DE102018208824B4 - Verfahren zur zerstörungsfreien Untersuchung eines Prüfkörpers mittels Ultraschall - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur zerstörungsfreien Untersuchung eines Prüfkörpers mittels Ultraschall, bei dem mit einer Vielzahl von Ultraschallwandlern Ultraschallwellen in den Prüfkörper eingekoppelt und innerhalb des Prüfkörpers reflektierte Ultraschallwellen von einer Vielzahl von Ultraschallwandlern empfangen und in Ultraschallsignale umgewandelt werden, die abgespeichert und nachfolgend im Rahmen einer Ultraschallsignal-Datenverarbeitung durch eine laufzeitbasierte, phasenkorrekte Überlagerung in eine Vielzahl diskrete Signalinformationen unterteilt werden, von denen jede diskrete Signalinformation jeweils einem Volumenelement, im weiteren kurz Voxel, innerhalb des Prüfkörpers zugeordnet ist, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:- Ermitteln eines mittleren Rauschpegels, dem die Vielzahl sämtlicher diskreter Signalinformationen unterliegen,- Ermitteln von Voxeln, deren jeweils zugeordnete diskrete Signalinformation einen Signalpegel mit einem Rauschabstand R zum mittleren Rauschpegel besitzt, mit 6 dB ≤ R- Bestimmen von Voxeln, deren räumlicher Abstand A jeweils paarweise zueinander kleiner oder gleich einer Wellenlänge der in den Prüfkörper eingekoppelten Ultraschallwellen ist,- Zusammenfassen der bestimmten Voxel jeweils zu einer Voxelgruppe,- Auswerten der diskreten Signalinformationen, deren zugeordnete Voxel zu einer Voxelgruppe zusammengefasst sind, unter Zugrundelegung wenigstens einer der nachfolgenden Signalinformationsinhalte: Polarisation, Frequenz, Wellenart, Wellenmode.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur zerstörungsfreien Untersuchung eines Prüfkörpers mittels Ultraschall, bei dem mit einer Vielzahl von Ultraschallwandlern Ultraschallwellen in den Prüfkörper eingekoppelt und innerhalb des Prüfkörpers reflektierte Ultraschallwellen von einer Vielzahl von Ultraschallwandlern empfangen und in Ultraschallsignale umgewandelt werden, die abgespeichert und nachfolgend im Rahmen einer Ultraschallsignal-Datenverarbeitung durch eine laufzeitbasierte, phasenkorrekte Überlagerung in eine Vielzahl diskrete Signalinformationen unterteilt werden, von denen jede diskrete Signalinformation jeweils einem Volumenelement, im weiteren kurz Voxel, innerhalb des Prüfkörpers zugeordnet ist
  • Stand der Technik
  • Die Vorgehensweise bei der zerstörungsfreien Untersuchung eines Prüfkörpers mittels Ultraschall, bspw. zu Zwecken der Materialprüfung hinsichtlich Materialfehler, wie Risse, Einschlüsse oder sonstiger Materialinhomogenitäten, umfasst die Einkoppelung von Ultraschallwellen in den Prüfkörper, die Detektion der durch den Prüfkörper transmittierten oder innerhalb des Prüfkörpers reflektierten, gebeugten, gestreuten und/oder gebrochenen Ultraschallwellen sowie der Auswertung der in Ultraschallsignale umgewandelten Ultraschallwellen.
  • Mit der vorstehenden, an sich bekannten Untersuchungsmethode ist es möglich die Durchschallungs-, bzw. die Reflexionseigenschaften für Ultraschallwellen eines Prüfkörpers zu erfassen und auszuwerten. So bilden sich bei diesem Verfahren innerhalb eines Prüfkörpers befindliche Störstellen, wie Materialrisse, materialfremde Einlagerungen oder Materialgrenzen, durch entsprechende Auswertung der empfangenen Ultraschallsignale als Bereiche mit geänderten Reflexionseigenschaften ab. Lage, Form und Größe der Störstellen können in räumlich hoch aufgelöster Weise dreidimensional zur Darstellung gebracht werden.
