EP2198285A1 - Verfahren und vorrichtung zur zerstörungsfreien materialprüfung eines prüfgegenstands mit ultraschallwellen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur zerstörungsfreien materialprüfung eines prüfgegenstands mit ultraschallwellen

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EP2198285A1
EP2198285A1 EP08803966A EP08803966A EP2198285A1 EP 2198285 A1 EP2198285 A1 EP 2198285A1 EP 08803966 A EP08803966 A EP 08803966A EP 08803966 A EP08803966 A EP 08803966A EP 2198285 A1 EP2198285 A1 EP 2198285A1
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EP
European Patent Office
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test
test object
sound field
volume elements
scanning
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP08803966A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Clossen-Von Lanken Schulz
Michael Opheys
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Priority to EP08803966A priority Critical patent/EP2198285A1/de
Publication of EP2198285A1 publication Critical patent/EP2198285A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/04—Analysing solids
    • G01N29/06—Visualisation of the interior, e.g. acoustic microscopy
    • G01N29/0654—Imaging
    • G01N29/069—Defect imaging, localisation and sizing using, e.g. time of flight diffraction [TOFD], synthetic aperture focusing technique [SAFT], Amplituden-Laufzeit-Ortskurven [ALOK] technique
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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/10—Number of transducers
    • G01N2291/106—Number of transducers one or more transducer arrays

Definitions

  • the invention relates to a method for nondestructive material testing according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a corresponding device according to the preamble of claim 11. In addition, the invention relates to a device for
  • steel components are forged after casting to be subsequently turned into final shape.
  • the examination for internal material defects can already take place after forging.
  • Such metal parts are tested with ultrasound.
  • the sound waves are detected, which are reflected at interfaces within the material. With the duration of the reflected sound wave whose distance traveled can be determined.
  • further information about the material defect (s) can be obtained. From this, for example, material defects can be located. For example, the geometric orientation of the material defect can be determined in this way. Out of form The reflected sound waves allow conclusions to be drawn about the nature of the material defect.
  • the volume accessible to ultrasound can be fully examined.
  • the captured data can be used to generate an image that can be used for assessment.
  • the size of the material defects There are several possibilities for determining the size of the material defects. For example, during scanning, the extent of the material error can be read directly. However, this requires that the spatial resolution is smaller than the spatial extent of the material defect.
  • Spatial resolution is limited by the wavelength used and the size of the aperture and thus by the diffraction of the sound waves.
  • the size of the material error can also be determined by the amplitude of the reflected signal. This also allows the size of such material errors to be determined that are smaller than the spatial resolution of the method. However, the amplitude of the reflected signal also depends on other parameters, such as the orientation of the material defect or the reflection properties at the interface.
  • the amplitude of the reflected signal decreases.
  • the distance to the interfering signals is too small to identify the material error from a single amplitude-transit time diagram. Conveniently, a distance of +6 dB between the measuring signal and the interfering signal is required.
  • the spatial resolution can be optimized by focusing the sound waves with the help of suitable probes.
  • the focussing can be narrowed, the wider the Probe is relative to the wavelength.
  • the focusing causes a higher sound pressure.
  • the position of the material defect and, in the case of an extensive material defect, its size within the scope of the resolution can be determined.
  • the accuracy is approximately comparable to that in the scanned area in the aforementioned method using the focused sound waves.
  • the Synthetic Aperture Focusing Technique is a technique that assigns a three-dimensional representation to a mechanical two-dimensional scan of the test article.
  • the test object is scanned two-dimensionally. This takes place, for example, along a meandering path.
  • the data is stored together with position data of the test object for further evaluation.
  • the test object is divided into small volume elements, for example cubes. The volume elements are occupied with sums of echo signal portions originating from different positions of the probe in the two-dimensional scan.
  • the SAFT method in each pixel in an error expectancy range, all the relevant reflected signal components are added with a time shift which the signal components would have if the pixel were the source of a reflected wave.
  • the time shift which corresponds to the phase position, results from the geometric relationships between the probe and the pixel, in particular from the distance between the probe and the pixel.
  • the amplitude at that location increases with the number of different positions of the probe from which the material error was detected.
  • the phases do not match, so that ideally the sum approaches zero, or at least is very small.
  • the spatial resolution is not limited by the dimensions of the probe in the SAFT method, so that a high spatial resolution is possible. It is in principle a focusing method in which the resolution limit results from the wavelength and the synthetic aperture.
  • the synthetic aperture is determined by the angular range from which the material error is detected. The aperture is limited by the movement of the probe and the divergence of the sound field.
  • the phase can also be taken into account when adding the data.
