DE3010108A1

DE3010108A1 - Verfahren und einrichtung zur ultraschalluntersuchung von gegenstaenden

Info

Publication number: DE3010108A1
Application number: DE19803010108
Authority: DE
Inventors: S R Doctor; B Percy Hildebrand
Original assignee: Electric Power Research Institute Inc
Current assignee: Electric Power Research Institute Inc
Priority date: 1979-03-16
Filing date: 1980-03-15
Publication date: 1980-11-06
Also published as: GB2048476B; US4258574A; JPS6255626B2; JPS55129750A; IT8020661A0; FR2453437B1; ES8105490A1; ES490302A0; CA1143048A; GB2048476A; FR2453437A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Gewinnung eines Ultraschallabbildes vom Gegenständen und eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens. Sie befaßt sich hauptsächlich mit der reihenweisen Anordnung von Schallwandlern und den zur Gewinnung des Schallabbildes zu verwendenden Signalverarbeitungskreisen.

Bei der Gewinnung von Abbildern mittels Schallimpulsecho ist es schwierig, eine brauchbare Bildauflösung zu erhalten, wenn gebündelte Schailstrahlen benutzt werden. Ein Schallstrahl von etwa 25,4 mm Durchmesser ist erforderlich, um ein für die Gewinnung eines Abbilds ausreichendes Strahlenbündel zu erhalten; ein solcher Durchmesser ist aber für die meisten praktischen Abbildungszwecke zu groß. Normalerweise wird ein Strahl von kleinerem Durchmesser gebraucht und die entsprechende Verminderung der Bildauflösung als Kompromiß akzeptiert. Wenn andererseits fokussierte Schallstrahlen bei der Impulsechoabbildung benutzt werden, kann nur ein innerhalb der Brennpunktszone gelegener Materialfehler des zu prüfenden Gegenstandes abgebildet werden. Außerdem sind fokussierte Schallwellen äußerst schwierig herzustellen und elektronisch abzutasten.

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Ein anderes Verfahren zur Ultraschallabbildung interessierender Gegenstände ist die akustische Holographie. Bei der zur Zeit praktizierten akustischen Holographie wird ein einzelner fokussierter Wandler verwendet, der in bezug auf den zu prüfenden Gegenstand (Prüfobjekt) räumlich so angeordnet ist, daß Schallwellen auf die Oberfläche des Gegenstands fokussiert xtferden„ Der Wandler wirkt dabei sowohl als Schallquelle als auch als Schallempfänger= Eine mechanische Brücke dient dazu? den Wandler von einer Stellung zu einer anderen zu führen und das Prüfobjekt abzutasten= Das von dem Wandler empfangene Echosignal wird in ein elektrisches Signal umgewandelt und dann mit einem Bezugssignal gemischt. Das resultierende Signal wird danach zur Beeinflussung einer Lichtquelle verwandt, die einen Teil eines photographischen Films entsprechend der Stellung des Wandlers in bezug auf das Prüfobjekt belichtet» Ändere verwenden ein Rechner-Wiedergewinnungsschema„ Während des Betriebs bewegt die mechanische Brücke den Wandler über das Prüfobiekty"so daß dieses Punkt für Punkt abgetastet und der photographische Film voll belichtet wird«, Der Film wird später entwickelt und durch Beleuchten des Films mit kohärentem Licht ein Abbild hergestellt»

Die Gewinnung eines Abbildes durch Schallholographie erfordert bis jetzt so viel Zeit* daß sie zu einer praktischen Anwendung kaum in Betracht kommt. Wenn

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der Wandler 128 χ 128 Messungen ausführt, muß die Abtastbrücke den Wandler mehr als 16 000 mal räumlich bewegen. Es dauert daher länger als 20 Minuten, um so viele Daten aufzuzeichnen. Wird eine elektrisch abgetastete Reihe von mehreren Wandlern benutzt, um die Abtastgeschwindigkeit zu vergrößern, so ist es schwierig, genügend Energie aus den kleinen Wandlern zu erhalten, um hinreichend tief in den zu prüfenden Gegenstand einzudringen. Das ist besonders problematisch, wenn größere Werkstücke aus geschmiedetem Stahl mittels Schallabbildung untersucht werden sollen, weil deren Dickenabmessungen 250 bis 300 mm betragen können.

Ein anderes Verfahren zur Abbildung mittels Ultraschall verwendet Stauwellenwiederherstellung (backwave reconstruction). Eine Schallwelle wird von einem Prüfobjekt, auf das sie auftrifft, gestreut, und die Phase und Amplitude der Streuwellenstxrn werden festgestellt und digital dargestellt. Das Abbild wird dann durch Anwendung der Beugungstheorie (angular spectrum diffraction theory) digital errechnet. Dieses Verfahren ist in einer Arbeit mit dem Titel "Computer Reconstruction of Images From Ultrasonic Holograms" von Boyer u.a. geschrieben, erschienen in Band 2 von "Acoustical Holography", Herausgeber Metherell und Larmore, Plenum Press, New York, 1970, Seiten 211 - 223. Das Verfahren ist ferner beschrieben in einem Artikel

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14. 3.80

DATUM/DATE

PATENTANMELDUNG

PRIORITÄT:

16. März 1979

entsprechend US Serial No. 020 979

BEZEICHNUNG: Verfahren und Einrichtung zur Ultraschalluntersuchung von Gegenständen.

ANMELDER: Electric Power Research Institute, Inc., 3412 Hillview Avenue,

Palo Alto, .Kalif. 94 303 (V.St.A.)

