全聚焦方式声学影响图

Chi-Hang Kwan
Guillaume Painchaud-April
Benoit Lepage
Articolo presentato originariamente al Simposio per la Ricerca ASNT 2019

ABSTRACT

In questo articolo, si presenta un nuovo modello semi-analitico sviluppato per prevedere la mappatura della sensibilità dell'ampiezza del Metodo di focalizzazione totale (TFM - total focusing method) per i difetti direzionali e non direzionali. Per percorsi acustici complicati che interessano interazioni di interfaccia multiple e conversioni in modalità onda, una conoscenza della Mappatura dell'influenza acustica (AIM - acoustic influence map) permette a un operatore di perfezionare il piano di scansione per massimizzare il rapporto segnale-rumore dell'immagine TFM risultante e aumentare la probabilità di rilevamento dei difetti. La precisione di questo nuovo modello è stato verificato e convalidato da esperimenti mediante blocchi di verifica che contengono fori laterali e fori a fondo piatto. I risultati ottenuti dagli esperimenti di convalida mostrano una buona concordanza tra la mappatura dell'ampiezza TFM empirica e l'AIM teorica. I risultati inoltre indicano che il modello può essere usato per guidare la scelta dell'ottimale modalità di ispezione TFM.

INTRODUZIONE

Il Metodo di focalizzazione totale (TFM - total focusing method) rappresenta una tecnica con formazione dei fasci a apertura sintetica che è stata sviluppata nel settore NDT nell'ultimo decennio [1]. Applicando degli adeguati ritardi in trasmissione e ricezione ai dati A-scan raccolti in un dataset di Acquisizione con matrice completa (FMC), la TFM può focalizzare elettronicamente in ogni posizione di un'area soggetta ad ispezione. Visto che ogni punto è elettronicamente focalizzato, la TFM può fornire una migliore risoluzione in confronto alle tecniche di ispezione a ultrasuoni phased array convenzionali. Inoltre, calcolando e applicando i tempi di volo di modalità acustiche multiple, la TFM multimodale può fornire informazioni addizionali sul campione da ispezionare [2].

Malgrado i vantaggi elencati precedentemente, la TFM ha anche dei limiti indotti dalle leggi fisiche. Un'area d'ispezione potrebbe avere una scarsa sensibilità a causa degli effetti di interazione nell'interfaccia, i limiti di formazione dei fasci e l'attenuazione del percorso di propagazione. A causa del recente sviluppo della TFM, della mancanza di norme di ispezione e dalla complessità della funzionalità di imaging della TFM multimodale, gli operatori, in genere, non sono a conoscenza dei limiti fisici della TFM e, pertanto, non possono definire un piano di scansione ottimale che massimizzi il rapporto segnale-rumore (SNR - signal-to-noise ratio) e la probabilità di rilevamento. Di conseguenza è necessario presentare uno strumento che stimi la mappatura della sensibilità acustica per una dato piano di scansione per l'ispezione TFM.

AREA ACUSTICA DI INFLUENZA

La Mappatura dell'Influenza Acustica (AIM - acoustic influence map) rappresenta una teorica mappatura della sensibilità dell'ampiezza acustica per uno specifico piano di scansione per l'ispezione TFM. In generale l'AIM differisce per i diffusori dei difetti direzionali e non direzionali. Esempi NDT diffusori non direzionali includono scorie e porosità nelle saldature, mentre gli esempi di diffusori direzionali includono le fusioni incomplete e diverse cricche. La risposta di diffusori direzionali di un difetto è un importante parametro che è spesso trascurato nella modellazione dei sistemi di trasduttori phased array.

Per calcolare l'AIM abbiamo sviluppato un modello acustico semianalitico basato sui raggi che permette di calcolare la risposta della pressione bidirezionale delle modalità di ispezione TFM a doppio salto, auto-tandem e impulso-eco. Questo modello acustico prende in considerazione gli effetti dei coefficienti di riflessione e trasmissione, la diffusione del fascio geometrico e l'attenuazione del materiale. Inoltre, nel nostro modello, abbiamo usato anche l'integrale di Rayleigh-Sommerfeld integral [3] per la modellazione della risposta di diffusione nel campo lontano per un foro a fondo piatto (FBH - flat-bottom hole). La risposta di diffusione dell'FBH viene usata per simulare i difetti direzionali.

