DE102016225979A1

DE102016225979A1 - Verfahren zur Berechnung eines Ultraschall-Amplitudenwertes und Ultraschallprüfung

Info

Publication number: DE102016225979A1
Application number: DE102016225979.2A
Authority: DE
Inventors: Matthias Goldammer; Hubert Mooshofer; Karsten Schörner; Johannes Vrana
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2016-12-22
Filing date: 2016-12-22
Publication date: 2018-06-28

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Berechnung eines rekonstruierten Ultraschall-Amplitudenwertes wenigstens eines Volumenelementes (2) eines Objektes (1) vorgeschlagen, das wenigstens die folgenden Schritte umfasst:- Bereitstellen wenigstens eines zeitabhängigen Ultraschall-Amplitudensignals für das Objekt (1), welches Ultraschall-Amplitudensignal mittels einem Einschallen eines von einer Einschallposition (4) ausgehenden Ultraschalles ermittelt wurde;- Berechnen wenigstens eines in Bezug auf das zu rekonstruierende Volumenelement (2) indirekten Pfades (421) des eingeschallten Ultraschalles, wobei der indirekte Pfad (421) wenigstens eine Reflexion (42) an einer Kontur (12) des Objektes (1) aufweist; und- Berechnen des Ultraschall-Amplitudenwertes mittels des Wertes des Ultraschall-Amplitudensignals zu einem Zeitpunkt, der der Laufzeit des Ultraschalles entlang des indirekten Pfades (421) entspricht.Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung eines Objektes (1) mittels Ultraschall.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Berechnung eines rekonstruierten Ultraschall-Amplitudenwertes wenigstens eines Volumenelementes eines Objektes. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung eines Objektes mittels Ultraschall.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt bei einer zerstörungsfreien Prüfung eines Objektes mittels Ultraschall (Ultraschallprüfung) ein SAFT-Verfahren beziehungsweise eine SAFT-Auswertung (Synthetische-Apertur-Fokus-Technik; abgekürzt SAFT) durchzuführen.
Bei einer SAFT-Auswertung (englisch: Synthetic-Aperture-Focussing-Technic; abgekürzt SAFT) werden typischerweise ermittelte Ultraschall-Amplitudensignale (Messsignale, A-Bilder) von einer Mehrzahl von Einschallpositionen eines Ultraschallprüfkopfes für jedes Volumenelement (Voxel) miteinander verrechnet. Alternativ kann eine Vielzahl von Ultraschallprüfköpfen an verschiedenen Einschallpositionen zur SAFT-Auswertung herangezogen werden. Als ein Ergebnis der SAFT-Auswertung liegt ein rekonstruierter Ultraschall-Amplitudenwert für jedes Volumenelement vor.
Durch die SAFT-Auswertung wird die Nachweisgrenze, beispielsweise von Defekten eines Bauteils, sowie eine Positionsbestimmung und Größenbestimmung von erkannten Defekten verbessert.
Eine zu der SAFT-Auswertung verwandte Technik ist das Full-Matrix-Capture-Verfahren, welches typischerweise mit der Total-Focusing-Method kombiniert wird (abgekürzt: FMC/TFM-Verfahren oder FMC/TFM-Auswertung).
In vielen Fällen ist die Zugänglichkeit zum zu prüfenden Objekt beziehungsweise zu dessen Oberfläche eingeschränkt, sodass bestimmte Bereiche des Objektes nicht mit Ultraschall geprüft werden können. Dadurch können Defekte, welche innerhalb dieser schwerzugänglichen oder verdeckten Bereiche vorhanden sind, nicht in der SAFT-Auswertung erkannt werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde die Auswertung einer Ultraschallprüfung eines Objektes, insbesondere eine SAFT-Auswertung oder eine FMC/TFM-Auswertung, zu verbessern.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 10 gelöst. In den abhängigen Patentansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung angegeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Berechnung eines rekonstruierten Ultraschall-Amplitudenwertes wenigstens eines Volumenelementes eines Objektes, insbesondere eines Bauteils, umfasst wenigstens die folgenden Schritte:

- Bereitstellen wenigstens eines zeitabhängigen Ultraschall-Amplitudensignals für das Objekt, welches Ultraschall-Amplitudensignal mittels einem Einschallen eines von einer Einschallposition ausgehenden Ultraschalles ermittelt wurde;
- Berechnen wenigstens eines in Bezug auf das zu rekonstruierende Volumenelement indirekten Pfades des eingeschallten Ultraschalles, wobei der indirekte Pfad wenigstens eine Reflexion an einer Kontur des Objektes aufweist; und
- Berechnen des Ultraschall-Amplitudenwertes mittels des Wertes des Ultraschall-Amplitudensignals zu einem Zeitpunkt, der der Laufzeit des Ultraschalles entlang des indirekten Pfades entspricht.

