DE102006046327A1

DE102006046327A1 - Ultraschallprüfanordnung

Info

Publication number: DE102006046327A1
Application number: DE200610046327
Authority: DE
Inventors: Ludwig von Dr. phil. nat. Dipl.-Phys. Bernus; Sergey Dipl.-Ing. Pudovikov; Michael Prof. Dr. Kröning; Andrey Dr.-Ing. Bulavinov; Krishna Mohan Dipl.-Ing. Reddy
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2006-09-29
Filing date: 2006-09-29
Publication date: 2008-04-10
Also published as: WO2008040407A1

Abstract

Beschrieben wird eine Ultraschallprüfanordnung mit einer Anzahl n von zeilen- oder arrayförmig angeordneten Ultraschallwandlern, die mit einer Signalansteuer- und Signalabspeichereinheit verbunden sind. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Ultraschallwandler jeweils einen Abstand zum unmittelbar benachbarten nächsten Ultraschallwandler aufweisen, der größer ist als lambda/2, mit lambda gleich der Wellenlänge einer von den Ultraschallwandlern in ein Medium eingekoppelten Ultraschallwelle. In besonders vorteilhafter Weise dient die lösungsgemäße Ultraschallprüfanordnung zur Vermessung einer Schweißnaht innerhalb eines Mediums.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Ultraschallprüfanordnung mit einer Anzahl n von zeilen- oder arrayförmig angeordneten Ultraschallwandlern, die mit einer Signalansteuer- und Signalabspeichereinheit verbunden sind.
Stand der Technik
Zur zerstörungsfreien Untersuchung von Prüfobjekten wird in an sich bekannter Weise die Ultraschallmesstechnik eingesetzt, bei der in das zu untersuchende Prüfobjekt Ultraschallwellen eingekoppelt und im Wege von Reflexion oder Transmission an die Prüfobjektoberfläche gelangende Ultraschallwellenanteile erfasst und analysiert werden, um Informationen über mögliche Risse, Materialinhomogenität etc. aus dem Inneren des Prüfobjektes zu erhalten. In Abhängigkeit von der Gestalt des Prüfobjektes, der damit verbundenen Zugänglichkeit für ein oberflächiges Aufsetzen der Ultraschallwandler sowie auch von den Reflexionseigenschaften des zu erwartenden Fehlertyp werden in an sich bekannter Weise die Ultraschallwellen unter unterschiedlichen Einschallwinkeln in das Prüfobjekt eingekoppelt.
Gilt es beispielsweise längs eines Prüfobjektes vorhandene Schweißnähte zu überprüfen, so gelangen unter Anwendung klassischer Prüfmethoden mehrere Ultraschallwandler in Form sogenannter Einzelschwingerprüfköpfe zum Einsatz, die mit unterschiedlichen Einschallwinkeln auf das jeweilige Prüfobjekt aufgesetzt werden, um möglichst unterschiedlich orientierte Fehler, beispielsweise längs der Schweißnaht nachweisen zu können.
Eine gegenüber dem Einsatz von Einzelschwingerprüfköpfen verbesserte Ultraschallprüftechnik setzt sogenannte Gruppenstrahler-Ultraschallprüfköpfe ein, die eine Vielzahl zumeist array-förmig angeordnete Ultraschall-Einzelwandlerelemente umfaßt und die durch Anwendung der sogenannten Phased-Array-Technik einzeln oder gruppenweise aufeinander abgestimmt aktiviert werden, so dass Ultraschallwellen unter nahezu beliebigen Einschallwinkeln innerhalb des Prüfobjektes anregbar sowie aus unterschiedlich Empfangsrichtungen detektierbar sind. Repräsentativ für eine Vielzahl derartiger Ultraschallprüfsysteme sei auf die DE 33 46 534 A1 verwiesen, aus der eine Ultraschall-Bilddarstellungseinrichtung hervorgeht, die einen Gruppenstrahlerultraschallprüfkopf vorsieht, der ein lineares Array aus Ultraschalleinzelwandlerelementen umfaßt, die unter Fortschreiten in Scan-Richtung mit vorgegebener Scan-Frequenz einzeln oder gruppenweise aktiviert werden. Das Prinzip der Phased-Array-Technik basiert auf der phasengesteuerten Anregung des aus mehreren Elementen bestehenden Ultraschallwandlersystems, das durch elektronische Ansteuerung Schallbündel in das Prüfobjekt einzukoppeln vermag, die in Abhängigkeit der Ansteuerung räumlich geschwenkt und fokussiert werden können ohne die Lage und Position des auf der Prüfkörperoberfläche aufsitzenden Gruppenstrahlerprüfkopf zu verändern. Im Gegensatz zur Prüfung mit dem Einsatz mehrerer Einzelschwingerprüfköpfe kann unter Verwendung der Gruppenstrahlertechnik die Prüfzeit zur Untersuchung eines Prüfobjektes wesentlich verkürzt werden.