  • Es liegt auf der Hand, dass die Anwendungsgebiete dieses Verfahren vielfältig sind. Beispielhaft seien die Anwendung des Verfahrens zur Prüfung und Erfassung von Homogenitäts- oder Festigkeitseigenschaften von Bauwerksteilen (Betonwände, Decken- oder Wandelemente, etc.) oder zur Rissprüfung bspw. bei Eisenbahnrädern oder Flugzeugteilen genannt. Von einem besonderen Interesse ist die Prüfung von Kompositwerkstoffen eingesetzt werden.
  • Derzeitig zeichnen sich Ultraschallwerkstoffprüfung typischerweise durch die Anwendung von Mehrschwinger-Messsystemen aus, so genannte Gruppenstrahler, mit deren Hilfe in Verbindung mit geeigneten Signalverarbeitungs- und Bildrekonstruktionstechniken eine Visualisierung des inneren Aufbaus eines Prüfkörpers samt relevanter Materialungänzen bzw. Materialfehler möglich ist.
  • Die bekannten auf Ultraschallwellen -Einkopplung, -Detektion und -Auswertung basierenden Fehlerprüftechniken, allen voran die sogenannte Gruppenstrahlertechniken, beruhen auf der Auswertung von Ultraschallwellen-Amplitudeninformationen bzw. auf der Analyse des Transmissionsverhaltens, mittels der sogenannten Durchschallungstechnik, oder des Reflektionsverhaltens, mittels der sogenannten Impuls-Echo-Technik, des Prüfkörpers.
  • Eine typische Prüfanordnung bei der Ultraschallwellen-Werkstoffprüfung besteht aus einem Ultraschallwandler oder vorzugsweise mehreren Ultraschallwandlern, welche die Ultraschallwellen von einer Seite des Prüfkörpers in diesen einkoppeln und die zurückkommenden, d.h. reflektierten Ultraschall-Echosignale aufnehmen. Die im Inneren des Prüfkörpers reflektierten Ultraschallwellen werden in Form von Echosignalen detektiert, aufgezeichnet. Ausgewertet werden hierbei ausschließlich die Signalamplituden der aufgezeichneten Echosignale. Die Amplitude eines Echosignals ist direkt proportional zum Reflektionsvermögen, bzw. zur Reflektivität des Reflektors, und hängt von dessen Größe, Form, Orientierung und akustischen Eigenschaften ab. Unter akustischen Eigenschaften versteht man in erster Linie die akustische Impedanz, die Produkt aus der Dichte sowie der Schallgeschwindigkeit im Werkstoff ist. Je größer der Unterschied zwischen den akustischen Impedanzwerten innerhalb des Prüfkörpers und des Reflektors ist, desto größere ist die Reflektivität des Reflektors. Größere Reflektoren mit vergleichbaren akustischen Eigenschaften erzeugen größere Echosignale als kleinere Reflektoren.
  • Ein bekanntes Verfahren zur zerstörungsfreien Ultraschalluntersuchung eines Prüfkörpers ist in der Druckschrift EP 1 820 012 B1 beschrieben. Bei diesem Verfahren werden Ultraschallwellen mittels einer Vielzahl linear oder arrayförmig an einer Prüfkörperoberfläche angeordneter Ultraschallwandler in den Prüfkörper eingeschallt, die zugleich die innerhalb des Prüfkörpers reflektierten Ultraschallwellenanteile zu detektieren und in Echosignale umzuwandeln vermögen. Bei der Messdurchführung wird eine Vielzahl unterschiedlicher Sender-Empfänger-Konstellationen aktiviert und jeweils Messsignale aufgezeichnet, wobei jeweils für den Empfang der reflektierten Ultraschallwellenanteile vorzugsweise sämtliche Ultraschallwandler Ultraschallsignale detektieren und zur Aufzeichnung weiterleiten. Je nach Prüfkörper und messtechnischen Zielsetzungen erfolgt die Prüfkörpervermessung im Rahmen einer Vielzahl einzelner Messtakte bzw. Messzyklen, bei denen jeweils eine entsprechende Anzahl an Messsignalen gewonnen und abgespeichert werden.
