Введение
Индустрия неразрушающего контроля (НК) в настоящее время переживает период бурного развития; на рынке появляется все больше устройств, поддерживающих метод общей фокусировки (TFM). Метод TFM – это существенный шаг вперед в области технологии ультразвукового контроля с применением фазированных решеток (УЗК ФР). Однако, некоторые пользователи еще не совсем понимают, что такое TFM и его связь с FMC (полноматричным захватом), а также не видят разницу между традиционным УЗК ФР и методикой TFM/FMC. Данное примечание по применению дает базовое понимание TFM-визуализации тем, кто уже знаком с технологией УЗК ФР. Для краткости и ясности, аспекты, относящиеся к режимам распространения УЗ волн, оставлены в стороне.
Традиционный ультразвуковой контроль с фазированными решетками (УЗК ФР)
Отличительной чертой ультразвуковой фазированной решетки является способность фокусироваться в любой желаемой точке в объекте контроля. Тип фокусировки, используемой в технологии фазированных решеток, использует задержки как при передаче, так и при приеме, для синхронизации времени пролета коротких импульсных сигналов в интересуемых точках. В фокальной зоне объекта, ширина генерируемого акустического луча уменьшается, а соответствующее разрешение обнаружения существенно увеличивается.
Физическое формирование луча
Традиционный ультразвуковой ФР-контроль использует физическое наложение акустических волн при передаче для создания акустического луча, сфокусированного на определенной глубине в объекте контроля. Группа элементов передатчика образует апертуру, из которой выходит когерентный акустический импульс. Процесс передачи импульса фазированной решеткой называется «физическим» формированием луча. На S-скане, например, физическое формирование луча происходит для каждого заданного пользователем угла.
Синтетическое формирование луча
В конце акустической петли между передатчиком, рассеивателем и приемником, элементы принимающей апертуры регистрируют все отраженные от объекта контроля эхо-сигналы как A-сканы. Данные A-скана содержат амплитуду и время прохождения эхо-сигнала. Чтобы подчеркнуть чувствительность приема в определенной зоне объекта контроля, A-сканы задерживаются и суммируются, как если бы фокусировка была применена посредством физического формирования луча. Однако, в этот раз, все задержки и суммирования происходят в программном обеспечении устройства сбора данных. Это формирование луча приема называется «синтетическим» формированием луча. Все вычисления, необходимые для синтетического формирования луча, выполняются в специальных электронных устройствах, позволяющих быстро получать изображения в режиме реального времени.
Ограничения традиционного УЗК ФР
Преимущество фокусировки с помощью ФР заключается в явном улучшении чувствительности в фокальной зоне, что локально повышает эффективность обнаружения. Однако, эта повышенная чувствительность ограничена контролируемой, но фиксированной глубиной в объекте контроля. Отражатели, расположенные за пределами зоны фокусировки, могут выглядеть размытыми и немного больше, чем аналогичные отражатели в фокусной зоне.
FMC—Стратегия сбора данных
TFM—Реконструкция изображения
TFM—Построение изображения высокого разрешения
Метод общей фокусировки (TFM) — это систематическое применение основного принципа фокусировки фазированной решетки в определенной области интереса объекта контроля. Область интереса разбита на сетку позиций или «пикселей», и фокусировка луча ФР применяется к каждому пикселю в сетке. На сегодняшний день, TFM является наиболее эффективным методом генерации «сфокусированного повсюду» изображения зоны интереса.
Однако, если бы в методе общей фокусировки использовалась стратегия сбора данных УЗК ФР посредством физического формирования луча, время генерации TFM-изображения ограничило бы его использование в большинстве случаев НК. При работе в режиме TFM, количество пикселей, составляющих изображение, намного превышает количество дискретных углов, необходимых для генерации S-скана той же области интереса. S-скан, проходящий через 100 углов, требует 100 сборов данных посредством физического формирования луча, тогда как для TFM-изображения (100 × 100 пикс.) понадобилось бы 10 000 сборов данных физического формирования луча.
Во избежание этой проблемы, используется другая стратегия сбора данных, в которой значения амплитуды в сетке рассчитываются путем синтетического формирования луча для обеих фаз (передачи и приема). Данная стратегия требует набора фокальных законов, соответствующих каждой позиции пикселя в сетке ROI, и набора необработанных фундаментальных сигналов, или элементарных A-сканов. Эффективным способом получения элементарных A-сканов является метод сбора данных FMC (полноматричный захват).