Eine weitere Ultraschallprüftechnik betrifft ein bildgebendes Rekonstruktionsverfahren, das auf der sogenannten synthetischen Apertur-Technik basiert (Synthetische-Apertur-Fokustechnik – oder im englischen „Synthetic Aperture Focusing Technique" SAFT) und eine Beschallung des zu untersuchenden Prüfvolumens des Prüfobjektes mit nur einem Einschwingerprüfkopf vorsieht, der über einen sehr großen Öffnungswinkel verfügt, über den Ultraschallwellen in das Prüfobjekt abgestrahlt und unter dem aus dem Prüfobjekt heraustretende Ultraschallsignale empfangen werden können. Durch Verschieben des Ultraschallwandlers an verschiedene Positionen längs des zu untersuchenden Prüfobjektes wird eine synthetische Apertur erhalten, die wesentlich größer ist als die eigene Apertur des Ultraschallwandlers. Durch Laufzeit bezogene Verarbeitung aller aufgenommenen Ultraschallsignale ist man in der Lage eine Rekonstruktion des gesamten beschallten Volumens durchzuführen.
Allen bisher bekannten zerstörungsfreien Ultraschallprüfmessverfahren haftet mehr oder weniger der Nachteil an, dass der zeitliche Aufwand zur Durchschallung und somit zur Erfassung des gesamten innerhalb des Prüfobjektes zu untersuchenden Prüfvolumens sehr zeitaufwendig ist. Selbst die innovative Gruppenstrahlertechnik, wie vorstehend kurz umrissen, setzt voraus, dass das Prüfvolumen unter mehreren Einschallwinkeln und gegebenenfalls Fokustiefen abzuscannen ist, so dass mehrere Sende-/Empfangstakte an jeder Prüfposition erforderlich sind. Insbesondere auch die nach erfolgter Durchschallung des Prüfkörpers durchzuführende Analyse der empfangenen und abgespeicherten Ultraschallmesssignale zur Bildrekonstruktion erfordert eine nicht zu vernachlässigende Rechenzeit.
Aufgrund der geometrisch begrenzten Apertur sowohl von Einzelschwingerprüfköpfen sowie auch von Gruppenstrahlerprüfköpfen ist das Auflösungsvermögen, mit dem Ultraschallfelduntersuchungen durchführbar sind aufgrund der damit verbundenen endlichen Nahfeldlänge begrenzt. Zwar bietet die Prüftechnik unter Verwendung der synthetischen Apertur Fokustechnik, oder kurz SAFT-Technik, aufgrund der synthetisch erzeugbaren viel größeren Apertur wesentlich größere Fokustiefen und damit verbunden ein ungleich besseres Auflösungsvermögen, jedoch sind mit dieser Technik sehr viel längere Prüfzeiten verbunden.
Konventionelle Ultraschallprüftechniken setzen überdies voraus, dass die Schallausbreitungseigenschaften innerhalb des zu untersuchenden Prüfobjektes isotrop sind, d.h. die Ultraschallwellen breiten sich in alle Raumrichtungen innerhalb des Prüfobjektes gleichartig und geradlinig aus. Gilt es hingegen beispielsweise Prüfobjekte durchsetzt mit Schweißnähten zu untersuchen, so sind die vorstehenden Voraussetzungen nicht mehr erfüllt, vielmehr sind die Ausbreitungsgeschwindigkeiten akustischer Wellen von der Ausbreitungsrichtung abhängig. Eine Anwendung herkömmlicher Ultraschallmessverfahren zur Untersuchung derartiger akustisch anisotroper Prüfobjekte ist insofern auch nicht möglich oder zumindest mit großen Fehlerquellen behaftet, zumal aufgrund innerhalb derartiger Prüfobjekte an Materialgrenzen unterschiedlicher Materialdichten akustische Beugungserscheinungen auftreten, die den Nachweis und die Ortung von Materialfehlern nahezu unmöglich machen. In diesen Fällen kann zum Unterschied zu isotropen Materialien nicht davon ausgegangen werden, dass der Schalllaufweg geradlinig ist. Ferner ist auch die Schallgeschwindigkeit aufgrund inhomogener Materialdichteverteilungen als nicht isotrop anzusehen.
