DE102009050160A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ultraschallprüfung eines Prüfobjektes - Google Patents

Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Ultraschallprüfung eines Prüfobjektes, bei dem Ultraschallwellen über eine Oberfläche des Prüfobjektes in das Prüfobjekt eingekoppelt werden, die innerhalb des Prüfobjektes zumindest teilweise reflektiert und in Form reflektierter Ultraschallwellen empfangen und in Ultraschallsignale umgewandelt werden, die aufgezeichnet und einer Signalauswertung zugrunde gelegt werden. Das Verfahren zeichnet sich durch folgende Verfahrensschritte aus: a) Einkoppeln von Ultraschallwellen in das Prüfobjekt und Empfangen der reflektierten Ultraschallwellen mit wenigstens einem Ultraschallwandler an einer ersten Messposition und Umwandeln der reflektierten Ultraschallwellen in Ultraschallsignale, die in Form von M zeitabhängigen Amplitudenwerten zu einem so genannten A-Bild zusammengefasst und aufgezeichnet werden, b) (N-1)-maliges Wiederholen von Schritt a) jeweils an einer weiteren Messposition, für deren räumlichen Abstand D zur vorhergehenden Messposition gilt: D ≰ λ / N mit λ: Wellenlänge der Ultraschallwellen innerhalb des Prüfobjektes c) Auswerten der N A-Bilder unter Zugrundelegung einer kohärenten statistischen Analyse derart, c1) dass zu jedem der (N x M)-Raumpunkte des Prüfkörpers die zu einem Raumpunkt korrespondierenden, zeitabhängigen Amplitudenwerte A(mit j = 0,...M-1 und i = 0,...N-1) der N A-Bilder ermittelt werden, c2) dass die zu jedem Raumpunkt korrespondierenden zeitabhängigen ...