ESPERIMENTI DI CONVALIDA Per esaminare la precisione dei modelli acustici, abbiamo condotto degli esperimenti di convalida per confrontare sperimentalmente le mappature dell'ampiezza TFM ottenute con una AIM del TFM calcolata teoricamente. I risultati ottenuti da due esperimenti di convalida sono presentati in questa sezione. Il primo esperimento di convalida è stato condotto su un blocco di verifica che contiene fori laterali (SDH - side-drilled hole) di ridotto diametro, i quali simulano la risposta di diffusori di difetti non direzionali. Il secondo esperimento di convalida è stato condotto su un blocco di verifica che contiene FBH, i quali simulano la risposta di diffusione di difetti direzionali. Per i risultati presentati in questo articolo, l'asse x è definito positivo alla destra del primo elemento del trasduttore e l'asse z è definito positivo al di sotto della superficie del campione da ispezionare. Un diagramma schematico di questo sistema di coordinate è illustrato nella Figura 1.

Figura 1: Sistema di coordinate usato in questo articolo.

Convalida del foro laterale

L'esperimento di convalida degli SDH è stato condotto su un blocco di verifica in acciaio 1018 metrico NAVSHIPS contenente sei SDH dal diametro di 1.2 mm (0,05 in.) a profondità comprese tra 6,25 mm (0,25 in.) e 37,5 mm (1.5 in.) con incrementi di 6,25 mm. Ruotando il blocco di verifica è possibile esaminare gli SDH alle profondità comprese tra 6,25 mm (0,25 in.) e 68,75 mm (2,7 in.) Per questo esperimento, abbiamo usato una sonda 5L32-A31 da 32 elementi con una frequenza centrale di 5 MHz e un passo dell'elemento di 0,6 mm. La sonda è stata accoppiata a uno zoccolo di Rexolite SA31-N55S-IHC da 36.1º. Un diagramma schematico della configurazione sperimentale è illustrato nella Figura 2.

Figura 2: Diagramma schematico dell'esperimento di convalida con SDH. Notare che è illustrata solamente l'orientazione di scansione superiore.

Spostando la sonda lungo la superficie del blocco di verifica, si ottengono echi di diffusione da SDH a diverse posizioni relative alla sonda. I dataset dell'FMC sono stati raccolti a ogni posizione di scansione per una post-elaborazione per generare delle mappature di ampiezza TFM empiriche. Una descrizione dell'algoritmo post-elaborazione è riportata nella seguente sotto-sezione.

Generazione della mappatura dell'ampiezza TFM empirica

Le principali fasi per la generazione della mappatura dell'ampiezza TFM empirica sono:

• Per un determinato difetto con una posizione di scansione fissa usare un gate per la profondità (direzione z) per ottenere una linea dell'ampiezza lungo la larghezza della mappatura dell'ampiezza.
• Ripetere la fase 1 per diverse posizioni di scansione per ottenere una linea delle ampiezze combinate per un determinato difetto.
• Ripetere la fase 1 e 2 per tutti gli altri difetti per ottenere linee delle ampiezze combinate a diverse posizioni sull'asse z.
• Interpolare le linee delle ampiezze combinate nella direzione z per ottenere la mappatura dell'ampiezza TFM.

La fase 1 è illustrata nella Figura 3. La Figura 3 mostra che abbiamo innanzitutto formato una striscia della TFM lungo la larghezza della mappatura dell'ampiezza alle diverse profondità specificate dal gate sull'asse z. La posizione del gate sull'asse z viene scelta in base alla profondità nota del difetto. Per ogni posizione x lungo la striscia della TFM, la massima ampiezza viene acquisita lungo la direzione z per ottenere la linea dell'ampiezza illustrata nella parte inferiore della Figura 3.