Erschwerend kommt hinzu, dass an im Inneren des Prüfkörpers vorhandenen Materialgrenzflächen und sogenannten Streuern Wellenumwandlungsphänomene auftreten, die dazu führen, dass mehrere Wellenmoden reflektiert und damit mehrere Echosignale empfangen werden, so dass bei der Rekonstruktion von Ultraschallbildern unerwünschte Artefakte auftreten.
Schließlich ist bei Gruppenstrahlerprüfköpfen aufgrund der endlichen Zahl der einzelnen in einem Gruppenstrahlerprüfkopf zusammengefassten Ultraschallwandler die Apertur des Gruppenstrahlers und damit verbunden die physikalische realisierbare Fokustiefe bei der Fehlerprüfung begrenzt. Dies umso mehr als es gilt den gegenseitigen Abstand an einzelnen Ultraschallwandlerelementen kleiner als die halbe Wellenlänge λ zu wählen, um Scheinanzeigen, bzw. Artefakte im rekonstruierten Ultraschallbild zu vermeiden.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Ultraschallprüfanordnung mit einer Anzahl n von zeilen- oder array-förmig angeordneten Ultraschallwandlern, die mit einer Signalansteuer- und einer Signalabspeichereinheit verbunden sind derart weiterzubilden, dass sowohl der apparative aber insbesondere auch der auswertetechnische Aufwand zur Rekonstruktion von Ultraschallbildern, die an vorzugsweise an akustisch anisotropen Prüfobjekten aufgenommen werden, reduziert werden sollen. Ferner gilt es das Auflösungsvermögen einer an sich bekannten Ultraschallprüfanordnung zu verbessern, ohne dabei den Aufwand zur Signalauswertung zu vergrößern.
Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie im Weiteren der Beschreibung zu entnehmen. Sämtliche Ansprüche sind zudem Teil der gesamten Beschreibung.
Die der Erfindung zugrunde liegenden Idee geht von der Erkenntnis aus, dass zur Verbesserung des Auflösungsvermögens einer Ultraschallprüfanordnung nach Art eines Gruppenstrahlerprüfkopfes, der eine Anzahl n zeilen- oder arrayförmig angeordnete Ultraschallwandler vorsieht, der Abstand zwischen den einzelnen Ultraschallwandlerelementen so groß zu wählen ist, dass eine ausreichende effektive Aperturgröße gewährleistet wird, um eine physikalische Fokussierung in jedem Punkt des zu prüfenden Volumen zu gewährleisten. So gilt es die Nahfeldlänge, d.h. jener Raumbereich unterhalb des Ultraschallprüfkopfes, in dem die Ultraschallwellen fokussiert werden können, größer zu wählen, als der maximale Schallweg der Ultraschallwellen innerhalb des Prüfobjektes. Zur konstruktiven Auslegung der Ultraschallprüfanordnung, deren einzelne zeilen- oder arrayförmig angeordnete Ultraschallwandler im Wege der synthetischen Fokussierung angesteuert und betrieben werden, gilt es lösungsgemäß den Abstand zwischen zwei unmittelbar benachbarten nächsten Ultraschallwandlern größer zu wählen als λ/2 wobei λ gleich der Wellenlänge einer von den Ultraschallwandlern in das Prüfobjekt eingekoppelten Ultraschallwelle entspricht. Insofern gilt es von dem eingangs zitierten „Sampling"-Theorem abzurücken, gemäß dem die Anordnung der einzelnen Ultraschallwandler kleiner als die halbe Wellenlänge λ zu wählen ist.
Durch die lösungsgemäße Massnahme ist die Ultraschallprüfanordnung in die Lage versetzt, unter Anwendung der synthetischen Apertur-Technik eine synthetische Fokussierung gleichzeitig in jedem Punkt des Prüfvolumens durchzuführen, also insbesondere innerhalb des Nahfeldes, wobei die n-Ultraschallwandler nach dem Prinzip des getakteten Gruppenstrahlers aktiviert werden, d.h. alle zu einem Gruppenstrahler zusammengefaßten Ultraschallwandler werden nacheinander angeregt, wobei in jedem Sendetakt alle Ultraschallwandler die aus dem Prüfobjekt zurückkommenden Ultraschallechosignale empfangen. Alternativ ist es ebenso möglich anstelle der Anregung eines einzelnen Ultraschallwandlers pro Sendetakt auch eine räumlich zusammenhängende Gruppe von m Ultraschallwandler synchron zu aktivieren, wobei m ≥ 2. Die Aktivierung der jeweils m Ultraschallwandler erfolgt gleichfalls repetierend bzw. taktweise wie die Ansteuerung nur eines einzelnen Ultraschallwandlers pro Takt, wobei sich die Zusammensetzung der m Ultraschallwandler pro Takt um wenigstens ein Ultraschallwandler unterscheidet. Nachdem sämtliche Ultraschallwandler letztlich des Gruppenstrahlerprüfkopfes aktiviert worden sind und die pro Sendetakt empfangenen Ultraschallzeitsignale in einer entsprechenden Signalspeichereinheit abgespeichert worden sind, erfolgt die Auswertung im Rahmen einer Auswerteeinheit, die auf Basis der abgespeicherten Ultraschallzeitsignale ein zweidimensionales Ultraschallschnittbild durch das Medium oder ein A-Bild in Form eines eindimensionalen, längs eines unter einem vorgebbaren Einschallwinkel detektierten zeit- und ortsaufgelösten Ultraschallechosignals rekonstruiert.
