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Hintergrund der Erfindung
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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen die zerstörungsfreie
Ultraschallprüfung
und im Besonderen ein Verfahren und ein System zum Bestimmen von
Materialeigenschaften eines Gegenstandes mittels Ultraschalldämpfung.
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Stand der Technik
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Ultraschalldämpfung ist
ein Maß des
Abklingens der Ultraschallstärke
während
der Fortpflanzung durch ein Material und kann verwendet werden, um
Eigenschaften von Materialien zu bewerten. Beispielsweise steht
die Ultraschalldämpfung
direkt mit der Korngröße in einem
polykristallinen Feststoff, z.B. in den meisten Metallen, in Relation.
Die Korngröße hat eine
starke Auswirkung auf wichtige mechanische Eigenschaften von polykristallinen
Feststoffen. Die Ultraschalldämpfung
kann auch verwendet werden, um die Konzentration und Größe von Partikeln,
die in einem Medium enthalten sind, entweder in festem oder flüssigem Zustand,
zu bestimmen oder um eine Porositätsverteilung in einem Verbundmaterial
zu bestimmen. Ein anderes Beispiel ist die kombinierte Verwendung
von Ultraschalldämpfung und
-geschwindigkeit, um das Relaxationsverhalten und die viskoelastischen
Eigenschaften von Polymerstoffen zu charakterisieren. Zu den physikalischen
Mechanismen, welche Ultraschalldämpfung hervorrufen,
zählen
Streuung und Absorption, von denen beide verwendet werden können, um
Materialeigenschaften zu charakterisieren. Diese physikalischen
Mechanismen (Streuung und Absorption) sind frequenzabhängig, was
bedeutet, dass bei unterschiedlichen Frequenzen unterschiedliche
Dämpfungsraten
beobachtet werden. Es ist bekannt, Ultraschalldämpfungsmessungen mittels eines
Schmalbandsystems (wobei in diesem Fall eine Messung für gewöhnlich bei
einer Mittenfrequenz gemeldet wird) oder mittels eines Breitbandsystems,
was eine Frequenzdomänenanalyse
mit einschließt,
durchzuführen.
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Ein übliches
zur Dämpfungsmessung
verwendetes Verfahren ist als Impuls-Echo-Konfiguration (Reflexionsmodus) bekannt,
wobei Ultraschall mittels eines piezoelektrischen Prüfkopfes
erzeugt und detektiert wird, der mit dem Prüfgegenstand mittels eines Koppelmittels
oder eines festen oder flüssigen
Puffers (d.h. eines Koppelmediums) gekoppelt ist. Ein anderes Verfahren
ist die Durchschallungskonfiguration (oder der Transmissionsmodus),
wobei zwei Prüfköpfe, die
einander an entgegengesetzten Seiten des Prüfgegenstandes zugewandt sind,
zum Abstrahlen und Empfangen des Ultraschalls verwendet werden.
Für die
Durchschallungskonfiguration ist Zugang zu beiden Seiten des Materials
erforderlich. Gemäß der Durchschallungskonfiguration
muss das Prüfkopfpaar
auch genau abgestimmt oder vollständig charakterisiert und vorzugsweise
mit dem Prüfgegenstand
mittels eines Koppelmediums auf beiden Seiten ausgerichtet sein.
Ein drittes Verfahren (das als Pitch-Catch-Konfiguration bekannt
ist) umfasst ein Paar von Prüfköpfen, die,
für gewöhnlich auf
derselben Seite des Prüfgegenstands,
in einem Abstand voneinander getrennt sind. Die Pitch-Catch-Konfiguration
wird für
das Messen der Ultraschalldämpfung von
Rayleigh-Oberflächenwellen,
Lamb-Wellen sowie
der Ultraschalldämpfung
von Volumenwellen verwendet.
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Diese
Konfigurationen für
die Dämpfungsmessung
können
auch bei kontaktfreien Ultraschallerzeugungs- und -detektionsverfahren
verwendet werden, wobei elektromagnetische akustische Prüfköpfe (EMATs),
Luftschallprüfköpfe oder
Laserultraschall zur Anwendung kommt. Laserultraschall bedient sich
eines Lasers mit einem kurzen Impuls für die Erzeugung von Ultraschallwellen.
Der Transfer von Energie von dem Laser auf die Ultraschallwellen kann
im thermoelastischen System stattfinden, wobei Wärmeausdehnung auf einer Oberfläche in Folge
der plötzlichen
Lasererwärmung
für die
Erzeugung eines Ultraschallimpulses verantwortlich ist, oder in
einem Ablationssystem, wobei die Laserenergie eine dünne Schicht
der Oberfläche
entfernt und ein Plasma erzeugt, welches die Ultraschallwellen induziert.
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Ein
zweiter Laser mit einem längeren
Impuls (oder sogar einer kontinuierlichen Welle) wird für gewöhnlich für die Detektion
verwendet. Der zweite Laser beleuchtet einen Detektionsort an der
Oberfläche des
Prüfgegenstandes
und eine Phasen- oder
Frequenzverschiebung in dem reflektierten Licht auf Grund des Eintreffens
eines gedämpften
Ultraschallimpulses an dem Detektionsort wird mittels eines optischen
interferometrischen Systems gemessen. Zu im Stand der Technik bekannten
interferometrischen Systemen für
die Ultraschalldetektion zählen
jene, die auf Zeitverzögerungsinterferometrie
basieren, sowie Systeme, die auf nichtlinearer Optik für Wellenfrontanpassung
basieren, wie von Monchalin J.-P. in "Laserultrasonics: from the laboratory
to industry", Review
of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation, Bd. 23A,
hrsg. von D. O. Thompson und D. E. Chimenti, AIP Conf. Proc.,
New York, 2004, S. 3-31, erläutert wird. Die Erzeugung und
die Detektion von Ultraschall werden in einem Abstand durchgeführt, und
es besteht dabei keine Notwendigkeit für eine Koppelflüssigkeit
und für
die Ausrichtungserfordernisse herkömmlicher Ultraschalllösungen.
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Bei
Verwendung einer beliebigen der oben genannten Konfigurationen umfassen
herkömmliche Verfahren
zum Messen der Ultraschalldämpfung
das Bestimmen eines Abklingens eines detektierten Ultraschallimpulses
(Amplitude) für
zwei Fortpflanzungsstrecken in dem Material, z.B. durch Verwendung
zweier Echosignale, die zwischen Flächen des Prüfgegenstandes hin und her geworfen
werden. Die Dämpfung
wird durch Vergleichen von Amplituden der beiden Echos bei jeder
Frequenz berechnet, wie von A. Vary im Nondestructive Testing
Handbook, V. 7, 2. Ausgabe, S. 383-431 ASNT (1991), erläutert wird.
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Leider
wird die berechnete Dämpfung
durch Rauschen der beiden Echos beeinträchtigt, d.h. Unsicherheiten
von beiden Messungen reduzieren die Genauigkeit des Dämpfungswertes.
Wenn der Prüfgegenstand
dick und/oder aus hochgradig dämpfendem
Material hergestellt ist, weist das zweite Echo ein schlechtes Signal-Rausch-Verhältnis (SRV)
auf. In derartigen Fällen
ermöglicht
das Zwei-Echo-Dämpfungsverfahren
eventuell keine genaue Messung, und das SRV des ersten Echos wird nicht
voll genutzt. In Anbetracht der Einschränkungen des herkömmlichen
Zwei-Echo-Verfahrens ist die Verwendung einer Ein-Echo-Lösung, um
die Ultraschalldämpfung
zu bestimmen, sehr erstrebenswert. Allerdings hängt die Amplitude eines Echos auch
von der Erzeugungsstärke,
der Koppeleffizienz, der Detektionseffizienz usw. ab. Bei dem herkömmlichen
Zwei-Echo-Verfahren trägt
der Vergleich mit einem Echo schon an sich jedem dieser Faktoren Rechnung
und liefert einen normierten Messwert.
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Ein
anderes Problem bei dem herkömmlichen
Zwei-Echo-Verfahren ist die Notwendigkeit einer Korrektur von Diffraktionseffekten
des Ultraschallimpulses, um die intrinsische Ultraschalldämpfung, die
dem Prüfgegenstand
zugeordnet werden kann, zu erhalten. Während vereinfachte theoretische
Modelle verwendet wurden, um eine Korrektur für die Diffraktion für einfache
Geometrien des Prüfgegenstandes
zu berechnen, kann das Diffraktionsverhalten in realen Situationen
komplexer sein.
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Die
Beseitigung von durch Erzeugungsstärke, Koppeleffizienz, Detektionseffizienz
und Diffraktion verursachten Variationen, zur Erzeugung eines vollständig normierten
intrinsischen Ultraschalldämpfungsspektrums,
ist die schwierigste Aufgabe für
die Verwendung eines einzigen Echos zur Bestimmung von Materialeigenschaften.
