DE3803518A1 - Verfahren zur erzeugung dreidimensionaler ultraschallabbildungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur dreidimensionalen Darstellung von in einem Bauteil, das mindestens von einer seiner Oberflächen her zugänglich ist, räumlich verteilten Re­ flektoren mittels mindestens einem Ultraschallschwinger, der von einer zugänglichen Oberfläche des Bauteiles aus Ultra­ schall in das Bauteil einschallt und einen reflektierten Ultra­ schallanteil empfängt und der mit einer Auswerteeinheit, in der die Positionen der Reflektoren im Bauteil bestimmbar sind, ver­ bunden ist.

Zur Erzeugung dreidimensionaler Ultraschallabbildungen von einzelnen oder von mehreren räumlich verteilten Reflektoren in Bauteilen, die nur von einer Oberfläche aus akustisch zu­ gänglich sind, werden multifrequente oder breitbandige Ultra­ schallsignale benötigt. Solche Signale werden von als solchen bekannten Ultraschallschwingern erzeugt. Die Fläche, die ein geeigneter Ultraschallschwinger einnimmt, ist durch die gefor­ derte laterale Auflösung festgelegt. Vom Ultraschallschwinger wird Ultraschall breitbandig, beispielsweise multifrequent mit kontrollierter Phase oder pulsförmig mit kontrollierter zeitlicher Lage gesendet. Die Tiefenauflösung ist dabei durch die gewählte effektive Signalbandbreite bestimmt. Derartige be­ kannte Ultraschallschwinger sind als Sender und Empfänger ein­ setzbar. Sie werden entweder paarweise eingesetzt oder der gleiche Ultraschallschwinger wirkt als Sender und als Empfänger.

Ein besonders geeigneter Ultraschallschwinger ist ein als solches bekanntes Array-Element. Ein Array-Element schallt in Normalen-Richtung mit einer räumlichen Bündeldivergenz, die größer als ± 45° ist, in das zu prüfende Objekt ein.

Ein bekanntes Verfahren zur dreidimensionalen Darstellung von räumlich verteilten Reflektoren in einem Bauteil, das nur von einer seiner Oberflächen her zugänglich ist, sieht die Ver­ wendung eines zweidimensionalen Ultraschall-Arrays vor. Dabei ist die zugängliche Oberfläche zeilenweise mit Array-Elementen überdeckt.

Die Durchführung des bekannten Verfahrens zur Erzeugung drei­ dimensionaler Ultraschallabbildungen erfordert eine sehr große Anzahl Array-Elemente. Damit ist auch eine aufwendige Elektronik verbunden, die zum Teil in das Array integriert ist. Darüber hinaus ist das großflächige zweidimensionale Array nur schwer an mögliche Unebenheiten der Bauteiloberfläche anzupassen.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Er­ zeugung dreidimensionaler Ultraschallabbildungen von in einem Bauteil verteilten Reflektoren zu entwickeln, das selbst an Bauteilen einsetzbar ist, deren einzige zugängliche Oberfläche Unebenheiten aufweist. Dazu soll der notwendige apparative Auf­ wand möglichst klein sein.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mindestens ein Ultraschallschwinger auf einer zugänglichen Oberfläche des Bauteiles entlang einem Weg verschoben wird und daß die reflek­ tierten und wieder empfangenen Ultraschallsignale gespeichert werden und aus dem Speicherinhalt, nachdem die zugängliche Oberfläche des Bauteiles überstrichen worden ist, die Positionen der Reflektoren im Bauteil bestimmt werden.