Weist das zu untersuchende Prüfobjekt anisotrope akustische Schallausbreitungseigenschaften auf, beispielsweise durch Vorsehen einer Schweißnaht längs eines ansonsten homogenen Grundmaterials, so bedarf es bei der Auswertung der abgespeicherten Ultraschallzeitsignale, die innerhalb des Mediums reflektierten Ultraschallwellen zuordenbar sind, der zusätzlichen Berücksichtigung von Informationen über richtungsspezifische Schallausbreitungsgeschwindigkeiten innerhalb des Prüfobjektes. Derartige Informationen können beispielsweise im Wege experimenteller richtungsabhängiger Schallgeschwindigkeitsmessungen ermittelt werden, oder anhand einer den akustisch anisotropen Werkstoffbereich innerhalb des Prüfobjektes beschreibenden Steifigkeitsmatrix berechnet werden. Die Berücksichtigung der anisotropen akustischen Werkstoffeigenschaften des zu untersuchenden Prüfobjektes erfolgt im Wege einer sogenannten inversen Phasenanpassung der am Prüfobjekt detektierten Ultraschallwellen, wobei die Phasenbeziehung einzelner Elementarwellen, die mit Hilfe des getakteten Gruppenstrahlers gemessen wird, unter Berücksichtigung der Anisotropie des jeweiligen Werkstoffes des Prüfobjektes so angepaßt wird, dass eine quasi Standardprüfsituation auch für anisotrope Werkstoffe erreicht wird.
Zur Vermessung einer sich vorzugsweise linear längs eines Prüfobjektes erstreckenden Schweißnaht, die im Wege der Schweißnahtbildung eine an der Oberfläche des Prüfobjektes konvex erhabene Schweißnahtkontur vorsieht, eignet sich in besonders vorteilhafter Weise eine Ultraschallprüfanordnung in Form einer vorstehend lösungsgemäß ausgebildeten Anordnung einer Anzahl n linear oder arrayförmig angeordneter Ultraschallwandler, wobei die n Ultraschallwandler in vorzugsweise zwei räumlich voneinander getrennte, jeweils zusammenhängende Gruppen unterteilt sind, die durch wenigstens einen Zwischenraum voneinander beabstandet sind, der größer ist als der Abstand zwischen zwei benachbarten Ultraschallwandler, vorzugsweise wenigstens der lichten Breite der Schweißnahtbreite entspricht. Mit einem derartig konzipierten Gruppenstrahler, der längs der Schweißnaht führbar ist und beidseitig zur Schweißnaht vorzugsweise gleich viele Ultraschallwandlerelemente vorsieht, ist es möglich, mittels eines geeignet in Richtung der Schweißnaht orientierten Einschallung der Ultraschallwellen eine quasi-tomographische Abbildung eines Schnittes im Prüfvolumen, d.h. im Bereich der Schweißnaht sowie der sich beidseitig an der Schweißnaht angrenzenden Wärmeeinflußzone zu erhalten. Hierdurch entfällt der Bedarf nach einer mechanischen Abtastung des Prüfobjektes quer zur Schweißnaht oder gar ein dynamisches Verschwenken bzw. Fokussieren des Schallbündels nach dem konventionellen Gruppenstrahlerprinzip. Mit Hilfe einer beidseitig zur Schweißnaht angebrachten, vorzugsweise jeweils arrayförmig ausgebildeten Ultraschallwandleranordnung, die die Schweißnaht beidseitig unmittelbar begrenzt, ist es möglich, durch Bewegung des derartig konzipierten Gruppenstrahlerprüfkopfes längs der Schweißnaht eine hundertprozentige Prüfung des Gesamtvolumens zu gewährleisten mit dreidimensionaler quasi tomographischer Darstellung der Prüfergebnisse.