Description

• Technisches Gebiet
• Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Ultraschallprüfung eines Prüfobjektes, bei dem Ultraschallwellen über eine Oberfläche des Prüfobjektes in das Prüfobjekt eingekoppelt werden, die innerhalb des Prüfobjektes zumindest teilweise reflektiert und in Form reflektierter Ultraschallwellen empfangen und in Ultraschallsignale umgewandelt werden, die aufgezeichnet und einer Signalauswertung zugrunde gelegt werden.
• Stand der Technik
• Auf dem Gebiet der zerstörungsfreien Werkstückprüfung ist der Einsatz der Ultraschalltechnik seit langer Zeit bekannt. Für die zerstörungsfreie Untersuchung von einer Vielzahl von Prüfobjekten, so insbesondere für die Prüfung von massiven Stahl- und Gusserzeugnissen, die vielfach als Halberzeugnisse vorliegen und über raue und unebene Werkstückoberflächen verfügen, auf Volumenfehler existieren neben der Ultraschalltechnik keine technisch einsetzbaren alternativen Prüftechniken, da lediglich der in die Prüfobjekte einkoppelbare Ultraschall, das für eine hohe Prüfqualität erforderliche große Eindringungsvermögen besitzt.
• Typischerweise erfolgt die Erzeugung und Einkopplung des Ultraschalls in das jeweils zu untersuchende Prüfobjekt mittels piezoelektrischer Ultraschallwandler in Verbindung mit einem Koppelmedium, beispielsweise unter Nutzung der Tauchtechnik, bei der das Prüfobjekt in einem Öl- oder Wasserbad eingebracht ist und über das die mit Hilfe der Ultraschallwandler erzeugten Ultraschallwellen in das Prüfobjekt einkoppeln.
• Eine wichtige Rolle für die Qualität der Einkopplung der Ultraschallwellen in das Prüfobjekt spielt die Oberflächenbeschaffenheit des Prüfobjektes. Um reproduzierbare Prüfergebnisse mit einer möglichst hohen Auflösung zu erhalten, werden bspw. als Halbzeuge vorliegenden Stahl- und Gusserzeugnisse, insbesondere so genannte Stabstähle, an ihrer Oberfläche abgedreht, um die herstellungsbedingte unebene und raue Oberflächenbeschaffenheit zu Zwecken einer verbesserten Ultraschallwelleneinkopplung durch Glätten der Oberfläche zu verbessern. Derartige Maßnahmen sind jedoch mit zusätzlichen verfahrenstechnischen Aufwendungen und Kosten verbunden, die es zu vermeiden gilt.
• Andererseits unterliegen Ultraschallprüfungen bei Prüfobjekten mit unbearbeiteten, insbesondere roh geschmiedeten Prüfobjektoberflächen trotz Verwendung flüssiger Koppelmedien erheblichen Einkoppelverlusten, wodurch auswertbare Messsignale geschwächt und das damit verbundene Signal-/Rauschverhältnis ansteigt, so dass letztlich das Fehlernachweisvermögen stark eingeschränkt wird. Zudem beeinträchtigen unebene und raue Prüfobjektoberfläche eine räumlich möglichst gleich verteilte Ultraschallwelleneinkopplung in das Prüfobjekt und eine damit verbundene vollständige Abdeckung des Prüfobjektvolumens mit Ultraschallwellen.
• Darstellung der Erfindung
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Ultraschallprüfung eines Prüfobjektes, bei dem Ultraschallwellen über eine Oberfläche des Prüfobjektes in das Prüfobjekt eingekoppelt werden, die innerhalb des Prüfobjektes zumindest teilweise reflektiert und in Form reflektierter Ultraschallwellen empfangen und in Ultraschallsignale umgewandelt werden, die aufgezeichnet und einer Signalauswertung zugrunde gelegt werden, derart weiterzubilden, dass das Fehlernachweisvermögen gegenüber bisherigen Vorgehensweisen erheblich verbessert werden soll, ohne dabei verfahrenstechnisch sowie auch die Prüfvorrichtung betreffende kostenaufwendige Maßnahmen ergreifen zu müssen. Insbesondere gilt es, das Signal-/Rauschverhältnis der für die Signalauswertung erfassten und aufgezeichneten Ultraschallsignale zu verbessern, d. h. zu reduzieren.
• Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Gegenstand des Anspruches 10 ist eine lösungsgemäße Vorrichtung zur Ultraschallprüfung eines Prüfobjektes. Die den Erfindungsgedanken weiterbildende Merkmale sind in den Unteransprüchen formuliert sowie der gesamten weiteren Beschreibung, insbesondere unter Bezugnahme auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele zu entnehmen.
• Das lösungsgemäße Verfahren gestattet eine Verbesserung des Signal-/Rauschverhältnisses der auszuwertenden Messsignale ohne jegliche an dem zu untersuchenden Prüfobjekt durchzuführenden Maßnahmen treffen zu müssen, wie beispielsweise Glättung oder Einebnung der herstellungsbedingten rauen Prüfobjektoberfläche. Das lösungsgemäße Verfahren setzt im Wesentlichen bei der Auswertung der erfassten Messsignale an, wobei in Bezug auf die messtechnische Durchführung der Ultraschalluntersuchung an einem Prüfobjekt, d. h. die Erzeugung, Einkopplung und Empfang der Ultraschallwellen sowie die Umwandlung und Aufzeichnung der Ultraschallsignale, grundsätzlich keine besonderen Anforderungen zu stellen sind. Lediglich gilt es bei der vorstehend skizzierten Durchführung darauf zu achten, den wenigstens einen Ultraschallwandler zu Zwecken der Ultraschallwelleneinkopplung in das Prüfobjekt in zeitlicher Abfolge an unmittelbar benachbarten Messpositionen relativ zur Oberfläche des Prüfobjektes anzuordnen und den Abstand zweier unmittelbar benachbarter Messpositionen möglichst klein zu wählen, d. h. kleiner oder gleich dem Verhältnis aus der Wellenlänge λ der innerhalb des Prüfobjektes eingekoppelten Ultraschallwellen und der Anzahl N der einzelnen Messpositionen, von denen aus die Prüfkörperuntersuchung aus vorgenommen wird.