  • echo signals can cancel out under destructive interference and amplify if there is constructive interference.
  • the echo signals of the marginal rays undervalue a reflector by the factor "2" with the same reflectivity.
  • the factor "2" corresponds to a spacing of 6 dB.
  • the echo signals of the marginal rays lead to a falsification of the echo sums calculated for the individual volume fractions.
  • the portions of the echo signals that do not originate from the central ray are essential components of the SAFT process.
  • a correction of these proportions would only be possible with a precise knowledge of the sound field. In practice, this is not completely possible, so that the results are always subject to error. Subsequent evaluation of the obtained data by the distance-gain-magnitude (AVG) method is not possible because the AVG method requires accurate knowledge of the echo amplitude. In the case of AVG methods, a substitute reflector size is assigned to the material error on the basis of the amplitude, which would produce a perpendicularly irradiated, free circular surface. If the detected signal is significantly larger than the interfering signal or noise signal, the evaluation of the
  • the reflector must be located on the central beam of the sound field of the test head. From the dependence of the amplitude of the distance to the probe corresponds to the detected amplitude of a reflector size with known geometry and orientation to
  • the detected amplitude is smaller than the noise signal or of a comparable order of magnitude, the material error can not be identified from the amplitude-transit time diagram.
  • a central beam is directed to the volume element, wherein the central beam has the maximum intensity of the sound field.
  • the essence of the invention lies in a modified SAFT process in which the central beam with the maximum
  • Intensity of the sound field is directed to the volume element. In this way, the portions of the echo signals emanating from marginal rays play no role and do not contribute to falsifications of the measurement result.
  • the central beam is directed electronically to the volume element. This allows a fast and accurate implementation of the procedure.
  • the direction of the central beam is two-dimensionally variable. This ensures that in all geometric shapes of the test object, the central beam can be directed to the volume element.
  • a test head is used to apply a plurality of test objects to the test specimen
  • the individual ultrasound sources are particularly easy to control electronically.
  • the test head is a group radiator.
  • the added sound waves are evaluated according to the distance-gain-size method (AVG method).
  • the surface or at least the surface portion of the test object is scanned according to a predetermined scheme.
  • the surface or at least the surface portion of the test article is completely scanned.
  • the method is provided for the material testing of a metal test object.
  • the method may be used for material testing a forged component.
  • the method may be provided in addition to non-destructive material testing in a corresponding manner for medical and medical applications.
  • examinations of the internal structure of the human or animal body can be carried out from the outside.
  • tumors or others constitutional changes within the body are found and located.
  • the method also allows the study of foreign bodies that have been used for treatment purposes in the human or animal body. For example, such
  • a central jet emanating from the test head can be aligned with the volume element, wherein the central beam has the maximum intensity of the sound field.
  • the central beam is directed onto the volume element with the maximum intensity of the sound field, the portions of the echo signals emanating from marginal rays play no role and do not contribute to falsification of the measurement result.
  • the central beam is electronically aligned to the volume element. This allows a quick and accurate implementation of the method.
  • the probe has a plurality of ultrasound sources.
  • the individual ultrasound sources are particularly easy to control electronically.
  • the test head is a group radiator.
  • the object underlying the invention is, mutatis mutandis, solved for a device for examining an object within a human or animal body by the subject matter of claim 15.
  • a central jet emanating from the test head can be aligned with the volume element, the central beam having the maximum intensity of the sound field.
  • the central beam is electronically aligned to the volume element. This allows a quick and accurate investigation.
  • the probe comprises a plurality of ultrasonic sources.
  • the individual ultrasound sources are particularly easy to control electronically.
  • the test head is a group radiator.
  • FIG. 1 is a schematic sectional side view of a test object and a test head according to a preferred embodiment of the method according to the invention
  • FIG. FIG. 2 is a schematic sectional side view of the test object and three positions of the test head in an unaligned state according to the preferred embodiment of the method according to the invention
  • FIG. Figure 3 is a schematic side sectional view of the test article and the three positions of the test head in an aligned state according to the preferred embodiment of the invention
  • FIG. 1 shows a schematic sectional side view of a test object 10 and a test head 12.
  • a conical sound field 14 originates from the test head 12 and penetrates the test object 10.
  • the sound field 14 comprises a central ray 16 and a plurality of marginal rays 18.
  • the marginal rays 18 are defined by an attenuation of -6 dB.
  • the sound field 14 between the central beam 16 and the marginal rays 18 further rays.
  • the sound field 14 further includes a wavefront 20 having the shape of a spherical surface portion.
  • the sound field 14 forms a divergence bundle.