  • Die Auswertung der Ultraschallsignale erfolgt offline, d.h. nach durchgeführter Ultraschallwelleneinkopplung und Detektion unter Zugrundelegung eines Rekonstruktionsalgorithmus, der unter Maßgabe eines virtuell vorgebbaren Einschallwinkels und/oder einer virtuellen Fokussierung der eingekoppelten Ultraschallwellen in den Prüfkörper ausgewählt und auf die abgespeicherten Ultraschallsignale angewendet wird. Mit Hilfe derartiger Rekonstruktionsalgorithmen können aus den gespeicherten Ultraschallsignalen synthetisch dreidimensionale Abbilder der Durchschallungs- bzw. Reflektionseigenschaften der Prüfkörpers errechnet werden, ohne, dass es zusätzlicher weiterer Ultraschallmessungen bedarf. Dieses Rekonstruktionsprinzip basiert auf der Anwendung der so genannten Synthetik Aperture Focussing Technique (SAFT), die darin besteht, dass alle empfangenen Ultraschallsignale auf eine gemeinsame Zeitachse projiziert werden. Dabei können alle von einem bestimmten Reflektor reflektierten Ultraschallsignale phasengleich addiert werden. Eine nachträgliche Rekonstruktion beliebiger Einschallwinkel ergibt sich durch eine phasenversetzte Addition der Empfangssignale von verschiedenen Ultraschallempfängern. Durch die an sich bekannte Offline-Auswertung ist man in der Lage nahezu jeden Einfallswinkel synthetisch zu rekonstruieren und damit einen Ultraschallschwenk durch den abgespeicherten Datensatz durchzuführen.
  • Insbesondere bei der Prüfung von Prüfkörpern, die über akustisch inhomogene Werkstoffeigenschaften verfügen, wie beispielsweise Beton oder ähnliche Bauwertstoffe mit erhöhter schallakustischer Schwächung der Ultraschallwellen und hohem Niveau an strukturellem akustischem Rauschen, kommt es bei Anwendung konventioneller Prüf- und Analysetechniken zu erheblichen Einschränkungen des Nachweisvermögens der Ultraschallprüfung. So liefert die konventionelle, Amplituden-basierte Signalauswertung keine auswertbaren oder belastbaren Informationen darüber, wenn es beispielsweise darum geht, den Füllgrad eines Hüllrohres aus Stahl in einem Beton-Prüfkörper zu ermitteln, d.h. ob das innerhalb einer Betonmatrix eingebettete Hüllrohr gegebenenfalls ganz, teilweise oder gar nicht gefüllt ist. So hängt die Amplitude des messtechnisch erfassten Echosignals der am Rohr mit unterschiedlichen Füllgraden reflektierten Ultraschallwellen hauptsächlich von den geometrischen Abmessungen des Rohres sowie vom Impedanzunterschied zwischen der Betonmatrix und dem Werkstoffstahl ab, aus dem das Hüllrohr gefertigt ist. Informationen über den Füllgrad lassen sich auf diese Weise jedoch nicht ermitteltn.
  • Aus DE 10 2014 209 773 A1 ist ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Untersuchen eines Bauteils bekannt, bei dem innere Strukturen des Bauteils, wie z.B. Defekte, in Abhängigkeit von erfassten Ultraschallmesswerten, z.B. mittels SAFT, rekonstruiert werden, und in der Rekonstruktion ein oder mehrere Strukturelemente sowie deren Position ermittelt werden. Mittels eines Simulationsmodells für die einzelnen Strukturelemente wird die Ultraschallinspektion simuliert und die erhaltenen Simulationswerte mit den Ultraschallmesswerten verglichen, In Abhängigkeit eines Unterschieds zwischen den Simulationswerten und den Ultraschallmesswerten werden im Rahmen eines Optimierungsprozesses der Simulation zugrunde gelegte Modellparameter verändert, so dass die Modellparameter die Beschaffenheit des jeweiligen Strukturelements genauer beschrieben ist als vor der Optimierung.