• Durch die räumlich dichte Aufeinanderfolge der jeweils nebeneinander liegenden Messpositionen, die vorzugsweise allesamt einen äquidistanten Abstand zur Oberfläche des Prüfobjektes einnehmen und von denen aus jeweils eine Ultraschallmessung im vorstehend beschriebenen Sinne vorgenommen wird, ergibt sich eine Überlagerung der einzelnen beschallten Volumenbereiche innerhalb des Prüfobjektes, die sich aus den in das Prüfobjekt eingekoppelten Ultraschallwellenfeldern ergeben, die von dem Ultraschallwandler jeweils von den einzelnen Messpositionen ausgesendet werden. So verfügen insbesondere piezoelektrische Ultraschallwandler eine das Ausbreitungsverhalten der vom Wandler abgeschallten Ultraschallwellen beschreibende Richtcharakteristik, die sowohl von den geometrischen Ultraschallwandlernabmessungen, der Apertur des Ultraschallwandlers, als auch von den Werkstoffeigenschaften der jeweils vom beschallten Medien abhängt. Zudem tragen auch Grenzflächen zwischen zwei Medien, die über unterschiedliche Materialdichten verfügen, entscheidend zu einem veränderten Ausbreitungsverhalten von Ultraschallwellen beim Durchgang durch die Grenzfläche bei (Snell'sches Gesetz).
• Insbesondere bei der Durchführung von Ultraschallprüfungen an einem Prüfobjekt mittels Tauchtechnik, bei der für gewöhnlich das Prüfobjekt in ein Öl- oder Wasserbad eingebracht wird und die Ultraschallwellen über das Koppelmedium in das Prüfobjekt einkoppeln, kommt es auf der Grundlage des vorstehend erwähnten Snell'schen Gesetz zu einer Vergrößerung des Öffnungswinkels des sich innerhalb des Prüfobjektes ausbreitenden Ultraschallwellenfeldes, wodurch eine räumliche Überlagerung von an unterschiedlichen Messpositionen aus generierten Ultraschallwellenfelder innerhalb des Prüfobjektes unterstützt wird. Somit kann festgehalten werden, dass die zumindest an unmittelbar benachbarten Messpositionen ausgesandten und empfangenen Ultraschallwellen sowie die darauf basierenden Ultraschallsignale jeweils zeitabhängige Amplitudenwerte von identischen Raumpunkten innerhalb des Prüfobjektes enthalten, an denen wenigstens Teile der abgestrahlten Ultraschallwellen reflektiert wurden.
• Zur Erläuterung der lösungsgemäßen Ultraschallsignalauswertung wird davon ausgegangen, dass an N unterschiedlichen Messpositionen jeweils eine Ultraschallmessung im vorstehend beschriebenen Sinne vorgenommen wird, bei der pro Messposition Ultraschallsignale aufgezeichnet werden, die in Form von M zeitabhängigen Amplitudenwerten zu einem so genannten A-Bild zusammenfassbar sind.
• Im Unterschied zu bisher bekannten Auswerteverfahren, wie beispielsweise die bekannte Synthetik-Apertur-Focussing-Technik (SAFT), die darin besteht, sämtliche empfangenen Ultraschallsignale auf eine gemeinsame Zeitachse zu projizieren und auf diese Weise alle von einem bestimmten Reflektor bzw. Volumenelement innerhalb des Prüfobjektes reflektierten Ultraschallsignalanteile phasengleich zu addieren, das einer räumlichen Mittelung entspricht, basiert die lösungsgemäße Ultraschallsignalauswertung auf einer statistischen Auswertelogik, die auch als kohärente statistische Analyse bezeichnet wird, bei der die Ultraschallsignale von benachbarten Messpositionen statistisch ausgewertet werden und eine statistische Differenzierung und Wichtung der einzelnen Amplitudenwerte erfahren.
• Zur Erläuterung des lösungsgemäßen Auswerteverfahrens seien für ein erleichtertes Verständnis auf die in den 1a und 1b grafisch illustrierten Zusammenhänge Bezug genommen. So illustriert 1a ein zu untersuchendes Prüfobjekt 1, das mittels Tauchtechnik mit einem Ultraschallwandler US, der insgesamt an N Messpositionen in zeitlicher Abfolge angeordnet wird, von denen eine Messposition i zur weiteren Erläuterung hervorgehoben dargestellt ist. Sämtliche N Messpositionen befinden sich in einem äquidistanten Abstand d zur Oberfläche des Prüfobjektes 1 und unterscheiden sich lediglich in ihrer zur Prüfobjektoberfläche lateralen Position um einen Abstand D ≤ λ/n. λ stellt dabei die Wellenlänge der sich innerhalb des Prüfkörpes ausbreitenden Ultraschallwellen dar. Zur praktischen Durchführung der in 1a illustrierten Messsituation wird der eine Ultraschallwandler US längs einer Trajektorie, bspw. längs einer Geraden, mit konstanter Geschwindigkeit verfahren, währenddem pulsartig Ultraschallwellen in das Prüfobjekt 1 eingekoppelt und entsprechend empfangen, umgewandelt und aufgezeichnet werden.
• Die zu jeder Messposition in 1a dargestellten Randstrahlen RA der einzelnen Ultraschallwellenfelder illustrieren das Ausbreitungsverhalten der Ultraschallwellenfelder und jeweils den innerhalb des Prüfobjektes 1 erfassbaren Volumenbereich. So ist jedes einzelne Ultraschallwellenfeld charakterisiert durch das Nahfeld NA, den natürlichen Fokus NF sowie das Fernfeld FE (siehe kleine rechte Darstellung in 1a), wobei letzteres im Wege der Einkopplung in das Prüfobjekt 1 eine durch das Snell'sche Gesetz beschreibbare Brechung und eine damit verbundene Aufweitung des Öffnungswinkels erfährt.