ERFINDER:

1. B. Percy Hildebrand,
1938 Mahan,
Richland, Washington 99352 (V.St.A.)

2. S.R. Doctor,

149 West Hillview Drive, Richland, Washington 99352 (V.St.A.)

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"Digital Ultrasonic Wavefront Reconstruction in the Near Field" von David Van Rooy, lEM~Veroffentlichung Nr, 32O 2402 vom 19. Mai 1970.

Bei einem weiteren System zur holographischen Abbildung werden ein zylindrischer Eeschallungswancller und eine senkrecht zu seiner Längsachse angeordnete lineare Empfängerreihe" verwandt, Der Beschallungswanciler und die Empfängerreihe werden längs einer zu dem Beschallungswandler parallelen Achse derart trnsslatorisch bewegt, daß die Eir.pf ängerreihe ti.rie ~; ai-r.::= 3eob^^r;-::\g? fläche bestreicht. Dieses Syz-ta::. Let ±i\ ä:.::^ K.;\yi!\z! h?:. Holographie System for ->is-a 51. to 5 O-^-sc-:; ^;: ve:.. ha-is et al. beschrieben_f veröffentlicht in Bar.n 3 vor, "Acoustical Holography", Herausgeber Metherell_r erschienen in Plenurs Press, New York, 1971, Seiter; 225 ~ 245, und in- einem Artikel "Experimental Results from an Underwater Acoustical Holographic System" von Wollman und Wade, veröffentlicht in Band 3 von "Acoustical Holography", Herausgeber Green, Plenum Press, New York, Seiten 159 - 174.

Diese Anordnung löst zwar das Problem,genügend Energie für die Abbildgewinnung mittels akustischer Holographie zu erzeugen, hat aber ein nur begrenztes Beobachtungsfeld. Wenn die Größe des interessierenden Objekts breiter ist als die Hälfte der Länge der Empfängerreihe,

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BAD ORIGiNAL

wird das interessierende Objekt von dem System nicht erfaßt. Die Schallwellen werden hier von dem Objekt über das Ende der Empfängerreihe hinaus reflektiert und die reflektierenden Schallwellen werden von der Empfängerreihe insoweit nicht aufgenommen. Es besteht außerdem das Problem der Kompensation des Längen- oder Bildseitenverhältnisses, das sich mit der Lage des interessierenden Objektes verändert. Für ein punktartiges Objekt ergibt die Empfängerreihe ein elliptisches Muster und das Längen- oder Bildseitenverhältnis ist:

Darin bedeutet a = die Länge der kleineren Achse

b = die Länge der größeren Achse D = die Tiefenabmessung des Objektes χ = die Lage des Objektes relativ zum AperturZentrum.

Der Erfindung liegt zunächst die Erfindung zugrunde, ein Prüfobiekt.wie z.B. ein Formstück, mit hoher Geschwindigkeit abzutasten. Dies geschieht dadurch, daß eine lineare Gruppe von Empfangswandlern, die parallel zu einer linsenförmigen Schallquelle angeordnet ist, elektronisch abgetastet wird. Die linienförmige Schallquelle und die Reihe von Empfangswandlern

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werden mechanisch schrittweise längs einer zu der Reihe senkrechten Linie translatorisch bewegt. Auf diese Weise wird ein flächiger Bereich bestrichen. Die linienförmige Schallquelle wird oftmals je Sekunde mit Impulsen betrieben und jeder Empfänger wird in einer festgelegten Lage wiederum elektronisch probeweise abgetastet. Sobald alle Empfänger abgetastet worden sind, werden die linienförmige Schallquelle und die Empfängerreihe um einen Schritt in eine neue Stellung weitergeschaltet. Der Vorgang wird wiederholt, bis die gesamte Beobachtungsfläche abgetastet worden ist.

Eine weitere der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, ein auf akustischem Wege gewonnenes Abbild eines Formstücks oder sonstigen Prüfobjekts bei hoher Geschwindigkeit zu erhalten- Dies geschieht durch Anwendung einer Stauwellenwiederherstellung (backwave reconstruction), um ein digitales Bild des PrüfObjekts zu erhalten. Die von den Empfangswandlern festgestellten Signale werden in einem Rechnergedächtnis gespeichert. Der Rechnen projiziert das von der Empfängerreihe festgestellte Schallmuster zurück, wobei die Wellengleichungen benutzt werden, und er erzeugt ein digitales Bild, das der Gestalt des Prüfobjekts entspricht, das ursprünglich die von der Empfängerreihe festgestellten Schallwellen gestreut, d.h. als Streuecho reflektiert hatte. Dieser Rechenvorgang tritt in einem sehr kurzen Zeitabschnitt auf, da mit

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hoher Geschwindigkeit arbeitende Datensammler- und Rechnersysteme ohne weiteres verfügbar sind.

Eine weitere Eigentümlichkeit der Erfindung besteht darin, Ultraschallbilder von Formstücken oder anderen PrüfObjekten bei Verwendung einfacher elektronischer Schaltungen und billiger Schaltungskomponenten zu erzeugen. Es ist eine Besonderheit der Erfindung, daß sie in einer bevorzugten Ausführungsform unter Verwendung handelsüblicher Bestandteile zu verwirklichen und mit leicht erhältlichem Betriebsmaterial (software) zu betreiben ist.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß bei ihr akustische Energie in genügendem Ausmaß für die Ausbreitung zur Verfügung steht, so daß Fehlerstellen im Material des Prüfobjekts, wenn dieses aus Stahl besteht, bis zu einer Tiefe von etwa 300 mm (12 Zoll) und mehr abgebildet werden können. Dies wird durch die Verwendung eines großen rechteckigen Sendewandlers erreicht, der akustische Wellen auf eine Brennlinie, d.h. einen zur Form einer Linie erweiterten Brennpunkt überträgt.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß das Sichtfeld oder Beobachtungsfeld für die akustische Abbildung verbreitert und damit vergrößert wird. Dies

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gelingt dadurch, daß eine linienförmige Schallquelle verwendet wird, die parallel zu einer langgestreckten Reihe von Empfängerwandlern angeordnet ist. Solange ein zu prüfendes Formstück nicht breiter ist als die Länge der Empfängerreihe, wird die gesamte Breite des Formstücks akustische Energie zurück zu der Empfängerreihe reflektiert. Somit ergibt sich durch die Erfindung zumindest das doppelte Sichtfeld im Vergleich zu dem oben beschriebenen älteren System.