Im Weiteren wird die Erfindung exemplarisch für eine SAFT-Auswertung beschrieben. Die Erfindung ist jedoch nicht auf eine SAFT-Auswertung eingeschränkt und die erfindungsgemäße Berechnung des rekonstruierten Ultraschall-Amplitudenwertes kann in weitere Ultraschall-Rekonstruktions-Verfahren/Auswertungen einbezogen werden. Alle folgenden Ausführungen, die einen Bezug zur SAFT-Auswertung herstellen, gelten daher sinngemäß auch für diese weiteren Ultraschall-Rekonstruktions-Verfahren, insbesondere für ein Full-Matrix-Capture-Verfahren oder für eine FMC/TFM-Auswertung, und können ohne Weiteres auf diese übertragen werden.
Als weiteres Ultraschall-Rekonstruktions-Verfahren ist insbesondere die zur SAFT-Auswertung verwandte Technik, das Full-Matrix-Capture-Verfahren, zu nennen, welches typischerweise mit der mit Total-Focussing-Method kombiniert wird (FMC/TFM-Verfahren). Hier wird eine Mehrzahl von Prüfköpfen oder einzelne Elemente eines Arrayprüfkopfs einzeln zum Senden eines Schallimpulses verwendet (Sender), und mit der Mehrzahl der Prüfkopfe beziehungsweise Elemente der empfangene Ultraschall aufgezeichnet (Empfänger). Die Rekonstruktion erfolgt analog zur SAFT-Auswertung, wobei jedoch mehrere oder alle möglichen Kombination aus Sender und Empfänger für die Rekonstruktion verwendet werden. Da die verwendete Berechnungsmethode analog zur SAFT-Berechnung beziehungsweise SAFT-Auswertung durchgeführt wird, gelten alle folgenden Ausführungen zur SAFT-Auswertung sinngemäß auch für das FMC/TFM-Verfahren. Mit anderen Worten werden erfindungsgemäß die indirketen Pfade auch bei einem FMC/TFM-Verfahren berücksichtigt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird vorteilhafterweise eine SAFT-Auswertung des zeitabhängigen Ultraschall-Amplitudensignals durchgeführt, welche SAFT-Auswertung wenigstens den einen indirekten Pfad des Objektes, das heißt einen Pfad des Ultraschalles zum Volumenelement, welcher wenigstens eine Reflexion an einer Kontur des Objektes aufweist, berücksichtigt.
Bei der bekannten SAFT-Auswertung werden im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung nur direkte Pfade, das heißt Pfade zum Volumenelement, die keine Reflexion aufweisen, berücksichtigt. Die vorliegende Erfindung stellt daher eine verbesserte SAFT-Auswertung bereit. Insbesondere wird durch die vorliegende Erfindung die Prüfempfindlichkeit, Anzeigenbewertung und Auflösung von Gruppenanzeigen wenigstens eines Bereiches des Objektes, welcher Bereich das Volumenelement umfasst, verbessert.
Der indirekte Pfad weist wenigstens die eine Reflexion an der Kontur des Objektes auf. Die Kontur des Objektes wird insbesondere durch die Oberfläche des Objektes ausgebildet.
Bei der Reflexion erfüllt der indirekte Pfad typischerweise das Reflexionsgesetz für Ultraschall.
Mittels der Schallgeschwindigkeit des Ultraschalles innerhalb des Objektes kann die Laufzeit des Ultraschalles entlang des indirekten Pfades ermittelt oder berechnet werden.
Erfindungsgemäß wird der Ultraschall-Amplitudenwert, das heißt der rekonstruierte Wert des Ultraschall-Amplitudensignals des wenigstens einen Volumenelementes, durch den Wert des Ultraschall-Amplitudensignals zum Zeitpunkt der Laufzeit des Ultraschalls entlang des indirekten Pfades festgelegt. Mit anderen Worten gilt wenigstens A_SAFT(x_k) = A_m(t = T_mnk), wobei A_SAFT(x_k) den rekonstruierten Ultraschall-Amplitudenwert für das Volumenelement mit der räumlichen Position x_k, A_m(t) das zur Einschallposition x_m zugehörige zeitabhängige Ultraschall-Amplitudensignal und T_mnk die Laufzeit des Ultraschalles entlang des indirekten Pfades von der Einschallposition x_m über die Reflexion an der Stelle x_n zum Volumenelement x_k bezeichnet. Kann die Schallgeschwindigkeit c entlang des indirekten Pfades als konstant angesehen werden, so gilt T_mnk = L_mnk/c, wobei L_mnk die euklidische Länge des indirekten Pfades bezeichnet.
Durch die erfindungsgemäße Berücksichtigung des indirekten Pfades können auch schwer zugängliche Bereiche des Objektes einer Auswertung, insbesondere einer gemäß der vorliegenden Erfindung verbesserten SAFT-Auswertung, unterzogen werden.
Weiterhin wird verhindert, dass bei der Rekonstruktion des Volumenelements, das heißt beim Berechnen des Ultraschall-Amplitudenwertes, im Bereich der Oberfläche des Objektes durch eine zu groß eingestellte Schallgeschwindigkeit nach der Rekonstruktion relevante Informationen insbesondere über Defekte an der Oberfläche verloren gehen.
Zudem werden der Prüfaufwand und die Kosten der Ultraschallprüfung des Objektes reduziert. Das ist deshalb der Fall, da beispielsweise bei einer Ultraschallprüfung eines Objektes mit einer parallelen Vorder- und Rückseite sowohl das Ultraschall-Amplitudensignal von der Vorderseite als auch von der Rückseite über eine Reflexion (indirekter Pfad) verwendet werden können. Dies ermöglicht eine Auswertung des Bereiches unterhalb der Prüffläche (Oberfläche an welcher der Prüfkopf angeordnet ist), der bei einer konventionellen Ultraschallprüfung durch die Prüfkopfeinflusszone typischerweise verdeckt ist. Dadurch kann auf eine möglicherweise zweite Prüfung von der der Prüffläche gegenüberliegenden Seite (Rückseite), beziehungsweise von derselben Seite mittels eines SE-Prüfkopfes, verzichtet werden. Insbesondere ist dies für eine axiale Prüfung von Turbinenscheiben von Vorteil.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird

- ein in Bezug auf das zu rekonstruierende Volumenelement direkter Pfad des eingeschallten Ultraschalles berechnet; und es wird
- der Ultraschall-Amplitudenwert mittels einer Summation der Werte des Ultraschall-Amplitudensignals zu Zeitpunkten berechnet, die der jeweiligen Laufzeit des Ultraschalles entlang des direkten und indirekten Pfades entsprechen.

Mit anderen Worten basiert der rekonstruierte Ultraschall-Amplitudenwert auf einer Summe von wenigstens zwei Werten des Ultraschall-Amplitudensignals, wobei der erste Wert dem Ultraschall-Amplitudensignal zum Zeitpunkt der Laufzeit des direkten Pfades und der zweite Wert dem Wert des Ultraschall-Amplitudensignals zum Zeitpunkt der Laufzeit des indirekten Pfades entspricht. Mit anderen Worten gilt wenigstens A_SAFT(x_k) = A_m(t = T_mnk) +A_m(t = T_mk), wobei T_mk die Laufzeit des Ultraschalles entlang des direkten Pfades von der Einschallposition x_m zur räumlichen Position des Volumenelementes x_k bezeichnet.
Dadurch erfolgt die Rekonstruktion, das heißt die Ermittlung oder Berechnung des rekonstruierten Ultraschall-Amplitudenwertes des wenigstens einen Volumenelementes, vorteilhafterweise mittels wenigstens einem direkten Pfad und wenigstens einem indirekten Pfad. Vorteilhafterweise wird dadurch die Nachweisgrenze von Defekten, sowie ihrer Bewertung und Trennung verbessert. Bei der bekannten SAFT-Auswertung wird ausschließlich der direkte Pfad berücksichtigt.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird

- für das Ultraschall-Amplitudensignal eine Mehrzahl von indirekten Pfaden berechnet; und es wird
- der Ultraschall-Amplitudenwert mittels einer Summation der Werte des Ultraschall-Amplitudensignals zu Zeitpunkten berechnet, die der jeweiligen Laufzeit des Ultraschalles entlang des jeweiligen indirekten Pfades entsprechen.