Mit der erfindungsgemäß durchzuführenden Verschiebung eines oder mehrerer Ultraschallschwinger auf der Oberfläche des Bau­ teiles wird der Vorteil erzielt, daß die Fläche des erforder­ lichen Arrays im Vergleich zur Bauteiloberfläche nur klein zu sein braucht. Das relativ kleine Array paßt sich Unebenheiten der Oberfläche gut an. Ein Bild vom gesamten Bauteil erhält man mit dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch, daß die Ultraschall­ schwinger in einem Zyklus die gesamte zugängliche Oberfläche über­ streichen. Die dabei empfangenen reflektierten Ultraschallsignale werden gespeichert. Nachdem die zugängliche Oberfläche einmal überstrichen worden ist, wird aus den gespeicherten Werten mit bekannten Verfahren ein dreidimensionales Bild der Reflektorver­ teilung im Bauteil gewonnen.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst der Vorteil erzielt, daß selbst bei einer unebenen Oberfläche des Bauteiles eine genaue dreidimensionale Ultraschallabbildung zu erzielen ist, die eine hohe Qualität aufweist. Darüber hinaus kommt das erfindungsgemäße Verfahren mit weniger Array-Elementen als das bekannte Verfahren aus. Es ist nur eine vergleichsweise ein­ fache, übersichtliche Verdrahtung notwendig und es wird in ge­ ringerem Umfang als beim Bekannten in das Array zu integrierende Elektronik benötigt.

Beispielsweise wird nur ein Ultraschallschwinger verwendet, der auf mäanderartigem Weg eine zugängliche Oberfläche des Bauteiles ganz überstreichend auf dieser verschoben wird.

Bei Verwendung nur eines Ultraschallschwingers, beispielsweise eines Array-Elementes, besteht eine Vorrichtung zum erfindungs­ gemäßen Abtasten der Bauteiloberfläche nur aus einem Prüfkopf, dessen Berührungsfläche im Vergleich zur Abmessung des Bauteiles sehr klein ist. Damit wird der Vorteil erzielt, daß alle mög­ lichen Unebenheiten der Oberfläche den Abtastvorgang nicht be­ einträchtigen.

Nach einem anderen Beispiel wird eine Reihe aus mehreren rela­ tiv zueinander nicht verschiebbaren Ultraschallschwingern senk­ recht zur längeren Seite dieser Reihe auf einer zugänglichen Oberfläche des Bauteiles verschoben. Die Abmessung der län­ geren Seite der Reihe entspricht einer Seitenlänge der Bauteil­ oberfläche. Mit diesem Verfahren wird bei einer Verschiebung der Reihe aus Ultraschallschwingern über die Oberfläche des Bauteiles jeder Punkt einer zugänglichen Oberfläche von minde­ stens einem Ultraschallschwinger überstrichen. Dabei werden die Ultraschallschwinger einzeln angesteuert. Wie beim Einsatz von nur einem Ultraschallschwinger, werden die reflektierten und wieder empfangenen Ultraschallsignale gespeichert und aus dem Speicherinhalt werden die Positionen der Reflektoren im Bau­ teil bestimmt. An jeder Position des Arrays werden die ein­ zelnen Ultraschallschwinger, die in der Regel Array-Elemente sind, sequentiell einzeln angesteuert.

Auch mit diesem Verfahren wird vorteilhaft eine Ankoppelung an eine unebene Oberfläche besser als beim Bekannten erzielt. Gegen­ über dem erfindungsgemäßen Einsatz nur eines Prüfkopfes ist eine Anpassung an Unebenheiten der Bauteiloberfläche zwar weniger gut durchführbar, die Reihe aus Ultraschallschwingern, deren Länge einer Seitenlänge der Bauteiloberfläche entspricht, ist aber ein­ facher über die Oberfläche zu steuern.

Das erfindungsgemäße Verfahren, das eine Reihe aus Ultraschall­ schwingern verwendet, ist besonders gut an Bauteilen einzu­ setzen, deren Oberfläche nur kleine Unebenheiten aufweist.

Die Reihe aus Ultraschallschwingern ist beispielsweise auf einem biegungsfähigen Träger angeordnet. Damit wird die An­ koppelung auf gekrümmten Oberflächen gegenüber starren Ultra­ schallschwingern deutlich verbessert.

Statt einer Reihe aus mehreren Ultraschallschwingern ist eben­ so ein linearer Ultraschallschwinger einsetzbar, der in der Regel flexibel ist und dessen Form und Abmessungen der Reihe weitgehend entsprechen. Besonders geeignet ist dazu ein piezo­ elektrisches Folienmaterial.