Für manche
Ausführungsformen
der Impuls-Echo-Konfiguration
kann eine Normierung durch Verwendung des Ultraschallimpulses durchgeführt werden,
der von der Oberfläche
des Prüfgegenstandes
reflektiert wird (d.h. ein Eintrittsecho), um die Stärke des
erzeugten Ultraschallimpulses zu charakterisieren, was ermöglicht, die
Amplitude des Ein-Echo-Interaktionssignals zu verwenden. Für die Durchschallungskonfiguration
erfolgt die Normierung oft durch Vergleich mit dem Impuls, der sich
bei Nichtvorhandensein des Prüfgegenstandes
durch das Koppelmedium fortpflanzt. Diese Konfiguration erfordert
Zugang zu beiden Seiten des Materials, was bei manchen industriellen
Anwendungen eventuell nicht möglich
oder nicht bevorzugt ist. Ferner entfällt durch die Verwendung eines Eintrittsechos
oder eines Leerwerts ohne Probe in den oben genannten Fällen nicht
die Notwendigkeit einer Diffraktionskorrektur, um die intrinsische
Materialdämpfung
zu erhalten. Es ist immer noch ein Modell mit der exakten Kenntnis
der Eigenschaften des verwendeten Systems erforderlich.
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Die
Verwendung eines einzigen Echos in einem Laserultraschallverfahren,
um eine Materialeigenschaft im Vergleich mit der Dämpfung eines
Referenzmaterials zu messen, wird im
US-Patent
Nr. 6,684,701 von Dubois et al. gelehrt. Dubois et al.
lehren ein Verfahren zum Ultraschallmessen der Porosität einer
Verbundmaterialprobe mittels Zugang zu nur einer Seite der Verbundmaterialprobe.
Das Verfahren umfasst das Messen eines Proben-Ultraschallsignals von
der Verbundmaterialprobe, das Normieren des Proben-Ultraschallsignals
relativ zu der Oberflächenverschiebung
bei der Erzeugung auf der Verbundmaterialprobe, und das Heraustrennen
eines Proben-Rückwandechos
von dem Proben-Ultraschallsignal. Dann wird ein Proben-Frequenzspektrum
des Proben-Rückwandechos
bestimmt. Als nächstes
umfasst das Verfahren die Schritte Messen eines Referenzultraschallsignals
von einem Referenzverbundmaterial, Normieren des Referenzultraschallsignals in
Bezug auf die Oberflächenverschiebung
bei der Erzeugung auf dem Referenzverbundmaterial und Isolieren
eines Referenzrückwandechos
aus dem Proben-Ultraschallsignal. Dann wird ein Referenzfrequenzspektrum
des Referenzrückwandechos
bestimmt. Die Erfindung umfasst ferner das Ableiten der Ultraschalldämpfung der
Verbundmaterialprobe als Verhältnis
des Proben-Frequenzspektrums zu dem Referenzfrequenzspektrum über einen
vorgegebenen Frequenzbereich. Das Vergleichen der abgeleiteten Ultraschalldämpfung mit
den vorbestimmten Dämpfungsreferenzwerten
ermöglicht
die Bewertung der Porosität
der Verbundmaterialprobe.
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Das
Verfahren von Dubois et al. ist auf die oben beschriebene Impuls-Echo-Konfiguration beschränkt. Gemäß Dubois
et al. ist es zur Normierung jedes Echos erforderlich, die Varianz
in der Erzeugungsstärke
und der Detektionseffizienz durch Vergleichen der Amplitude mit
einer Oberflächenverschiebung
bei der Erzeugung an der Oberfläche
des Prüfgegenstandes
zu kompensieren. Diese Lösung kann
nur auf mittels Laser erzeugten Ultraschall im thermoelastischen
System angewandt werden. Ferner trägt das Verfahren nach Dubois
et al. keinen Variationen Rechnung, die durch das Durchdringen von Licht
durch die Oberfläche
des Prüfgegenstandes verursacht
werden. Leider ist die Oberflächenverschiebung
kein exaktes Maß für die Energie
des Ultraschallimpulses, da sie den Beiträgen aus durchdringendem Licht
nicht Rechnung trägt.
Beispielsweise ist bei Kohlenstoff-Epoxid-Verbundstoffen die Lichtpenetration
des ultraschallerzeugenden Lasers von der Dicke einer Oberflächenepoxidschicht
abhängig,
die in der Praxis erheblich variiert und schwer zu bestimmen ist.
Darüber
hinaus ist die Normierung mittels Oberflächenverschiebung in dem Ablationssystem,
in dem der Erzeugungslaser ein Plasma erzeugt, nicht für durch
Laser erzeugten Ultraschall anwendbar. Während eventuell bei der Erzeugung
ein starkes Signal detektiert wird (insbesondere wenn das Impuls-Echo-Verfahren
verwendet wird), wird das starke Signal, auch wenn es einen Beitrag
der Oberflächenverschiebung
umfasst, in erster Linie durch eine Brechungsindexstörung des
Plasmas verursacht, die hochgradig variabel ist und die nicht verwendet
werden kann, um die Stärke
des Ultraschallimpulses zu messen.
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Daher
besteht auch weiter ein Bedarf an einem Verfahren und einem System
zum Ableiten einer Ultraschalldämpfungsmessung
mittels eines einzigen Echos, welches Diffraktion kompensiert.
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Kurzdarstellung der Erfindung
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung werden ein Verfahren und ein System zur Verwendung der Ultraschalldämpfung zum
Bestimmen einer Materialeigenschaft eines Gegenstandes aus einem
einzigen detektierten Ultraschallimpuls, der sich durch das Material
hindurch fortpfanzt, bereitgestellt.
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Die
Erfindung kann auf jedwedes Ultraschallverfahren (z.B. piezoelektrische
Prüfköpfe, Laserultraschall
und EMATs) für
jedwede Art von Welle (z.B. Longitudinal-, Scher- und Oberflächenwellen)
und jedwede Erzeugungs/Detektions-Konfiguration (z. B. Impuls-Echo, Durchschallung
und Pitch-Catch) angewandt werden. Für ein bestimmtes Verfahren,
eine bestimmte Wellenart und eine bestimmte Konfiguration werden
Messungen an dem untersuchten Material und auch an einem Referenzmaterial
durchgeführt. Das
Referenzmaterial wird verwendet, um das Ansprechverhalten des gesamten
Messsystems (Bandbreite, Diffraktion usw.), mit Ausnahme der intrinsischen
Dämpfung
des Prüfmaterials
und der möglichen Änderungen
der Signalstärke,
zu charakterisieren.
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Demzufolge
wird ein Verfahren zur Verwendung von Ultraschalldämpfung zum
Bestimmen einer Materialeigenschaft eines Gegenstandes bereitgestellt.
Das Verfahren umfasst das Empfangen eines Interaktionssignals von
einem Ultraschalldetektor. Das Interaktionssignal erfasst mindestens
eine Manifestation des Auftreffens eines Breitbandultraschallimpulses
auf einen Detektionsort des Gegenstandes, nachdem sich der Ultraschallimpuls
in dem Gegenstand fortgepflanzt hat. Bei der Fortpflanzung durch
den Gegenstand wird der Ultraschallimpuls durch einen oder mehrere
physikalische Mechanismen gedämpft.
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Ein
Abschnitt des Interaktionssignals, welcher dem gedämpften Ultraschallimpuls
entspricht, wird von der Zeitdomäne
in die Frequenzdomäne transformiert,
um ein Amplitudenspektrum zu erhalten. Der Abschnitt kann durch
Identifizieren eines Teils des Interaktionssignals bestimmt werden,
welcher einer einzelnen Manifestation des Auftreffens des Breitbandultraschallimpulses
auf den Detektionsort entspricht. Wenn im Interaktionssignal mehrere
Echos vorliegen, kann ein stärkstes
ausgewählt werden.
Das Bestimmen des Abschnitts des Interaktionssignals kann die Anwendung
einer Fensterauswahlfunktion zum Auswählen des Teils des Interaktionssignals
umfassen, der einer einzelnen Manifestation des Auftreffens des
Breitbandultraschallimpulses auf den Detektionsort entspricht. Beispielsweise kann
die Kreuzkorrelation eines Referenzprofils eines Ultraschallimpulses
mit dem Interaktionssignal verwendet werden, um die Manifestation
innerhalb des Fensters zu zentrieren. Vorkenntnisse über den Prüfgegenstand
können
verwendet werden, um ein grobes Zeitfenster des Interaktionssignals
zu bestimmen, um eine Suche nach dem Abschnitt innerhalb des Interaktionssignals
einzugrenzen.