Vorteilhafterweise erfolgt dadurch eine Rekonstruktion oder verbesserte SAFT-Rekonstruktion oder verbesserte SAFT-Auswertung bei der eine Mehrzahl von indirekten Pfaden durch die oben genannte Summation berücksichtigt wird. Mit anderen Worten gilt $A_{S A F T} (x_{k}) = \sum_{n}^{N} A_{m} (t = T_{m n k}),$
falls N ≥ 2 indirekte Pfade berücksichtigt werden.
Durch die phasentreue Summation kommt es vorteilhafterweise auch für die indirekten Pfade zu einer konstruktiven oder destruktiven Interferenz, die die bekannte SAFT-Rekonstruktion insbesondere bezüglich des Signal-Rausch-Verhältnisses verbessert.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden

- eine Mehrzahl von zeitabhängigen Ultraschall-Amplitudensignalen für das Objekt bereitgestellt, welche Ultraschall-Amplitudensignale mittels einem Einschallen eines von einer den Ultraschall-Amplitudensignalen zugehörigen Einschallposition ausgehenden Ultraschalles ermittelt wurden; und es wird
- wenigstens ein in Bezug auf das zu rekonstruierende Volumenelement indirekter Pfad des Ultraschalles für jedes Ultraschall-Amplitudensignal berechnet wird, wobei jeder indirekte Pfad wenigstens eine Reflexion an einer Kontur des Objektes aufweist; und bei dem
- der Ultraschall-Amplitudenwert mittels einer Summation der Werte der Ultraschall-Amplitudensignale zu Zeitpunkten berechnet wird, die der jeweiligen Laufzeit des Ultraschalles entlang des jeweiligen indirekten Pfades entsprechen.