Ein solcher linearer Ultraschallschwinger paßt sich der Bau­ teiloberfläche gut an, ist in einfacher Weise durch eine line­ are Verschiebung über die Oberfläche zu bewegen und erfordert nur einen Signalanschluß.

Die Auswertung der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zu­ nächst gespeicherten Signale erfolgt beispielsweise mit der be­ kannten Mehrfrequenz-Holographie oder mit der gleichfalls be­ kannten Breitband-Holographie. Dabei wird aus den Einzelmeß­ werten zunächst ein zweidimensionales synthetisches Bild rekon­ struiert, aus dem dann die dreidimensionale Ultraschallabbil­ dung erzeugt wird.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird insbesondere der Vor­ teil erzielt, daß mit einfachen apparativen Mitteln dreidimen­ sionale Ultraschallabbildungen von einzelnen oder von mehreren in einem Bauteil räumlich verteilten Reflektoren von nur einer Oberfläche des Bauteiles aus zu erzeugen sind, selbst dann, falls die einzige zugängliche Oberfläche Unebenheiten aufweist.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert:

Fig. 1 zeigt ein Bauteil mit einer Einrichtung, die geeignet ist, ein bekanntes Verfahren zur Erzeugung dreidimensi­ onaler Ultraschallabbildungen von räumlich verteilten Reflektoren im Bauteil durchzuführen.

Fig. 2 verdeutlicht ein Verfahren zur Erzeugung dreidimensi­ onaler Ultraschallabbildungen mit nur einem Array- Element.

Fig. 3 verdeutlicht ein Verfahren zur Erzeugung dreidimensi.­ onaler Ultraschallabbildungen mit in einer Reihe ange­ ordneten Array-Elementen.

In einem Bauteil 1 können räumlich verteilt Zonen vorhanden sein, die Ultraschallwellen reflektieren. Diese Zonen sind beispielsweise Inhomogenitäten des Materials oder Einschlüsse, die aus einem anderen Material bestehen. Um diese Zonen zu er­ kennen, wird eine dreidimensionale Ultraschallabbildung des Bauteiles 1 erzeugt. Falls das Bauteil 1 nur von einer Ober­ fläche her zugänglich ist, sind mehrere Messungen von dieser Oberfläche aus in definierten räumlichen Abständen erforder­ lich.

Eine bekannte Einrichtung zur Erzeugung dreidimensionaler Ul­ traschallabbildungen nach Fig. 1 sieht ein zweidimensionales Feld 2, bestehend aus in Zeilen angeordneten Array-Elementen 3, vor. Das Feld 2 überdeckt eine zugängliche Oberfläche des Bau­ teiles 1 ganz. Dazu ist eine große Anzahl Array-Elemente 3 erforderlich. Folglich ist auch eine aufwendige Elektronik not­ wendig. Insbesondere aber ist das zweidimensionale Feld 2 aus Array-Elementen 3 nur auf weitgehend ebenen Oberflächen ein­ setzbar.

Nach Fig. 2 wird zur erfindungsgemäßen Erzeugung dreidimensi­ onaler Ultraschallabbildungen nur ein einzelnes Array-Element 4 verwendet. Dieses wird auf einem mäanderartigen Weg 5 eine zu­ gängliche Oberfläche des Bauteiles 1 ganz überstreichend auf dieser verschoben. Die während eines Zyklus empfangenen zuvor reflektierten Ultraschallsignale werden in einem Speicher abge­ speichert. Aus dem Speicherinhalt wird die Position der Reflek­ toren im Bauteil 1 bestimmt.