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Sobald
das Amplitudenspektrum ermittelt wurde, wird dieses mit einem Referenzamplitudenspektrum
verglichen, um ein Dämpfungsspektrum
zu erhalten. Das Referenzamplitudenspektrum wird mittels eines Referenzstücks auf
eine ähnliche
Weise wie das Amplitudenspektrum erzeugt. Das Referenzstück weist
zu dem Gegenstand äquivalente
Diffraktionseigenschaften in Bezug auf den Breitbandultraschallimpuls
auf, jedoch ist das Referenzamplitudenspektrum im wesentlichen frei
von Dämpfung,
entweder weil das Referenzstück
bekannte Dämpfungsparameter
aufweist, die verwendet werden, um eine Korrektur für die Dämpfung in
dem Amplitudenspektrum des Referenzstücks vorzusehen, oder weil das Referenzstück derart
ausgewählt
wird, dass es eine vernachlässigbare
Dämpfung
aufweist. Beispielsweise kann das Referenzstück derart ausgewählt werden,
dass es eine Gestalt aufweist, die dem Prüfgegenstand entspricht, und
dass es aus einem Material hergestellt ist, das eine Ultraschallausbreitungsgeschwindigkeit
aufweist, die jener des Prüfgegenstandes
entspricht, jedoch im wesentlichen keine Dämpfung aufweist.
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Das
Dämpfungsspektrum
wird gemäß einem Modell
der frequenzabhängigen
Dämpfung
angepasst, um einen Dämpfungsparameter
zu erhalten. Der Dämpfungsparameter
kann dann verwendet werden, um eine Materialeigenschaft des Gegenstandes
zu berechnen, die von der Dämpfung
abhängig
ist. Die Bestimmung eines "Best
Fit" des Dämpfungsspektrums
kann die Verwendung eines Modells mit einschließen, welches frequenzunabhängigen Variationen
der Signalstärke
zwischen dem Prüfmaterial
und dem Referenzmaterial Rechnung trägt. Insbesondere kann das Modell
frequenzunabhängige Variationen
der Signalstärke
berücksichtigen
indem die Ableitung des Dämpfungsspektrums
verwendet wird um einen Dämpfungsparameter
zu erhalten.
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Beispielsweise
kann das Bestimmen des "Best
Fit" das Vergleichen
des gemessenen Dämpfungsspektrums
mit Kurven von der Form: α(f)
= α0 + afm + bfn mit einschließen, wobei α0 ein
beliebiger Amplitudenversatz ist, der Variationen der Signalstärke berücksichtigt,
m und n Frequenzpotenzen sind, die entsprechenden zu Grunde liegenden
Mechanismen der Dämpfung
zugeordnet sind, und die Parameter a und b für Beiträge von den beteiligten Mechanismen stehen,
die sich auf Materialeigenschaften beziehen. Der Parameter a ist
Null, wenn nur ein einziger zu Grunde liegender Mechanismus für die Dämpfung vorliegt.
Das Anpassen kann das Variieren der Dämpfungsparameter umfassen,
wobei m und n fix gehalten werden.
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Die
Schritte des Empfangens und Transformierens können wiederholt auf eine Mehrzahl
von Interaktionssignalen von dem Gegenstand angewandt werden, und
das Verfahren kann ferner das Berechnen eines Mittelwerts aus der
Mehrzahl von Signalen umfassen, welcher als Dämpfungsspektrum dient.
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Ferner
kann das Verfahren das Validieren des Interaktionssignals und des
Amplitudenspektrums mittels Ausschlusskriterien sowohl in der Zeit- als
auch in der Frequenzdomäne
umfassen.
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Ferner
kann das Verfahren die Verwendung einer Kalibrierungskurve umfassen,
um den Dämpfungsparameter
mit einer Eigenschaft des Gegenstandes in Relation zu setzen. Die
Materialeigenschaft kann beispielsweise die Korngröße in einem polykristallinen
Feststoff oder die Porosität
eines Verbundmaterials sein.
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Ein
System zum Messen der Ultraschalldämpfung, um eine Materialeigenschaft
eines Gegenstandes zu bestimmen, wird ebenfalls bereitgestellt.
Das System umfasst einen Ultraschallimpulserzeugungs- und -detektionsaufbau
zum Abgeben eines Breitbandultraschallimpulses in den Gegenstand und
zum Erfassen des Impulses nach der Fortpflanzung durch den Gegenstand,
einen Empfänger
zum Digitalisieren eines Interaktionssignals des detektierten Ultraschallimpulses;
und einen Signalprozessor. Der Signalprozessor ist ausgebildet,
um einen Teil des Interaktionssignals, der einer einzigen Manifestation
des detektierten Impulses entspricht, von der Zeitdomäne in die
Frequenzdomäne
zu transformieren, um ein Amplitudenspektrum zu erhalten.
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Der
Signalprozessor berechnet ein Dämpfungsspektrum
durch Vergleich des Amplitudenspektrums mit einem Referenzamplitudenspektrum.
Das Referenzamplitudenspektrum wird von einem Referenzstück mit äquivalenten
Diffraktionseigenschaften zu jenen des Gegenstandes abgeleitet.
Das Referenzamplitudenspektrum weist im wesentlichen keine Dämpfung auf.
Der Signalprozessor passt das Dämpfungsspektrum
gemäß einem
Modell an, um einen Dämpfungsparameter
zu bestimmen, der zum Bestimmen einer Eigenschaft des Gegenstandes verwendet
wird.
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Ferner
kann der Signalprozessor ausgebildet sein, um einen Mittelwert aus
einer Mehrzahl von Interaktionssignalen von dem Gegenstand an einem oder
mehreren Orten zu berechnen, um das Amplitudenspektrum zu erzeugen.
Ferner kann der Signalprozessor ausgebildet sein, um einen Zeit-
oder Frequenz-Domänen- Mittelwertbildungsprozess
aus der Mehrzahl von Interaktionssignalen durchzuführen, um
das Amplitudenspektrum zu erzeugen.
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Ferner
kann das System ein System für
gesteuerte Bewegung zum Abtasten einer Oberfläche des Gegenstandes umfassen.
Ferner kann der Signalprozessor Dämpfungsparameter verwenden,
um ein Abbild der Materialeigenschaft des Gegenstandes zu erzeugen.
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Der
Ultraschallimpulserzeugungs- und -detektionsaufbau kann einen Erzeugungslaser
zum Erzeugen des Breitbandultraschallimpulses und einen Detektionslaser,
der mit einem optischen Detektionssystem gekoppelt ist, zum Detektieren
der Manifestation des Breitbandultraschallimpulses umfassen. Der Erzeugungslaser
und der Detektionslaser können
auf dieselbe Seite des Prüfgegenstandes
gerichtet sein.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ein
besseres Verständnis
der vorliegenden Erfindung und ihrer Vorteile wird durch die folgende Beschreibung
in Zusammenschau mit den beiliegenden Zeichnungen ermöglicht,
in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale kennzeichnen. In
den beiliegenden Zeichnungen zeigen:
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1 ein
schematisches Diagramm eines Systems gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung;
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2a ein
Blockdiagramm eines Verfahrens zum Bestimmen einer Materialeigenschaft
mittels Ultraschalldämpfung;
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2b ein
Blockdiagramm eines Verfahrens zum Ermitteln eines Referenzspektrums,
das im Verfahren aus 2a verwendet wird;
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3a ein
Beispiel für
ein Zeitdomänen-Ultraschallinteraktionssignal,
das mittels eines Laserultraschallsystems erhalten wird;
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3b ein
Beispiel für
ein Fenster eines Laserultraschallinteraktionssignals und eines
entsprechenden Amplitudenspektrums;
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4a ein
Ultraschallinteraktionssignal, das aus einer einzigen Messung an
einem Detektionsort auf einem Gegenstand erhalten wird;
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4b ein
gemitteltes Ultraschallinteraktionssignal aus an zwölf Orten
auf dem Gegenstand durchgeführten
Messungen;
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5a ein
Beispiel für
Gegenstand- und Referenz-Amplitudenspektren;
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5b ein
Dämpfungsspektrum,
gemessen und mit einem Modell angepasst;
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6 ein
Interaktionssignal, das in einer Korngrößenmessanwendung erhalten wurde;
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7a ein
Beispiel für
eine Kalibrierkurve für einen
angepassten Dämpfungsparameter 'b';
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7b ein
grafischer Vergleich zwischen Korngrößen, die online durch ein Laserultraschallsystem
gemessen wurden, und denen mittels Metallografie erhaltenen Korngrößen;
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8a ein
C-Scan-Bild, welches Porositätsorte
in einer Verbundmaterialprobe darstellt; und
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8b ein
Dämpfungsspektrum
in den Porositätsbereichen
der Verbundmaterialprobe.
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Ausführliche Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsformen
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren und ein System zum Messen
der Ultraschalldämpfung
in einem Prüfgegenstand
mittels eines detektierten, gedämpften
Breitbandultraschallimpulses bereit. Das Verfahren ermöglicht,
dass eine Messung auf dem gedämpften
Breitbandultraschallimpuls basiert, ohne weitere Echos, Oberflächenverschiebung usw.
zu berücksichtigen.