Es werden somit eine Mehrzahl von zeitabhängigen Ultraschall-Amplitudensignalen sowie eine Mehrzahl von direkten und/oder indirekten Pfaden zur Berechnung des rekonstruierten Ultraschall-Amplitudenwertes des Volumenelementes berücksichtigt. Mit anderen Worten gilt: $A_{S A F T} (x_{k}) = \sum_{m}^{M} \sum_{n}^{N} [A_{m} (t = T_{m n k}) + A_{m} (t = T_{m k})],$
falls N ≥ 2 indirekte Pfade berücksichtigt werden und M ≥ 2 zeitabhängige Ultraschall-Amplitudensignale - zu M verschiedenen Einschallpositionen x_m zugehörig - bereitgestellt werden.
In dem hier genannten Formelausdruck für den rekonstruierten Ultraschall-Amplitudenwert A_SAFT(x_k) wurde zur Verdeutlichung angenommen, dass die Einschallposition mit einer Empfangsposition des Ultraschalles übereinstimmt. Mit anderen Worten ist der bei der Ultraschallprüfung des Objektes verwendete Prüfkopf als ein Sender und ein Empfänger von Ultraschall, insbesondere als ein Phased-Array, ausgebildet.
Ist die Einschallposition von der Empfangsposition verschieden, so kann der oben genannte Formelausdruck ohne Weiteres verallgemeinert werden. Entscheidend ist nur, dass wenigstens ein indirekter Pfad zur im SAFT-Verfahren gebildeten Summe beiträgt. Selbiges gilt auch für die weiter obenstehenden Formelausdrücke. Mittels dieser genannten Verallgemeinerung kann die Erfindung ebenfalls für die Rekonstruktion mittels FMC/TFM-Verfahren verwendet werden. Hierbei gilt dann beispielsweise $A_{S A F T} (x_{k}) = \sum_{l}^{M} \sum_{m}^{M} \sum_{n}^{N} [A_{m l} (t = T_{m n k l}) + A_{m l} (t = T_{m k l})],$
falls N ≥ 2 indirekte Pfade berücksichtigt werden und M ≥ 2 zeitabhängige Ultraschall-Amplitudensignale - zu M verschiedenen Einschallpositionen x_m und M verschiedenen Empfangspositionen x_l zugehörig - bereitgestellt werden. Hierbei ist A_ml das zur Einschallposition x_m und Empfangsposition x_l zugehörige Ultraschall-Amplitudensignal. Die Laufzeit der direkten Pfade von der Einschallposition x_m zur Empfangsposition x_l über das Volumenelement mit der räumlichen Position x_k ist mit T_mkl bezeichnet. Die Laufzeit der indirekten Pfade von der Einschallposition x_m über die Reflexion an der Stelle x_n zum Volumenelement mit der räumlichen Position x_k und zur Empfangsposition x_l ist mit T_mnkl bezeichnet. Die Anzahl der Einschallpositionen kann auch von der Anzahl der Empfangspositionen verschieden sein. Die weiter obenstehenden Formelausdrücke können entsprechend verallgemeinert werden.
Bei der Berechnung des rekonstruierten Ultraschall-Amplitudenwertes werden daher nicht nur die direkten Pfade, die der bekannten SAFT-Auswertung entsprechen, berücksichtigt sondern auch die Mehrzahl der indirekten Pfade. Das bedeutet, dass auch die Bereiche der Ultraschall-Amplitudensignale (A-Bilder) eingehen, welche zeitlich hinter einer Reflexion des genannten Ultraschall-Amplitudensignals angeordnet sind. Dadurch wird vorteilhafterweise die Prüfempfindlichkeit, die Anzeigebewertung und Auflösung von Gruppenanzeigen in Bereichen des Objektes, die beispielsweise nur über die wenigstens eine Reflexion, das heißt mittels der dadurch verursachten Umlenkung des Ultraschalles, erreicht und geprüft werden können, verbessert.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird wenigstens einer der direkten und/oder indirekten Pfade mittels einer Strahlverfolgung berechnet.
Vorteilhafterweise ermöglicht die Strahlenverfolgung (englisch: Ray-Tracing) eine schnelle und computerimplementierte Berechnung der direkten und/oder indirekten Pfade des Ultraschalles, bei welcher das Reflexionsgesetz an der Kontur des Objektes berücksichtigt wird.
Es ist besonders bevorzugt die direkten und/oder indirekten Pfade mittels einer Minimierung oder einer Maximierung ihrer Pfadlänge zu berechnen.
Mit anderen Worten wird der Berechnung der direkten und/oder indirekten Pfade das Fermatsche Prinzip (Variationsprinzip) zugrunde gelegt. Hierbei wird die akustische Laufzeit des Ultraschalles innerhalb des Bauteils unter Berücksichtigung der Reflexion an der Kontur des Bauteils typischerweise minimiert und in Ausnahmefällen auch maximiert. Dadurch wird vorteilhafterweise eine besonders effiziente Berechnung der indirekten und/oder direkten Pfade ermöglicht.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Polarisation des Ultraschalles, insbesondere bei der Reflexion, bei dem Berechnen der indirekten Pfade berücksichtigt.
Das ist deshalb von Vorteil, da Ultraschall in Abhängigkeit seiner Polarisation unterschiedliche Schallgeschwindigkeiten innerhalb des Objektes aufweist. Insbesondere sind reine Transversalwellen und Longitudinalwellen, das heißt Ultraschallwellen mit einer transversalen beziehungsweise longitudinalen Polarisation zu unterscheiden.
Typischerweise sind Transversalwellen langsamer als Longitudinalwellen, das heißt, dass die Schallgeschwindigkeit für Transversalwellen geringer als die Schallgeschwindigkeit für Longitudinalwellen ist.
Bei der Reflexion des Ultraschalles an der Kontur des Objektes kann eine Modenumwandlung, das heißt eine Veränderung der vor der Reflexion gegebenen Mode und/oder Polarisation des Ultraschalles erfolgen. Mit anderen Worten können die Moden und/oder Polarisationen des Ultraschalles bei seiner Reflexion mischen. Dadurch kann die Schallgeschwindigkeit des Ultraschalles vor und nach seiner Reflexion verschieden sein. Dieser Unterschied wird vorteilhafterweise bei der Ermittlung der zu den indirekten Pfaden zugehörigen Laufzeiten berücksichtigt.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung erfolgt das Berechnen der indirekten Pfade unter einem Berücksichtigen von Symmetrien des Objektes.
Weist das Objekt beispielsweise eine Spiegelsymmetrie mit einer Spiegelachse auf, so ist es ausreichend für einen Teilbereich des Objektes die indirekten Pfade zu berechnen, da sich die indirekten Pfade des weiteren Teilbereiches des Objektes aus der Spiegelsymmetrie, das heißt aus der Spiegelung der indirekten Pfade an der Spiegelachse ergeben. Vorteilhafterweise kann dadurch die Zeitdauer der Berechnung der indirekten Pfade reduziert werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird wenigstens ein indirekter Pfad berechnet, der eine Mehrzahl von Reflexionen an der Kontur des Objektes aufweist.
Vorteilhafterweise wird dadurch die erfindungsgemäße verbesserte SAFT-Auswertung weiter verbessert.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung des Objektes mittels Ultraschall umfasst wenigstens die folgenden Schritte:

- Ermitteln wenigstens eines zeitabhängigen Ultraschall-Amplitudensignals für das Objekt mittels einem Einschallen eines von einer Einschallposition ausgehenden Ultraschalles;
- Einteilen wenigstens eines Teilbereiches des Objektes in eine Mehrzahl von Volumenelementen;
- Berechnen eines rekonstruierten Ultraschall-Amplitudenwertes für wenigstens eines der Volumenelemente gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10.