Weiterhin wird es durch die Erfindung möglich, eine Einrichtung zu schaffen, bei der keine besonderen Maßnahmen zur Korrektur eines Bildseitenverhältnisses oder Bildlängenverhältnisses als Funktion der Lage des Prüfobjekts mehr erforderlich ist. Das Bildseiten- bzw. Längenverhältnis wird vielmehr durch einfache Verzerrung der Dimensionen der Datenmatrix derart korrigiert, daß Ellipsen als Kreis erscheinen. Im Falle eines punktartigen Objekts beispielsweise kann das Bildseitenverhältnis durch Verzerrung der Dimensionen um die Quadratwurzel von 2 korrigiert werden.

Die Einrichtung gemäß der Erfindung zur Abbildung von Formstücken oder anderen Prüfobjekten durch Ultraschall umfaßt eine langgestreckte Quelle kohärenter Schallwellen, die zugleich zur Sendung kohärenter

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Schallwellen auf eine Brennlinie qeeignet ist. Die Einrichtung enthält ferner eine langgestreckte lineare Reihe im wesentlichen punktartiger Empfänger, die parallel zu der langgestreckten Schallquelle und im wesentlichen an der Brennlinie angeordnet ist. Die langgestreckte Schallquelle und die Empfängerreihe sind relativ zu dem Prüfobjekt translator!sch bewegbar oder verstellbar, so daß eine Fläche über das Prüfobjekt bestrichen und dieses durch die akustischen Wellen abgebildet wird.

Im folgenden ist die Erfindung anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine perspektivische Schemadarstellung einer langgestreckten Quelle kohärenter Schallwellen, die auf eine Linie an der Oberfläche eines Prüfobjekts fokussiert werden, und eine langgestreckte Empfängerreihe, die parallel zu der langgestreckten Schallquelle und im wesentlichen an der Brennlinie angeordnet ist;

Fig. 2 ein Blockschema der Einrichtung und der

Signalverarbeitungsschaltung, die in Verbindung mit der Einrichtung von Fig. 1 benutzt wird;

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Fig. 3 und 4 Diagramme, welche anhand von Koordinatensystemen die Laufwege der von der Einrichtung nach Fig. 1 entwickelten Schallwellen erläutern.

Die in Fig. 1 gezeigte Einrichtung dient zum Abbilden eines Materialfehlers 5 im Innern einer Stahlplatte 6. Zu der Vorrichtung gehört ein langgestreckter rechteckiger piezoelektrischer Sendewandler 8. Der Sendewandler hat eine zylindrische Übertragungsfläche zum Fokussieren der von ihm ausgesandten Schallwellen in eine Brennlinie 9. Ein solcher Wandler ist handelsüblich. Er kann in seiner bevorzugten Ausführungsform aus rechteckigen Stücken (50,8 χ 23,4 mm bzw. 2 Zoll χ 1 Zoll) eines üblichen piezoelektrischen Materials wie PZT hergestellt sein, um ein Wandlerelement von 152,4 mm bzw. 6 Zoll Länge und 25,4 mm bzw. 1 Zoll Breite zu bilden. Der Schallwandler wird von einem Impulsgeber 10 bekannter Ausführung erregt und arbeitet mit einer Frequenz von mehr als 1 Megahertz. Der Wandler ist räumlich so angeordnet, daß die Brennlinie 9 mit der Oberfläche des akustisch mit Ultraschall abzubildenden Materials 6 zusammenfällt.

Die von dem Wandler 8 (Fig. 1) gesandten Schallwellen werden über einen (nicht dargestellten) Hohlkeil, der mit Wasser gefüllt ist, in die Plate 6 eingekoppelt.

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Die Unterkante des Keils weist eine dünne_/ für Schallwellen durchlässie Membran auf. Außerdem wird ein dünner Film von Wasser zwischen der Membran und der Platte 6 gehalten, um die Kopplung der Schallwellen mit dem Prüfobjekt zu vervollständigen. Der Hohlkeil und der Wasserfilm sind in Fig. 1 der besseren Übersicht halber und auch weil ihre Anordnung an sich bekannt ist, nicht dargestellt.

Der Sendewandler 8 (Fig. 1) ist in der Weise angebracht, daß er in einer zylindrischen Bahn um die Brennlinie gedreht bzw. geschwenkt werden kann. In Fig. 3 ist die Schwenkbewegung des Sendewandlers um die Achse 9 durch den Winkel ©₁ veranschaulicht. In Fig. 2 ist das die zylindrische Schwenkbewegung ermöglichende Gerät der X-Achsen Drehantrieb 13. Dieser Drehantrieb ist ein mechanisches Glied an sich bekannter Bauart. Er ermöglicht die Steuerung des Divergierens der sich von dem Sendewandler aus innerhalb der Platte 6 fortpflanzenden Schallwellen. Der X-Achsen-Drehantrieb gestattet die Maximierung der von dem Materialfehler 5 reflektierten Wellen und er gestattet auch die ausschließliche Ausnutzung von Scherwellen für die Gewinnung des akustischen Abbildes. Die ausschließliche Fortpflanzung von Scherwellen in der Platte ist erreichbar, weil der Sendewandler 8 um die X-Achse bis in eine Stellung jenseits des kritischen Winkels für die Fortpflanzung akustischer Longitudinalwellen in Stahl gekippt werden kann. 030045/0614

Bei dieser Stellung können sich nur in Scherwellen umgewandelte Schallwellen in der Platte fortpflanzen.