Eine weitere Ausführungsform mit erhöhter Prüfempfindlichkeit sieht die Verwendung zweier Keilelemente vor, die jeweils beidseitig zur Schweißnaht auf das Prüfobjekt aufsetzbar sind und an deren Oberfläche jeweils Ultraschallwandler zur Einkopplung von Ultraschallwellen derart angebracht sind, dass die über das jeweilige Keilelement in das Prüfobjekt eingekoppelten Schallwellen eine geometrie-bedingte zur Schweißnaht orientierte Neigung aufweisen.
Weitere, die lösungsgemäße Ultraschallprüfanordnung beschreibende Hinweise können der weiteren Beschreibung unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele entnommen werden.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
1 schematisierte Querschnittsdarstellung durch einen getaktet betriebenen Gruppenstrahler zur Prüfung einer Schweißnaht innerhalb eines Prüfobjektes,
2 Prüfanordnung mit Keilelementen,
3a, b, c, d Gegenüberstellung zwischen getakteten und konventionellen Gruppenstrahler bei dem jeweils die Ultraschallwandlerelemente einen gegenseitigen Abstand ≤ λ/2 aufweisen,
4a, b, c, d Gegenüberstellung eines getakteten und eines konventionell betriebenen Gruppenstrahlers, bei dem die Ultraschallwandlerelemente einen gegenseitigen Abstand ≥ λ/2 aufweisen,
5a, b Darstellungen zur Multimodenprüfung mit einem getakteten Gruppenstrahler.
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
1 zeigt einen Querschnitt sowohl durch ein Prüfobjekt 1, das aus einem Grundmaterial Gr besteht und darüber hinaus von einer Schweißnaht S durchsetzt ist, als auch durch eine lösungsgemäß ausgebildete Ultraschallprüfanordnung, die im Ausführungsbeispiel gemäß 1 jeweils zwei arrayförmig ausgebildete Gruppen 2, 3 von Ultraschallwandlerelementen 5 aufweist, wobei die beiden Array-Gruppen 2, 3 durch einen lichten Zwischenraum 4 voneinander beabstandet sind, der im wesentlichen der Breite der Schweißnaht S entspricht. Jede der einzelnen Array-Gruppen 2, 3 weist gleich viele Ultraschallwandlerelemente 5 auf, die innerhalb jeder einzelnen Gruppe einen gegenseitigen Abstand 4 aufweisen, der größer λ/2 ist, wobei λ die Wellenlänge der seitens der Ultraschallwandler 5 in das Prüfobjekt 1 eingekoppelten Ultraschallwellenlänge entspricht. Die beiden Array-Gruppen 2, 3 sind in einem nicht weiter dargestellten Gruppenstrahlergehäuse integriert, durch das die Handhabung der Ultraschallprüfanordnung vereinfacht wird. Die Ultraschallmessung mit Hilfe der lösungsgemäß ausgebildeten Ultraschallprüfanordnung erfolgt nach dem Prinzip des getakteten Gruppenstrahlers derart, dass alle Ultraschallwandlerelemente 5 des Gruppenstrahlers nacheinander taktweise angeregt werden, wobei in jedem einzelnen Sendetakt sämtliche Ultraschallwandlerelemente 5 die zurückkommenden Ultraschallechosignale empfangen. Die Anzahl der Ultraschallwandlerelemente 5 sowie deren gegenseitiger Abstand 6 sind so gewählt, dass eine ausreichende effektive Aperturgröße A pro Array-Gruppe gewährleistet wird, um eine physikalische Fokussierung in jeden Punkt des zu untersuchenden Prüfobjektes 1, insbesondere im Bereich der Schweißnaht S zu gewährleisten. Von besonderer Bedeutung hierbei ist die Forderung, dass die sogenannte Nahfeldlänge, d.h. jener Raumbereich, in dem die Schallwellen fokussiert werden können, pro Array-Gruppe 2, 3 größer dimensioniert sein muß, als ein maximaler Schallweg 7 innerhalb des Grundmaterials G sowie der Schweißnaht S im Prüfobjekt 1. Hierbei gilt es, lösungsgemäß den Elementabstand, wie vorstehend erwähnt größer λ/2 zu wählen.
