CN107278269B - 用于围绕轴可旋转的火车轮的感兴趣区域中的缺陷的超声检测的方法及其装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于通过超声波无损测试火车轮(101)的方法。该方法基于通过在声学上耦合到火车轮(101)的个别可控超声发射换能器(110)的阵列(102)来生成待测试的火车轮(101)中的脉动超声场。为此，超声发射换能器(110)各采用特定模拟瞬态激励信号来控制，每个模拟瞬态激励信号基于超声发射换能器特定的所存储的数字瞬态激励函数来生成。优选地，来自待测试的火车轮(101)的所得到的回波信号通过个别可控超声接收换能器(110)的阵列(102)来记录。每个超声接收换能器(110)能够提供模拟时间分辨回波信号。所接收的模拟时间分辨回波信号能够按照换能器特定方式来数字化，并且采取回波信号集合的形式暂时存储。多个不同接收处理规则然后能够应用于后者。此外，本发明涉及用于执行该方法的装置。

Description

用于围绕轴可旋转的火车轮的感兴趣区域中的缺陷的超声检 测的方法及其装置
背景技术
本发明涉及一种用于通过超声波无损测试火车轮的方法，具体来说涉及一种用于检测围绕旋转轴可旋转的火车轮的感兴趣区域中的缺陷、例如裂纹的方法。本发明的另外主题是一种用于检测火车轮的感兴趣区域中的缺陷、例如裂纹的测试装置。
用于通过超声波无损测试测试对象、例如火车轮的体积的多种装置和方法按照现有技术是已知的。具体来说，因为引入所谓的相控阵技术(其基于多个独立可控超声换能器的使用，并且其准许通过发射换能器元件的透射孔径和相对相位位置的变化来具体控制测试对象中的所生成的超声场的声穿透角和焦点位置)，直接在火车轮的例如生产过程中的基于大自动化超声波的材料测试是可能的。一般来说，在这里使用脉动超声场，其具有数百至数千赫兹的典型重复率，并且其中所声穿透的超声脉冲具有通常1至大约10兆赫兹的中心频率。
结合通过超声波无损测试火车轮，参照EP 1101105 A1，从其中已知火车轮的测试方法和装置，其基于超声波并且使用相控阵技术。公开一种用于检测围绕旋转轴可旋转的火车轮中的裂纹的方法，其中被提供以用于声穿透第一超声波的超声换能器围绕旋转轴按照基本上圆形的方式相对于火车轮来移动，并且其中第一超声波经过运行表面（runningsurface）声穿透到火车轮中。
此外，公开另一种用于检测围绕旋转轴可旋转的火车轮中的裂纹的方法，其中被提供用于声穿透第一超声波的超声换能器围绕旋转轴按照基本上圆形的方式相对于火车轮来移动，并且其中第一超声波声穿透到火车轮的毂（hub）中。此外，从这个发表物已知用于执行上述方法的装置。在这里，主要使用相控阵技术，以便枢轴转动定向声束以用于依次扫描待检查的火车轮的区域。此外，公开超声换能器的二维阵列的使用，以便能够控制在空间中在彼此垂直的两个方向上的角旋转和聚焦。
从EP 1087229 A2还已知一种用于检测具体在火车轮中的盘状或板状测试对象的方法。在测试对象中，横向并且与测试对象的平坦侧平行偏振的超声波通过超声发射器在测试对象的窄侧上生成，并且在缺陷上偏转之后通过与超声发射器间隔开的超声接收器来检测。优选地，测试对象中的超声波的声穿透角具有大于10°但小于制作火车轮的材料的折射角(其与第一临界角关联)的值。此外，超声接收器的接收的信号优选地仅在包含超声波的接收时间(其对超声发射器与超声接收器之间的间距并且对声穿透角是要预期的)的时间间隔之内来评估。该文献还公开一种用于执行该方法的装置。
关于本领域的技术人员从现有技术已知的用于无损测试火车轮的测试任务，参照上述文献的公开的完整内容以及与这些文献所提及的相关现有技术有关的发表物。此外，参照有关测试标准，例如比如ISO 5948 Railway rolling stock material - Ultrasonic acceptance testing或者下列的内部测试指南：Deutsche Bahn No. 907.0403 Zerstö rungsfreiePrüfung; Ultraschallprüfung von Radreifen BA 064/065 auf Querrisse in der Bohrungsfläche und der Lauffläche and No. 907.0405 ZerstörungsfreiePrü fung; Ultraschallprüfung der Radkränze von VollrädernscheibengebremsterRadsä tze。通过这种引用将这些先前发表物的公开的内容全部地添加到本申请的公开的内容。
即使从EP 1087229 A2和EP 1101105 A1已知的方法和装置通过所有手段证明其在火车轮的大自动化测试中的实践价值，但是发现测试所要求的时间是很大的。它导致待测试的轨道车辆的更长停工期，并且因而导致运营商相当大的经济损失。
因此，本发明基于按照使得它们实现基本测试任务的明显加速完成的方式进一步开发上述方法和装置的目的。
这个目的通过如权利要求1所述的方法以及通过如权利要求15所述的装置来实现。
隶属独立权利要求的从属权利要求组成有利发展和配置，其特征可在本领域的技术人员的普通动作的上下文中相互自由结合，而无需本申请中要求的对此具体指示。
按照本发明的方法基于从现有技术已知的方法的发展，其基于将定向脉动超声场声穿透到待测试火车轮中，其声穿透方向逐个脉冲变化，例如以便依次扫描感兴趣区域、例如轮盘的端表面或者轮缘与轮盘之间的颈状过渡区域。
按照本发明，脉动超声场按照有目标的方式、使用适当波束生成技术通过个别可控超声发射换能器声穿透到待测试火车轮中。关于其几何结构，超声场适合待测试火车轮的几何结构以及待执行测试任务。具体来说，这个超声场适合待执行测试任务的上下文内的待检查“感兴趣区域”。这种感兴趣区域具体来说可以是待测试火车轮中的这类区域，其中缺陷、例如裂纹(其因为是安全相关的，所以经受表示（registration）)能够在实际操作中以增加的概率出现。作为示例，参照EP 1101105 A1和EP 1087229 A2中提到的火车轮的区域以及从介绍中提到的测试标准和指南所知的区域。但是，测试任务还可涉及测试新制作的火车轮以免除缺陷。
按照本发明，从现有技术已知的方法针对透射来开发，其中技术用于在“超声全息”的名义下所知的这种情况。它们基于如下见识：有可能在火车轮的体积的任何点处预定义具有预期超声场几何结构的超声场，并且从这个超声场几何结构返回来计算在超声发射换能器阵列的位置的时间和空间上的超声场分布。如果超声发射换能器阵列将超声信号的时间和空间上的这个分布发射到待测试火车轮的感兴趣区域中，则这导致在火车轮的体积的观测点处所预期的预定义超声场分布。因此，有可能具体生成声穿透到待测试火车轮的感兴趣区域中的超声场的场分布，其最佳地适合于待检查火车轮的体积区域的跨穿透（transsonification）。具体来说，这使得有可能按照如下方式来控制超声发射换能器：使得声穿透超声场的线状焦点在感兴趣区域中形成或者二维延伸焦点沿超声场的声传播方向延伸的。例如，转移到从EP 1087229 A2已知的测试任务，具有线状焦点(其位于轮盘的端面上)的超声场能够按照这种方式来生成，使得位于在那里的轮盘中的近表面感兴趣区域能够在径向方向上延伸的测试方向同时被测试缺陷。因此，在EP 1087229 A2的V形测试设置中调谐声穿透或接收角以便依次扫描轮盘的整个内表面变得不必要。这里作为示例所解释的这种方式能够转移到对于按照现有技术、采用具有角调整的依次测试所实现火车轮的实际上全部测试任务。本领域的技术人员能够从EP 1101105 A1以及介绍中提到的测试标准和指南获悉这类测试任务的其他示例。