FMC—Стратегия сбора данных для эффективного TFM
FMC (Full Matrix Capture) — метод сбора данных, который позволяет получить все A-сканы (амплитудно-временные характеристики) между отдельными парами излучающих и принимающих пьезоэлементов преобразователя. Эти элементарные A-сканы сохраняются в набор данных FMC. Для достижения наилучшего результата фокусировки, все элементы апертуры преобразователя должны использоваться для генерации данных FMC путем синтетического формирования луча. Таким образом, число сборов данных, необходимое для построения FMC, аналогично количеству элементов преобразователя. Набор данных FMC содержит информацию о распространении звука между всеми элементами преобразователя, включая отражения на границах раздела сред и рассеяние лучей в зоне дефектов. Любой тип сбора данных УЗК ФР может быть восстановлен из набора данных FMC с использованием правильно выбранных задержек, включая секторное сканирование, визуализацию плоской волны (PWI), динамическую фокусировку по глубине (DDF), метод общей фокусировки (TFM) и др.
При использовании метода FMC, количество сборов данных, необходимое для генерации изображения, может быть идентично УЗК ФР, но обработка отдельных групп данных FMC требует значительной емкости памяти, пропускной способности и вычислительной мощности. В зависимости от мощности электроники, получение результатов TFM/FMC может быть медленнее, чем при традиционном УЗК ФР.
Иллюстрация различий между изображениями УЗК ФР и TFM на конкретном примере
Для иллюстрации различий в визуализации УЗК ФР и TFM, рассмотрим пример, в котором линейный ФР-преобразователь используется для сканирования одинаковых боковых цилиндрических отверстий (SDH), вертикально расположенных в стальном образце.
Здесь сравниваются S-скан УЗК ФР (a) и TFM-изображение (b), полученные при той же конфигурации контроля с применением дефектоскопа OmniScan™ X3, преобразователя 5L64-A2 и призмы SA2-N55S-IHC, и использованием 32-элементной апертуры.
На S-скане УЗК ФР (a), каждый А-скан получен с использованием уникальной глубины фокусировки 22 мм. SDH, расположенные в зоне фокуса, имеют одинаковую амплитуду и размер. SDH, расположенные далеко от глубины фокусировки, выглядят искаженными и имеют меньшую амплитуду. Для более равномерного измерения SDH в данной зоне контроля требуется несколько изображений с различной глубиной фокусировки.
На TFM-изображении (b), ультразвуковые лучи фокусируются в каждом пикселе. Как видно, каждое из SDH-отверстий отображается с оптимальным разрешением, Тем не менее, наблюдаются некоторые искажения сигналов SDH, расположенных на границах области интереса. Эти искажения являются неотъемлемой частью процесса формирования луча, как для УЗК ФР, так и для TFM-изображений.
Краткие выводы относительно TFM vs УЗК ФР
Основное преимущество TFM – в том, что все изображение отображается со сфокусированной амплитудой, тогда как в случае УЗК ФР изображение имеет высокое разрешение только в зоне фокусировки луча.
Синтетическое формирование луча, выполняемое при УЗК ФР только на принимающей стороне, также выполняется на этапе передачи в режиме TFM, что делает скорость сбора данных приемлемой для НК. Синтетическое формирование луча требует применения особых задержек для элементарных A-сканов, полученных с помощью FMC. Обратите внимание, что набор данных FMC может предоставить базовую информацию для любого синтетического формирования луча, включая УЗК ФР и TFM.
Поскольку для получения TFM-изображения требуется обработать большое количество данных FMC, метод общей фокусировки может быть менее продуктивным, чем УЗК ФР с той же апертурой.
Несмотря на то, что изображение TFM сильно сфокусировано по всей области интереса, оно по-прежнему подвержено тем же акустическим ограничениям, что и УЗК ФР. Амплитудные флуктуации и искажения наблюдаются как в УЗК ФР, так и в TFM, но результаты для группы идентичных рассеивателей в объекте контроля более устойчивы в режиме общей фокусировки.