  • FIG. 1 illustrates that a radial sound wave 22 is particularly strongly reflected on the tangential material defect 18 because the tangential material defect 18 is oriented substantially parallel to the surface of the test article 10. It also becomes clear that a tangential sound wave 24 is reflected particularly intensely on the radial material defect 18.
  • FIG. 2 is a schematic side sectional view of the test article 10 and a plurality of positions of the test head 12 in an unaligned state according to the preferred embodiment of the method of the invention.
  • the test head 12 is shown at a first test head position 22, a second test head position 24 and at a third test head position 26 on the test object 10. at In all three test head positions 22, 24 and 26, the test head 12 is located on the surface of the test object 10. In this example, the test object 10 has a curved surface.
  • the probe 12 At each excesseposition 22, 24 and 26, the probe 12 generates a sound field 14, each having a central beam 16 and a plurality of edge beams 18. Between the central beam 16 and the edge beams 18 are other rays.
  • volume element 30 The sound field 14, which starts from the first probe position 22, passes by the volume element 30.
  • the sound field 14 emanating from the third probe position 26 strikes the volume element 30 with one of its marginal rays 18. Only those rays which impinge on the volume element 30 contribute.
  • the portions of the echo signals for the various probe positions 22, 24 and 26 are added in accordance with the phase consideration position.
  • the proportion of the echo signal coming from the central beam 16 of the second probe position 24 is a correct contribution to the sum.
  • the central beam 16 emanating from the second probe position 24 would enter into the calculation correctly.
  • the outgoing from the third educating from the third sketchkopfposition 26 edge beam 18 would be subject to errors in the calculation.
  • the other beams coming from the second fürkopfposition 24 would be distorted in the calculation.
  • FIG. FIG. 3 shows a schematic side sectional view of the test article 10 and the three positions of the test head 12 of FIG. 2 in an aligned state according to the preferred embodiment of the method according to the invention.
  • FIG. 3 In contrast to FIG. 2 are shown in FIG. 3 all three central rays 16 directed to the volume element 30. As a result, the portions of the echo signals coming from the marginal rays 18 disappear. In this way a source of error is eliminated.
  • the direction of the central beam 16 can be electronically changed by the test head 12 so that the central beam 16 is controlled in a desired direction. This is done with the help of
  • the central beam 16 is electronically changed two-dimensionally in its direction in a small pitch.
  • each volume element 30 is hit by the different probe positions 22, 24 and 26 with the central beam 16, respectively.
  • the summation is done automatically with the correct weighting.
  • the results obtained in this way can also be evaluated according to the AVG procedure.
  • the relatively large amount of data can be recorded and stored without any problems.
  • the directional sensitivity is already taken into account in the measurement by setting an Angle Amplitude Correction (AAC).
  • AAC Angle Amplitude Correction
  • phased array test head 12 In the phased array technique, a phased array test head 12 is used in which the angular range is electronically adjustable. With thecanningstrahlerprüfköpf 12 can be scanned a much larger volume than with a conventional strigovipf 12th
  • the method according to the invention can be provided not only for non-destructive material testing, but also in a corresponding manner for medical and medical applications.
  • examinations of the internal structure of the human or animal body can be carried out from the outside.
  • tumors or other constitutional changes or diseases within the body can be detected and located.
  • the method also allows the study of foreign bodies that have been used for treatment purposes in the human or animal body. For example, such fasteners that have been used to connect bone fractures can be examined in this way.
  • the inventive method leads to a greater spatial resolution and allows the evaluation with the AVG method. This leads to an improvement in the evaluation of material defects.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur zerstörungsfreien Materialprüfung eines zumindest abschnittsweise massiven Prüfgegenstands (10) durch Beaufschlagen des Prüfgegenstands (10) mit Ultraschallwellen (20) und Erfassen der innerhalb des Prüfgegenstands (10) reflektierten Ultraschallwellen. Das Verfahren weist die folgenden Schritte aufweist: - rechnergestütztes Unterteilen des Prüfgegenstands (10) in eine vorbestimmte Anzahl von Volumenelementen (30), - Beaufschlagen des Prüfgegenstands (10) mit einem Schallfeld (14) während eines Abtastens der Oberfläche oder zumindest eines Oberflächenabschnitts des Prüfgegenstands (10), - Erfassen der an den Volumenelementen reflektierten Schallwellen während des Abtastens der Oberfläche oder zumindest des Oberflächenabschnitts des Prüfgegenstands (10), und - phasenrichtiges Aufaddieren der an denselben Volumenelementen (30) reflektierten und an verschiedenen Messpositionen (22, 24, 26) auf der Oberfläche des Prüfgegenstands (10) erfassten Schallwellen- Gemäß der Erfindung wird in jeder Messposition (22, 24, 26) ein Zentralstrahl (16) auf das Volumenelement (30) gerichtet, wobei der Zentralstrahl (16) die maximale Intensität des Schallfeldes (14) aufweist. Weiterhin betrifft die Erfindung eine entsprechende Vorrichtung.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur zerstörungsfreien Materialprüfung eines Prüfgegenstands mit Ultraschallwellen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur zerstörungsfreien Materialprüfung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Weiterhin betrifft die Erfindung eine entsprechende Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 11. Außerdem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur
Untersuchung eines Objekts innerhalb eines menschlichen oder tierischen Körpers gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 15.