• An jeder einzelnen Messposition der N Messpositionen werden Ultraschallsignale in Form zeitabhängiger Amplitudenwerte erfasst, die in 1b in Form eines A-Bildes illustriert sind. Hierbei sind M Amplitudenwerte längs einer Zweitachse t aufgetragen. Repräsentativ ist der Amplitudenwert an der Stelle j mit j = 0, ..., M – 1 hervorgehoben.
• Betrachtet sei im Weiteren die an der Messposition i-i ist eine Zähl- oder Laufparameter, für den gilt: i = 0, ..., N – 1 – erfassten Ultraschallsignale, die in Form von M einzelnen Amplitudenwerten in der folgenden Form darstellbar sind: Aⁱ = (a₀, a₁, ..., a_M-1)
• In der obigen Darstellung seien die einzelnen Amplitudenwerte a_j mit j = 0, ..., M – 1, angegeben, so dass die einzelnen Amplitudenwerte in der nachfolgenden abgekürzten Schreibweise darstellbar sind: Aⁱj = a_j,
• In einem nächsten Schritt wird jeder einzelne an den N Messpositionen erfasste und aufgezeichnete Amplitudenwert Aⁱ _j analysiert, wobei zu jedem zeitabhängigen Amplitudenwert Aⁱ _j jeweils ein sogenannter Phasenwert zugeordnet ist. Die Amplitudenwertanalyse erfolgt auf Basis des mathematischen physikalischen Begriffes der „Entropie”, die in der Physik und Mathematik als Maß der „Unordnung” innerhalb eines Systems verstanden wird. Je höher die Entropie, desto ungeordneter ist ein Prozess bzw. ein System. Im Falle der Amplitudenwertanalyse gilt es, eine Kenngröße, die nachfolgend als „Phasenwert” bezeichnet wird, zu ermitteln und dem jeweiligen Amplitudenwert zuzuordnen, die im Sinne der Entropie einen Ordnungsgrad darstellen soll, mit dem der Amplitudenwert qualifiziert wird.
• So stellen die Prozess der Ultraschallwellenausbreitung sowie auch die Vermessung der reflektierten Ultraschallwellenanteile, die in Form von Ultraschalllaufzeitsignalen, den A-Bildern, umgesetzt werden, jeweils physikalische Prozess dar, die durch verschiedene Unregelmäßigkeiten beeinflusst bzw. gestört werden, wie beispielsweise die Einflussnahme rauer Ankoppel- bzw. Trennflächen in Bezug auf das Ausbreitungsverhalten, unvollständige Aperturen, Strukturrauschen, Wellenumwandlungen, um nur einige störende Einflussgrößen zu nennen. Derartige Einflussgrößen vermögen die als skalare Werte erfassbaren Amplitudenwerte zu stören. Wertet man die zu einem Raumpunkt zugehörigen Amplitudenwerte, die jeweils an unterschiedlichen Messpositionen mit Hilfe des wenigstens einen Ultraschallwandlers erfasst worden ist, statistisch aus, so kann eine Aussage über sämtliche zu einem Raumpunkt korrespondierenden Amplitudenwerte hinsichtlich ihrer Kohärenz oder Unkohärenz getroffen werden. Vorzugsweise bieten sich hierzu statistische Rechenmethoden zur Ermittlung der Varianz oder Streuung der einzelnen Amplitudenwerte an. Ergibt eine derartige Analyse für die an einem Raumpunkt zuordenbaren Amplitudenwerte einen hohen Ordnungsgrad, beispielsweise aufgrund einer geringen Varianz bzw. Streuung unter den einzelnen Amplitudenwerte pro Raumpunkt, so kann davon ausgegangen werden, dass die Amplitudenwerte einem geringen Maß an störenden Einflussgrößen unterliegen, so dass im Bilde der Entropie dem Raumpunkt ein hoher Ordnungsgrad zugesprochen werden kann. Fällt hingegen die Analyse der Amplitudenwerte durch einen geringen Ordnungsgrad auf, d. h. die einzelnen Amplitudenwerte sind durch Unregelmäßigkeiten gestört, so ist in diesem Fall die Entropie groß. Ein derartiger Raumpunkt mit den dazugehörigen Amplitudenwerten sollte daher in der weiteren Auswertung durch eine entsprechende Wichtung eine geringere Berücksichtigung finden als jene Amplitudenwerte, zu denen ein hoher Ordnungsgrad festgestellt werden konnte.
• Im Verständnis der Wellenausbreitung korreliert der vorstehend bezeichnete Ordnungsgrad bzw. Entropiewert mit den Phasenunterschieden von den zu einem Raumpunkt zuordenbaren Ultraschallwellenanteilen. Unterliegen bspw. die Ultraschallwellenfelder großen Störungen, so treten am zu untersuchenden Raumpunkt große Phasenunterschiede auf, vermögen sich die einzelnen Wellenfelder auf dem Weg zu dem zu untersuchenden Raumpunkt sowie auch zurück zum Ultraschallwandler möglichst ungestört auszubreiten, so ist eine Beeinflussung der Ultraschallwellen hinsichtlich ihrer Phase weniger ausgeprägt. Dieser Zusammenhang soll durch den Begriff des „Phasenwert” zum Ausdruck kommen.
• Um schließlich, wie bereits vorstehend erwähnt, bei der weiteren Auswertung eine Wichtung von Amplitudenwerten vornehmen zu können, durch die gestörte Amplitudenwerte eine geringere Beachtung erhalten als ungestörte Amplitudenwerte, gilt es zunächst zu jedem messtechnisch erfassbaren Raumpunkt, d. h. zu den N × M erfassbaren, räumlich auflösbaren Messpunkten, einen Amplitudenwert A_j zu ermitteln, der jeweils sämtliche an einem Raumpunkt ermittelte Amplitudenwerte A_j ⁱ repräsentiert.
• Zur Ermittlung des Amplitudenwertes A_j, der jeweils sämtliche an einem Raumpunkt ermittelte Amplitudenwerte A_j ⁱ repräsentiert, wird das so genannte kohärente A-Bild ermittelt, das sich durch arithmetische Mittelung der N A-Bilder in folgender Weise ergibt:

  
• Für die vorstehende erläuterte Wichtung jedes einzelnen Amplitudenwertes A_j wird der Entropiewert E^j oder auch als so genannter Entropiekern bezeichnet, in der nachfolgenden Weise berechnet.
• Zunächst wird ein Vektor X^j gebildet, der sämtliche j Amplitudenwerte von allen N A-Bildern (siehe hierzu 1b) enthält und der sich in der nachfolgenden Weise darstellt: X^j = (A_j ⁰, A_j ¹, ..., A_j ^N-1).
• Ferner wird ein Wahrscheinlichkeitsvektor in der nachfolgenden Form definiert:
  P^j = (p₀, p₁, ..., p_M-1), wobei für p_i mit i = 0, ..., M – 1 gilt:

  
• Der Entropiewert E^j an einem j.ten Punkt des kohärenten A-Bildes berechnet sich in folgender Weise:

  
• Der vorstehend bezeichnete Entropiewert gilt als Wichtungsfaktor bzw. Filterungskern für jeden Amplitudenwert A_j, der jeweils sämtliche an einem Punkt ermittelte Amplitudenwerte A_j ⁱ repräsentiert. Zur Wichtung der die zeitabhängigen Amplitudenwerte A_j ⁱ repräsentierenden Amplitudenwerte A_j werden diese mit dem zugehörigen Entropiewert E^j in der folgenden Weise verknüpft:

  
• Sämtliche in der vorstehenden Weise gewichteten Amplitudenwerte

  

  werden zur Illustration in ein farbkodiertes B-Bild dargestellt, anhand dem Prüfobjektquerschnitte aufgrund eines verbesserten Signal-Rausch-Abstandes genau untersucht werden können. Die Auswirkung eines derartigen Auswerteverfahrens auf den Signal-Rausch-Abstand und eine daraus folgende Verbesserung der Fehlerauffindbarkeit ist in 2 illustriert.
• In Gegenüberstellung sind in 2 zwei so genannte zweidimensionale B-Schnittbilder gezeigt, von denen das obere B-Bild die Messergebnisse unter Verwendung eines herkömmlichen Auswerteverfahrens und das untere Bild die Messergebnisse unter Verwendung des lösungsgemäßen Auswerteverfahrens darstellt. Es zeigt sich deutlich, dass das lösungsgemäße Verfahren zu einer deutlichen Rauschunterdrückung führt, durch die Fehler in Form so genannter Kreisscheibenreflektoren innerhalb eines Prüfobjektes, gekennzeichnet durch KSR 5 und KSR 3 sehr viel deutlicher in Erscheinung treten. Die dargestellten B-Bilder stellen Messergebnisse eines Prüfversuches an einem roh geschmiedeten Stab dar, in dem künstliche Fehler in Form von Flachbodenbohrungen mit einem Durchmesser von 5 und 3 mm eingebracht worden sind. Zur Durchführung der Untersuchung wurde ein Ultraschallwandler vollständig längs des Umfangsrandes des Stabes geführt. So ist längs der Abszisse der jeweils in 2a und b dargestellten B-Bilder der Messumfang in Winkelgrad und längs der Ordinate der Schallweg in Millimeter aufgetragen.
• Wie vorstehend erwähnt, spielt bei der Durchführung des lösungsgemäßen Verfahrens die räumliche Nähe benachbarter Messpositionen der N Messpositionen, aus denen jeweils zeitlich aufeinander folgende Ultraschallmessungen vorgenommen werden, eine wichtige Rolle. Bei einer fortlaufenden Abtastung längs der Oberfläche eines Prüfobjektes in Tauchtechnik können N beliebige aufeinander folgende Messpositionen für die vorstehend erläuterte kohärente statistische Analyse verwendet werden, solange der Schussabstand, d. h. der laterale Abstand zweier benachbarter Messpositionen klein genug gehalten wird, so dass gilt D ≤ λ/N.
• Eine Vorrichtung, mit der das lösungsgemäße Verfahren an einem Prüfgegenstand unter industriellen Bedingungen, d. h. möglichst automatisch und mit hoher erreichbarer Messempfindlichkeit, durchgeführt werden kann, ist unter Bezugnahme auf die 3 schematisch dargestellt, die die Vermessung eines roh geschmiedeten Stabstahls S ermöglicht. Die Ultraschallprüfung erfolgt in vorteilhafter Weise in Tauchtechnik, wobei eine entsprechende mechanische Vorrichtung eine zweidimensionale Abtastung der Prüfobjektoberfläche mittels einer Vielzahl von Ultraschallwandlern gewährleistet. Im Falle des illustrierten Stabstahls gemäß 3 kann eine derartige Vorrichtung aus einem Rollbock und einer Linearachse bestehen, die es ermöglicht, den Stabstahl S um die Drehachse zu rotieren und längs der Scanachse axial zu verschieben, so dass die Anordnung bezüglich der Ultraschallwandler stationär angeordnet bleiben kann. Selbstverständlich ist auch eine kinematisch umgekehrte Anordnung denkbar, bei der sich die Ultraschallwandleranordnung relativ zum ruhenden Stabstahl entsprechend bewegt wird.
• Selbstverständlich ist auch eine entsprechende modifizierte Messanordnung für die Untersuchung flächiger zweidimensionaler Prüfobjekte möglich.
• Das zu untersuchende Prüfobjekt wird bspw. in ein Wasser gelegt, so dass sich eine Wasserstrecke zwischen den jeweiligen Ultraschallwandlern und dem Prüfobjekt (siehe hierzu 4) ergibt. Beim Einsatz von mehreren Prüfkörpern US1 und US2 sollte der Abstand zwischen den benachbarten Ultraschallwandlern groß genug sein, um gegenseitige Störeinflüsse zu vermeiden.
• Für die Beabstandung der jeweiligen Ultraschallwandler relativ zur Oberfläche des zu vermessenden Prüfobjektes sowie die gegenseitige Beabstandung zweier benachbarter Ultraschallwandler gilt es folgende Kriterien einzuhalten. Ein Ultraschallwandler ist derart gegenüber der Oberfläche eines des Prüfobjektes anzuordnen, so dass die doppelte Ultraschalllaufzeit im Wasser stets größer ist als die Ultraschalllaufzeit im Wasser und im Prüfling, um störende Einflüsse von Wiederholungsechos zu vermeiden. In Verbindung mit den in 4 illustrierten Schalllaufzeiten bedeutet dies: 2·(W1 + W1) > 2·(W1 + S).
• Ferner muss die Laufzeit zwischen zwei benachbarten Ultraschallwandlern US1 und US2 größer sein als die Ultraschalllaufzeit im Wasser und im Prüfobjekt für jeden einzelnen der Ultraschallwandler, um gegenseitige Störeinflüsse zu vermeiden. Somit gilt W2 + W2 > 2·(W1 + S).
• Auf Basis der vorstehenden Kriterien gilt es, die Ultraschallwandler einzeln sowie auch in Gruppe bzw. in jeweils benachbarten Gruppen relativ zum Prüfobjekt anzuordnen. Um die in 3 illustrierte Stabstahlprüfung mittels Ultraschall zu beschleunigen, ist es vorteilhaft, längs des Stabstahls S Ultraschallwandler in mehreren Gruppen verteilt anzuordnen, wobei in einer Gruppe die Ultraschallwandler sowohl axial als auch radial verteilt anzuordnen sind. Durch den axialen Prüfkopfversatz muss gewährleistet werden, dass beim Drehen und Axialverschieben des Prüfobjektes eine regelmäßige Abtastung der Prüflingsoberfläche erfolgt. Die spiralförmigen Prüfbahnen, die die einzelnen Ultraschallprüfköpfe relativ zum sich drehenden Stabstahl ausführen, müssen in gleichen Abständen voneinander liegen.
• Bezugszeichenliste