Der Sendewandler 8, Fig. 1, kann auch als eine linienförmige Schallwellenquelle angesehen werden. Ein anderer geeigneter linienförmiger Schallwandler ist herstellbar durch Verwendung eines langaestreckten rechteckiqen piezoelektrischen Wandlers mit einer flachen Sende- oder Übertragungsfläche, die mit einer zylindrischen Schallinse verbunden ist. Von da aus werden die sich fortpflanzenden Schallwellen auf einen zu einer Linie erweiterten Brennpunkt, d.h. eine Brennlinie, die im wesentlichen an der Oberfläche des abzubildenden PrüfObjekts gelegen ist, übertragen. Zusätzlich kann eine lineare Quelle benutzt werden, die ein piezoelektrisches Element enthält, das in allen Abmessungen gleich dem der nachstehend beschriebenen Empfängerreihe ist. Diese Empfängerreihe kann, muß aber nicht in Abschnitte unterteilt sein und das von da aus erzeugte Schallstrahlungsmuster wird durch die Länge und Breite des Elements kontrolliert, während die Frequenz durch seine Dicke kontrolliert wird. Für kleine Wandlerelementbreiten ist das akustische Strahlungsmuster annähernd das gleiche wie dasjenige, das durch die beschriebene Brennlinienquelle gebildet und gleichfalls auf die Oberfläche des Prüfobjekts fokussiert wird. Ein weiterer als linienförmige Schallquelle

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geeigneter Schallwandler ist ein zylindrisch geformter piezoelektrischer Wandler mit einer Länge und Wanddicke wie der fokussierende Wandler 8 in Fig. 1, wobei der Krümmungsradius der zylindrischen Fläche des Wandlers so klein wie möglich sein soll, um das Schallwellenfeldmuster einer ideallinienförmigen Quelle zu ergeben.

Der Sendewandler 8, Fig. 1, ist so angeordnet, daß er mit Bezug auf die Platte 6 translatorisch bewegt und die Brennlinie 9 kontinuierlich auf die Plattenoberfläche eingestellt werden kann. In Fig. 2 ist das diese Translationsbewegung bewirkende Gerät als Z-Achsen-Stellantrieb 11 bezeichnet. Der Sendewandler ist ferner mit einem Y-Achsen-Stellantrieb 17 versehen, der dazu dient, den Sendewandler und die Empfängerreihe gleichzeitig längs der Oberfläche der Platte zu bewegen, so daß die Brennlinie eine Fläche auf der Platte bestreicht. Der Z-Achsen-Steilantrieb und der X-Achsen-Stellantrieb sind beides Mechanismen, ähnlich wie der X-Achsen-Drehantrieb.

Fiq. 3 ist eine Seitenansicht des Koordinatensystems der Einrichtung von Fig. 1 und erläutert die Fortpflanzung der akustischen Wellen durch die Einrichtung. Aus Fig. 3 ist zu ersehen, daß, wenn der Sendewandler um die X-Achse um einen Winkel Θ. gedreht wird, der

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Schallwellenstrahl in der Stahlplatte 6 eine entsprechende Drehung erfährt. Der Dreh- oder Schwenkwinkel ist

= sin"¹ (^^{Sin θ}ΐ) (2)

worin V₁ = Schallgeschwindigkeit in Wasser

= Schallgeschwindigkeit im Prüfkörper.

Die Schallgeschwindigkeit V _? im Prüfkörper 6 hat zwei Werte, einen für die Fortpflanzung der Schallwellen als Longitudinalwellen und einen anderen für die Fortpflanzung in Form von Scherwellen. Je nach dem Anstell winkel werden Scherwellen neben Longitudinalwellen erzeugt. Aber die Scherwellen haben nur etwa die halbe Fortpflanzungsgeschwindigkeit wie die entsprechenden Longitudinalwellen.

Wie bereits erwähnt, kann der Sendewandler 8, Fig. 1, um die X-Achse genügend weit geschwenkt werden, so daß nur Scherwellen sich in der Platte 6 fortpflanzen, Der Einfallwinkel ^₁, bei welchem keine Longitudinalwellen mehr in der Platte vorhanden sind, erqibt sich durch die Formel

Q₉ = sin"¹ ^£Sin θ, -90"/ (3)

²x ΨΤ

₁ = 90°)

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worin 6 sich auf Longitudinalwellen bezieht oder

sin O₁ = ψ— (4)

Der entsprechende Winkel für die Ausbreitung von Scherwellen in der Platte ist

®1 J (5)

Θ, = sin"¹ I ^ 1 (5a)

Der Fortpflanzungskeilwinkel dieser Wellen hängt von dem Verhältnis der Brennweite des Wandlers zur Breite des Wandlers ab. Wie Fig. 3 zeigt ist der Abstand zwischen dem Wandler und der Brennlinie 9 als Abstand d und die Breite des Wandlers mit dem Buchstaben a bezeichnet. Das zahlenmäßige Verhältnis beider ist F = d/a. Aus Fig. 3 ist ferner zu ersehen, daß der Keilwinkel für die Schallwellen in Wasser

(6)

Wenn die Schallwellen aus dem Wasser in die Stahlplatte 6 übertreten, erhöht sich die Geschwindigkeit der Schallwellen (Vn ist größer als V₁) und der Keilwinkel inner-