Es ergeben sich zum bereits genannten Verfahren zur Berechnung eines rekonstruierten Ultraschall-Amplitudenwertes wenigsten eines Volumenelementes gleichartige und gleichwertige Vorteile des Verfahrens zur zerstörungsfreien Prüfung des Objektes.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen schematisiert:

1 eine erste Schnittdarstellung eines kreisförmigen Objektes, welche Schnittdarstellung eine Mehrzahl von indirekten Pfaden gemäß der vorliegenden Erfindung verdeutlicht;
2 eine zweite Schnittdarstellung eines rechteckförmigen Objektes; und
3 ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Berechnung eines rekonstruierten Ultraschall-Amplitudenwertes.

1 zeigt das Objekt 1, welches einer zerstörungsfreien Prüfung mittels Ultraschall unterzogen wird oder wurde. Hierzu ist ein Prüfkopf 6 vorgesehen, der an einer Oberfläche des Objektes 1 angeordnet ist. Die Oberfläche des Objektes 1 bildet hierbei eine Kontur 12 aus. Der Prüfkopf 6 ist zum Einschallen von Ultraschall in das Objekt 1 sowie zur Erfassung von vom Objekt reflektierten von Ultraschall (Echos) ausgebildet. Ein Echo kann sich beispielsweise durch ein Vorliegen eines Defektes ausbilden.
Ein vom Prüfkopf 6 erfasstes Ultraschallmesssignal entspricht einem zeitabhängigen Ultraschall-Amplitudensignal. Hierbei wird für eine Einschallposition 4 wenigstens ein zeitabhängiges Ultraschall-Amplitudensignal (A-Bild) ermittelt. Die Einschallposition 4 kann auch als Prüfposition bezeichnet werden.
Aufgrund der Kontur 12 des Objektes 1 kann der eingeschallte Ultraschall über eine Mehrzahl von Pfaden 420, 421, 422 zu einem zu rekonstruierenden Volumenelement 2 des Objektes 1 gelangen. Hierbei ist der Pfad 420 ein direkter Pfad zum Volumenelement 2, da dieser keine Reflexion an der Kontur 12 des Objektes 1 aufweist. Die Pfade 421, 422 sind im Sinne der vorliegenden Erfindung indirekte Pfade, da diese wenigstens eine Reflexion 42 an der Kontur 12 des Bauteils 1 aufweisen.
Jeder der Pfade 420, 421, 422 schneidet das Volumenelement 2 beziehungsweise weist einen Überlapp mit dem zu rekonstruierenden Volumenelement 2 auf. Exemplarisch ist in 1 nur ein Volumenelement 2 dargestellt. Typischerweise wird das Objekt 1 in eine Mehrzahl von zu rekonstruierenden Volumenelementen eingeteilt.
Das in 1 dargestellte Objekt 1 ist kreisförmig. Somit weist dieses bezüglich einer Spiegelachse, die sich durch die Einschallposition 4 und die räumliche Position des Volumenelementes 2 erstreckt, eine Spiegelsymmetrie auf. Dadurch ergibt sich der zweite indirekte Pfad 422 aus einer Spiegelung des ersten indirekten Pfades 421 an der genannten Spiegelachse. Der direkte Pfad 420 erstreckt sich entlang der Spiegelachse.
Eine gemäß der vorliegenden Erfindung verbesserte SAFT-Amplitude A_SAFT, die dem rekonstruierten Ultraschall-Amplitudenwert des Volumenelementes 2 entspricht, wird dann durch Summation der Werte des Ultraschall-Amplitudensignals A(t) ermittelt, die den Werten des Ultraschall-Amplitudensignals zu den Laufzeiten des Ultraschalles entlang der Pfade 420, 421, 422 entsprechen. Mit anderen Worten gilt für das Volumenelement 2 A_SAFT = A(t = T⁽⁴²⁰⁾) +A(t = T⁽⁴²¹⁾) + A(t = T⁽⁴²²⁾), wobei T⁽⁴²⁰⁾ die Laufzeit des Ultraschall entlang des dirketen Pfades 420, T⁽⁴²¹⁾ die Laufzeit des Ultraschalles entlang des indirketen Pfades 421 und T⁽⁴²²⁾ die Laufzeit des Ultraschalles entlang des indirketen Pfades 422 bezeichnet. Es sei bemerkt, dass zur Verdeutlichung auf die zur Einschallposition 4 und der räumlichen Position des Volumenelementes 2 zugehörigen Indizes verzichtet wurde.
Mit anderen Worten tragen nicht nur die direkten Pfade, das heißt hier der direkte Pfad 420 zum rekonstruierten Ultraschall-Amplitudenwert bei, sondern auch die indirekten Pfade 421, 422. Ist beispielsweise der direkte Pfad 420 zu dem Volumenelement 2 nicht möglich, so kann dennoch das Volumenelement 2 durch die indirekten Pfade 421, 422 über die Reflexion an der Kontur 12 des Objektes 1 erreicht werden. Dadurch wird es vorteilhafterweise möglich den rekonstruierten Ultraschall-Amplitudenwert für das Volumen 2 anzugeben, auch wenn dies mittels des dirketen Pfades nicht möglich ist. Dadurch wird die bekannte SAFT-Auswertung verbessert.