另外，声穿透超声场的不同区域之间的多个回波和串扰能够通过场几何结构的熟练选择来抑制。
因此，按照本发明的方法准许采用单个超声脉冲跨穿透待测试火车轮的大扇区，使得实际上能够大体上从它们中接收回波信号。因此，要求比从现有技术已知的方法中要少的超声脉冲，以便跨穿透待检查火车轮的整个体积。为此，显著增加的测试速度能够采用按照本发明的方法和按照本发明的测试装置来实现。
按照本发明的方法用于通过超声波无损测试火车轮。在该方法的上下文内，在第一步骤中，脉动超声场在待测试火车轮中生成。在声学上耦合到火车轮的个别可控超声发射换能器阵列用于这个目的。超声发射换能器各采用特定模拟瞬态激励信号来控制，每个模拟瞬态激励信号基于超声发射换能器特定的所存储的数字瞬态激励函数来生成。要使用的瞬态激励函数一般在前一步骤中基于待检查火车轮的几何结构以及基于特定测试任务(在这种情况下具体来说是火车轮中的待检查感兴趣区域的位置和取向)以数值方式来确定。
在另一个方法步骤中，从火车轮接收所得到的回波信号。个别可控超声接收换能器阵列也能够用于这个目的，其中每个超声接收换能器提供模拟时间分辨回波信号。具体来说，超声发射换能器也能够用作接收换能器，使得超声换能器的同一个阵列能够用于发射超声脉冲以及用于接收超声回波。
按照时间分辨方式所接收的模拟回波信号则按照换能器特定方式来数字化，其中时间分辨换能器特定数字化回波信号优选地采取回波信号集合形式暂时存储。
在按照本发明的方法的优选另外发展的后一方法步骤中，多个不同接收处理规则然后应用于这个暂时存储的回波信号集合，其与声穿透到火车轮中的单个超声脉冲相互关连。在这种情况下，接收处理规则由至少下列接收处理参数来表征：
在接收处理规则中考虑其回波信号的超声接收换能器的数量和身份，
应用于接收处理规则中考虑的回波信号的个别相移，并且如果适用的话，
要在接收处理规则中考虑的回波信号所在的时帧。
接收处理规则在这种情况下能够并行或者也能够依次应用。特别是在并行应用的情况下能够实现很高的处理速度。大体上有可能在下一个超声脉冲声穿透到火车轮之前完成将不同接收处理规则应用到回波信号集合。
例如，来自无损材料测试领域的基于高级超声的检查方法(例如它们从EP2294400 A1或EP 1454132 A1中是显而易见的)基于如下概念的进一步发展：通过接收换能器阵列按照时间分辨方式从测试对象的体积所记录的超声回波信号的评估在关于时间的预期深度对每个个别换能器来存储，并且然后经过处理算法。这个处理算法能够配置成与所使用的声穿透算法完全无关。例如，声穿透能够例如通过大平面波前进行，使得跨穿透尽可能大的测试对象体积。因此，个别接收换能器的这些所存储的回波信号能够基本上源于整个跨穿透测试对象体积。通过具体应用换能器特定回波信号之间的相移，这时有可能按照如下方式综合地聚焦超声回波：使得具体相加与测试对象中的某个深度区域或者测试对象体积中的某个体积元素(体素)关联的所有回波信号。通过在向与个别声穿透超声脉冲相互关连的回波信号的同一个集合重复应用评估算法的上下文内的相位位置的特定变化，有可能仅通过计算逐个区域扫描跨穿透体积，并且按照这种方式生成源于测试对象的各种体积区域的回波幅值的二维或三维图像。在这种情况下，FR 2833706 A1的同族作为其主题具有一种用于通过超声波无损测试管道的方法，其被专业人员称作“油漆刷方法”。如果“油漆刷方法”在本申请的上下文内提到，则这要被理解为对这个专利同族的发表物的引用。WO2009/150066 A1和WO 2009/150067 A1涉及无损测试具有大壁厚的测试对象。其中所公开的方法在专业人员之间称作“动态深度聚焦方法”(DDF方法)。如果“DDF方法”在本申请的上下文内提到，则这要被理解为对上述两个文献的教导的引用。
另外，可参照DE 102005051781 A1，其描述一种方法，其中通过依靠在改变聚焦参数的同时重复应用评估算法来具体应用合成聚焦，对回波信号逐个体素来扫描跨穿透测试对象体积。
接收处理规则能够是例如按照US 7429352 B2的教导的评估规则、即按照所谓的“油漆刷方法”的评估。备选地，它能够是按照如WO 2009/150066 A1或WO 2009/150067 A1所述的“动态深度聚焦方法”的实施例的评估。另外，与DE 102005051781 A1所述方法类似的评估规则也是可能的。
优选地，应用于回波信号集合的接收处理规则在接收处理参数的至少一个(例如比如，超声接收换能器的数量和/或身份、接收换能器特定相移或者例如运行时间延迟的接收换能器特定相移的变化)中有所不同。
最后，可参照早先优先权的后续发表专利申请(官方文件号DE 102014107819，发表人为本申请的拥有者)，从其中已知用于通过超声波的测试对象的无损测试的方法和装置。其中所公开的方法和其中所公开的装置基于将超声全息方法用于生成声穿透到测试对象中的超声场。在接收侧上使用诸如“油漆刷”和“动态深度聚焦”的方法。通过这个引用，也将这个后续发表专利申请的公开的内容全部地加到本申请的公开。
在按照本发明的方法的优选实施例中，火车轮的体积的至少一段的图像在另外的方法步骤中基于所应用的多个接收处理规则的结果来生成。这种图像能够是待测试火车轮的体积的2维或3维表示或者B、C或扇区扫描。所生成的表示然后在适当显示单元、例如LCD上显示。
由于火车轮是(基本上)旋转对称的测试对象，所以几何相关回波能够通过对所得的体素回波幅值(其对于具有沿火车轮的所有旋转角的径向和轴向的预定位置的一个体素所形成)的平均值按照简单方式来消除。然后从个别体素的回波幅值中减去这个平均值。由于火车轮的旋转对称性，几何相关回波与轮子的旋转角不相关并且按照这种方式来消除。特别是对于待测试火车轮的2维或3维表示，特别是对于火车轮的整个体积的表示、火车轮的所检查的感兴趣区域或者甚至缺陷指示到火车轮表面的投影(其例如以三维方式表示)，这是有利的。一种对应方法从德国专利申请DE 2013106901(2013年7月1日提交)中是显而易见的。通过这个引用，也将这个后续发表专利申请的公开的内容全部地加到本申请的公开。
从DE 2012112121 A1中已知能够用来代替或补充最后提到的发展的另一个有利发展。其中所公开的方法和其中所公开的装置不是基于对火车轮的所有旋转角的上述体素回波幅度的求平均，而是基于形成体素回波幅度相对于旋转角的导数及其作为旋转角的函数的评估。具体来说，这种方法具有关于对比度的增加的优点。通过这个引用，也将这个专利申请的公开的内容全部地加到本申请的公开。
在按照本发明的方法的优选发展中，声穿透到火车轮中的超声场的声场几何结构(其适合待测试火车轮的几何结构和待执行测试任务)在一般较早进行的方法步骤中确定。然后计算超声发射换能器特定数字瞬态激励函数，其适合于通过超声发射换能器阵列来生成具有预定义声场几何结构的火车轮中的超声场。发现适当超声发射换能器特定数字瞬态激励函数能够有利地基于点传递算法或者傅立叶变换算法(其均从现有技术已知)来确定。
大体上，在技术上有可能通过数模转换从所存储的超声发射换能器特定数字瞬态激励函数来生成超声发射换能器特定模拟瞬态激励信号。但是，实际上，这因所要求的高激励电压而可必需增加的技术支出。实际上，代替所存储的超声发射换能器特定数字瞬态激励函数的数模转换，通过一系列多电平方波信号来近似每个情况中的对应的模拟瞬态激励函数已经证明是更简单的。多种多电平方波信号发生器(其能够生成通常在1与100 MHz之间的所要求的频率范围中以及在一些10到100伏特的范围中的若干离散正和负电压电平)在现有技术中是可用的。将结合示范实施例来提出这个方面的细节。