Um die Prüfempfindlichkeit der Ultraschallprüfanordnung in Richtung zur Schweißnaht weiter zu erhöhen bietet es sich an, gemäß dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel Keilelemente 8 vorzusehen, die beidseitig zur Schweißnaht S anordenbar sind und jeweils eine relativ Oberseite 9 des Prüfobjektes 1 zur Schweißnaht S hin geneigte Oberseite 10 aufweisen, auf der die einzelnen Ultraschallwandler 5 jeweils der Array-Gruppen 2, 3 angeordnet sind. Auf diese Weise erfolgt eine Ultraschallwelleneinkopplung, die aufgrund der Keilgeometrie zur Schweißnaht S orientiert ist, wodurch eine Prüfung der Schweißnaht mit tomographischer Qualität möglich wird, d.h. durch die relativ zur Schweißnaht S unmittelbare Gegenüberstellung der Array-Gruppen 2, 3 ist eine optimierte Apertur möglich, unter der die von einer Array-Gruppe ausgesandten Ultraschallwelle jeweils von der, der Schweißnaht S gegenüberliegenden anderen Array-Gruppe mit höherer Empfindlichkeit empfangen werden können. Die jeweils beidseitige Anordnung von Ultraschallwandlern relativ zur Schweißnaht S ermöglicht somit eine Durchschallung des Schweißnahtvolumens unter Transmissionsbedingungen.
Zur Verdeutlichung des Einflusses der gegenseitigen Beabstandung der Ultraschallwandler 5 innerhalb einer Array-Gruppe 2, 3, auf die Richtcharakteristik und letztlich das Auflösungsvermögen sei im Weiteren auf die gegenüberstellenden Zusammenhänge in den 3 und 4 verwiesen. 3a zeigt eine schematisierte Messanordnung bei der auf einem Prüfobjekt 1, in dem Fehlstellen ZB1, ZB2, ZB3 sowie ZB4 enthalten sind, ein Gruppenstrahlerwandler G aufgebracht ist, der eine Vielzahl einzelner Ultraschallwandler 5 vorsieht, die untereinander einen Elementabstand < λ/2 aufweisen. Der Gruppenstrahlerwandler G liefert bei einer konventionellen Betriebsweise nach der Phased-Array-Technik, bei der die einzelnen Ultraschallwandler phasengesteuert angeregt werden, wodurch Ultraschallwellen innerhalb des Prüfobjektes unter beliebigen Winkeln angeregt und empfangen werden können, beispielsweise bei Einschallwinkeln von 45° eine Richtcharakteristik unter Ausbildung nur einer einzigen Hauptkeule für jeden eingestellten Einschallwinkel (siehe 3b). In 3d ist hierzu ein rekonstruiertes Sektorbild dargestellt, das die Fehlstellen innerhalb des Prüfobjektes 1 lagegetreu wiedergibt. Wird hingegen der Gruppenstrahlwandler G nach der getakteten Gruppenstrahlertechnik mit verteilten Aperturen betrieben, d.h. traktweises Ansteuerung einzelner Ultraschallwandlerelemente sowie Empfangen der Ultraschallechosignalen von allen vorhandenen Ultraschallwandlern, so ergibt sich das in 3c dargestellte rekonstruierte Sektorbild, das im wesentlichen dem Sektorbild gemäß 3d gleicht.
Wird jedoch ein Gruppenstrahlwandler G eingesetzt, bei dem der Abstand zwischen den einzelnen Ultraschallwandlerelementen 5 größer λ/2 gewählt ist, gemäß Bilddarstellung in 4a, so ergeben sich in der Richtcharakteristik des konventionell betriebenen Gruppenstrahlers mehrere Hauptkeulen höherer Ordnung (siehe 4b), durch die die Ultraschallprüfung unmöglich gemacht wird (siehe hierzu auch das rekonstruierte Sektorbild eines konventionell betriebenen Gruppenstrahlers in 4d. Wird hingegen der Gruppenstrahler G in der getakteten Betriebsweise betrieben, bildet sich keineswegs die in 4b dargestellte Vielzahl an Hauptkeulen aus. Vielmehr verbessert sich das Auflösungsvermögen des getaktet betriebenen Gruppenstrahlers G aufgrund der geometrischen Vergrößerung der effektiven Apertur der Ultraschallwandleranordnung. In 4c ist ein rekonstruiertes Sektorbild mit den vorstehend bezeichneten Gruppenstrahlwandler G dargestellt.
Um zufriedenstellende Messergebnisse gewinnen zu können, gilt es bei der Konfektionierung des Gruppenstrahlers G insbesondere im Hinblick auf die Anordnung der Vielzahl einzelner Ultraschallwandler zwei Anforderungen zu erfüllen: Zum einen muß die Apertur der Array-Gruppe an Ultraschallwandlern groß genug gewählt sein, um die Fokussierung der Ultraschallwellen innerhalb des Prüfobjektes, zumindest im Bereich des Grundmaterials sowie in der Schweißnaht physikalisch zu gewährleisten, um auf das Ausführungsbeispiel gemäß der 1 und 2 Bezug zu nehmen. Zum anderen ist die Anzahl der Ultraschallwandlerelemente genügend groß zu wählen, um die realisierbare Prüfempfindlichkeit an die Anforderungen der einzelnen Prüfvorschriften anpassen zu können.