Tatsächlich
wird der einzelne detektierte, gedämpfte Breitbandultraschallimpuls durch
Vergleich mit einem Referenz-Breitbandultraschallimpuls, der eine
Kompensation für
Diffraktions- und
Geometrieparameter des Prüfgegenstandes
vorsieht, wirksam normiert. Der Referenz-Breitbandultraschallimpuls
wird in einer Referenzprobe mit hinsichtlich des Breitbandultraschallimpulses äquivalenten
Diffraktionseigenschaften zu jenen des Prüfgegenstandes erhalten. Der
Vergleich mit der Referenz kann in der Frequenzdomäne durch
Dividieren eines detektierten Spektrums durch ein Referenzspektrum erfolgen.
Von Bedeutung ist, dass das Referenzspektrum im wesentlichen keine
Dämpfung
aufweist, entweder weil die Dämpfung
durch die Referenzprobe vernachlässigbar
ist oder weil die Dämpfung
in der Referenzprobe vollständig
charakterisiert ist und daher aus dem Referenzspektrum entfernt
wird.
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Das
vorgeschlagene Verfahren ist besonders effizient bei einem Breitbandultraschallsystem mit
gutem Ansprechverhalten bei niedrigen Frequenzen. Das Verfahren
setzt auch voraus, dass die zu messende Dämpfung mit der Frequenz variiert,
was bei den meisten Mechanismen der Ultraschallinteraktion mit Materialien
der Fall ist.
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1 zeigt
eine Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform,
wenn das vorgeschlagene Ultraschalldämpfungsverfahren angewandt
wird. Ganz allgemein gesagt umfasst die Vorrichtung ein System zum
Erzeugen eines Breitbandultraschallimpulses in einem Prüfgegenstand 10,
ein System zum Detektieren des Breitbandultraschallimpulses nach
der Transmission durch einen Teil des Prüfgegenstandes 10 und
einen Signalprozessor, welche gekoppelt sind, um die Dämpfung des
Prüfgegenstandes 10 zu messen.
Der untersuchte Prüfgegenstand 10 kann jedwede
geometrische Form aufweisen, und je nach verwendeter Konfiguration
muss nur eine Seite des Prüfgegenstandes 10 zugänglich sein.
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Das
dargestellte System umfasst einen Erzeugungslaser 12 zum
Erzeugen eines Breitbandultraschallimpulses, wenngleich zu erkennen
sein wird, dass bei alternativen Ausführungsformen andere Erzeugungsmittel
verwendet werden können,
einschließlich
der oben genannten. Bei derzeit bevorzugten Ausführungsformen ist der Erzeugungslaser 12 ein
gepulster Laser, der entweder im Ablationssystem oder im thermoelastischen
System zum Induzieren eines Ultraschallimpulses in dem Prüfgegenstand 10 betrieben
wird. Die geeignete Wellenlängen-
und Leistungsdichte des gepulsten Lasers und der Erzeugungsort an
der Oberfläche
des Prüfgegenstandes 10 können dem
Material und der Konfiguration entsprechend gewählt werden, um in dem Prüfgegenstand 10 einen
Ultraschallimpuls mit gewünschten
Eigenschaften zu erzeugen.
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Das
System zum Detektieren des Breitbandultraschallimpulses kann einen
Detektionslaser 14 und ein optisches Detektionssystem 16 umfassen. Der
Detektionslaser 14 kann ein Langpulslaser oder ein kontinuierlicher
Laser sein, der einen Strahl auf einen Detektionsort an der Oberfläche des
Prüfgegenstandes 10 lenkt.
Wie oben beschrieben sind der Detektionsort und der Erzeugungsort
bei der Impuls-Echo-Konfiguration identisch, bei der Durchschallungskonfiguration
entgegengesetzte Oberflächen
und gemäß der Pitch-Catch-Konfiguration
in einem Abstand voneinander (für
gewöhnlich
auf derselben Oberfläche)
getrennt. Der Detektionslaser 14 kann ein relativ leistungsstarker
Laser sein, um ein relativ schlechtes Reflexionsvermögen des
Prüfgegenstandes 10 an
dem Detektionsort zu kompensieren und dennoch ausreichende optische
Leistung für die
Detektion bereitzustellen.
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Bei
einigen Ausführungsformen
wird bevorzugt, dass der Erzeugungslaser 12 und/oder der
Detektionslaser 14 und das optische Detektionssystem 16 in
Bezug auf den Prüfgegenstand 10 beweglich sind,
um Ultraschallmessungen an einer Mehrzahl von Paaren von Erzeugungs-
und Detektionsorten durchzuführen.
Mehrere Messungen können
getrennt zum Detektieren physikalischer Eigenschaften des Prüfgegenstandes 10 an
verschiedenen Orten verwendet werden und/oder können zur räumlichen Mittelwertbildung
kombiniert werden, um ein mittleres Maß für die physikalische Eigenschaft
des Prüfgegenstandes
mit größerer Genauigkeit
zu erzeugen. Dies kann beispielsweise durch Bewegen des Prüfgegenstandes 10,
durch Bewegen der Vorrichtung oder durch Bewegen von optischen Vorrichtungen
erfolgen.
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Der
Detektionslaser 14 ist mit dem optischen Detektionssystem 16 gekoppelt,
welches ein Zeitverzögerungs-Interferometer,
beispielsweise ein stabilisiertes konfokales Fabry-Perot-Interferometer,
sein kann oder nichtlineare optische Komponenten für die Wellenfrontanpassung,
wie oben erwähnt
wurde, umfassen kann. Das optische Detektionssystem 16 gibt ein
elektrisches Interaktionssignal an eine Signalerfassungs- und -prozessoreinheit 18 aus.
Beispielsweise kann die Signalerfassungs- und -prozessoreinheit 18 einen
Analog-Digital-Signalwandler (A/D) zum Digitalisieren des elektrischen
Interaktionssignals umfassen.
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Die
Signalerfassungs- und -prozessoreinheit 18 ist ausgebildet,
um das Interaktionssignal von der Zeitdomäne in die Frequenzdomäne zu transformieren,
beispielsweise durch Anwendung der diskreten Fourier-Transformation
auf das Interaktionssignal, um ein Amplitudenspektrum des detektierten
Ultraschallimpulses zu erzeugen. Vorzugsweise wird ein im Stand
der Technik bestens bekannter Fast-Fourier-Transformations-Algorithmus
verwendet. Bei bevorzugten Ausführungsformen
wird nur ein Teil des Interaktionssignals transformiert, wobei der
Teil durch eine Fensterauswahlfunktion ausgewählt wird, welche sicherstellt,
dass nur das relevante Ultraschallecho in dem Amplitudenspektrum
dargestellt wird und dass nicht mehrere Reflexionen oder Echos verbunden
werden.
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Ferner
ist die Signalerfassungs- und -prozessoreinheit 18 ausgebildet,
um ein Dämpfungsspektrum
durch Vergleichen des Amplitudenspektrums des Prüfgegenstandes 10 mit
jenem eines Referenzgegenstandes zu erzeugen. Das Referenzamplitudenspektrum
wird auf dieselbe Weise wie jenes des Prüfgegenstandes 10 erzeugt.
Bei manchen Ausführungsformen
weist der Referenzgegenstand dieselbe Geometrie wie der Prüfgegenstand 10 auf und
weist ähnliche
Diffraktionseigenschaften auf, wobei der Breitbandultraschallimpuls
jedoch im wesentlichen keine Dämpfung
bei der Fortpflanzung durch den Referenzgegenstand erfährt. Alternativ
dazu kann ein äquivalentes
Referenzamplitudenspektrum mittels eines Referenzgegenstandes mit
unter schiedlicher Geometrie, jedoch mit äquivalenten Diffraktionseigenschaften
erhalten werden. Das Referenzamplitudenspektrum mit niedriger Dämpfung kann
auch mit einem Referenzgegenstand mit einer gut charakterisierten
Dämpfung
durch Korrigieren des detektierten Amplitudenspektrums mittels auf dem
Gebiet der Ultraschallwissenschaft bekannter Gleichungen erzeugt
werden.
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Die
Signalerfassungs- und -prozessoreinheit 18 passt auch das
Dämpfungsspektrum
gemäß einem
Modell an. Ein "Best
Fit" des Dämpfungsspektrums
des Prüfgegenstandes
an eine Kurve des Modells liefert mindestens einen Dämpfungsparameter des
Prüfgegenstandes.