一般来说，能够通过换能器特定编码、例如个别高频调制还被调制到发射侧上所使用的换能器特定瞬态传输信号上来实现信噪比的增加。这个高频调制能够在接收侧上检测，并且用于将所检测的回波信号与相应的超声发射换能器关联。还有可能采用统一编码来提供超声发射换能器编组的传输信号。
执行该方法的特别优选方式与特定声穿透角(其逐个脉冲以电子方式变化)不一起工作。而是有可能通过发射换能器阵列(其能够是线性的，但是优选地是二维的)来生成形成待测试火车轮的感兴趣区域中的线状焦点的发散超声场。然后通过阵列的个别超声换能器来执行接收和评估，如权利要求3的接收特定特征a至c中所述。另外，在这种情况下，接收处理规则的应用能够有利地按照“油漆刷方法”进行。
按照本发明的方法及其各个有利实施例的上述特征、操作模式和优点也能够直接转移到以下所述按照本发明的测试装置及其各个有利配置和实施例。
按照本发明的用于通过超声波无损测试火车轮的装置包括超声发射单元，其配置成通过个别可控超声发射换能器阵列(其以声学方式耦合到火车轮)来由超声发射换能器(其各采用特定模拟瞬态激励信号来控制)在待测试火车轮中生成脉动超声场。每个模拟瞬态激励信号由超声发射单元基于超声发射单元中存储的超声发射换能器特定数字瞬态激励函数来生成。
此外，测试装置包括超声接收单元，其配置用于通过个别可控超声接收换能器阵列来接收来自火车轮的所得到的回波信号，其中每个超声接收换能器提供模拟时间分辨回波信号。
在优选实施例中，按照时间分辨方式所接收的模拟回波信号按照换能器特定方式来数字化，并且通过在超声接收单元中的适当功能编组、采取回波信号集合形式暂时存储在暂时存储器中。
在另一个优选实施例中，超声接收单元还配置成将多个不同的接收处理规则应用于回波信号集合。这种接收处理规则由至少下列接收处理参数来表征：
在接收处理规则中考虑其回波信号的超声接收换能器的数量和身份，
应用于接收处理规则中考虑的回波信号的个别相移，以及如果适用的话，
要在接收处理规则中考虑的回波信号所在的时帧。
在测试装置的优选实施例中，所应用的接收处理规则在接收处理参数的至少一个中有所不同。
在测试装置的另一个优选实施例中，超声接收单元还配置成基于所应用的多个接收处理规则的结果来生成火车轮的体积的至少一段的图像。这具体来说能够是二维或三维的。此外，它能够是待测试火车轮的B、C或扇区扫描。
在另外的优选实施例中，测试装置适合待测试火车轮的特定几何结构。在这个实施例中，超声发射单元配置用于将超声场声穿透到火车轮中，其声场几何结构适合待测试火车轮的感兴趣区域的几何结构和待执行的测试任务。
在其优选发展中，超声发射单元还包括计算单元，其配置用于确定超声发射换能器特定数字瞬态激励函数，其适合于通过超声发射换能器阵列来生成具有预定义声场几何结构的火车轮中的超声场。具体来说，计算单元能够配置用于基于点传递算法或傅立叶变换算法来确定适当超声发射换能器特定数字瞬态激励函数。
在测试装置的有利实施例中，超声发射单元配置成通过一系列多电平方波信号来生成超声发射换能器特定模拟瞬态激励函数。
在测试装置的优选实施例中，在超声接收单元的功能单元中实现的接收处理规则表示油漆刷方法或动态深度聚焦方法的实现。
在示范实施例的上下文内，作为示例来论述超声发射单元和超声接收单元的实施例，从其中，具体来说关于上述功能单元/功能编组能够如何在技术上实现的另外信息变成显而易见。
下面参照示范实施例来解释按照本发明的方法以及按照本发明的测试装置的另外的优点和特征。它们要被理解为示例和非限制性的，其中示范实施例的特征也许可能与要求保护的方法或测试装置的特征相结合。
附图说明
将参照附图来解释示范实施例，附图包括：
图1是示范超声全息系统以及在其中使用该系统的环境的示意图。
图2是图示图1的系统的电路图的一部分。
图3是图示图1的系统的电路图的另一部分。
图4是示范超声全息成像系统中使用的一系列示范波形的透视图形表示。
图5是示范超声全息成像系统中使用的另一系列示范波形的透视图形表示。
图6是示范超声全息成像系统中使用的又一系列示范波形的透视图形表示。
图7是示范超声全息成像系统中使用的作为示范全模拟激励脉冲的时间的函数的电压的图形表示。
图8是示范超声全息成像系统中使用的作为示范多电平方波激励脉冲的时间的函数的电压的图形表示。
图9是作为图7的激励脉冲和图8的激励脉冲的时间的函数的电压的图形表示。
图10是示范超声全息成像系统中使用的作为示范多电平方波激励脉冲和对应全模拟激励脉冲的时间的函数的电压的图形表示。
图11是另一示范超声全息成像系统中使用的作为示范多电平方波激励脉冲和对应全模拟激励脉冲的时间的函数的电压的图形表示。
图12是图示示范超声全息系统的脉冲发生器部分的电路图。
图13是图12的电路的部分真值表。
图14是示范超声换能器阵列的输出的仿真图像，如果全模拟激励信号用于控制超声换能器以便生成任意声场的话。
图15是示范超声换能器阵列的输出的仿真图像，如果多电平方波激励脉冲用于控制超声换能器以便生成任意声场时的。
图16是图示用于使用超声全息对物理对象进行成像的示范方法的流程图。
图17是图示超声全息系统的另一个示范实施例的电路图的一部分。
图18是图17的电路图的另一部分。
图19是用于图示第一示范实施例的经过待测试的火车轮的轮缘的一段的示意表示，
图20是用于图示第一示范实施例的图19的轮缘的顶视图，
图21是用于图示第二示范实施例的经过待测试的火车轮的轮缘的一段的示意表示，
图22是用于图示第二示范实施例的图21的轮缘的顶视图，
图23是用于图示第三示范实施例的待测试的火车轮的部分侧视图，
图24是用于图示第三示范实施例的图23的火车轮的轮缘的顶视图，
图25是用于图示第四示范实施例的待测试的火车轮的部分侧视图，以及
图26是用于图示第四示范实施例的图25的火车轮的轮缘的顶视图。
具体实施方式
注意的是，附图不一定按规定比例。附图仅假定表示本文所公开主题的外观的典型形式，并且因此不应当被理解为对本公开的范围的限制。
附图中，相同数字在附图中表示相同元件。
现在将描述某些示范实施例，以便提供对本文所公开的装置、系统和方法的结构、功能、制造及使用的原理的全面理解。这些实施例的一个或多个示例在附图中示出。本领域的技术人员将会理解，本文具体描述并且在附图中图示的装置、系统和方法是非限制性示范实施例，并且本发明的范围只通过权利要求书来限定。结合示范实施例所图示或所述的特征能够与其他实施例的特征相结合。这些修改和变更要包含在本发明的范围中。
使用模拟激励信号的超声全息成像系统能够生成详细声场(其不受超声换能器阵列的配置所限制)，以便因而被提供用于改进的成像，其能够开始于当前显示的物理对象的形状和配置。激励信号能够具有对超声换能器元件的参数的变化幅度、频率、相位、时移或调制，以便实现这些效果。
但是，这类模拟激励信号的生成要求复杂和昂贵的电路，并且消耗许多能量。此外，使用这类信号的系统不易于可访问使用ASIC的实现，对于能够用于激励脉冲的电压电平受到限制，并且对于速度受到限制。
相应地，本文公开系统和方法，其中多电平方波激励信号用来代替或补充全模拟激励信号，以便控制超声换能器元件的面板来生成声场。与全模拟激励信号的使用相比，多电平方波激励信号的使用以降低复杂度、成本和/或能量消耗来生成可接受超声换能器输出。此外，这类信号的使用促进使用专用集成电路(ASIC)的系统实现，并且对于电压电平和速度不受限制。同时，全模拟激励信号的优点和应用(例如声学全息、波束叠加、信噪比(SNR)的改进、寄生模式的抑制、增加材料渗透、编码脉冲算法的可能性以及超声场中的旁瓣的抑制)仍然能够采用多电平方波激励信号来实现。