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halb der Platte erhöht sich dementsprechend auf

= 2 tan"¹ (al") ^{= 2 sin}"¹ (^l ^sin

Die Gleichung 7 läßt sich wie folgt umwandeln:

F₂ a |1 ^P! (7a)

Unter manchen Umständen kann es erwünscht sein, die Schallwellen sich senkrecht zur Oberfläche der Platte fortpflanzen zu lassen und sie direkt in diese zu richten. In diesem Fall wird der Wandler nicht um die X-Achse gedreht und ©₁ ist gleich null. Diese Arbeitsweise wird als solche mit "Nullstrahl" bezeichnet und hat zur Folge, daß sich die Schallwellen in höherem Maße als Longitudinalwellen in der Platte fortpflanzen als bei irgendeiner anderen Arbeitsweise.

Das in einem Prüfobjekt ausgebreitete Schallfeld kann gemäß der Erfindung auf vielerlei Arten manipuliert und gesteuert werden. Die Breite des Wandlers a, die Brennweite d, der Einfallwinkel ©₁ und die Schallgeschwindigkeit des Kopplungsmediums können variiert werden, um verschiedenen Umständen Rechnung zu tragen.

Ein Vorteil dieser Flexibilität besteht darin, daß verschiedene interessierenden Gegenstände oder Prüf-

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Objekte ausschließlich mit Scherwellen akustisch abgebildet werden können. Der Senderwandler kann um die X-Achse an dem kritischen Winkel vorbei geschwenkt werden, so daß sich keine Longitudinalwellen wieder in dem Prüfobjekt fortpflanzen. Eine Ausführungsweise dieser Art der Gewinnung akustischer Abbildungen besteht darin, daß alle fehlerhaften Reflexionen von der Rückseite des PrüfObjekts eliminiert werden, weil keine Energie die Rückseite des PrüfObjekts direkt unterhalb des Sendewandlers trifft. Bei anderen Arten der Gewinnung von akustischen Abbildern vermischen sich diese Reflexionen häufig mit den von Materialfehlern reflektierten Wellen und verursachen fehlerhafte Bilder.

Wie Fig. 1 zeigt, enthält die Einrichtung auch eine lineare Reihe im wesentlichen punktartiger Empfängerwandler 15. Diese Empfängerwandler sind so dicht wie möglich an der Brennlinie 9 angeordnet, und zwar in einer zur Längsachse des Sendewandlers 8 parallelen Reihe. Mit anderen Worten, die Empfängerreihe hat eine Achse maximaler Empfindlichkeit, die im wesentlichen mit der Brennlinie 9 zusammenfällt. Diese Achsen sind in Fig. 4 veranschaulicht, wenngleich der Übersichtlichkeit halber etwas versetzt. Die Empfängerreihe ist aus einem handelsüblichen piezoelektrischen

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Material,wie z.B. unter der Handelsbezeichnung PZT erhältlich, hergestellt. Es ist vorteilhaft, wenn die Empfängerelemente so klein wie möglich hergestellt werden, damit jedes Schallenergie aus einem breiten Einfallwinkel empfangen kann. Es wird angenommen, daß die Empfängerelemente bei der bevorzugten Ausführungsform zufriedenstellend arbeiten, wenn jedes eine Breite und Länge aufweist, die weniger betragen als die halbe Wellenlänge der in dem Prüfobjekt sich fortpflanzenden Schallwellen.

Der Sendewandler 8 und die Reihe von Empfängerelementen 15 sind so zusammengebaut, daß sie eine gleichzeitige Translatiönsbewegung über die Oberfläche des Prüfobjekts ausführen können. Diese Translationsbewegung wird durch den Y-Achsen-Stellantrieb 17 bewirkt. Diese Bewegung findet wie oben anhand von Fig. 2 beschrieben bei der bevorzugten Ausführungsform parallel zu der Y-Achse statt. Die Y-Achsen-Stellvorrichtung bewegt den Sendewandler und die Empfängerreihe gemeinsam über das Prüfobjekt hinweg, so daß die Brennlinie 9 und die Achse der größten Empfindlichkeit der Empfängerreihe einen Flächenabschnitt auf der Oberfläche des Prüfobjekts bestreichen und eine Beobachtungsebene gebildet wird, die mit dieser bestrichenen Fläche zusammenfällt.

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Wie Fig. 2 zeigt, detektiert jedes Empfängerelement die darauf einfallenden Schallwellen und wandelt diese in elektrische Signale um, die durch den Vorverstärker 19 verstärkt werden. Jedes Verstärkerelement 15 ist mit einem eigenem Vorverstärker verbunden. Die verstärkten Signale werden dann einem Empfängerwandlerwähler 20 zugeführt. Dieser ist eine Halbleiterschaltvorrichtung, welche selektiv die Ausgangssignale von den Empfängerelementen abtastet. Die Umschaltung zwischen den Empfängerelementen wird durch einen Digitalrechner 26 gesteuert, der dem Wähler Kommandos zum Auswählen eines bestimmten Wandlerelementes erteilt. Das verstärkte Wandlerausgangssignal, das von dem Wähler ausgewählt ist, wird einem Amplituden- und Phasendetektor 22 zugeleitet. Der Detektor empfängt auch einen Taktimpuls aus dem Impulsgeber 10, so daß die Phasenverschiebung zwischen den sich ausbreitenden Schallwellen und den detektierten Schallwellen gemessen werden kann. Der Amplituden- und Phasendetektor ist von einer bekannten Bauart. Sein Ausgang entspricht den reellen und imaginären (bzw. der Amplitude und der Phase entsprechenden) Komponenten des komplexen Echosignals, das an der Detektor- oder Beobachtungsebene durch die Empfängerreihe empfangen wird. Diese Daten aus dem Detektor werden durch einen Analog-Digital-Wandler (A/D) 24 digital dargestellt und in dem Gedächtnis des Rechners 26 gespeichert.