  • In DE 10 2013 211 064 A1 wird eine SAFT-Analyse oberflächennaher Defekte beschrieben, bei der zur Bestimmung von Zeitpunkten von zu summierenden Amplituden in A-Bild-Zeitsignalen die Schalllaufzeit von einem an einem Messpunkt positionierten Prüfkopf zum Ort des betrachteten Voxels direkt erfasst und verwendet wird.
  • Aus DE 10 2012 109 257 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Ultraschallbildes bekannt, bei dem mehrere Ultraschallwandlerelemente eines punktfokusgesteuerten 2D-Ultraschallmatrixarrys korrelierte Ultraschallsignale aussenden, die in einem Fokusbereich durch Berücksichtigung entsprechender Verzögerungszeiten gleichzeitig eintreffen und dort interferieren. Die Messsignale aus dem Fokusbereich werden unter Berücksichtigung der jeweiligen Verzögerungszeiten summiert und ein jeweiliger Amplitudenbetrag aus der Messsignalsumme in einer Messwertematrix für im Fokusbereich liegende Voxel zugeordnet. Das Ultraschallbild wird unter Verwendung der Messwertematrix erstellt.
  • In US 2012/0055252 A1 wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Detektion radial und axial orientierter Defekte in zylindrischen Prüfkörpern offenbart, bei dem eine Einkoppelrichtung der Ultraschallwellen zumindest eine radiale und eine tangentiale Komponente aufweisen. Durch Bewegen des Prüfkopfes entlang der Oberfläche kann ein Segment oder auch das gesamte Volumen des Prüfkörpers auf Defekte untersucht werden.
  • Aus WO 2016/087315 A1 ist ein Ultraschall-Bildgebungsverfahren bekannt, bei dem Ultraschallwellen von M Ultraschallwandlerngesendet und von N Ultraschallwandlern empfangen werden und geometrieabhängige Artefakte gefiltert werden. Hierzu werden für jeden Punkt P im zu untersuchenden Bereich und für jedes Sender-Empfänger-Paar die theoretischen Laufzeiten Tij(P) berechnet, die eine Ultraschallwelle vom i-ten Sender zum j-ten Empfänger benötigt. Weiter werden für jedes Sender-Empfänger-Paar die Laufzeiten Tij geom für Ultraschallwellen berechnet, die an einer Reflexionsfläche des Prüfkörpers reflektiert werden. Für jeden Punkt P werden nur die Amplituden Sij(t) aufsummiert, deren Laufzeiten Tij(P) sich deutlich von Tij geom unterscheiden.
  • Darstellung der Erfindung
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zur zerstörungsfreien Untersuchung eines Prüfkörpers mittels Ultraschall anzugeben, mit dem es möglich sein soll Prüfkörper mit akustisch inhomogenen Werkstoffen oder Werkstoffbereichen, so insbesondere Prüfkörper mit eingebetteten Hüllrohren, die über unterschiedlichste Füllgrade verfügen können, mit einem besseren Nachweisvermögen über die innere Struktur des Prüfkörpers zu untersuchen.
  • Die Lösung der der Aufgabe zugrundeliegende Erfindung ist im Anspruch 1 angegeben. Den Erfindungsgedanken in vorteilhafter Weise weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der weiteren Beschreibung insbesondere unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen.
  • Im lösungsgemäßen Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der Informationsgehalt der mit Hilfe der Ultraschallwandler gewonnenen Ultraschallsignale neben der zeitabhängigen Amplitudeninformation weitere relevante Signalinhalte umfassen, wie beispielsweise die Wellenart, Polarisation, Frequenz, Modulation etc. der jeweils empfangenen Ultraschallwellen. Die im Weiteren als Signalinformationsinhalte bezeichneten zusätzlichen Signalinhalte beinhalten zusätzliche Informationen über das zu untersuchende Prüfobjekt.