如本文所使用的，术语多电平方波和多电平方形振荡按照可交换方式来使用，以便涉及具有带不连续幅度电平(正和/或负)的若干方形或矩形脉冲或阶跃（step）的信号。
图1是供在对物理对象101(其在本例中为火车轮)执行按照本发明的方法中使用的示范超声全息成像系统100的示意图。系统100包括超声换能器阵列102，其经由连接103耦合到处理系统104。
超声换能器阵列102发射超声脉冲，并且还接收物理对象101上反射的超声波。更具体来说，由超声换能器阵列102所发射的超声波渗透物理对象101，并且在物理对象101内的结构例如比如降低密度(其可指示腐蚀)或者物理对象101内的其他破裂或变化的区域上反射。超声换能器阵列102是超声换能器元件110(图2所图示)的矩形面板(m×n单元)。即使矩形面板在所图示的实施例中示出，但是有可能能够使用面板的其他类型，包含具有个别超声换能器元件的固定几何定位的多元件超声换能器阵列。面板的示范类型包括但不限于具有同心环的角段和/或分散面板(其中并非所有可能的位置都被超声换能器元件占据)的类型。每个超声换能器元件是压电超声换能器元件。但是，有可能使用其他类型的超声换能器元件来代替或补充这类电磁声学超声换能器(“EMAT”)或电容微加工超声换能器(“CMUT”)。每个超声换能器元件110设计用于传送和接收超声波形。有可能能够使用单独发射器或接收器元件来代替或补充普通超声换能器元件。
连接103能够是任何适当连接装置，其足以实现如本文所述的系统100的机能、包括例如硬连线组合件。
处理系统104包括模拟处理部分107，其连接到数字处理部分106。数字处理部分106连接到存储装置或者另一个存储装置105和用户输入装置108(例如操作面板、键盘、小键盘或者另一个装置或多个装置)。数字处理部分106为显示器111提供信号，以便生成显示图像109。
在操作期间，在对物理对象101进行成像的同时准备物理对象101的若干系列的记录。相应地，超声换能器阵列102相对于物理对象101移到第一位置中，以及将一个或多个系列的超声脉冲发射到物理对象101。这些超声脉冲的反射由超声换能器阵列102来记录，以及与所发射的脉冲对应的数据和对应接收的反射被存储和处理。超声换能器阵列102然后相对于物理对象101移到另一个位置中，并且进行另一系列的记录。所进行的记录和所使用的位置的数量取决于物理对象101的配置并且取决于被检测数据的类型(例如用于检测缺陷的成像等)。
超声换能器阵列102能够由数字处理部分106来引起发射超声波形，其又在与物理对象101接触时使多种不同波形经过物理对象101传播。示范波形包含：压缩波或剪切波，其进入物理对象内部并且用于针对裂纹的检查或用于检测内部缺陷；瑞利波，其通常限制到物理对象的表面并且例如用于分析或确定材料的机械或结构性质(例如比如裂纹形成)中；兰姆波，其通常沿物理对象的壁传播并且例如用于查找和表征物理对象中的内部缺陷和裂纹；以及蠕波，其通常用于访问在物理对象的其他部分之下隐藏的区域(例如焊缝或焊点)。
图2和图3共同形成图示系统100的电路图。具体来说，图2示出超声换能器阵列102和模拟处理部分107，以及图3示出数字处理部分106。
模拟处理部分107执行超声换能器阵列102与数字处理部分106之间传送的信号的预处理。模拟处理部分107使得有可能在系统100的操作模式之间进行切换。如下面详细描述，系统100能够工作在第一模式(其中使用多电平方波激励脉冲)并且工作在第二模式(其中使用全模拟激励脉冲)。但是，有可能系统不一定必须包含用于工作在第二模式的布置，在该情况下，生成全模拟激励脉冲所要求的电路能够被省略，如以下所述以及图17-18所示。此外，有可能系统能够工作在任何数量的混合操作模式，其中一个或多个超声换能器元件110通过多电平方波激励脉冲来控制，以及一个或多个超声换能器元件通过全模拟激励脉冲来控制。
在第一操作模式中，模拟处理部分107将由数字处理部分106所生成的激励信号转发到超声换能器阵列102(如指向左边的箭头A所示)，以便激励所选超声换能器元件110。在第二操作模式中，模拟处理部分107将由数字处理部分106所生成的数字信号转换为模拟信号，并且在它将模拟信号转发到超声换能器阵列102之前将模拟信号放大。
在每一个操作模式中，模拟处理部分107还将模拟信号(其由超声换能器元件110来传送，并且其表示由物理对象101所反射并且由超声换能器元件110所接收的超声波)转换为数字信号，并且将这些数字信号传送给数字处理部分106(如通过指向右边的箭头B所示)。
模拟处理部分107包含若干切换装置121，其设计用于在模拟处理电路中的不同位置处根据系统100的所选操作模式有选择地连接对应的若干脉冲发生器146(图3所示)的输出。具体来说，第一操作模式中的切换装置121按照如下方式来设计：使得脉冲发生器146的输出直接连接到超声换能器元件110(经由若干连接126和若干连接103)。在第二操作模式中，切换装置121按照如下方式来设计：使得脉冲发生器146的输出连接到若干数模转换器(“D/A”)120，其又经由若干连接122来连接到对应的若干放大器124。放大器124经由若干连接126和若干连接103来连接到对应超声换能器元件110。
即使仅示出切换装置121、D/A转换器120、放大器124和连接103的四个集合，但是清楚的是，这些组件的一个集合为超声换能器元件110的每个来提供并且与其连接。
模拟处理部分107还包括若干放大器128，其经由连接130来连接到连接103，并且又连接到对应超声换能器元件110。即使仅示出四个放大器128，但是清楚的是，存在与超声换能器元件110的每个所连接的一个放大器128。放大器128的每个经由若干连接132来连接到对应的若干滤波器134中的一个。滤波器134的每个经由若干连接136来连接到对应的若干模数转换器(“A/D”)138中的一个。滤波器134能够是任何适当电子信号滤波器，其必需使系统100按照本文所述方式起作用。A/D转换器138将由超声换能器元件110所接收并且传送给A/D转换器138的电子波形转换为数字信号。
模拟处理部分107连接到数字处理部分106。如图3所示，数字处理部分106包括主数字处理部分140、辅助数字处理部分142和上级控制部分144。主数字处理部分140包括波形成部分141以及图像重构和评估部分143。
在波形成部分141中，若干脉冲发生器146经由若干连接148来连接到对应的切换装置121(图2所示)。另外，脉冲发生器146经由若干连接150来连接到发射器控制单元152。发射器控制单元152根据系统100的操作模式来控制脉冲发生器146，以生成多电平方波激励脉冲、全模拟激励脉冲和/或其组合。发射器控制单元152可选地按照如下方式来控制脉冲发生器146：使得它们按照相对于每个超声换能器元件110的变化因素(例如比如幅度、频率、相位、时移、幅度调制、相位调制和频率调制)来生成激励脉冲。在其中省略用于生成全模拟激励脉冲的能力的实施例(例如图17-18所示的实施例)中，脉冲发生器146能够是简单脉冲序列发生器，其专门配置用于生成多电平方波激励脉冲。
发射器控制单元152经由连接154来连接到发射器设置单元156。发射器设置单元156存储和监测对由每个超声换能器元件110所发射的每个脉冲来生成专门成形的超声脉冲场所要求的超声换能器元件110的设置，包含激励脉冲类型的选择以及其激励脉冲定时、强度、幅度、频率、时移和调制。超声脉冲传播到材料区域中，其中它们相互重叠。这个干涉过程的结果是在材料中生成的声学图像。