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Als Rechner 26, Fig. 2, kann ein Rechner vom Typ PDP 11/34 (Hersteller Digital Equipment Corporation, Maynard, Massachussetts, V.St.A.) verwendet werden. Bei der bevorzugten Ausführungsform hat der Rechner eine Speicherfähigkeit von 48 K Bytes. Er kann mit folgenden Programmen betrieben werden:

Digital Equipment Corporation's RSX 11 M Operating System;

Batteile's FORTRAN - Coded Ultrasonic Imaging Software Package.

Um ein zu untersuchendes Prüfobjekt, wie es in Fig. 1 die Stahlplatte 6 ist, abzutasten, werden der Sendewandler 8 und die Empfängerreihe 15, so wie in Fig. 1 gezeigt, eingestellt. Der Sendewandler 8 wird räumlich so angeordnet, daß seine Brennlinie 9 in die Oberfläche der Platte fällt, und die Achse der maximalen Empfindlichkeit der Empfängerreihe wird räumlich so angeordnet, daß sie parallel zu der Brennlinie und so dicht neben dieser wie möglich verläuft. Diese räumliche Anordnung ist in Fig. 4 veranschaulicht. Während des Betriebs wird der Sendewandler viele Male pro Sekunde mit Impulsen aus dem Impulsgeber 10 beaufschlagt, wobei jeder Impuls eine Frequenz von mehr als 1 MHz hat. Der Impulsgeber sendet auch ein Taktsignal, das jeweils einem Impuls entspricht zu dem Amplituden- und Phasendetektor 22, der für die Messung der Phasenverschiebung gebraucht wird.

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Während der Sendewandler pulsiert wird, erteilt der Rechner 26 dem Empfängerwandlerwähler 20 Kommandos zur Abtastung jedes Empfängerelements, wiederum längs der Reihe 15, so daß diese Reihe abgetastet wird. Das von jedem Empfängerelement empfangene komplexe Echosignal wird verstärkt und dem Amplituden- und Phasendetektor 22 zugeleitet. Der Amplituden- und Phasendetektor mißt die Amplitude der detektierten Signale und die Phasenverschiebung zwischen gesendeten und detektierten Signalen. Der Ausgang des Amplituden- und Phasendetektors wird digital dargestellt und in dem Gedächtnis des Rechners an einer Stelle gespeichert, die der Stellung des Wandlerelements, welches das Signal detektierte, entspricht.

Nachdem sämtliche Empfängerelemente 15, Fig. 1, abgetastet worden sind, werden der Sendewandler 8 und die Empfängerreihe 15 durch die Y-Achsen-Stellvorrichtung 17 in eine neue Stellung an dem Prüfobjekt fortgeschaltet. Das vorstehend beschriebene Abtastverfahren wird wiederholt und dann werden Sendewandler und Empfängerreihe wiederum weitergeschaltet. Dies ganze Verfahren wird fortlaufend wiederholt, bis die Abtastfläche vollständig abgetastet worden ist und das Rechnergedächtnis eine Gruppe komplexer Zahlen enthält, welche die von dem Materialfehler 5 im Prüfobjekt gestreut reflektierten Schallwellen darstellen, die von den Empfängerele-

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menten in der Beobachtungsebene festgestellt oder detektiert wurden.

Nachdem das Rechnergedächtnis mit einer Gruppe komplexer Zahlen angefüllt ist, welche dem von dem Materialfehler 5 gestreuten Schall entsprechen, wird der Rechner 26 dazu benutzt, eine Aussage über die Gestalt des Materialfehlers zu machen und ein Digitalbild davon zu erzeugen. Der Rechner ist in der Lage, diese Rechenarbeit durchzuführen, weil die von dem Materialfehler gestreuten Schallwellen eine ganz bestimmte einmalige Verteilung auf der Beobachtungsebene annehmen. Die einmalige Verteilung tritt auf, weil die Fortpflanzung des Schalls in der Platte stets der nachstehenden Wellengleichung genügt:

{V² + k²)f(x,y,z) = O 18)

worin ^ = Divergenzoperator
k = Wellenzahl

f(x,y,z) = gemessene Werte der Welle auf der Ebene.

Der Rechner 26, Fig. 1, nimmt das auf der Beobachtungsebene gemessene Schallmuster und projiziert dieses Muster zurück in den Raum, wie durch die Wellengleichung vorgeschrieben, um ein digitales Bild des Materialfehlers 5 zu erhalten. Das Bild wird errechnet

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entsprechend der Winkelspektrumsbeugetheorie. Nach dieser Theorie wird das Winkelspektruin der ebenen Wellen auf einer Ebene Z dadurch gefunden, daß das Winkelspektruin der ebenen Wellen, die auf die Beobachtungsebene Z = O einfallen, mit einem Exponentialfaktor multipliziert wird, der die Phasenänderung aufgrund des Fortpflanzungsabstandes berücksichtigt. Tatsächlich wird die Wellenstirn mathematisch im Raum zurückpropagiert, so daß die resultierende Intensität des Materialfehlers, der ursprünglich die Wellen zerstreut bzw. ein Streuecho der Wellen hervorgerufen hatte, bestimmt wird.