1

Prüfobjekt

D

Abstand zweier Messpositionen

d

Abstand zwischen Messposition und Oberfläche des Prüfobjektes

R

Raumpunkt

W1

Ultraschalllaufzeit durch Wasser zwischen Ultraschallwandler und Prüfobjekt

F

Ultraschalllaufzeit im Prüfobjekt

W2

Ultraschalllaufzeit zwischen zwei US-Wandlern

S

Stabstahl

US

Ultraschallwandler

NA

Nahfeld

NF

Natürlicher Fokus

FE

Fernfeld

KSR

Kreisscheibenreflektor

RA

Randstrahl

Claims (10)

1. Verfahren zur Ultraschallprüfung eines Prüfobjektes, bei dem Ultraschallwellen über eine Oberfläche des Prüfobjektes in das Prüfobjekt eingekoppelt werden, die innerhalb des Prüfobjektes zumindest teilweise reflektiert und in Form reflektierter Ultraschallwellen empfangen und in Ultraschallsignale umgewandelt werden, die aufgezeichnet und einer Signalauswertung zugrunde gelegt werden, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: a) Einkoppeln von Ultraschallwellen in das Prüfobjekt und Empfangen der reflektierten Ultraschallwellen mit wenigstens einem Ultraschallwandler an einer ersten Messposition und Umwandeln der reflektieren Ultraschallwellen in Ultraschallsignale, die in Form von M zeitabhängigen Amplitudenwerten zu einem so genannten A-Bild zusammengefasst und aufgezeichnet werden, b) (N – 1)-maliges Wiederholen von Schritt a) jeweils an einer weiteren Messposition, für deren räumlichen Abstand D zur vorhergehenden Messposition gilt: D ≤ λ/N mit λ: Wellenlänge der Ultraschallwellen innerhalb der Prüfobjektes c) Auswerten der N A-Bilder unter Zugrundelegung einer kohärenten statistischen Analyse derart, c1) dass zu jedem der (N × M)-Raumpunkte des Prüfkörpers die zu einem Raumpunkt korrespondierenden, zeitabhängigen Amplitudenwerte A_j ⁱ (mit j = 0, ... M – 1 und i = 0, ... N – 1) der N A-Bilder ermittelt werden, c2) dass die zu jedem Raumpunkt korrespondierenden zeitabhängigen Amplitudenwerte A_j ⁱ analysiert werden und zu jedem zeitabhängigen Amplitudenwert A_j ⁱ jeweils ein Phasenwert zugeordnet wird, c3) dass zu jedem Raumpunkt ein jeweils sämtliche zu diesem Raumpunkt korrespondierende zeitabhängige Amplitudenwerte A_j ⁱ repräsentierender Amplitudenwert A_j ermittelt wird, c4) dass zu jedem Raumpunkt ein Entropiewert E^j für die einem Raumpunkt zugeordneten Phasenwerte ermittelt wird, das einer Wichtung eines Amplitudenwertes A_j, der jeweils sämtliche an einem Raumpunkt ermittelte Amplitudenwerte A_j ⁱ repräsentiert, zugrunde gelegt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden der M Amplitudenwerte A_j eines der N A-Bilder ein gewichteter Amplitudenwert