Ein oder mehrere Dämpfungsparameter
werden dann verwendet, um eine physikalische Eigenschaft des Prüfgegenstandes
abzuleiten, die mit der Ultraschalldämpfung schwankt. Vorzugsweise
hat die Signalerfassungs- und -prozessoreinheit 18 Zugang
zu einem Speicher zum Speichern der Interaktionssignale, der Amplitudenspektren,
des Dämpfungsspektrums,
der Dämpfungsparameter
und der abgeleiteten physikalischen Eigenschaft sowie von Programmanweisungen
zum Ausführen
von deren Verarbeitung. Mindestens die abgeleitete physikalische
Eigenschaft wird in weiterer Folge 19 ausgegeben. Eine
oder mehrere der gespeicherten Informationen können beispielsweise grafisch
oder numerisch durch eine Anzeigeeinheit oder eine andere Ausgabevorrichtung
angezeigt werden. Die Signalerfassungs- und -prozessoreinheit 18 kann
einen Mehrzweckrechner umfassen.
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2a zeigt
eine Ausführungsform
eines Verfahrens zum Messen der Ultraschalldämpfung. Zur Verdeutlichung
der Erläuterung
wird bei der Beschreibung der zugehörigen Schritte auf 3a,
b, 4a, b und 5a, b
Bezug genommen. In Schritt 100 wird ein Interaktionssignal,
das einen gedämpften
Breitbandultraschallimpuls darstellt, empfangen, beispielsweise
von einem in 1 dargestellten optischen Detektionssystem 16 über eine
Signalempfangshardware. Das Interaktionssignal ist ein Signal mit
sich zeitlich ändernder
Amplitude, wobei die Amplitude mit der Oberflächenbewegung in Folge des Eintreffens
der Ultraschallwellen an dem Detektionsort auf der Oberfläche des
Prüfgegenstandes
in Relation steht.
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Ein
Beispiel für
ein Interaktionssignal, das mittels der Vorrichtung aus 1 in
der Pitch-Catch-Konfiguration detektiert wurde, ist in 3a dargestellt.
Das Interak tionssignal beginnt mit einer Erzeugungsstörung, bei
welcher das optische Detektionssystem 16 mit störendem reflektiertem
Licht von dem Erzeugungslaser bombardiert wird oder das Detektionslicht
durch das erzeugte Plasma stark moduliert wird. Die Erzeugungsartefakte
können
durch die Verwendung einer gemeinsamen Wellenlänge für den Erzeugungs- wie auch
den Detektionslaser verschlimmert werden. In weiterer Folge weist
das Interaktionssignal ein erstes, ein zweites und ein drittes Echo
eines Breitbandultraschallimpulses auf. Bei dem dargestellten Interaktionssignal
aus 3a wurde eine Pitch-Catch-Konfiguration in einem
Material mit niedriger Dämpfung angewandt.
Starke Diffraktionseffekte in dieser Konfiguration resultieren in
einem ersten Echo, welches eine kleinere Amplitude als das zweite
und das dritte Echo aufweist. Auf Grund der starken Initialdiffraktion in
derartigen Ausführungsformen
kann ein zweites Echo des Ultraschallimpulses mit einer höheren Qualität für Dämpfungsmessungen
verwendet werden. Es ist auch festzustellen, dass Scherwellen auf
dem Interaktionssignal vorliegen. Für Zwecke der Darstellung wird
davon ausgegangen, dass Longitudinalwellen für die Messung verwendet werden,
wobei jedoch zu erkennen sein wird, dass alternativ dazu in anderen
Ausführungsformen
andere Ultraschallwellen verwendet werden könnten. Es wird festzustellen sein,
dass das Verfahren auf jedwede Art von Ultraschallwellen (Longitudinal-,
Scher-, Oberflächenwellen
usw.) in jedweder Konfiguration (Impuls-Echo, Durchschallung, Pitch-Catch
usw.) angewandt werden kann.
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Demzufolge
besteht ein Bedarf an einem Mechanismus zum Identifizieren des zu
analysierenden gewünschten
Teils des Interaktionssignals. Derzeit zieht es der Anmelder vor,
eine Fensterauswahlfunktion zu verwenden, um einen Abschnitt des
Interaktionssignals, der einer einzelnen Manifestation (Echo) des
gewünschten
Ultraschallimpulses (Schritt 102) zugeordnet ist, zu identifizieren.
In diesem Dokument wird der Abschnitt des Interaktionssignals, der
eine einzelne Manifestation des Ultraschallimpulses bildet, als
Echo bezeichnet, auch dann wenn gemäß der Durchschallungskonfiguration
der Ultraschallimpuls nicht von irgendeiner Wand zurückgeworfen
wird. Wenn Dicke und Ultraschallausbreitungsgeschwindigkeit des
Materials annähernd
bekannt sind, wird es bevorzugt die Suche durch Vorwahl eines groben
Zeitfensters des Echos einzugrenzen. Um dann die Identifizierung
des Echos aus benachbartem Rauschen und das Zentrieren in einem schmalen
Zeitfenster zu unterstützen,
kann ein Kreuzkorrelationsverfahren verwendet werden, das einen
Vergleich mit einem Referenzprofil eines Ultraschallimpulses mit
einschließt.
Die Amplitude einer Spitze des Echos kann mit einem auf herkömmliche Weise
bestimmten Rauschpegel verglichen werden, um zu bestimmen, ob das
Echo verwendbar ist. Ein Interaktionssignal kann verworfen werden,
wenn eine Qualität
des Echos zu niedrig ist.
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Das
Echo wird dann durch Anwendung (Schritt 104) der diskreten
Fourier-Transformation (DFT)
in der Frequenzdomäne
dargestellt, wobei ein Amplitudenspektrum abgeleitet wird. Beispielsweise kann
der Fast-Fourier-Transformations(FFT)-Algorithmus verwendet werden.
Ausschlusskriterien werden sowohl in der Zeitdomäne, um sicherzustellen, dass
das Echo über
einem Rauschen wahrnehmbar ist (wie oben angeführt), als auch in der Frequenzdomäne verwendet,
wobei die Ähnlichkeit
mit einer erwarteten Spektrumsform (z.B. Gauß'sche Form) verwendet wird, um zu bestimmen,
ob ein Amplitudenspektrum angenommen oder verworfen wird. Für den Fachmann
ist klar zu erkennen, dass das Interaktionssignal Signalverarbeitungsverfahren
unterzogen wird, um Aliasing zu verhindern und spektrale Leckeffekte
zu minimieren, wie es im Stand der Technik gemeinhin praktiziert
wird. 3b ist eine schematische Darstellung
eines Zeitdomänen-Interaktionssignals,
wobei ein Echo, das als Echo A dargestellt ist, ausgewählt und
innerhalb eines Zeitfensters zentriert wird und so das Amplitudenspektrum
erhalten wird. Die Impuls-Echo-Konfiguration wurde verwendet, um dieses
Interaktionssignal zu erzeugen.
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Bei
manchen Ausführungsformen
wird vorzugsweise ein Mittelwert aus mehreren Amplitudenspektrumsmessungen
berechnet, um eine Messung mit höherer
Genauigkeit zu erhalten, beispielsweise, wenn das Amplitudenspektrum
des Echos des Ultraschallimpulses ein SRV aufweist, welches nicht
ausreicht, um ein Dämpfungsspektrum
von einer Qualität bereitzustellen,
die erforderlich ist, um eine Materialeigenschaft des Prüfgegenstandes
zuverlässig
zu bestimmen. Während
die Mittelwertbildung in der Zeitdomäne mittels des Interaktionssignals
durchgeführt
werden kann, wird es derzeit vorgezogen, eine Addition in der Frequenzdomäne durchzuführen. Durch
Mitteln mehrerer Spektren ist es möglich, ein Amplitudenspektrum
von höherer
Qualität
zu erzeugen. Die Genauigkeit der Fensterauswahlfunktion ist von
größerer Bedeutung
beim Mitteln mehrerer Spektren, da die Fensterauswahlfunktion gewährleistet,
dass die Echos im wesentlichen synchronisiert sind. Das heißt, dass
die Fensterauswahlfunktion die verschiedenen Echos zeitlich abgleicht,
so dass präzise
synchronisierte Echos verwendet werden, um die Amplitudenspektren
zu erzeugen, wobei auf Überlagerungsversatz
zurückzuführende Fehler
minimiert werden.
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Beispielsweise
weist die Fensterauswahlfunktion Vorteile auf, wenn eine Kompensation
der Dickenvariation des Prüfgegenstandes
an verschiedenen Erzeugungs- und Detektionsorten erforderlich ist.
Ein Unterschied in der Dicke des Prüfgegenstandes an dem Detektions-
und dem Erzeugungsort resultiert in unterschiedlichen Zeitspannen
zwischen der Erzeugung des Ultraschallimpulses und der Manifestation
des Impulses an dem Detektionsort. Wenn eine derartige Dickenvariation
existiert, kann jedes Echo nicht zeitlich abgeglichen sein und die
Summe aus digitalen Signalen würde
kein digitales Summensignal von vernünftiger Qualität ergeben.