Zur Durchführung eines abgewandelten erfindungsgemäßen Verfah­ rens zur Erzeugung dreidimensionaler Ultraschallabbildungen von einem Bauteil 1 sind nach Fig. 3 auf einer zugänglichen Oberfläche des Bauteiles 1 mehrere fest miteinander zu einer Reihe 6 verbundene Array-Elemente 7 angeordnet. Die Länge der Reihe 6 entspricht einer Seitenkante der zugänglichen Ober­ fläche des Bauteiles 1. Entlang dieser Kante ist die Reihe 6 zunächst positioniert. Von dort aus wird sie senkrecht zu dieser Kante auf der zugänglichen Oberfläche des Bauteiles 1 entlang einem Weg 8 verschoben. Dabei wird jeder Punkt auf der zugänglichen Oberfläche von mindestens einem Array-Element 7 überstrichen. Zur Erfassung der gesamten Oberfläche werden die Array-Elemente 7 einzeln angesteuert. Die während eines Durch­ ganges empfangenen zuvor reflektierten Ultraschallsignale werden in einem Speicher abgespeichert. Aus dem Speicherinhalt werden dann die Positionen der Reflektoren im Bauteil 1 bestimmt.

Die Array-Elemente 7 der Reihe 6 sind sequentiell einzeln an­ steuerbar. Die Reihe 6 besteht aus einem biegungsfähigen Träger 9, auf dem die Array-Elemente 7 in einer Reihe nebeneinander angeordnet sind.

Bei den in den Fig. 2 und 3 gezeigten erfindungsgemäßen Verfah­ ren stören Unebenheiten der Oberfläche erheblich weniger als beim bekannten Verfahren, das eine Einrichtung nach Fig. 1 ver­ wendet.

Claims (7)

1. Verfahren zur dreidimensionalen Darstellung von in einem Bauteil (1), das mindestens von einer seiner Oberflächen her zugänglich ist, räumlich verteilten Reflektoren mittels min­ destens einem Ultraschallschwinger (3, 4, 7), der von einer zu­ gänglichen Oberfläche des Bauteiles (1) aus Ultraschall in das Bauteil (1) einschallt und einen reflektierten Ultraschallan­ teil empfängt und der mit einer Auswerteeinheit, in der die Po­ sitionen der Reflektoren im Bauteil (1) bestimmbar sind, ver­ bunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Ultraschallschwinger (4, 7) auf einer zugänglichen Oberfläche des Bauteiles (1) entlang einem Weg (5, 8) verschoben wird und daß die reflektierten und wieder empfangenen Ultraschall­ signale gespeichert werden und aus dem Speicherinhalt, nachdem die zugängliche Oberfläche des Bauteiles (1) überstrichen worden ist, die Positionen der Reflektoren im Bauteil (1) bestimmt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Ultraschallschwinger (4) auf mäander­ artigem Weg (5) eine zugängliche Oberfläche des Bauteiles (1) überstreichend auf dieser verschoben wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Reihe (6) aus mehreren Ultra­ schallschwingern (7), die die Oberfläche des zu überprüfenden Bauteiles (1) überspannt, auf einem Weg (8) senkrecht zur Er­ streckungsrichtung der Reihe (6) auf der Oberfläche verschoben wird, wobei eine zugängliche Oberfläche des Bauteiles (1) von mindestens einem Ultraschallschwinger (7) überstrichen wird und daß die reflektierten und wieder empfangenen Ultra­ schallsignale gespeichert werden und aus dem Speicherinhalt die Positionen der Reflektoren im Bauteil (1) bestimmt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Ultraschallschwinger (7) in jeder Position der Reihe (6) einzeln angesteuert werden.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mehrere Ultraschallschwinger (7) in einer Reihe (6) auf einem biegungsfähigen Träger (9) angeordnet auf der Oberfläche des Bauteiles (1) verschoben werden.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein flexibler linearer Ultra­ schallschwinger, dessen Form und Abmessungen der Reihe (6) weitgehend entsprechen, senkrecht zu seiner längeren Seite auf einer zugänglichen Oberfläche des Bauteiles (1) verschoben wird, wobei die gesamte zugängliche Oberfläche des Bauteiles (1) über­ strichen wird und daß die reflektierten und wieder empfangenen Ultraschallsignale gespeichert werden und aus dem Speicherinhalt die Positionen der Reflektoren im Bauteil (1) bestimmt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein linearer aus piezoelektrischem Fo­ lienmaterial bestehender Ultraschallschwinger auf einer zugäng­ lichen Oberfläche des Bauteiles (1) verschoben wird.