Figura 3: Procedura per ottenere una linea dell'ampiezza per un dato difetto in una determinata posizione di scansione

Per formare la linea delle ampiezze combinate per un dato difetto, abbiamo confrontato tutte le linee delle ampiezze ottenute a diverse posizioni di scansione e abbiamo registrato i valori di ampiezza massima. Questa procedura è illustrata nella Figura 4.

Figura 4: La procedura per formare linee delle ampiezze combinate a diverse posizioni di scansione.

In seguito alla formazione della linea delle ampiezze combinate per un determinato difetto, il processo viene ripetuto per tutti i difetti a diverse profondità. La Figura 5 mostra le linee delle ampiezze combinate in modalità TT impulso-eco ottenute per le SDH presenti nel blocco di verifica NAVSHIPS (orientazioni superiore e inferiore). Nella Figura 5 e nelle altre figure derivate dal TFM sperimentale presentate in questo articolo, le ampiezza delle immagini TFM non sono normalizzate. Visto che per i dispositivi elettronici di acquisizione viene usato un digitalizzatore a 12 bit e che la sonda contiene 32 elementi, l'ampiezza massima teorica nell'immagine TFM risulta 2097152 (212 ÷ 2 × 32 × 32).

Notare che le linee delle ampiezze combinate per gli SDH a profondità di 6,25 mm (0,25 in.), 62,5 mm (2,5 in.) e 68,75 mm (2,7 in.) non sono incluse nella Figura 5. A causa della vicinanza di questi SDH ai limiti laterali del blocco di verifica, non è stato possibile ottenere delle linee delle ampiezze combinate lungo l'intera larghezza della mappatura dell'ampiezza.

Figura 5: Le linee delle ampiezze combinate degli SDH presenti nei blocchi di verifica NAVSHIPS.

Confronto delle mappature delle ampiezze TFM empiriche con l'AIM

Eseguendo l'interpolazione nella direzione z delle linee delle ampiezze combinate illustrate nella Figura 5, abbiamo ottenuto la mappatura dell'ampiezza TFM empirica illustrata nella Figura 6 (a).

La Figura 6 (a) mostra che questo piano di scansione TFM possiede una scarsa sensibilità con angoli di orientazione bassi (30º) e alti (>70º). La scarsa sensibilità a angoli di orientazione bassi causati da valori di coefficiente di trasmissione ridotti dallo zoccolo Rexolite al blocco di verifica in acciaio [4]. Invece la scarsa sensibilità con alti angoli di orientazione è dovuta a una scarsa focalizzazione causata da grandi numeri F effettivi [5]. Queste conclusioni sono coerenti con le linee guida degli angoli di orientazione raccomandati per le ispezioni angolari con phased array convenzionali [6].

Figura 6: (a) Mappatura delle ampiezze empiriche degli SDH e (b) l'AIM teorica degli SDH per la modalità TT impulso-eco. Sono state aggiunte linee guida con angoli di orientazione di 30º e 70º (dal punto centrale dell'apertura attiva). La corrispondente e teorica AIM degli SDH è illustrata nella Figura 6 (b).

Confrontando le Figure 6 (a) e 6 (b), è evidente che il modello acustico può prevedere con precisione l'area nel piano di scansione che possiede la sensibilità ottimale. Le incongruenze tra due figure può essere attribuita da ridotte variazioni nella pressione di accoppiamento visto che la sonda è spostata lungo al superficie del blocco di verifica. Notare che l'ampiezza dell'AIM teorico è espressa in unità arbitrarie in quanto risulta estremamente difficile effettuare la modellazione dell'esatta entità de segnali di energia ricevuti dal sistema di acquisizione. Tuttavia, visto che per diversi AIM sono usate unità arbitrarie coerenti, è ancora possibile confrontare le sensibilità acustiche del TFM di diversi piani di scansione e diverse modalità acustiche.