   

   ermittelt wird, und dass sämtliche gewichteten Amplitudenwerte

   

   in Form eines B-Bildes dargestellt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Prüfobjekt ein Prüfobjekt mit einer unebenen und rauen Prüfobjektoberfläche verwendet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen der kohärenten statistischen Analyse die Amplitudenwerte A_j, die jeweils sämtliche an einem Raumpunkt ermittelten Amplitudenwerte A_j ⁱ repräsentieren, durch arithmetische Mittelung der zu einem Raumpunkt ermittelten Amplitudenwerte A_j ⁱ erhalten werden, in der folgenden Weise:

   
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Phasenwert, der jedem Amplitudenwert A_j ⁱ zugeordnet wird, aus einer Varianzbetrachtung über die zu einem Raumpunkt korrespondierenden Amplitudenwerte A_j ⁱ ergibt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Varianzbetrachtung eine numerische Abweichung eines Amplitudenwertes von wenigstens einem Teil der übrigen zu einem Raumpunkt korrespondierenden Amplitudenwerten ermittelt wird, und dass die numerische Abweichung der Zuordnung eines Phasenwertes zu dem Amplitudenwert zugrunde gelegt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Entropiewert E^j für die einem Raumpunkt zugeordneten Phasenwerte in der nachfolgenden Weise erhalten wird: – Bestimmen eines Vektors X^j, der sämtliche Amplitudenwerte A_j ⁱ aller N A-Bilder enthält, mit X^j = {A_j ⁰, A_j ¹, ... A_j ^N-1} – Bestimmen eines Wahrscheinlichkeitsvektors P^j, der sich wie folgt zusammensetzt: P^j = {p₀, p₁, ..., p_M-1} und mit

   

   – Bestimmen des Entropiewertes E^j für die einem Raumpunkt zugeordneten Phasenwerte mit

   
8. Verfahren nach Anspruch 2 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die gewichteten Amplitudenwerte

   

   jeweils aus dem Verhältnis aus den Amplitudenwerten A_j, die jeweils sämtliche an einem Raumpunkt ermittelten Amplitudenwerten A_j ⁱ repräsentieren, und dem Entropiewert E^j für die jeweils einem Raumpunkt zugeordneten Phasenwerte ermittelt werden, gemäß

   
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die N Messpositionen jeweils einen äquidistanten Abstand zur Oberfläche des Prüfobjektes aufweisen und zwischen den Messpositionen und dem Prüfobjekt ein Koppelmedium eingebracht wird.
10. Vorrichtung zur Ultraschallprüfung eines Prüfobjektes mit wenigstens einem Ultraschallwandler, der beabstandet zu einer Oberfläche des Prüfobjektes relativ zu dieser beweglich angeordnet ist, sowie einem zur Schalleinkopplung in den Prüfkörper zwischen dem wenigstens einen Ultraschallwandler und dem Prüfkörper vorgesehenen Koppelmedium, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei relativ zur Oberfläche des Prüfkörpers beweglich angeordnete Ultraschallwandler, ein erster und ein zweiter US-Wandler, vorgesehen sind, die einen gegenseitigen Abstand aufweisen, so dass gilt: – die doppelte Ultraschalllaufzeit für eine Strecke zwischen einem US-Wandler durch das Koppelmedium und der Oberfläche des Prüfkörpers ist größer als die doppelte Ultraschalllaufzeit für eine Strecke zwischen dem US-Wandler durch das Koppelmedium in den Prüfkörper und einem innerhalb des Prüfkörpers vorhandenen Reflektors und – die Ultraschalllaufzeit für eine Strecke zwischen dem ersten und zweiten US-Wandler ist größer als die Ultraschalllaufzeit für eine Strecke zwischen einem US-Wandler durch das Koppelmedium in den Prüfkörper und einem innerhalb des Prüfkörpers vorhandenen Reflektors.

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