Die Vermessung einer Schweißnaht mittels Ultraschallwellen bedarf bei der Auswertung der empfangenen und abgespeicherten Ultraschallzeitsignale einer zusätzlichen Berücksichtigung der unterschiedlichen akustischen Materialeigenschaften innerhalb des Prüfkörpers. Hierbei erfolgt die Auswertung der Ultraschallsignale im Wesentlichen durch folgende drei Verfahrensschritte: Zunächst wird das Prüfvolumen nach dem getakteten Gruppenstrahlerprinzip mit Aufnahme aller Zeitsignale für alle Kombinationen von Ultraschallsendern und Empfängern vermessen. Im Weiteren gilt es, die Materialanisotropie in jedem Punkt des Prüfvolumens aus den Messdaten zu bestimmen. Schließlich gilt es in einem dritten Schritt die Rekonstruktion des Prüfvolumens nach dem Prinzip der sogenannten inversen Phasenanpassung durchzuführen. Hierzu stehen spezielle Algorithmen und Rechnerstrukturen zur Verfügung, die es ermöglichen unter Berücksichtigung richtungsspezifischer Schallausbreitungseigenschaften innerhalb des zu untersuchenden Prüfobjektes eine Anpassung des auszuwertenden detektierten und abgespeicherten Ultraschallwellenfeldes derart durchzuführen, als wäre eine quasi Standardprüfsituation geschaffen, die einer Auswertung von Ultraschallsignalen von akustisch isotropen Prüfkörpern entspräche.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der lösungsgemäß angegebenen Ultraschallprüfanordnung sieht den Einsatz derart kleiner Ultraschallwandlerelemente vor, die vergleichbar oder kleiner als die Wellenlänge der innerhalb des Prüfobjektes angeregten Ultraschallwellen sind. In diesem Fall ist es möglich, mehr als eine Wellenmode mit dem jeweiligen Ultraschallwandlern anzuregen, so beispielsweise Longitudinal- und Transversalwellen, die jeweils über unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeiten verfügen. In diesem Zusammenhang sei auf die in 5a dargestellte Richtcharakteristik eines Ultraschallwandlers hingewiesen, der in einen aus Stahl bestehenden Prüfkörper jeweils zwei unter 33° bezogen zur Oberflächennormalen orientierte transversale Wellenkeulen abzustrahlen vermag. Hingegen breitet sich die Longitudinal-Welle symmetrisch zur Oberflächennormalen innerhalb des Prüfobjektes aus. Das getaktete Gruppenstrahlerprinzip macht es möglich, diese Moden zu vermessen, da die empfangenen Zeitsignale von allen Wandlerelementen innerhalb der Array-Anordnung separat vermessen werden können. Bei einer Laufzeit bezogenen Rekonstruktion von Ultraschallbildern durch Berücksichtigung der Schallgeschwindigkeiten von einzelnen Ultraschallmoden ist man darüber hinaus in der Lage, die Ultraschallprüfung gleichzeitig mit mehreren Ultraschallmoden durchzuführen und die Ultraschallprüfergebnisse entsprechend zu überlagern, wie dies aus der in 5b dargestellten Darstellung zu entnehmen ist. So überlappen jeweils die Rekonstruktionsbereiche für Transversalwellen mit jenem Rekonstruktionsbereich für die Longitudinalwelle (siehe schraffierter Bereich), wodurch sich die Aussagekraft der Ultraschallprüfung sowie die Robustheit der Ultraschallprüfergebnisse deutlich erhöhen, zumal die durch die Wellenumwandlung verursachten Artefakte der Ultraschallbilder durch eine gleichzeitige Erfassung mehrerer Ultraschallmoden beseitigt werden können.
Grundsätzlich spielt es keine Rolle, ob der Gruppenstrahler lediglich linear angeordnete bzw. zeilenförmig angeordnete Ultraschallwandlerelemente vorsieht oder zweidimensionale Ultraschallwandlerarrays aufweist. In beiden Fällen kann das vorstehend beschriebene Messprinzip angewandt werden.