  • Das lösungsgemäße Verfahren zur zerstörungsfreien Untersuchung eines Prüfkörpers mittels Ultraschall, bei dem mit einer Vielzahl von Ultraschallwandlern Ultraschallwellen in den Prüfkörper eingekoppelt und innerhalb des Prüfkörpers reflektierte Ultraschallwellen von einer Vielzahl von Ultraschallwandlern empfangen und in Ultraschallsignale umgewandelt werden, die abgespeichert und nachfolgend im Rahmen einer Ultraschallsignal-Datenverarbeitung durch eine laufzeitbasierte, phasenkorrekte Überlagerung eine Vielzahl diskrete Signalinformationen unterteilt werden, von denen jede diskrete Signalinformation jeweils einem Volumenelement im Weiteren kurz Voxel genannt, innerhalb des Prüfkörpers zugeordnet wird, zeichnet sich durch die nachfolgenden Verfahrensschritte aus:
    • Mit Hilfe einer vorzugsweise zweidimensional verteilt angeordneten Vielzahl n einzelner Ultraschallwandler, vorzugsweise in Form von DPC-Wandlern (DPC - Dry-Point-Contact Wandler), die an der Oberfläche eines zu untersuchenden Prüfkörpers angeordnet werden, werden Ultraschallwellen in Form von Ultraschall-Transversalwellen oder Ultraschall-Longitudinalwellen in den Prüfkörper eingeschallt bzw. eingekoppelt. Mit Hilfe der an der Prüfkörperoberfläche angeordneten Ultraschallwandler, vorzugsweise aller n Ultraschallwandler, werden im Weiteren Ultraschallwellen empfangen, die an Trennflächen von Bereichen mit jeweils unterschiedlicher akustischer Dichte innerhalb des Prüfkörpers reflektiert werden. Die dabei umgewandelten Ultraschallsignale werden abgespeichert und einer nachfolgenden Ultraschallsignal-Datenverarbeitung unterzogen.
  • Zum Zwecke einer dreidimensionalen Rekonstruktion wenigstens eines Volumenbereiches des Prüfkörpers, vorzugsweise des gesamten Prüfkörpervolumens wird eine laufzeitbasierte, phasenkorrekte Überlagerung der Ultraschallsignale vorgenommen, durch die eine Vielzahl diskrete Signalinformationen gewonnen wird, von denen jede diskrete Signalinformation jeweils einem Volumenelement, dem so genannten Voxel innerhalb des Prüfkörpers zugeordnet wird. Vorzugsweise sind die durch die Überlagerung gewonnenen Volumenelemente äquidimensional, d.h. räumlich gleich groß gewählt.
  • Die im Wege der Ultraschalldetektion generierten Ultraschallsignale sowie die darin enthaltenen Signalinformationen unterliegen einem technisch bedingten Rauschen, dessen mittlerer Rauschpegel ermittelt wird.
  • Ausgehend von dem ermittelten Rauschpegel werden im Weiteren all jene Voxel ermittelt, deren jeweils zugeordnete, diskrete Signalinformation einen Signalpegel aufweist, der einen Rauschabstand zu dem ermittelten mittleren Rauschpegel von wenigstens 6 Dezibel aufweist. Auf diese Weise werden bei der weiteren Auswertung all jene Voxel mit einem geringeren S/N-Verhältnis ignoriert, zumal davon ausgegangen wird, dass in diesen Prüfkörpervolumenbereichen keine relevanten Ultraschallreflektionsereignisse stattgefunden haben.
  • Im Weiteren werden all jene Voxel bestimmt, deren räumlicher Abstand zueinander kleiner oder gleich einer Wellenlänge, vorzugsweise kleiner oder gleich der halben Wellenlänge der in den Prüfkörper eingekoppelten Ultraschallwellen ist. Auf diese Weise werden Voxelgruppen gebildet, die jeweils einen Bereich innerhalb des Prüfkörpers umfassen, der einen räumlich zusammenhängenden Reflektor umgeben.