Die Fensterauswahlfunktion ist ein Mechanismus zum Eliminieren von
Fehlern, die durch den zeitlichen Versatz der Spektren verursacht
werden.
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Es
können
viele verschiedene Arten von Mittelwertberechnung angewandt werden.
Derzeit bevorzugt der Anmelder die Frequenzdomänen-Mittelwertbildung mittels
komplexer Spektren, d.h. umfassend Amplituden- und Phaseninformationen
von dem FFT-Ausgang. Die Glätte
des resultierenden Amplitudenspektrums zeigt die Verbesserung an.
Das Mitteln von Messungen an verschiedenen Positionen bietet in
bestimmten Situationen einige Vorteile. Wenn beispielsweise kohärentes Rauschen
bei einem Phasenversatz, der sich mit der Position des Detektionsortes
an der Oberfläche
des Prüfgegenstandes ändert, vorliegt,
wird die Mittelwertbildung an mehreren Detektionsorten das SRV statistisch
verbessern. Ein Beispiel für
ein derartiges kohärentes Rauschen
ist das kohärente
rückgestreute
Kornrauschen, das im Interaktionssignal eines polykristallinen Materials
vorliegt.
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Demzufolge
können
optionale Schritte 106-108 angewandt werden, um
die Mittelwertbildung durchzuführen.
In Schritt 106 wird bestimmt, ob ein anderes Amplitudenspektrum
zu mitteln ist. Wenn ein anderes Amplitudenspektrum zu mitteln ist,
kehrt der Prozess zu Schritt 100 zurück. Die Anzahl von Amplitudenspektren,
die benötigt
werden, um ein annehmbares Dämpfungsspektrum
bereitzustellen, kann empirisch ermittelt werden und unterliegt
Genauigkeitsanforderungen, die sich auf verschiedene Anwendungen
beziehen. Sobald das letzte Amplitudenspektrum erhalten wurde, werden
die Amplitudenspektren in Schritt 108 gemittelt und das
mittlere Amplitudenspektrum in Schritt 110 verarbeitet.
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4a,
b zeigen schematische Darstellungen des Effekts der Mittelwertbildung
zum Reduzieren des Rauschens in dem Interaktionssignal. In 4a ist
ein einzelnes Interaktionssignal wie empfangen dargestellt, wohingegen
zwölf Interaktionssignale
in der Zeitdomäne
gemittelt wurden, um das in 4b dargestellte
mittlere Interaktionssignal zu erzeugen. Die zwölf Signale werden in der Zeitdomäne ohne
Fensterung addiert und in Bezug auf die Ultraschallerzeugung zeitlich
abgeglichen, was beispielsweise geeignet ist, wenn ein Mittelwert
von Messungen an identischen Erzeugungs- und Detektionsorten gebildet
wird oder wenn sich andernfalls die Dicke nicht mit jeder Messung ändert. Der
Fachmann wird durch Inaugenscheinnahme erkennen, dass 4b ein
gegenüber 4a verbessertes
SRV darstellt.
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In
Schritt 110 wird das Amplitudenspektrum des Prüfgegenstandes
mit dem eines Referenzgegenstandes verglichen. Wie oben erläutert, kann
das Referenzamplitudenspektrum durch Anwendung von Schritt 100-108 auf
einen Referenzgegenstand an Stelle des Prüfgegenstandes erzeugt werden,
wobei der Referenzgegenstand Diffraktionseigenschaften aufweist,
die zu jenen des Prüfgegenstandes
(in Bezug auf Ultraschall) äquivalent
sind, der Referenzgegenstand jedoch im wesentlichen keine Dämpfung aufweist.
Demzufolge kann das Referenzamplitudenspektrum anhand des unten
in Bezug auf 2b beschriebenen Verfahrens
abgeleitet werden.
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Insbesondere
wird die Dämpfung
von Ultraschallwellen in dem Prüfgegenstand
in Abhängigkeit von
der Frequenz (d.h. das Dämpfungsspektrum)
als Verhältnis
zwischen dem Spektrum des Referenzgegenstandes zu jenem des Prüfgegenstandes
berechnet. Für
gewöhnlich
ist die Dämpfung
eine Funktion der durch die Welle zurückgelegten Strecke, und demzufolge
kann das Dämpfungsspektrum durch
die Strecke, welche der Ultraschallimpuls in dem Prüfgegenstand
zurücklegt,
dividiert werden. Für
den Fachmann wird deutlich, dass diese Strecke vorbestimmt sein
kann, mechanisch gemessen werden kann oder durch die Laufzeit zwischen
Erzeugung und Detektion oder die Zeit zwischen Echos berechnet werden kann.
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Beispielsweise
kann, um das Dämpfungsspektrum
in Dezibeleinheiten zu berechnen, folgende Gleichung verwendet werden:
wobei f die Frequenz darstellt, α das erhaltene
Dämpfungsspektrum,
d die vom Ultraschallimpuls zurückgelegte
Strecke, Aref(f) das Amplitudenspektrum des Signals, das in dem
Referenzmaterial mit niedriger (vernachlässigbarer) Dämpfung erhalten
wird, und A(f) das Amplitudenspektrum des Prüfmaterials ist. Das Dämpfungsspektrum α stellt eine
relative Dämpfungsmessung
in Bezug auf das Referenzmaterial dar. Ein absolutes Dämpfungsspektrum
ist nicht erforderlich, um Materialeigenschaften zu bewerten, wenn
das Dämpfungsspektrum
wie unten beschrieben gemäß einem
Modell angepasst ist. Wenn das Referenzmaterial eine gewisse bekannte
Dämpfung aufweist,
wird diese Dämpfung
einfach aus Aref in Gleichung (1) entfernt.
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5a zeigt
ein typisches Beispiel für
ein Amplitudenspektrum 20 für einen Prüfgegenstand und ein Referenzamplitudenspektrum 21.
Es ist zu erkennen, dass das Referenzamplitudenspektrum 21 eine
größere Amplitude
als das Amplitudenspektrum 20 aufweist. Während dies
jedes Mal geschieht, wenn dieselben Bedingungen sowohl für den Prüfgegenstand
als auch den Referenzgegenstand angewandt werden, wird doch deutlich,
dass dies im Kontext der Erfindung nicht notwendig ist. Wenn die Empfindlichkeit
des Ultraschalldetektors oder die Stärke des Ultraschallgenerators
unterschiedlich sind, kann sich das System der vorliegenden Erfindung
eines Modells bedienen, welches einen beliebigen Amplitudenversatz
kompensiert. Das Dämpfungsspektrum
wird dann in Schritt 112 gemäß einem Dämpfungsmodell angepasst. Da
das Dämpfungsspektrum
ein relatives Maß und
keine absolute Dämpfungsmessung
ist, trägt
das Dämpfungsspektrum
keinen Amplitudenvariationen Rechnung, die frequenzunabhängig sind.
Die Anpassung erfolgt demnach vorzugsweise mit einem Modell, das
mögliche
Variationen von Impulsstärke
bei der Erzeugung und Detektionsempfindlichkeit zwischen Prüfmaterial und
Referenz (d.h. einen Amplitudenversatz) berücksichtigt.
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Viele
physikalische Mechanismen, welche für Dämpfung verantwortlich sind,
können
anhand einer Potenzgesetzabhängigkeit
von der Frequenz modelliert werden. Wenn ein derartiger Mechanismus vorhanden
ist, kann die gemessene Dämpfung
gemäß dem folgenden
Modell angepasst werden: α(f) = α0 +
bfn (2)wobei
n eine Frequenzpotenz ist, α0 ein Parameter, der Variationen der Signalstärke frequenzunabhängig Rechnung
trägt,
und b einen physikalischen Dämpfungsmechanismus
darstellt, der mit einer Materialeigenschaft in Relation steht.
Es ist zu erkennen, dass für
jedwede zwei Parameter α0, b des Modells eine Kurve definiert wird.
Ein Maß der
Anpassung des Dämpfungsspektrums
gemäß einer
Kurve wird für
verschiedene Kurven verglichen. Die Kurve, für welche das Maß der Anpassung
optimal ist, wird als "Best
Fit" des Dämpfungsspektrums
gemäß dem Model
auf im Stand der Technik bestens bekannte Weise bestimmt. Als Ergebnis
der Anpassung werden die Dämpfungsparameter α0 und
b bestimmt.
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Der
Parameter α0 ist zum Bestimmen einer physikalischen
Eigenschaft des Prüfgegenstandes nicht
erforderlich, und sofern keine Beiträge zu diesem Versatz festgestellt
werden können,
entspricht α0 keinem relevanten Parameter des Systems.