Bei der Berechnung wird davon ausgegangen, daß der Rechner 26, Fig. 2, vier Informationskanäle für jede Signalmessung aufweist. Diese Kanäle sind die Phase und Amplitude des festgestellten Signals und die X- und y-Stellung auf der Beobachtungsebene des Empfängerelementes, welches das Signal feststellte. Die X- und Y-Stellung des Empfängerelementes wird von dem Y-Achsen-Stellantrieb 17 und der Wandlerelementzahl geliefert, die zu dem Wandlerabtaster 20 gesandt wurde. Diese Daten entsprechen dem komplexen Wert des Feldes. fiX/Y/Z) auf der Beobachtungsebene ζ = O. Dies bedeutet, daß f(x,y) gemessen wird.

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Aus diesen Daten entnimmt der Rechner zunächst die zweidimensionale Fourier-Transformierte von f(x,y,O), um ein Spektrum ebener Wellen F(u,v,O)zu erhalten.

Nachdem die Fourier-Transformierte des Feldes auf der Beobachtungsebene genommen worden ist, multipliziert der Rechner das Spektrum der ebenen Wellen mit dem Faktor der Rückwärtsfortpflanzung (backward propagation)

exp [-jkz V₁ _ iX2 _ /32' J ₍₉₎ _worin <*₌_2Tu_ _und β ₌ 2|V

Dieser Ausdruck enthält die Wellengleichung, die oben als Gleichung 8 bezeichnet wurde. Er ermöglicht die Berechnung des Winkelspektrums der ebenen Wellen auf einer vorbestimmten Bildebene ζ = z.

Um den Materialfehler 5, Fig. 1, in der Platte 6 zu orten, wird die Berechnung wieder und wieder für zunehmend größere Werte von ζ wiederholt, bis ein heller Fleck auf dem Bildschirm 28 erscheint. Dies ist der Materialfehler. Es werden dann verschiedene Werte von ζ um denjenigen Wert von ζ herum, der die Erscheinung des Fleckes verursachte, benutzt, bis die optimale Bildebene gefunden ist. Die optimale Bildebene ist typischerweise die Ebene, in der die Ränder des Materialfehlers am schärfsten in Erscheinung treten.

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Ist einmal die optimale Bildebene gefunden, so wird die inverse Fourier-Transformierte von

genommen. Durch dieses Verfahren ergibt sich eine digitale Darstellung des Bildes mit einer komplexen Amplitude von f(χ,γ,ζ).

Sobald die Bildebene ζ = ζ mit der Ebene des Materialfehlers zusammenfällt, ist das Ergebnis ein brennscharfes (in focus) Bild des Materialfehlers.

Der Rechner 26, Fig. 2, zeichnet zunächst die Größe

|f(x,y,z)|² (11)

und/oder die Phase auf

θ (χ,γ,ζ) (12)

Nach Durchführung dieses Rechenprozesses wird entweder die Intensität oder die Phase des Bildes auf einem Bildschirm 28 mit Bildrasterabtastung wiedergegeben, beispielsweise kann ein Bildschirm vom Typ I-1OOO der Herstellerfirma De Anza Corporation verwendet werden.

Bei einer-Ausführungsform der Erfindung, die gebaut und erprobt wurde, wurde eine lineare Gruppe von 128 Empfän-

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gerelementen benutzt. Der Sendewandler hatte eine Abmessung von 25,4 χ 152,4 mm (1 χ 6 Zoll). Es wurde berechnet, daß beim Vorhandensein eines Materialfehlers in einer Tiefe von etwa 12,5 cm in Stahl die 128 Empfängerelemente in annähernd 100 Mikrosekunden abgetastet werden konnten. Wenn 128 Datenzeilen entlang der Y-Achse genommen werden, so beträgt danach die gesamte Datensammelzeit nicht mehr als etwa 12,8 msec. Die Beobachtungsebene ist dann ein in dem Rechnergedächtnis zu speichernder Datensatz von 128 χ 128. Der Fernsehschirm mit Rasterabtastung von De Anza erlaubte die Wiedergabe einzelner Leuchtflecke mit veränderlichen Intensitäten auf einem 256 χ 256 Gitter. Mit einem Rechner vom Typ PDP 11/70,der ein Gedächtnis von 256 K Bytes hat und mit einer Geschwindigkeit von 900 ns pro Wort arbeitet, betrug die Wiederherstellungszeit für einen 128 χ 128 Datensatz annähernd 30 Sekunden und ein digitales Bild des Materialfehlers wurde in weniger als einer Minute erhalten.

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, ³⁴ _t

Leerseite

Claims

DIP L.-ING. J. RICHTER PATENTANWÄLTE

ZUSEL. VERTRETER BEIM EPA ■ PROFESSIONAL REPRESENTATIVES BEFORE EPO ■ MANDATAIRES AGREES PRES L¹OEB

D-2OOO HAMBURG 36

NEUER WALL IO

Si (O 4 O) 34 OO 45/34 OO 5 6 TELEGRAMME: INVENTIUS HAMBURG

IHR ZEICHEN/YOUR FILE

UNSER ZE1CHEN/OUR FILE E . 1 849 — I—8OO86

H 3.80

DATU M / DATE

Patentansprüche

1. Verfahren zur Ultraschalluntersuchung von Gegenständen, dadurch gekennzeichnet,

a) daß kohärente Schallwellen unter Verwendung einer langgestreckten Anordnung auf eine Brennlinie hin gerichtet werden,

b) daß die fokussierten Schallwellen von dem zu untersuchenden Gegenstand (Prüfobjekt) als Streuecho reflektiert werden,

c) daß die gestreuten Schallwellen mit Hilfe einer langgestreckten Anordnung von Empfängern detektiert oder festgestellt werden,

d) daß die beiden Anordnungen relativ zu dem Prüfobjekt translatorisch bewegt werden, so daß eine sich über das Prüfobjekt hin erstreckende Beobachtungsebene bestrichen wird, und