在图像重构和评估部分143，求和单元158经由若干连接160来连接到A/D转换器138(图2所示)的每个。每个A/D转换器138生成数字化单元素信号(又称作“A扫描”)。为了执行个别A扫描中体现的反射声场的数值重构，求和单元158对数据信号(其由压电单元的每个所接收)来执行求和过程(其又称作“数值重构”)，以便生成整个物理对象101的虚拟A扫描。在所图示的实施例中，求和单元158配置为若干FPGA中的单元，即使能够看到其他组件能够用来代替或补充FPGA、例如比如ASIC。
求和单元158配置成将多个不同的接收处理规则应用于这个暂时存储的回波信号集合，其与声穿透到待测试的对象101(在本例中为火车轮)中的单个超声脉冲相互关连，并且其由多个换能器特定A扫描来组成。在这种情况下，接收处理规则由至少下列接收处理参数来表征：
在接收处理规则中考虑其回波信号的超声接收换能器的数量和身份，
应用于接收处理规则中考虑的回波信号的个别相移，以及如果适用的话，
要在接收处理规则中考虑的回波信号所在的时帧。
接收处理规则能够是例如按照US 7429352 B2的教导的评估规则、即按照所谓的“油漆刷方法”的评估。备选地，它能够是按照如WO 2009/150066 A1或WO 2009/150067 A1所述的“动态深度聚焦方法”的实施例的评估。另外，与DE 102005051781 A1所述方法类似的评估规则也是可能的。
优选地，应用于回波信号集合的接收处理规则在接收处理参数的至少一个(例如比如，超声接收换能器的数量和/或身份、接收换能器特定相移或者接收换能器特定相移的运行时间相关变化)中有所不同。
图像重构和评估部分143还包括若干存储元件161，以用于存储由A/D转换器138所传送的入局未处理原始数字信号。存储这类信号使得有可能使用入局数据的简单集合来执行多个评估，例如以用于改进随后处理的数字信号的质量的目的。
图像重构和评估部分143具有若干功能。一个功能是在应用上述接收处理规则的同时将原始模拟数据信号(其由超声换能器阵列102传送并且由模拟出来部分107先前处理)转化为一系列A扫描合计。A扫描合计用作超声测试评估的基础，超声测试评估在辅助数字处理部分142中、具体是在评估单元1-L中执行，其结果能够与自动化系统或图像绘制、例如B扫描或C扫描协作使用，如它们是本领域的技术人员已知的。A扫描合计系列共同形成物理对象101的未处理虚拟图像。图像重构和评估部分143处理原始虚拟图像，以用于通过优化由物理对象101内部的特征(其用作发射到物理对象101中的超声波的反射体)所生成的回波去除噪声。这类反射体能够组成物理对象101内的缺陷。指配给辅助数字处理部分142的功能能够由所有适当处理器装置(其按照使得它们实现如本文所述的辅助数字处理部分142的机能的方式所设计)来执行。
如同模拟处理部分107和主数字处理部分140中一样，辅助数字处理部分142包括与超声换能器阵列102传送到物理对象101中的波形的生成相关的功能以及与由物理对象101所反射并且由超声换能器阵列102所接收的波形的处理相关的功能。循环控制单元164经由连接166来连接到发射器设置单元156并且经由若干连接168来连接到求和单元158。评估单元170经由连接172来连接到求和单元158并且经由连接174来连接到循环控制单元164。
循环控制单元164经由连接178来连接到更高级处理单元176，其位于上级控制部分144中。评估单元170经由一个或多个连接180来连接到更高级处理单元176。
循环控制单元164设计用于调节系统100的操作。具体来说，系统100在一系列循环中工作。每个循环包括由超声换能器元件110的每个所发射的专门设计的超声脉冲(或“突发”)的集合，后面是暂停，后面是由超声换能器元件110的每个对一系列反射声波的接收，一系列反射声波又由模拟处理部分107转换为一系列数字信号，其由数字处理部分106来处理。与超声脉冲的每个集合对应的数据采取表(“循环表”)的形式来存储在循环控制单元164中，其定义每个系列脉冲的各种特征，例如比如要进行的记录的数量、在其上进行每个记录的方向、要进行其记录的物理对象101周围的位置的数量等。
评估单元170使用本领域的技术人员已知的方法对于求和单元158中生成和存储的原始虚拟图像或者对于从其中所得出的结果来执行超声测试评估。每个原始虚拟图像表示预定义系列的时间间隔中记录的“超声记录”的若干超声反射和物理对象101周围的若干位置，以便生成三维超声场。
评估单元170的另一个功能是将测试期间所检测的数据与物理对象101上的位置相互关连。具体来说，位置编码器(未示出)连接到超声换能器阵列102并且连接到数字处理部分106，以便报告和记录超声换能器阵列102相对于物理对象101的位置。超声场的分析包括例如时间段或“层面”(又称作“时间间隔”)的选择。分析时间间隔，以便确定时间间隔之内的最大声波幅度以及与这个幅度关联的测量的运行时间。
如本文所使用的，回波的“运行时间”涉及声波要求的时间量，以便穿过物理对象101并且从物理对象的回波产生特征返回。将所选幅度与预定参考幅度进行比较，并且将测量的运行时间与预定参考运行时间进行比较。如果所选幅度超过参考幅度的值，则假定缺陷存在于物理对象101内的物理位置，这与所选时间间隔关联。类似地，能够通过评估运行时间来查找缺陷。例如，与所选时间间隔(其表示成低于预定运行时间)关联的测量的运行时间能够是关于在关联位置处的物理对象101中的材料的厚度过小(例如因那个位置处的内部腐蚀)的指示。备选地，测量的运行时间对于其中腐蚀存在于物理对象101的外部表面上的状况能够大于预定参考运行时间。
更高级处理单元176包含PC、台式系统、个别CPU和/或使用由评估单元170所生成的评估的其他系统，以便执行各种任务，例如记录与物理对象101相关的数据、刺激过程控制和/或生成用户的可视化。此外，更高级处理单元起系统100的命令中心的作用，其中用户输入指令和数据(例如比如与物理对象101相关的数据)以及参数(其使波形成部分141生成在物理对象101中引起预期声学图像的信号，其按照使得它使材料中的潜在反射体最佳地反射声波以供由系统100记录以及这些声波的后续处理的方式来适配)。在一些实施例中，特殊类型的声波、例如瑞利波或兰姆波在物理对象101内激励。
更高级处理单元176还包括显示装置182(例如二维和三维视觉显示器)、用户输入装置184(例如键盘、触摸屏等)、通信接口186以及与超声材料分析关联的其他设备，其是本领域的技术人员已知的。经由输入装置184，用户将输入提供到循环控制单元164中。上级控制部分144的功能在计算机(其具有使系统100能够按照本文所述来起作用的适当配置)上执行。更高级处理单元176接收来自辅助数字处理部分142的所处理的数字数据，并且将数据转化为视觉显示，其能够由用户通过适当用户界面来配置，其编程到更高级处理单元176中，包含例如比如为二维显示提供正确“假色”和简图的生成等。此外，更高级处理单元176执行附加评估功能，其在已经执行火车轮101的完全测试、例如比如分析报告的生成之后激活。