Folglich kann der Dämpfungswertversatz
des Dämpfungsspektrums
ignoriert werden. Das oben definierte Modell ermöglicht die Identifizierung
der frequenzvariierenden Dämpfung,
ohne eine Korrektur für
Varianzen der Signalstärke
zu erfordern. Für
die Robustheit wird der Parameter n während des Anpassungsvorgangs
vorzugsweise fix gehalten, mit einem Wert im Bereich zwischen 0
und 4. Wenn beispielsweise der vorherrschende beteiligte Mechanismus
in dem Rayleigh-Regime die Streuung ist, beträgt der Wert von n 4, was einer
Dämpfung
entspricht, welche von der vierten Potenz der Frequenz abhängig ist.
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Wenn
zwei physikalische Mechanismen zur Dämpfung beitragen, beispielsweise
Streuung und Absorption, kann die gemessene Dämpfung gemäß der folgenden Funktion angepasst
werden: α(f) = α0 +
afm + bfn (3)wobei m und
n die Frequenzpotenzen für
Absorption bzw. Streuung sind. Gleicherweise sind die Parameter
a und b Faktoren der beiden beteiligten Mechanismen, die mit Materialeigenschaften
in Relation stehen. Gemäß anerkannten
Modellen der Absorption und Streuung liegt m zwischen etwa 0,2 und
etwa 1,5 und n zwischen etwa 1,5 und etwa 4. Auch hier werden zu
Gunsten der Robustheit m und n vorzugsweise während der Anpassung fix gehalten
und sollten nicht zu nahe beieinander liegen. Wenn beide Frequenzpotenzen
n und m nahe beieinander liegen, muss die Gleichung (2) verwendet
werden, wobei n eine effektive Frequenzpotenz für beide beteiligten Mechanismen
ist, in welchem Fall Beiträge
vom jeweiligen Mechanismus nicht identifiziert werden können. Es
ist zu erkennen, dass eventuell nur einer oder mehrere der Parameter
zum Berechnen der physikalischen Eigenschaft des Prüfgegenstandes erforderlich
sind.
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Bei
der oben angeführten
Funktion könnte auch
der Parameter α0, der Variationen der Signalstärke Rechnung
trägt,
einfach durch Inaugenscheinnahme geschätzt und während der Anwendung des Anpassungsverfahrens
fix gehalten werden.
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5b stellt
ein Dämpfungsspektrum
dar, welches gemessen 25 und gemäß einem Modell 26 angepasst
wird. Das gemessene Dämpfungsspektrum 25 ist
eine relative Dämpfungsmessung
in Bezug auf das Referenzdämpfungsspektrum.
Es ist zu erkennen, dass eine dem Modell entsprechende Kurve 26,
welche am besten für
die Dämpfungsmessung 25 passt,
eine von vielen Kurven des Modells ist. Der "Fit" mit
der Kurve 26 liefert sowohl das Versatzmaß als auch
einen Parameter, welcher die Bewertung von mindestens einer Materialeigenschaft
des Prüfgegenstandes
ermöglicht.
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Bei
manchen Anwendungen ist eine Materialeigenschaft erforderlich, welche
mit einer ersten Ableitung des Dämpfungsspektrums
schwankt. Dies entfernt den konstanten Faktor α0, der
sich auf Variationen der Signalstärke zwischen dem Prüfmaterial und
der Referenz bezieht. Die Ableitung des Dämpfungsspektrums kann numerisch
anhand von im Stand der Technik bestens bekannten Verfahren ermittelt
werden.
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2b zeigt
eine Ausführungsform
des Verfahrens zum Erzeugen eines Referenzamplitudenspektrums. In
Schritt 120 wird ein Interaktionssignal erfasst, welches
den Ultraschallimpuls nach der Transmission entlang einer Strecke
in einem Referenzgegenstand darstellt. Der Referenzgegenstand weist
vollständig
charakterisierte Dämpfungseigenschaften
(vorzugsweise eine vernachlässigbare Dämpfung)
auf, und die Strecke in dem Referenzgegenstand weist äquivalente
Diffraktionseigenschaften zu der Strecke durch den in 2a verwendeten Prüfgegenstand
auf. Das Referenzamplitudenspektrum wird verwendet, um eine Korrektur
für das
Ansprechverhalten des gesamten Systems (Bandbreite, Diffraktion
usw.) bereitzustellen. Durch geeignete Auswahl des Referenzmaterials
kann der Diffraktionseffekt in beiden Signalen nahezu identisch
gemacht werden und wird folglich durch Vergleich mit (Division durch)
Aref automatisch entfernt. Um ein äquivalentes Diffraktionsverhalten
aufzuweisen kann das Referenzmaterial derart gewählt werden, dass es dieselbe
Geometrie und dieselben Ultraschallausbreitungsgeschwindigkeiten
oder eine Kombination aus diesen Parametern aufweist, um äquivalente
Diffraktionsbedingungen vorzusehen wie für den Fachmann zu erkennen
ist. Das Referenzamplitudenspektrum bedient sich vorzugsweise genau
desselben Erzeugungs- und Detektionsverfahrens, welches auf den
Prüfgegenstand
angewandt wird.
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In
Schritt 122 wird ein Verfahren angewandt, wie es oben beschrieben
wurde, um ein Zeitfenster (d.h. einen Abschnitt des Interaktionssignals,
der einem gewünschten
Echo oder einer ähnlichen
Manifestation des Breitbandultraschallimpulses entspricht) zu identifizieren.
Daraufhin wird das Interaktionssignal innerhalb des Zeitfensters
in die Frequenzdomäne
transformiert (Schritt 124), um das Referenzamplitudenspektrum
zu erzeugen. Wenn der Referenzgegenstand eine vernachlässigbare
Ultraschalldämpfung
aufweist, wird das Referenzamplitudenspektrum durch Anwenden der
DFT oder FFT auf das Signal berechnet. Andernfalls wird die charakterisierte
Dämpfung
verwendet, um das erzeugte Amplitudenspektrum zu korrigieren und
um das nichtgedämpfte
Referenzamplitudenspektrum auf eine Weise zu erzeugen, die auf diesem
Fachgebiet und in der Ultraschallwissenschaft versierten Fachleuten
vertraut ist. Es ist zu erkennen, dass das Ausmaß der Dämpfungskorrektur durch Verwendung
von Referenzmaterialien mit geringerer Dämpfung reduziert werden kann.
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Auf
eine Weise, die der oben für
den Prüfgegenstand
beschriebenen ähnlich
ist, kann das Spektrum des Referenzgegenstandes durch mehrfache Messungen,
die an einem oder mehreren Orten vorgenommen werden, gemittelt werden.
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Beispiele
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Es
gibt zahlreiche Anwendungen des vorgeschlagenen Verfahrens und Systems.
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Ein
erstes Beispiel ist die Bestimmung der Korngröße von Stahl auf einer Produktionsanlage mittels
einer Laserultraschalldämpfungsmessung.
In vielen Fällen
ist die austenitische Korngröße, die
mit dem Austenitzerfall während
des Abkühlens
in Zusammenhang steht, der wichtigste metallurgische Parameter zum
Bestimmen der mechanischen Eigenschaften von Stählen. Um kontrolliertes thermomechanisches
Verarbeiten eines Stahlstücks
korrekt zur Anwendung zu bringen, muss zunächst die austenitische Korngröße des Stahlstücks bestimmt
werden. Die Fähigkeit,
die austentische Korngröße in der Produktionsanlage
zu bestimmen, ist demnach eine sehr gefragte Technologie.
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Das
oben beschriebene Verfahren wurde verwendet, um austenitische Korngrößen aus
der Ultraschalldämpfung
für einen
breiten Bereich von Korngrößen (20
bis 300 μm)
und für
relativ dicke Materialien (bis 30 mm) in nahtlosen Stahlrohren quantitativ
zu bestimmen. Das System bestand aus einem gütegeschalteten Neodym:Yttrium-Aluminium-Granat(Nd:YAG)-Laser
zur Erzeugung des Ultraschallimpulses und einem Nd:YAG-Langpuls-Laser
zur Detektion in einer Pitch- Catch-Konfiguration.
Das Detektionslicht, welches durch den Ultraschallimpuls moduliert
wird, der an dem Detektionsort auftrifft, wird mittels eines Fabry-Perot-Interferometers demoduliert.
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Zur
Kalibrierung wurden Stahlproben unterschiedlicher Güte in einem
thermomechanischen Gleeble-Simulator im Bereich von 900°C bis 1250°C erhitzt
und etwa 10 Minuten gehalten, um das Kornwachstum zu sättigen.
Während
des gesamten thermischen Zyklus wurden Laserultraschallmessungen durchgeführt. Nach
dem Abschrecken während
eines geeigneten Zeitraums (je nach Stahlgüte) wurden die austenitischen
Ausgangskörner
mittels Ätzen
freigelegt und durch Bildanalyse quantitativ charakterisiert. Eine
Messung wurde auch an einer Referenzstahlprobe mit derselben Geometrie
und Ultraschallausbreitungsgeschwindigkeit und einer niedrigen Dämpfung durchgeführt, um
das Referenzamplitudenspektrum zu erhalten.