Convalida dei fori a fondo piatto (FBH - flat-bottom hole)

Per verificare la precisione di modelli acustici per precedere la sensibilità dell'ampiezza per difetti direzionali, abbiamo condotto degli esperimenti di convalida su blocchi di ispezione personalizzati attraverso una specifica lavorazione. Il blocco di verifica possiede uno spessore di 20 mm (0,8 in.) e contiene FBH che sono stati ottenuti per ottenere una corrispondenza con il profilo di una tipica saldatura con bisello a J. Per questo studio, abbiamo usato 5 FBH i cui vettori perpendicolari alla superficie inferiore sono orientati di un valore inferiore ai 3° rispetto all'orizzontale. Un'immagine del blocco di verifica con le indicazioni degli assi di scansione è riportata nella Figura 7.

Figura 7: Blocchi di ispezione personalizzati attraverso una specifica lavorazione con gli assi di scansione

Per questo esperimento abbiamo usato una sonda 5L32-A32 da 32 elementi con una frequenza centrale di 5 MHz e un passo dell'elemento di 1 mm. La sonda è stata accoppiata a uno zoccolo di Rexolite SA32-N55S-IHC da 36,1º. Visto che le orientazioni delle superfici inferiori degli FBH sono quasi verticali, gli acquisiti dataset della FMC sono stati elaborati in modalità auto-tandem (salto singolo). Un diagramma schematico del piano di scansione è illustrato nella Figura 8.

Figura 8: Un diagramma schematico dell'esperimento di convalida con la modalità TFM auto-tandem.

Confronto delle mappature delle ampiezze TFM empiriche con l'AIM

L'empirica mappatura dell'ampiezza FBH e il teorico AIM degli FBH per la modalità TTT auto-tandem sono rispettivamente illustrati nella Figura 9 (a) e (b). Confrontando i due diagrammi, è evidente che il modello acustico fornisce una stima precisa della sensibilità acustica relativa nell'area di scansione. La Figura 9 indica che la modalità TTT auto-tandem è più adatta per il rilevamento dei difetti verticali posizionati nella parte inferiore del campione da ispezionare.

Figura 9: (a) Empirica mappatura delle ampiezze degli FBH e (b) teorico AIM degli FBH per la modalità TTT auto-tandem.

L'empirica mappatura delle ampiezze degli FBH e il teorico AIM degli FBH per la modalità TTT auto-tandem sono rispettivamente illustrate nella Figura 10 (a) e (b). Ancora una volta, è evidente che il modello acustico fornisce una stima precisa della sensibilità acustica relativa nell'area di scansione. Le oscillazioni dell'empirica mappatura delle ampiezze da x = 25 mm (1 in.) a x = 40 mm (1,6 in.) sono causate dall'interferenza delle altre modalità acustiche che hanno tempi di percorrenza simili.

Inoltre, confrontando la Figura 9 con la Figura 10, vediamo che i rapporti delle ampiezze massime tra le due modalità auto-tandem sono approssimativamente di 3,3 (13800/4200) per le empiriche mappature delle ampiezze e approssimativamente 3,4 (1,23/0,36) per i metodi teorici. La similitudine dei rapporti delle ampiezze indica che i modelli acustici possono anche essere usati per prevedere la sensibilità acustica elativa nelle diverse modalità di imaging TFM.

Figura 10: (a) Empirica mappatura delle ampiezze degli FBH e (b) teorico AIM degli FBH per la modalità TTT auto-tandem.

ESEMPIO APPLICATIVO

Per dimostrare ulteriormente l'utilità del modello acustico, riportiamo un esempio di un'applicazione reale dove l'AIM teorico viene usato per guidare la scelta della modalità di ispezione TFM. Per questo esempio abbiamo ispezionato un campione con saldatura con bisello a V con un difetto noto da fusione incompleta. L'angolo della saldatura è approssimativamente di 35º e abbiamo usato la stessa sonda 5L32-A32 e lo stesso zoccolo SA32-N55S-IHC usati per l'esperimento di convalida degli FBH. Un diagramma schematico della configurazione sperimentale è illustrato nella Figura 11.