系统100的各种模块、单元、组件等能够通过硬件、软件、固件及其组合来实现。例如，系统的部分能够使用处理器来实现。如本文所使用的,术语“处理器”能够包含微控制器、微型计算机、可编程逻辑控制器(PLC)、现场可编程门阵列(自由逻辑阵列)(FGPA)、专用集成电路(ASIC)、集成电路(其在本领域一般称作计算机)和其他可编程电路，并且这些术语在这里以可交换的方式使用。处理器能够连接到存储装置，其包含随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、闪速存储器、致密光盘只读存储器(CD-ROM)、磁光盘驱动(MOD)、DVD、非易失性计算机可读存储媒介等。存储装置能够存储供由处理器运行的指令，以便实现本文所公开系统或者执行本文所公开方法。
如上所述，由处理系统104所生成的信号使超声换能器阵列102发射超声突发，其对超声换能器阵列102的深度和宽度是不均质的。
图4-6图示由系统100所提供的波形和波前的不同配置。图4是图示突发的第一变化模式的一系列波形300的图形透视图。为了更简单表示，示出来自超声换能器元件110的单一行的突发。具体来说，波形300表示突发，其在它们的幅度中改变但是时长和发射时间是恒定的。图5图示突发的第二变化模式，其中若干波形302表示对于时间上的幅度和发射(“时移”)而改变但是具有恒定时长的突发。图6图示表示一系列突发(其在时间上偏移并且对于幅度和时长是可变的)的一系列波形304。
为了生成图4-6所示的突发，将激励信号施加到超声换能器元件110。图7图示采取任意全模拟激励脉冲700的形式的示范激励信号。有可能用于准确和一致地生成图7所示的激励脉冲的电路和组件实际上要求大复杂度等级、生产成本、能量消耗等。此外，用于生成这类脉冲的模块不易于可访问使用ASIC的实现并且对于电压和速度受到限制。
相应地，系统100在一些实施例中或者在一些操作模式中可按照如下方式来设计：使得它向超声换能器元件110来提供多电平方波激励脉冲而不是图7所示的类型的全模拟激励脉冲。
图8图示示范多电平方波激励脉冲800。所图示的脉冲包含具有单独正和负幅度值的若干方形脉冲或阶跃。在一些实施例中，多电平方波激励脉冲具有若干正矩形阶跃和若干负矩形阶跃。
图7和图8的激励脉冲在图9中叠加地示出。如所示，多电平方波激励脉冲800的正和负方形脉冲或阶跃的幅度对应于模拟激励脉冲700的正和负峰值。此外，多电平方波激励脉冲800的正和负方形脉冲或阶跃的宽度对应于模拟激励脉冲700的拐点之间的宽度。此外，脉冲700、800按照如下方式同相：使得从多电平方波激励脉冲800中的一个阶跃到下一个阶跃的过渡在时间上与模拟激励脉冲700的拐点对齐。因此，有可能使多电平方波激励脉冲800的配置通过对应的全模拟波形700的矩形阶跃扫描来选择。
超声换能器元件对激励信号的反应固有地是模拟的，并且无法对多电平方波激励脉冲800的电压的阶跃变化立即反应。换言之：即使多电平方波用作激励脉冲，超声换能器也没有发射相同多电平方波。实际发射的超声波形而是多电平方波激励脉冲和超声换能器的增量反应函数的卷积。如果假定超声换能器的反应是高斯函数，则发射的超声波形与预期超声波形极为类似，即使使用多电平方波激励脉冲而不是全模拟波形。
相应地，对其施加多电平方波激励脉冲800的超声换能器元件的输出能够与如果施加对等全模拟脉冲则将发生的输出是相同或基本上相同的。此外，多电平方波激励脉冲能够通过去卷积处理基于预期超声波形和超声换能器的增量反应函数来选择。
因此，系统100设计成使用多电平方波激励脉冲来提供可比拟超声换能器输出，同时与使用全模拟激励脉冲的系统相比降低能量消耗、系统复杂度和/或成本。
多电平方波激励脉冲与对等全模拟激励脉冲对应的程度通过能够结合到多电平方波激励脉冲中的可能电压电平或阶跃的数量来限制。如图10所示，如果可能的电压电平的数量较高，则多电平方波激励脉冲中的阶跃的幅度准确或几乎准确地对应于对等模拟激励脉冲中的峰值的幅度。另一方面，模拟激励脉冲中的峰值映射到最接近电压电平，以及如果可能的电压电平的数量减少(如例如图11所示)，则相应幅度可准确或者不准确匹配。一般来说，下列情况适用：可用于建立多电平方波激励脉冲的可能电压电平的数量越大，则通过脉冲所触发的超声换能器输出与如果使用对应的全模拟激励脉冲的输出的程度越大。在一些实施例中，系统100设计成生成具有达到五个单独正电压电平、达到五个单独负电压电平和达到十一个阶跃(例如-100 V、-80 V、-60 V、-40 V、-20 V、0 V、20 V、40 V、60 V、80V、100 V)的总数的一个零电压电平的多电平方波激励脉冲。在其他实施例中，该系统能够按照如下方式来配置：使得它生成具有多于或少于十一个阶跃、仅具有正阶跃、仅具有负阶跃、具有不等数量的正和负阶跃和/或具有或没有零电压阶跃的多电平方波激励脉冲。
图12是用于生成本文所述类型的多电平方波激励脉冲的示范电路的示意图。所图示的电路包含在脉冲发生器146(图3所示)的每个或者脉冲序列发生器146(图18所示)的每个中。该电路包括若干开关(例如，晶体管、例如比如MOSFET)S1-S5，其连接在输出节点与若干电压干线-V1、-V2、地、+V1、+V2之间。若干控制线C1-C5控制相应开关S1-S5的操作，以便有选择地使输出节点投入与相应电压干线的通信。控制线C1-C5由逻辑电路(例如发射器控制器)152来控制，以便按照图13所示的部分真值表来改变输出节点处的电压。因此，图12的电路能够生成具有至少五个单独电压电平或阶跃(即，-V1、-V2、地、+V1、+V2)的多电平方波激发脉冲。不用说，所图示的电路能够易于修改，以便提供附加或更少电压阶跃。
由系统100在使用全模拟激励脉冲时生成的仿真示范声学全息输出在图14中示出。如图15所示，当改为使用具有达到十一个阶跃的多电平方波激励脉冲时，在系统100的输出中具有高程度的类似性。当然，类似性程度能够通过使用附加或更少阶跃来优化，如上所述。
图16图示用于通过按照本发明的方法基于超声全息来实现成像的示范方法400。首先，测量待检查的物理对象101的几何结构，并且对应数据在步骤402处存储在系统100中。相应地，识别物理对象101的区域，其中从历史已知，它们趋向于具有类似的物理对象中的缺陷，这使物理对象的预期图像能够在步骤404中来定义。一旦待检查物理对象101的几何结构和预期图像结构为已知，用于得到预期声学图像的超声换能器的配置在步骤406中来定义。例如，选择压电元件的面板的大小，选择适当声突发脉冲频率，并且选择压电元件的个别大小和几何结构。
在步骤408中，供在将在步骤404的图像结构转换为具有预定义个别配置的一系列突发中使用的适当数据处理算法针对每个超声换能器元件110来选择。能够使用从本领域的技术人员已知的光学成像系统所适配的若干可用数据处理算法，包含点传递算法410、傅立叶变换算法412或者用于执行数字全息的其他可用算法414。
所选数据处理算法用于将所定义的图像结构变换为指令，其将要传送给波形成部分141。例如，点传递算法410的使用包含将所定义的图像结构404变换为空间中的点场、场中的每个点的灰度值的定义、用于待发射波形的预期幅度和相位的计算(其影响场中的每个点)并且提供从每个图像点的贡献的相干添加，以便确定来自每个个别元件的每个突发的幅度和相位。点传递算法410的使用结果引起超声换能器阵列102在所定义突发系列的发射期间生成的干涉图案的定义。傅立叶变换算法412的使用能够包括将所定义的图像图案变换为空间中的点场以及所定义图像的傅立叶变换的计算，其中使用光学傅立叶变换，以便将所定义图像的傅立叶变换传送到超声换能器阵列102上。点传递算法410或傅立叶变换算法412的使用结果引起超声换能器阵列102在所定义突发系列的发射期间生成的干涉图案的定义，其然后干涉实际声学图像。