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6 zeigt
ein Interaktionssignal, welches einem detektierten Ultraschallimpuls
auf einer Produktionsanlagenimplementierung für die Bestimmung der Korngröße entspricht.
Die Konfiguration der Erzeugungs- und Detektionsausrüstung war
die oben beschriebene Pitch-Catch-Konfiguration.
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7a ist
ein Schaubild eines Beispiels für eine
Kalibrierungskurve zum Interpretieren der mittleren Korngröße mit Resultaten
des Ultraschalldämpfungsparameters
b, wobei b durch Anpassen des Dämpfungsspektrums
an ein Modell ermittelt wird. Die Korngröße wird mittels standardmäßiger metallografischer
Verfahren ermittelt.
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Es
gab zahlreiche Hemmnisse gegen exakte Online-Messungen für Anwendungen
in industriellen Umgebungen mit echten Produkten. Da die Rohroberflächen das
Detektionslaserlicht schlecht reflektierten, stellte das SRV ein
signifikantes Problem dar. Um die Dämpfungsspektrumsqualität zu verbessern, wurden
Amplitudenspektren durch Mitteln von Ultraschallinteraktionssignalen,
die an vielen Positionen entlang dem Rohr erhalten wurden, berechnet,
und auf diese Weise wurde die Korngröße über ein Segment des Rohres
oder über
das gesamte Rohr evaluiert. Das oben beschriebene Frequenzdomänen-Mittelungsverfahren,
das sich komplexer Spektren bedient, wurde für adäquat befunden.
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7b zeigt
den Vergleich zwischen austenitischer Korngröße, die mittels des Laserultraschallsystems
online gemessen und anhand der Kalibrierungskurve aus 7a interpretiert
wurde, und jener, die mittels Metallografie nach geeignetem Abschrecken
an denselben Rohren ermittelt wurde. In Folge der Produktionsanlagenbedingungen
wurde erwartet, dass die Ultraschallmessungen weniger genau als
jene sind, die in kontrollierten Laborbedingungen vorgenommen wurden.
Die Genauigkeit der Korngrößenmessungen
mittels Metallografie war auf Grund von Schwierigkeiten bei der
Anwendung des geeigneten Kühlverfahrens
in der Produktionsumgebung, das die 'Dekoration' austenitischer Ausgangskorngrößen ermöglicht,
reduziert. Mit einer geschätzten metallografischen
Korngrößengenauigkeit
zwischen 0,5 und 1 ASTM zeigt eine statistische Analyse, dass die
Laserultraschall-Korngrößen, die
online bestimmt wurden, mindestens dieselbe Genauigkeit wie die durch
Metallografie ermittelten aufwiesen.
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Eine
zweite beispielhafte Anwendung des vorgeschlagenen Verfahrens und
Systems ist auf dem Gebiet der Verbundmaterialprüfung. Ein Prüfmuster
aus kohlefaserverstärktem
Kunststoff (CFRP) mit einer ebenen, rechteckigen Oberfläche mit
Abmessungen von 100 mm × 120
mm und einer Dicke von 6,3 mm wurde hergestellt. Eine dünne Farbschicht
wurde auf die Oberfläche
des Verbundwerkstoffs aufgetragen, um eine gute Ultraschallerzeugung
in dem thermoelastischen System zu erzielen.
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Der
Erzeugungs- und Detektionsaufbau, der verwendet wurde, um die Anwendung
zu verifizieren, umfasste einen Multimoden-CO2-Laser
zur Erzeugung von Ultraschall-Volumenwellen. Ein Neodym:Yttrium-Aluminium-Granat(Nd:YAG)-Laser,
der mit einem Fabry-Perot-Interferometer zur Phasendemodulierung
gekoppelt war, wurde zur Ultraschalldetektion verwendet. Die Laserpunktgröße für die Erzeugung
betrug etwa 6,5 mm, und jene für
die Detektion betrug etwa 5 mm. Der Erzeugungs- und der Detektionspunkt waren beinahe übereinander
gelegt, entsprechend der Impuls-Echo-Konfiguration. Der Frequenzempfindlichkeitsbereich
des Systems reichte von 1 bis 10 MHz. Laserultraschallmessungen wurden
vorgenommen um Porositätsbereiche
innerhalb des Prüfmusters
zu lokalisieren. Ein zweidimensionaler Scan wurde in Bezug auf die
Oberfläche durch
Abfahren der Oberfläche
in parallelen Linien durchgeführt.
Jeder Messort war von den benachbarten Messorten 1,47 mm entfernt.
-
8a ist
ein Grauskalen-C-Scan-Bild der Amplitude des Rückwandechos. Deutlich sichtbar sind
kreisförmige
Punkte S1-S3 mit einer Größe von etwa
18 mm, welche als die Orte der Poren in dem Prüfmuster identifiziert wurden.
-
8b zeigt
die Dämpfungsspektren
innerhalb der Porositätsbereiche
S1, S2 und S3, die in
8a dargestellt sind. Das Referenzspektrum,
welches verwendet wird, um diese Dämpfungsspektren zu erhalten,
wird aus einem Rückwandecho
an einem Ort bezogen, wo das Material bekanntermaßen in Ordnung
ist. Fachleute werden erkennen, dass die Ultraschalldämpfung in
CFRP-Material an Orten, an denen weder Porosität noch ein anderer Defekt zu
erkennen sind, vernachlässigbar
ist. Bei einem Verbundmaterial wird erwartet, dass das Dämpfungsspektrum
ein beinahe lineares Verhalten für
einen bestimmten Frequenzbereich, in diesem Fall von 1 bis 8 MHz,
aufweist. Wie in der Werkstoffkunde bestens bekannt ist, schwankt
der Poren/Volumen-Anteil P
v direkt mit der
ersten Ableitung (d.h. der Steilheit) des Dämpfungsspektrums innerhalb
seines linearen Bereichs, wobei die Dämpfung in erster Linie durch
einen Streuungseffekt verursacht wird. Demzufolge gilt:
wobei c eine für das Material
und die Porengeometrie spezifische Proportionalitätskonstante
ist.
-
Es
wird deutlich, dass die Verwendung dieses Modells zur Bestimmung
des Porositätsgehalts die
Korrektur für
die Variation der Signalstärke
ausschließt,
da ein frequenzunabhängiger
konstanter Faktor durch Verwendung der Ableitung eliminiert wird.
Unter der Annahme, dass der Wert von c für diese Probe 7,5 Vol.-% mm
MHz/dB beträgt,
wird der geschätzte
Porositätsinhalt
in den Bereichen S1, S2 und S3 zu 1,0, 0,8 und 1,5% ermittelt. Diese
Schätzwerte
stimmen mit den Nominalwerten überein,
die der Herstellung des Prüfmusters
zugeordnet sind.
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Natürlich können zahlreiche
andere Anwendungen des oben angeführten Verfahrens in Betracht gezogen
werden, ohne von Wesensart und Umfang der Erfindung abzuweichen.
Neben der oben genannten Ausführungsform
mit Laserultraschall kann das vorgeschlagene Verfahren durch Verwendung
einer anderen Ultraschallmethode, beispielsweise mit piezoelektrischen
Prüfköpfen oder
EMATs, oder für jedwede
Art von Wellen (Longitudinal-, Scher-, Oberflächenwellen usw.) und jedwede
Konfiguration (Impuls-Echo, Durchschallung, Pitch-Catch usw.) angewandt
werden. Für
ein bestimmtes Verfahren, eine bestimmte Wellenart und eine bestimmte
Konfiguration sollte die Prüfung
auf das Prüfmaterial
und auf ein Referenzmaterial, um ein Referenzspektrum mit niedriger
Dämpfung
zu erzeugen, angewandt werden.
-
Zusammenfassung
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Offenbart
werden ein Verfahren und ein System zum Bestimmen einer Eigenschaft
eines Gegenstandes durch Messen der Ultraschalldämpfung. Mit dem vorgeschlagenen
Verfahren wird ein gemessenes Ultraschallinteraktionssignal des
Gegenstandes mit einem Referenzsignal verglichen, das anhand desselben
Erzeugungs- und Detektionsaufbaus, jedoch durch Verwendung eines
Referenzteiles, hergestellt wird. Das Referenzultraschallsignal
weist eine niedrige Dämpfung
auf und hat zu dem Gegenstand äquivalente
Diffraktionseigenschaften, in Bezug auf einen Breitbandultraschallimpuls.
Die Differenz ist auf die Dämpfung
des Gegenstandes zurückzuführen. Die
Dämpfung
in Abhängigkeit
von der Frequenz, das Dämpfungsspektrum,
wird gemäß einem Modell
angepasst, um einen Parameter zu erhalten, der sich zum Bestimmen
einer der vielen Eigenschaften eines Gegenstandes, die sich mit
der Ultraschalldämpfung ändert, eignet.