1: Prüfobjekt
2, 3: Array-Gruppen
4: lichte Weite, Schweißnahtbreite
5: Ultraschallwandler
6: Elementabstand
7: maximaler Schallweg
8: Keilelement
9: Oberfläche des Prüfobjektes
10: Oberfläche des Keilelementes
Gr: Grundmaterial
S: Schweißnaht
G: Gruppenstrahlerwandler

Claims

Ultraschallprüfanordnung mit einer Anzahl n von zeilen- oder arrayförmig angeordneten Ultraschallwandlern, die mit einer Signalansteuer- und einer Signalabspeichereinheit verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallwandler jeweils einen Abstand zum unmittelbar benachbarten nächsten Ultraschallwandler aufweisen, der größer ist als λ/2, mit λ gleich der Wellenlänge einer von den Ultraschallwandlern in ein Medium eingekoppelten Ultraschallwelle.
Ultraschallprüfanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalansteuereinheit wenigstens einen Ultraschallwandler oder eine räumlich zusammenhängende Gruppe von m Ultraschallwandlern, mit m ≥ 2, derart repetierend aktiviert, und jeweils ein Ultraschallfeld oder m Ultraschallfelder in das Medium einschallt, dass nach jeder Aktivierung ein anderer Ultraschallwandler oder eine andere Gruppe von m Ultraschallwandlern aktivierbar ist, die sich um wenigstens einen Ultraschallwandler von der vorherig aktivierten Gruppe unterscheidet, dass die Signalabspeichereinheit nach jeder einzelnen Aktivierung mittels der n Ultraschallwandler Ultraschallzeitsignaie, die innerhalb des Mediums reflektierten Ultraschallwellen zuordenbar sind, abspeichert, und dass eine Auswerteeinheit vorgesehen ist, die auf Basis der abgespeicherten Ultraschallzeitsignaie ein 2-dimensionales Ultraschallschnittbild durch das Medium oder ein A-Bild in Form eines 1-dimensionalen, längs eines unter einem vorgebbaren Einschallwinkel detektierten zeit- und ortsaufgelösten Ultraschallechosignals rekonstruiert.
Ultraschallprüfanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl n der Ultraschallwandler längs wenigstens einer Raumrichtung über eine Erstreckung nebeneinander angeordnet sind, die größer ist als ein maximaler innerhalb des Mediums von einer eingekoppelten Ultraschallwelle zurückgelegter Schallweg.
Ultraschallprüfanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die n Ultraschallwandler in wenigstens zwei räumlich voneinander getrennte jeweils zusammenhängende Gruppen unterteilt sind, die durch wenigstens einen Zwischenraum voneinander beabstandet sind, der größer ist als der Abstand zwischen zwei benachbarte Ultraschallwandler.
Ultraschallprüfanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenraum eine lichte Weite sowie eine orthogonal zur lichten Weite orientierte Längserstreckung aufweist, die an geometrische Dimensionen einer Schweißnaht längs des Mediums derart angepasst sind, dass die zwei Gruppen an Ultraschallwandlern jeweils beidseitig die Schweißnaht miteinander einschließend auf das Medium aufsetzbar sind.
Ultraschallprüfanordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils eine Gruppe an Ultraschallwandler eine Apertur aufweist, die größer ist als ein maximaler innerhalb des Mediums von einer eingekoppelten Ultraschallwelle zurückgelegter Schallweg.
Ultraschallprüfanordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallwandler jeder Gruppe jeweils längs eines auf das Medium aufsetzbaren Keilelementes angeordnet sind, dass bei Aufsetzen beider Keilelemente auf das Medium, wobei die Schweißnaht von beiden Keilelementen beidseitig begrenzt ist, die über die Keilelemente in das Medium eingekoppelten Ultraschallwellen eine zur Schweißnaht zugewandte Neigung aufweisen.
Ultraschallprüfanordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Gruppen jeweils gleich viel Ultraschallwandler vorsehen.
Ultraschallprüfanordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Gruppen an Ultraschallwandler gemeinsam an einer Trägerstruktur angebracht sind.
Ultraschallprüfanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerstruktur als Gruppenstrahler-Prüfkopf ausgebildet ist.
Ultraschallprüfanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteinheit Informationen über richtungsspezifische Schallausbreitungsgeschwindigkeiten über das Medium vorsieht und die abgespeicherten Ultraschallzeitsignale unter Zugrundelegung der richtungsspezifischen Schallausbreitungsgeschwindigkeiten auswertet.
Ultraschallprüfanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Dimensionen jedes einzelnen Ultraschallwandlers gleich oder kleiner bemessen sind als die Wellenlänge einer in das Medium durch den jeweiligen Ultraschallwandler eingekoppelten Ultraschallwelle.