一旦定义理想突发系列，则在步骤416计算多电平方波激励脉冲，其使超声换能器阵列102生成理想突发，或者以便生成与理想突发极为类似的突发。具体来说，波形成部分141的脉冲发生器146按照如下方式来配置或编程：使得当系统工作在第一操作模式中时，它们生成多电平方波激励脉冲，其是对应全模拟激励脉冲的矩形近似。当系统工作在第二操作模式中时，脉冲发生器146被配置或编程以便生成全模拟激励脉冲。操作模式能够由用户来选择，或者能够由系统100自动选择。
在步骤408已经选择用于处理待获取数据的预期算法之后，并且在步骤416配置波形成部分141以便生成预期激励信号之后，实际数据获取在步骤418继续进行。在步骤418的数据获取期间，一个或多个若干超声脉冲由超声换能器阵列102来发射，突发由不同超声换能器元件110来发射，其对于幅度、时长和/或时移根据对被绘制的物理对象101的几何结构和预定预期图像结构的适当性来改变。反射超声波由超声换能器元件110来接收，以及未处理波形信号存储在存储元件161中。未处理信号在系统100的模拟处理部分107中放大和预处理，以便生成A扫描，如所述。一旦它们已经生成，则A扫描能够使用已知超声成像方法来评估，以便形成更高阶、例如B扫描的可视化。如本文所使用的，“B扫描”涉及对象的完全形成三维彩色级图像。A扫描中包含的数据还能够通过与预定义阈值进行比较来用于报警系统中。以及最后，在成像会话期间所得到的未处理信号和所处理的信号能够由系统100导出以供数据存储或进一步评估。
即使本文所公开的各种方法能够参照流程图或过程图来示出，但是应当注意，通过这类流程图或过程图或者其描述所暗示的方法步骤序列不是被理解为对用于按照这种顺序执行步骤的方法进行限制。各种步骤而是能够通过本文所公开的每一种方法在多个序列中执行。因为所图示的流程图和过程图只是示范实施例，所以包括附加步骤或者包括比所示步骤要少的步骤的各种其他方法因此也落入本公开的范围之内。
本文所公开的系统和方法产生一系列优点和/或技术效果。与已知超声全息系统形成对照，本文所述的超声全息系统在一些实施例中按照例如使得它们与超声换能器配置无关地生成和传送非均质声场的方式来配置。本文在一些实施例中所述的超声全息成像系统实现实际三维声学图像的生成，其与在没有实际声学图像的生成的情况下进行操作的已知超声全息成像系统相比，实现具有改进分辨率和区别特性的虚拟图像的生成。此外，本文在一些实施例中所述的超声全息成像系统提供改进成像，其能够应对当前被成像的物理对象的形状和结构。与已知超声全息成像系统形成对照，本文在一些实施例中所述的系统和方法还提供超声波形的生成，其由超声换能器阵列中的单独超声换能器按照如下方式来发射：使得若干超声波形的至少两个彼此相差其幅度、频率、时移和相位或调制中的至少一个元素的变化。此外，本文在一些实施例中所述的系统和方法提供使用多电平方波激励脉冲(其与全模拟激励脉冲相比能够以降低复杂度、成本和/或能量消耗来生成，并且对于ASIC实现的电压、速度和灵活性受到较少限制)来激励超声换能器阵列。
执行该方法的特别优选方式与特定声穿透角(其逐个脉冲以电子方式改变)不一起工作。而是有可能通过超声发射换能器110的二维阵列102将脉动超声场(其形成火车轮的感兴趣区域中的线状焦点)声穿透到待测试火车轮102中。
接收和评估然后通过超声接收换能器阵列的个别超声接收换能器来执行，如权利要求1和权利要求3的接收特定特征b.所述。另外，在这种情况下，接收处理规则的应用能够有利地按照“油漆刷方法”进行。
参照图19至图26来提出按照本发明的方法的四个示范实施例。在全部四个示范实施例中，火车轮采用按照本发明的装置来测试，其中所使用的测试探头配置为固定的，并且其中火车轮围绕测试探头下面的对称轴旋转。具体来说，按照本发明的测试装置为此包括驱动机构，其在图中未示出，采取其将轮子设置在旋转移动中。
图19示意示出经过待测试火车轮610的轮缘611的一段。示出形成运行表面615的轮缘611。轮缘611连续过渡到轮盘612中。图19示出按照本发明的方法的第一应用示例，通过其能够测试位于轮缘611的外端面617处的两个感兴趣区域614的同时测试。为此，测试探头111(其包括个别可控超声换能器(未示出)的二维阵列)放置于轮缘611的内端面616上。通过按照本发明的方法适当控制这些超声换能器，生成脉动超声场，其同时在图19所示的两个感兴趣区域614中分别形成一个线状焦点。
如从图20(其示出火车轮610的运行表面615的截面状顶视图)显而易见，工作以相对于轮缘611的内端面616(在其上放置测试探头109)的大约45°的声穿透角进行工作。因为实际上裂纹主要在所示感兴趣区域614中出现，其在径向方向上定向并且从轮缘的外端面617垂直延伸到轮缘611的体积中，在这种情况下用于传输的超声测试探头也能够用作接收测试探头。在接收期间，发射阵列102的个别可控超声换能器110(其包含在测试探头中)用作回波接收器，其中接收的回波信号个别数字化并且暂时为每个接收的换能器来存储。这样得到的回波信号然后进一步处理，例如，正如结合按照本发明的方法的优选实施例解释这个方面。
图21示出按照本发明的方法的另一个示范实施例，其用于检测轮缘611与轮盘612之间的过渡中的横向裂纹。对应感兴趣区域614从图21是显而易见的。在这个示范实施例中，按照图19和图20的示范实施例的超声测试探头109放置于轮缘611的运行表面615。声穿透在这种情况下也以相对于运行表面615的法线的声穿透角45°进行，使得发射测试探头109能够在这个示范实施例中同时还起接收测试探头的作用，如结合先前示范实施例已经解释。通过按照本发明的方法，发射测试探头109这时按照如下方式来控制：使得焦线620(其在径向方向上定向并且在每种情况下基本上贯穿整个感兴趣区域614)在相应感兴趣区域614的轮缘611与轮盘612(两者均在火车轮610的朝外定向表面上以及在火车轮610的朝内定向表面上)之间要检查的过渡区域中形成。按照本发明的方法的应用准许生成脉冲超声场，其具有同时在火车轮610的内表面和外表面上的焦线。此外，有可能在位于感兴趣区域614之间的过渡区中将幅度保持为较低，并且将可用于生成缺陷回波的声能基本上集中于感兴趣区域614上。
图22根据待测试火车轮610的轮缘的运行表面615的顶视图再次示出按照图21的测试配置。发射测试探头109放置于运行表面615上。在轮缘611的过渡区域中延伸到表面附近并且在火车轮610的两侧的轮盘612的感兴趣区域614在图22中按照加阴影方式指示。此外，示出在感兴趣区域614中形成的焦线620。
按照本发明的方法的另一个实施例从图23和图24是显而易见的，其用于检测轮盘612中的径向定向缺陷618。为了检测它们，从最后两个示范实施例已知的类型的两个相控阵测试探头109的级联配置用于该工作中。在这些超声测试探头109中，第一测试探头109用作发射测试探头，而第二测试探头109用作接收测试探头。超声测试探头109均放置于轮缘的运行表面615。经过轮缘611，在除了0°之外的声穿透角，发射测试探头109声穿透到轮盘612中，其中线状焦点620(其在火车轮610的对称轴的方向上定向)在预定位置处形成。线状焦点620的程度从图24是显而易见的，其示出具有在其上放置超声测试探头109的火车轮610的运行表面615的顶视图。按照本发明的方法准许声穿透到超声场(其线状焦点实际上遍布轮盘612的整个厚度)的轮盘612中。