  • Nachfolgend werden die Signalinformationen, die jedem Voxel innerhalb einer zusammengefassten Voxelgruppe zugeordnet sind, statistisch evaluiert, wobei wenigstens eine der nachfolgenden Signalinformationsinhalte der statistischen Evaluation zugrunde gelegt wird: Polarisation, Frequenz, Wellenart, Wellenmode. Der statistischen Evaluation werden stets gleichartige Signalinformationsinhalte aus den jeweils gruppierten Voxel zugrunde gelegt, um letztlich einen Ähnlichkeitsgrad zwischen den jeweils gleichartigen Signalinformationsinhalten aus den zusammengefügten Voxel zu ermitteln.
  • Lösungsgemäß werden in Abkehr zur bisherigen Signalauswertepraxis, bei der ausschließlich Signalamplituden zugrunde gelegt werden, die weiteren in den Signalinformationen enthaltenen Signalinformationsinhalte betreffend Polarisation, Wellenart, Frequenz und/oder Wellenmode, zugrunde gelegt.
  • Die Auswertung der jeweils jedem Voxel zugeordneten Signalinformationen erfolgt derart, so dass zwischen jeweils gleichartigen Signalinformationsinhalten der Signalinformationen ein Ähnlichkeitsgrad ermittelt, der der Prüfkörperuntersuchung zugrunde gelegt wird. Um beispielsweise die akustische Dichte eines Prüfkörpers der über eine heterogene Materialzusammensetzung verfügt, zu bestimmen, wird im Rahmen der Auswertung der diskreten Signalinformationen innerhalb einer Voxelgruppe zumindest der Ähnlichkeitsgrad der in den Signalinformationen enthaltenen Polarisationen ermittelt, der in einem proportionalen Verhältnis zur akustischen Dichte des Prüfkörpers innerhalb der Voxelgruppe steht. Alternativ oder in Kombination dient auch die Ermittlung des Ähnlichkeitsgrades der Wellenart, Wellenmode sowie auch der Frequenz in den Signalinformationen der einzelnen zu einer Voxelgruppe zusammengefassten Voxel, um eine Aussage über die akustischen Eigenschaften des zu untersuchenden Prüfkörpers anzustellen.
  • Grundsätzlich lässt sich der Zuverlässigkeitsgrad der statistischen Evaluierung mit zunehmender Anzahl der an der Datenaufnahme beteiligten Ultraschallwandler erhöhen. Für die Beurteilung der akustischen Dichte eines zu untersuchenden Prüfkörpers gilt die Regel, dass je höher der evaluierte Ähnlichkeitsgrad zwischen jeweils gleichartigen Signalinformationsinhalten pro zu einer Voxelgruppe zusammengefassten Voxel ist, umso kleiner ist die akustische Dichte des Prüfkörpers innerhalb der betreffenden Voxelgruppe. Umgekehrt zeichnen sich Volumenbereiche innerhalb des Prüfkörpers mit niedriger akustischer Dichte durch Voxelgruppen aus, in denen die jeweils zugehörigen gleichartigen Signalinformationsinhalte einer größeren Abweichung bzw. einer größeren Divergenz unterliegen.
  • Gegenüber konventionellen Ultraschallprüfverfahren ermöglicht das lösungsgemäße Verfahren einen verbesserten Fehlernachweis sowie eine verbesserte Aussagemöglichkeit über die räumliche akustische Dichteverteilung innerhalb eines Prüfkörpers, vorzugsweise für die nachfolgenden Prüfanwendungen:
    • - Ermittlung des Füllgrades eines Hüllrohres innerhalb einer Betonkonstruktion
    • - Ermittlung des Korrosionsgrades einer Stahlbewährung innerhalb eines Prüfkörpers
    • - Evaluierung des Anhaftungsgrades eines Tunnel-Tubings
    • - Detektion von Material mit schwachem Reflektionsvermögen
  • Figurenliste
  • Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
    • 1 Schematisierte Darstellung eines Prüfkörpers mit Hüllrohren unterschiedlichen Füllgrades,
    • 2 Schematisierte Darstellung zur Ermittlung der akustischen Dichte eines halb gefüllten Hüllrohres innerhalb eines Prüfkörpers mit Hilfe einer Ultraschallwandelanordnung.
  • Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
  • 1 zeigt einen Prüfkörper 1, auf dessen Oberfläche 2 eine arrayförmige Anordnung aus n = 18 DPC-Ultraschallwandlern 3 angeordnet ist. Innerhalb des Prüfkörpers 1, der vorzugsweise aus Beton oder einem ähnlich inhomogenen Bauwerkstoff besteht, sind im dargestellten Beispiel drei Hüllrohre 4a, 4b, 4c eingebracht, die eine vorzugsweise aus Stahl gefertigte Hüllrohrwand 5 besitzen und jeweils von der Betonmatrix des Prüfkörpers 1 umfasst sind. Die Messaufgabe besteht darin, den Füllgrad der einzelnen Hüllrohre 4a, 4b, 4c zu erfassen, der sich im Beispiel gemäß 1 jeweils unterscheidet. So ist das Hüllrohr 4a leer, das Hüllrohr 4b halb gefüllt sowie das Hüllrohr 4c vollständig gefüllt, beispielsweise mit einer Flüssigkeit wie Wasser oder mit festen Ablagerungen.
  • 2 obere Darstellung zeigt eine Messsituation sowie Messauswertung, siehe untere Darstellung, bei der die Ultraschallwandler 3, die an der Oberfläche 2 des Prüfkörpers 1 relativ zu dem halb gefüllten Hüllrohr 4b angeordnet sind, jeweils zeitgleich Ultraschallwellen in den Prüfkörper 1 einschallen und die an dem und in dem Hüllrohr reflektierten Ultraschallwellenanteile detektieren. Die nach Durchlaufen jeweils unterschiedlich langer Ausbreitungswege am Ort der Ultraschallwandler eintreffenden, reflektierten Ultraschallwellenanteile werden in Ultraschallsignale US1, US2, US3, US4 gewandelt, abgespeichert und offline unter Zugrundelegung eines Rekonstruktionsalgorithmus ausgewertet.
  • Im Rahmen der Auswertung wird zumindest ein Teil des Prüfkörpervolumens in einheitlich dimensionierte Volumenelemente, in so genannte Voxel 6 unterteilt, denen jeweils eine Signalinformation zugeordnet ist, die sich aus der Überlagerung sämtlicher aus jeweils einem Voxel 6 mit Hilfe der n Ultraschallwandler empfangenen Ultraschallsignale ergeben. Bei der Auswertung werden lediglich jene Voxel 6 betrachtet, deren Signalinformation über ein messtechnisch relevantes Signal-Rausch-Verhältnis verfügen, d.h. deren Signalpegel sich um wenigstens 6 dB von einem mittleren Rauschpegel abhebt. Ferner werden zur Auswertung jene Voxel 6 zu einer Voxelgruppe 7 zusammengefasst, deren räumlicher gegenseitiger Abstand vorzugsweise gleich oder kleiner der halben Ultraschallwellenlänge der in den Prüferkörper 1 eingeschallten Ultraschallwellen ist. Im Beispiel gemäß 2 sind dies all jene Voxel, die das Hüllrohr 4b wenigstens teilweise enthalten, siehe hierzu die innerhalb der fett umrahmten Voxelgruppe 7 befindlichen Voxel 6.
  • Zur Signalauswertung werden vorzugsweise die in jeder Signalinformation enthaltenen Polarisationsinformationen pro Voxel 6 herangezogen und ein Ähnlichkeitsgrad zwischen den einzelnen Polarisationsinformationen der zu einer Voxelgruppe 7 zusammengefassten Voxel ermittelt. Je größer der ermittelte Ähnlichkeitsgrad ist, umso kleiner ist die akustische Dichte innerhalb des betrachteten Volumenbereiches des Prüfkörpers 1. Auf diese Weise ist man in der Lage auf Basis der ermittelten Ähnlichkeitsgrade zwischen den einzelnen Voxeln 6 betreffend die Polarisation auf den Füllgrad innerhalb des Hüllrohrs 4b zu schließen.
