J. A.: Practical applications of synthetic aperture imaging. In 2010 IEEE International Ultrasonics Symposium, San Diego, CA, 2010, S. 350–358.

[6] Ginzel, E. A. und Johnson, D.: Phased-Array Resolution Assessment Techniques. S. 13.