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e) daß eine digitale Darstellung des PrüfObjekts, das die von der Empfängeranordnung festgestellten Schallwellen als Streuecho reflektierte, rechnerisch ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine digitale Darstellung des Musters der von dem Prüfobjekt als Streuecho reflektierten Schallwellen, die auf eine das Prüfobjekt enthaltende Ebene durch Rückprojektion einer digitalen Darstellung des auf die Beobachtungsebene auftreffenden Schallwellenmusters auftreffen, rechnerisch ermittelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine digitale Darstellung des auf die Beobachtungsebene fallenden Schallwellenmusters auf eine zweite Ebene zurückprojiziert wird, indem diese digitale Darstellung mit einem Exponentialfaktor multipliziert wird, der eine Funktion der Phasenänderung der Schallwellen aufgrund der von ihnen von der Beobachtungsebene zu der zweiten Ebene durchlaufenden Abstandsstrecke ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die digitale Darstellung der Abbildung des Prüf-

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Objektes auf einem Bildschirm wiedergegeben wird.

5. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie

a) daß sie eine langgestreckte Quelle kohärenter Schallwellen zu deren Aussendung gegen eine Brennlinie

b) parallel dazu und im wesentlichen an der Brennlinie eine langgestreckte lineare Gruppe im wesentlichen punktartiger Empfänger aufweist, so daß die sich von der Quelle ausbreitenden Schallwellen mit dem Prüfobjekt zusammenwirken und von der Smpfängerreihe aufgenommen werden können, und

Vorrichtung

c) daß eine^zur translatorischen Bewegung oder Verstellung der Schallquelle und der Empfängergruppe relativ zu dem Prüfobjekt vorgesehen ist, derart, daß eine Fläche über dem Prüfobjekt bestrichen und von diesem ein Abbild gewonnen werden kann.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die langgestreckte Schallquelle mit einer Einstellvorrichtung versehen ist, die dazu dient, sie während oder unabhängig von der Translationsbewegung so zu verstellen, daß die Brennlinie mit der Ober-

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fläche des abzubildenden PrüfObjektes zusammenfällt.

7. Einrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die langgestreckte Schallquelle mit einer Vorrichtung zum Schwenken dieser um eine mit der Brennlinie zusammenfallende Achse versehen ist_p um die Ausbreitung der longitudinalen und der im

Prüfobjekt in die Form von Scherwellen umgex-/andelten Schallwellen zu steuern»

ο Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mit den Empfängern der Reihe eine Schaltvorrichtung verbunden ist, die dazu dient, die Empfänger einzeln bezüglich der von ihnen festgestellten Signale probeweise abzutasten, und daß alle Empfänger bei jedem oder zwischen jeweils zwei Schritten der schrittweise erfolgenden translatorisehen Bewegung von Quelle und Empfängerreihe mittels der Schaltvorrichtung abtastbar sind»

9= Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch, gekennzeichnet, daß mit der Empfängerreihe eine ¥orrichtung zum Errechnen einer digitalen Darstellung des PrüfObjektes, das die von der Empfängerreihe festgestellten Schallwellen als Streuecho reflektierte, verbunden ist.

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- y-

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Rechnervorrichtung dazu dient, eine digitale Darstellung des Musters der als Streuecho von dem Prüfobjekt reflektierten Schallwellen zu ermitteln, die auf die Beobachtungsebene einfallen.

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Rechnervorrichtung dazu dient, eine digitale Darstellung des Musters der als Streuecho von dem Prüfobjekt reflektierten Schallwellen zu ermitteln, die auf eine das Prüfobjekt enthaltende Ebene einfallen, indem eine digitale Darstellung des Musters der auf die Beobachtungsebene einfallenden Schallwellen zurückprojiziert wird.

12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Rechnervorrichtung dazu dient, eine digitale Darstellung des Musters der auf die Beobachtungsebene einfallenden Schallwellen 'feine zweite Ebene zurückzuprojizieren, indem diese Darstellung mit einem experimentellen Faktor multipliziert wird, der eine Funktion der Phasenänderung der Schallwellen aufgrund der von diesen Wellen von der Beobachtungsebene zu der zweiten Ebene durchlaufenen Abstandsstrecke ist.

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13. Einrichtung zur Gewinnung eines ültraschallabbildes von PrüfObjekten, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

a) eine langgestreckte Quelle kohärenter Schallwellen zur Aussendung gegen eine Brennlinie,

b) parallel dazu und im wesentlichen an der Brennlinie eine langgestreckte lineare Gruppe im wesentlichen punktartiger Empfänger, so daß die sich von der Quelle ausbreitenden Schallwellen von dem Prüfobjekt gestreut und von der Empfängerreihe festgestellt werden, und d) eine mit der Empfängerreihe verbundene Rechnervorrichtung zum Ermitteln einer digitalen Darstellung des PrüfObjektes, das die von der Empfängerreihe festgestellen Schallwellen streute, wobei die Rechnervorrichtung eine digitale Darstellung des Musters der Schallwellen, die auf der Beobachtungsebene einfallen, auf eine zweite Ebene zurückprojiziert, indem sie .diese digitale Darstellung mit einem Exponentialfaktor multipliziert, der eine Funktion der Phasenänderung der Schallwellen aufgrund der von den Wellen von der Beobachtungsebene zu der zweiten Ebene durchlaufenen Abstandsstrecke ist.

c) eine Vorrichtung zur translatorischen Bewegung oder Verstellung der Schallquelle und der Empfängergruppe relativ zu dem Prüfobjekt, durch die eine Fläche über dem Prüfobjekt bestrichen wird.

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