Figura 11: Diagramma schematico dell'ispezione da fusione incompleta.

Nel modello teorico, il difetto da fusione incompleta è simulato attraverso un difetto FBH del diametro di 5 mm avente una superficie inferiore orientata a 35° rispetto alla verticale. I corrispondente AIM teorico per la modalità TLT auto-tandem e la modalità TTTT a doppio salto sono illustrati nella Figura 12.

Figura 12: AIM teorico per un piano con ispezione a fusione incompleta in modalità TLT auto-tandem (a) e modalità TTTT a doppio salto.

La Figura 12 mostra che l'AIM della modalità TLT è maggiormente irregolare confronto all'AIM della modalità a doppio salto. Di conseguenza sarebbe più difficile ottenere una valutazione attendibile della dimensione del difetto da fusione incompleta mediante la modalità TLT. Inoltre l'ampiezza attesa dalla modalità TLT è 3 ordini di grandezza inferiore rispetto alla modalità a doppio salto. Mediante l'AIM teorico si prevede che la modalità TTTT a doppio salto rappresenta la modalità di imaging TFM preferibile. Le corrispondenti immagini TFM sperimentali dono visualizzate nella Figura 13.

Figura 13: Immagini TFM di difetto da fusione incompleta nella modalità TLT auto-tandem e (b) modalità TTTT doppio salto.

La Figura 13 dimostra che l'immagine TFM a doppio salto possiede un valido SNR e fornisce una valutazione chiara della dimensione del difetto da fusione incompleta. Invece l'immagine TFM auto-tandem possiede uno scarso SNR e contiene echi isolati difficili da interpretare. Gli echi isolati sono come echi diffratti dalle estremità appuntite del difetto da fusione incompleta. Ciò nonostante, la dimensione e il tipo di difetto sono difficili da valutare in modalità TLT auto-tandem.

Il scarso SNR dell'immagine TFM in modalità TLT auto-tandem concorda con la bassa ampiezza illustrata nell'AIM teorico in Figura 12 (a). Tuttavia bisognerebbe notare che il rapporto delle ampiezze degli echi per le due modalità in Figura 13 è minore rispetto al rapporto delle ampiezze previste dall'AIM teorico in Figura 12. Visto che la geometria della fusione incompleta è diversa dal modello FBH usato per simulare il difetto, le ampiezze degli echi diffratti dalle estremità appuntite del difetto da fusione incompleta potrebbero essere sottostimate nel modello teorico.

CONCLUSIONI

Abbiamo dimostrato un modello acustico che può prevedere in modo preciso la mappatura delle ampiezze TFM per i difetti direzionali e non direzionali. Per un dato modello di ispezione, il modello può essere usato per regolare il piano di scansione (apertura, frequenza di scansione, posizione della sonda, ecc.) per ottimizzare l'SNR e la probabilità di rilevamento. Visto che i modello fornisce un confronto dell'ampiezza relativa tra diverse modalità acustiche, esso può essere usato anche per scegliere la modalità di ricostruzione TFM ottimale. In futuro, prevediamo di estendere il modello a geometrie più complesse e di includere più modelli di diffusione per aumentare l'utilità de modello.

BIBLIOGRAFIA

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[2] K. Sy, P. Bredif, E. Iakovleva, O. Roy, and D. Lesselier, “Development of methods for the analysis of multi-mode TFM images,” J. Phys. Conf. Ser., vol. 1017, p. 012005, Maggio 2018.

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

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

[5] S. I. Nikolov, J. Kortbek, and J. A. Jensen, “Practical applications of synthetic aperture imaging,” in 2010 IEEE International Ultrasonics Symposium, San Diego, CA, 2010, pp. 350–358.

[6] E. A. Ginzel and D. Johnson, “Phased-Array Resolution Assessment Techniques,” p. 13.