最后，图25和图26示出用于将按照本发明的方法应用于测试火车轮610的轮盘612的测试以用于切向定向的早期裂纹、即从轮盘612的外表面开始的裂纹的第四示范实施例。具有单独形成的发射和接收测试探头109的V形配置用于该工作中。与这个配置有关的细节从介绍部分已经提到的EP 1087229 A1是显而易见的。发射测试探头109(其结构（就像接收测试探头109中的一个）对应于上述示范实施例的结构)使用按照本发明的方法将经过轮缘611的超声场以如下的方式声穿透到轮盘612中：使得径向延伸焦线620形成其直接邻接轮盘612的外表面，但是位于轮盘612的材料之内。从切向定向缺陷619(其位于轮盘612的这个表面之内)所发出的回波信号通过单独形成的超声接收测试探头来记录，如图25中作为示例所示。图26再次示出待测试火车轮610的轮缘611的运行表面615的视图，在其上放置超声发射测试探头以及超声接收测试探头。
本书面描述使用包含优选实施例的示例来公开本发明，并且还使本领域的技术人员能够实施本发明，包含制作和使用任何装置或系统，以及执行任何结合方法。本发明的可取得的专利范围由权利要求书来定义，并且可包含本领域的技术人员想到的其他示例。如果这类其他示例具有与权利要求书的文字语言完全相同的结构元件，或者如果它们包含具有与权利要求书的文字语言的非实质差异的等效结构元件，则它们意在处于权利要求书的范围之内。

Claims (27)

1.一种用于检测围绕旋转轴可旋转的火车轮的感兴趣区域中的缺陷的方法，包括：
提供用于声穿透超声场的个别可控超声发射换能器的阵列；
相对于所述火车轮围绕所述旋转轴按照基本上圆形方式来移动所述个别可控超声发射换能器的阵列；
采用特定瞬态激励信号来控制所述超声发射换能器中的每一个，每个瞬态激励信号基于超声发射换能器特定的所存储的数字瞬态激励函数来生成；
通过个别可控超声接收换能器的阵列来接收来自测试对象的所得到的回波信号，其中每个超声接收换能器提供模拟时间分辨回波信号；
对所述时间分辨模拟回波信号进行换能器特定数字化，
采取回波信号集合的形式来暂时存储所述时间分辨换能器特定的数字化回波信号，以及
将所述暂时存储的回波信号集合与声穿透到所述火车轮中的单个超声脉冲相关联。
2.如权利要求1所述的方法，其中，控制所述超声发射换能器以使得所声穿透的超声场的线状焦点在所述感兴趣区域中形成或者二维延伸焦点沿所述超声场的声传播方向延伸。
3.如权利要求1所述的方法，包括：
将多个不同接收处理规则应用于所述回波信号集合，其中接收处理规则通过至少下列接收处理参数来表征：
在所述接收处理规则中考虑其回波信号的所述超声接收换能器的数量和身份，
应用于所述接收处理规则中考虑的所述回波信号的个别相移；以及
要在所述接收处理规则中考虑的所述回波信号所在的时帧。
4.如权利要求3所述的方法，其中，所应用的接收处理规则在所述接收处理参数的至少一个中有所不同。
5.如权利要求1所述的方法，包括：
预定义声穿透到所述火车轮中的所述超声场的声场几何结构，其适合于所述火车轮的所述感兴趣区域和适合于待执行的测试任务，
确定所述超声发射换能器特定数字瞬态激励函数，其适合于通过所述超声发射换能器的所述阵列来生成具有所预定义的声场几何结构的所述火车轮中的超声场。
6.如权利要求5所述的方法，其中，适当的超声发射换能器特定数字瞬态激励函数基于点传递算法或傅立叶变换算法来确定。
7.如权利要求1所述的方法，其中，换能器特定编码被另外地调制到所述超声发射换能器特定瞬态激励信号上。
8.如权利要求7所述的方法，其中高频调制能够在所述接收侧上被检测，并且所述高频调制用于将所检测的换能器特定回波信号与相应的超声发射换能器关联。
9.如权利要求1所述的方法，其中，所述超声发射换能器特定瞬态激励函数通过一系列多电平方波信号来生成。
10.如权利要求3所述的方法，其中，所述接收处理规则表示油漆刷方法或者动态深度聚焦方法的实现。
11.如权利要求1所述的方法，其中所述圆形移动通过可旋转安装的火车轮的旋转来产生。
12.如权利要求1所述的方法，其中，所述超声场按如下方式被声穿透：
经过轮缘被声穿透到轮盘中，
经过轮盘的端面被声穿透到轮毂或者轮盘与轮毂之间的过渡区中，
经过轮缘的端面被声穿透到轮缘中，或者
经过运行表面被声穿透到轮缘中或者轮缘与轮盘之间的过渡区中。
13.如权利要求1所述的方法，包括生成所述火车轮的至少所述感兴趣区域的二维或三维图像，其中所找到的缺陷指示按照空间分辨方式来表示。
14.如权利要求13所述的方法，其中，所找到的缺陷指示的特性按照图形编码方式来表示。
15.一种用于检测火车轮中的感兴趣区域中的缺陷的测试装置，包括：
个别可控超声发射换能器的发射阵列，用于将超声场声穿透到火车轮中；
控制器，配置用于控制所述超声发射换能器以用于将所述超声场声穿透到所述火车轮中，
个别可控超声接收换能器的接收阵列，用于接收来自所述火车轮的所得到的回波信号，其中每个超声接收换能器提供模拟时间分辨回波信号，
生成器，用于生成围绕公共旋转轴的所述火车轮、所述超声接收阵列和所述超声发射阵列的圆形相对移动，
换能器特定数字化器，用于所述时间分辨模拟回波信号的数字化；以及
暂时存储装置，用于采取回波信号集合的形式来存储所述时间分辨换能器特定的数字化回波信号；
其中所述控制器配置成：
分别采用特定瞬态激励信号来控制所述发射阵列的每个超声发射换能器，每个瞬态激励信号基于超声发射换能器特定存储的数字瞬态激励函数来生成，
基于换能器特定数字化来数字化所述时间分辨模拟回波信号；
采取回波信号集合的形式来暂时存储所述时间分辨换能器特定的数字化回波信号；以及
将所述暂时存储的回波信号集合与声穿透到所述火车轮中的单个超声脉冲相关联。
16.如权利要求15所述的装置，其中，所述控制器配置成另外地将换能器特定编码调制到所述超声发射换能器特定瞬态激励信号上。
17.如权利要求15所述的装置，其中，所述控制器配置用于按照使得所声穿透的超声场的线状焦点在所述感兴趣区域中形成的方式来控制所述超声发射换能器。
18.如权利要求15所述的装置，包括：
评估器，配置用于将多个不同接收处理规则应用于所述回波信号集合，接收处理规则由至少下列接收处理参数来表征：
在所述接收处理规则中考虑其回波信号的所述超声接收换能器的数量和身份；
应用于所述接收处理规则中考虑的所述回波信号的个别相移；以及
要在所述接收处理规则中考虑的所述回波信号所在的时帧。
19.如权利要求18所述的装置，其中，所应用的接收处理规则在所述接收处理参数的至少一个中有所不同。
20.如权利要求18所述的装置，其中，所述接收处理规则表示油漆刷方法或者动态深度聚焦方法的实现。
21.如权利要求18所述的装置，其中，所述评估器配置用于检测所述高频调制，并且将所述高频调制用于将所检测的换能器特定回波信号与相应的超声发射换能器关联。
22.如权利要求15所述的装置，包括用于生成一系列多电平方波信号的生成器，基于其生成所述超声发射换能器特定瞬态激励函数。
23.如权利要求15所述的装置，包括用于可旋转安装的火车轮的旋转的旋转装置。
24.如权利要求15所述的装置，包括用于所述超声发射阵列和/或所述超声接收阵列的保持机构，以用于以机械方式保持相应的阵列，从而使得所述相应的阵列针对下列项停止移动：
轮缘的运行表面或端面中的一个，
轮盘的端面，或者
轮毂。
25.如权利要求24所述的装置，其中，所述保持机构配置成支持所述超声发射阵列和所述超声接收阵列两者。
26.如权利要求15所述的装置，包括可视化器，其配置成生成所述火车轮的二维或三维图像，其中所找到的缺陷指示按照空间分辨方式来表示。
27.如权利要求26所述的装置，其中，所述可视化器配置用于在所生成的二维或三维图像中按照图形编码方式来呈现所找到的缺陷指示的特性。
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