  • Selbstverständlich können auch die Frequenzinformation, Information über Wellenart oder Wellenmode entsprechend der Ermittlung des Ähnlichkeitsgrades herangezogen werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Prüfkörper
    2
    Prüfkörperoberfläche
    3
    Ultraschallwandler
    4a, 4b, 4c
    Hüllrohr
    5
    Hüllrohrwand
    6
    Voxel
    7
    Voxelgruppe
    US1,US2,US3,US4
    Ultraschallsignale

Claims (6)

  1. Verfahren zur zerstörungsfreien Untersuchung eines Prüfkörpers mittels Ultraschall, bei dem mit einer Vielzahl von Ultraschallwandlern Ultraschallwellen in den Prüfkörper eingekoppelt und innerhalb des Prüfkörpers reflektierte Ultraschallwellen von einer Vielzahl von Ultraschallwandlern empfangen und in Ultraschallsignale umgewandelt werden, die abgespeichert und nachfolgend im Rahmen einer Ultraschallsignal-Datenverarbeitung durch eine laufzeitbasierte, phasenkorrekte Überlagerung in eine Vielzahl diskrete Signalinformationen unterteilt werden, von denen jede diskrete Signalinformation jeweils einem Volumenelement, im weiteren kurz Voxel, innerhalb des Prüfkörpers zugeordnet ist, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: - Ermitteln eines mittleren Rauschpegels, dem die Vielzahl sämtlicher diskreter Signalinformationen unterliegen, - Ermitteln von Voxeln, deren jeweils zugeordnete diskrete Signalinformation einen Signalpegel mit einem Rauschabstand R zum mittleren Rauschpegel besitzt, mit 6 dB ≤ R - Bestimmen von Voxeln, deren räumlicher Abstand A jeweils paarweise zueinander kleiner oder gleich einer Wellenlänge der in den Prüfkörper eingekoppelten Ultraschallwellen ist, - Zusammenfassen der bestimmten Voxel jeweils zu einer Voxelgruppe, - Auswerten der diskreten Signalinformationen, deren zugeordnete Voxel zu einer Voxelgruppe zusammengefasst sind, unter Zugrundelegung wenigstens einer der nachfolgenden Signalinformationsinhalte: Polarisation, Frequenz, Wellenart, Wellenmode.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mittels der laufzeitbasierten, phasenkorrekten Überlagerung jedem Voxel zugeordnete Signalinformation Ultraschallsignalanteile von Ultraschallsignalen von sämtlichen Ultraschallwandler-Kombinationen aus einkoppelnden und empfangenen Ultraschallwandler umfasst.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallsignalanteile jeweils Informationen bezüglich Amplitude, Polarisation, Frequenz und Wellenart umfassen.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Abstand A ≤ λ/2 der eingekoppelten Ultraschallwellenlänge gewählt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Auswerten der diskreten Signalinformationen innerhalb einer Voxelgruppe im Wege einer statistischen Evaluation derart erfolgt, so dass zwischen jeweils gleichartigen Signalinformationsinhalten der Signalinformationen ein Ähnlichkeitsgrad ermittelt wird, der der Prüfkörperuntersuchung zugrunde gelegt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5 zur Bestimmung der akustischen Dichte eines Prüfkörper mit einer heterogenen Materialzusammensetzung, dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen der Auswertung der diskreten Signalinformationen innerhalb einer Voxelgruppe zumindest der Ähnlichkeitsgrad der in den Signalinformationen enthaltenden Polarisationen ermittelt wird, der in einem proportionalen Verhältnis mit der akustischen Dichte des Prüfkörpers innerhalb der Voxelgruppe steht.
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