In 2 ist eine weitere Schnittdarstellung eines rechteckförmigen Objektes 1 dargestellt. Wiederum an der Oberfläche des Objektes 1 ist ein Prüfkopf 6 zur zerstörungsfreien Prüfung des Objektes 1 mittels Ultraschall angeordnet. Die Oberfläche des Objektes 1 bildet in der gezeigten Schnittdarstellung eine Kontur 12 aus.
Wird Ultraschall 61 mittels des Prüfkopfes 6 von der Einschallposition 4 in das Objekt eingeschallt, so erfolgt eine Reflexion 42 des Ultraschalles 61 an einer Rückseite des Objektes (bezüglich der Seite des Objektes von welcher eingeschallt wird, das heißt bezüglich der Prüffläche). Der divergierend eingeschallte Ultraschall 61 wird somit an der Rückseite des Objektes 1 reflektiert und weist aufgrund seiner Divergenz nach seiner Reflexion 42 eine vergrößerte Breite auf. Der reflektierte Ultraschall ist mit dem Bezugszeichen 62 gekennzeichnet.
Aufgrund der vergrößerten Breite des reflektierten Ultraschallbündels 62 kann ein größerer Bereich des Objektes 1 (Unterschied zwischen doppelter und einfacher Schraffur) vom Ultraschall erfasst werden. Dies entspricht der erfindungsgemäßen Verwendung von indirekten Pfaden, welche eine Reflexion an der Kontur 12 des Objektes 1, hier an der Rückseite des Objektes 1 aufweisen. Dadurch können vorteilhafterweise Defekte abseits des eingeschallten Ultraschalls 61 (direkte Pfade) erfasst, detektiert und bewertet werden.
In 3 ist das Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Berechnung eines rekonstruierten Ultraschall-Amplitudenwertes wenigstens eines Volumenelementes eines Objektes dargestellt.
In einem ersten Schritt S1 wird wenigstens ein zeitabhängiges Ultraschall-Amplitudensignal für das Objekt, welches Ultraschall-Amplitudensignal mittels einem Einschallen eines von einer Einschallposition ausgehenden Ultraschalls ermittelt wurde, bereitgestellt. Mit anderen Worten ist das zeitabhängige Ultraschall-Amplitudensignal ein Messergebnis einer zerstörungsfreien Ultraschallprüfung, das heißt beispielsweise das A-Bild.
In einem zweiten Schritt S2 wird wenigstens ein in Bezug auf das zu rekonstruierende Volumenelement indirekter Pfad des eingeschallten Ultraschalles berechnet. Hierbei ist der indirekte Pfad dadurch definiert, dass dieser wenigstens eine Reflexion an einer Kontur des Objektes aufweist. Die Kontur des Objektes kann ein Teil der Oberfläche des Objektes sein.
In einem dritten Schritt S3 des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der rekonstruierte Ultraschall-Amplitudenwert mittels des Wertes des Ultraschall-Amplitudensignals zu einem Zeitpunkt berechnet, der der Laufzeit des Ultraschalles entlang des indirekten Pfades entspricht.
Vorteilhafterweise wird durch die vorliegende Erfindung eine verbesserte SAFT-Auswertung des Volumenelementes, das heißt ein verbesserter rekonstruierter Ultraschall-Amplitudenwert des Volumenelementes bereitgestellt, der mittels wenigstens eines indirekten Pfades berechnet wurde. Hierbei wird die bekannte SAFT-Auswertung, die ausschließlich direkte Pfade berücksichtigt, durch die Berücksichtigung des indirekten Pfades verbessert. Insbesondere können Bereiche des Objektes, die direkt durch den Ultraschall nicht erfasst werden können, mittels der indirekten Pfade ausgewertet werden.
Hierbei kann auch eine grobmaschige Vorausberechnung und Verfeinerung durch eine Interpolation zwischen den Stützstellen erfolgen. Weiterhin können für das Volumenelement zwei separate Summationen beziehungsweise Rekonstruktionen durchgeführt werden, das heißt eine für die direkten Pfade und eine für die indirekten Pfade. Anschließend erfolgt eine Summation der genannten separaten Summationen, die dann dem rekonstruierten Ultraschall-Amplitudenwert entspricht.
Weiterhin können mathematische Formelausdrücke zur Bestimmung der indirekten Pfade für vergleichsweise einfache Objekte, wie beispielsweise eine Platte oder einen Zylinder mit oder ohne Innenbohrung, verwendet werden.
Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt oder andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Verfahren zur Berechnung eines rekonstruierten Ultraschall-Amplitudenwertes wenigstens eines Volumenelementes (2) eines Objektes (1), umfassend die Schritte: - Bereitstellen wenigstens eines zeitabhängigen Ultraschall-Amplitudensignals für das Objekt (1), welches Ultraschall-Amplitudensignal mittels einem Einschallen eines von einer Einschallposition (4) ausgehenden Ultraschalles ermittelt wurde; - Berechnen wenigstens eines in Bezug auf das zu rekonstruierende Volumenelement (2) indirekten Pfades (421) des eingeschallten Ultraschalles, wobei der indirekte Pfad (421) wenigstens eine Reflexion (42) an einer Kontur (12) des Objektes (1) aufweist; und - Berechnen des Ultraschall-Amplitudenwertes mittels des Wertes des Ultraschall-Amplitudensignals zu einem Zeitpunkt, der der Laufzeit des Ultraschalles entlang des indirekten Pfades (421) entspricht.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem - ein in Bezug auf das zu rekonstruierende Volumenelement (2) direkter Pfad (420) des eingeschallten Ultraschalles berechnet wird; und bei dem - der Ultraschall-Amplitudenwert mittels einer Summation der Werte des Ultraschall-Amplitudensignals zu Zeitpunkten berechnet wird, die der jeweiligen Laufzeit des Ultraschalles entlang des direkten und indirekten Pfades (420, 421) entsprechen.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem - für das Ultraschall-Amplitudensignal eine Mehrzahl von indirekten Pfaden (421, 422) berechnet wird; und bei dem - der Ultraschall-Amplitudenwert mittels einer Summation der Werte des Ultraschall-Amplitudensignals zu Zeitpunkten berechnet wird, die der jeweiligen Laufzeit des Ultraschalles entlang des jeweiligen indirekten Pfades (421, 422) entsprechen.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem - eine Mehrzahl von zeitabhängigen Ultraschall-Amplitudensignalen für das Objekt (1) bereitgestellt werden, welche Ultraschall-Amplitudensignale mittels einem Einschallen eines von einer den Ultraschall-Amplitudensignalen zugehörigen Einschallposition (4) ausgehenden Ultraschalles ermittelt wurden; bei dem - wenigstens ein in Bezug auf das zu rekonstruierende Volumenelement (2) indirekter Pfad (421) des Ultraschalles für jedes Ultraschall-Amplitudensignal berechnet wird, wobei jeder indirekte Pfad (421) wenigstens eine Reflexion (42) an einer Kontur (12) des Objektes (1) aufweist; und bei dem - der Ultraschall-Amplitudenwert mittels einer Summation der Werte der Ultraschall-Amplitudensignale zu Zeitpunkten berechnet wird, die der jeweiligen Laufzeit des Ultraschalles entlang des jeweiligen indirekten Pfades (421) entsprechen.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem wenigstens einer der direkten und/oder indirekten Pfade (420, 421, 422) mittels einer Strahlverfolgung berechnet wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem wenigstens einer der direkten und/oder indirekten Pfade (420, 421, 422) mittels einer Minimierung oder einer Maximierung ihrer Pfadlänge berechnet wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Polarisation des Ultraschalles, insbesondere bei der Reflexion (42), bei dem Berechnen der indirekten Pfade (421, 422) berücksichtigt wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Berechnen der indirekten Pfade (421, 422) unter einem Berücksichtigen von Symmetrien des Objektes (1) erfolgt.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem wenigstens ein indirekter Pfad berechnet wird, der eine Mehrzahl von Reflexion an der Kontur (12) des Objektes (1) aufweist.
Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung eines Objektes (1) mittels Ultraschall, umfassend die Schritte: - Ermitteln wenigstens eines zeitabhängigen Ultraschall-Amplitudensignals für das Objekt (1) mittels einem Einschallen eines von einer Einschallposition (4) ausgehenden Ultraschalles; - Einteilen wenigstens eines Teilbereiches des Objektes (1) in eine Mehrzahl von Volumenelementen (2); - Berechnen eines rekonstruierten Ultraschall-Amplitudenwertes für wenigstens eines der Volumenelemente (2) gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10.