Bei zahlreichen massiven und teilweise massiven Bauteilen und Zwischenprodukten ist es erforderlich, dass deren innere Struktur nach Materialfehlern untersucht wird. Dazu sind zerstörungsfreie Prüfverfahren erforderlich, die Informationen über die innere, nicht-einsehbare Struktur bereitstellen. Dies ist insbesondere bei mechanisch stark beanspruchten Bauteilen notwendig.
Beispielsweise werden Bauteile aus Stahl nach dem Gießen geschmiedet, um anschließend durch Drehen in die endgültige Form gebracht zu werden. Dabei kann die Prüfung auf innere Materialfehler bereits nach dem Schmieden erfolgen.
Üblicherweise werden solche Metallteile mit Ultraschall geprüft. Dabei werden die Schallwellen erfasst, die an Grenzflächen innerhalb des Materials reflektiert werden. Mit der Laufzeit der reflektierten Schallwelle kann deren zurückgelegte Weglänge bestimmt werden. Durch eine Einschallung aus verschiedenen Richtungen lassen sich weitere Informationen über den oder die Materialfehler gewinnen. Daraus lassen sich beispielsweise Materialfehler orten. Beispielsweise kann die geometrische Ausrichtung des Materialfehlers auf diese Weise bestimmt werden. Aus der Form der reflektierten Schallwellen lassen sich Rückschlüsse auf die Art des Materialfehlers ziehen.
Durch ein Abtasten der Oberfläche des Prüfgegenstands mit einem Ultraschalldetektor und ein Aufzeichnen der erfassten Daten kann das dem Ultraschall zugängliche Volumen vollständig untersucht werden. Aus den erfassten Daten lässt sich eine Abbildung generieren, die zur Begutachtung verwendet werden kann.
Zur Bestimmung der Größe der Materialfehler gibt es mehrere Möglichkeiten. Beispielsweise kann beim Abtasten die Ausdehnung des Materialfehlers direkt abgelesen werden. Dazu ist jedoch erforderlich, dass die Ortsauflösung kleiner als die räumliche Ausdehnung des Materialfehlers ist. Die
Ortsauflösung ist durch die verwendete Wellenlänge und die Größe der Apertur und damit durch die Beugung der Schallwellen begrenzt.
Die Größe des Materialfehlers kann auch mit der Amplitude des reflektierten Signals bestimmt werden. Damit lässt sich auch die Größe solcher Materialfehler bestimmen, die kleiner als die Ortsauflösung des Verfahrens sind. Die Amplitude des reflektierten Signals hängt jedoch auch von weiteren Parametern ab, beispielsweise von der Orientierung des Materialfehlers oder den Reflexionseigenschaften an der Grenzfläche .
Bei abnehmender Größe des Materialfehlers nimmt die Amplitude des reflektierten Signals ab. Dabei wird der Abstand zu den Störsignalen zu gering, um aus einem einzigen Amplituden- Laufzeit-Diagramm den Materialfehler zu identifizieren. Zweckmäßigerweise ist ein Abstand von +6 dB zwischen dem Messsignal und dem Störsignal erforderlich.
Die Ortsauflösung lässt sich durch eine Fokussierung der Schallwellen mit Hilfe geeigneter Prüfköpfe optimieren. Dabei kann die Fokussierung umso schmäler werden, je breiter der Prüfköpf im Verhältnis zur Wellenlänge ist. Die Fokussierung bewirkt einen höheren Schalldruck.
Daraus lässt sich die Position des Materialfehlers und bei einem ausgedehnten Materialfehler auch dessen Größe im Rahmen der Auflösung bestimmen. Die Genauigkeit ist etwa vergleichbar mit der in dem abgetasteten Bereich bei dem vorgenannten Verfahren, das die fokussierten Schallwellen verwendet .
Die Synthetic-Aperture-Focusing-Technique (SAFT) ist ein Verfahren, das einer mechanischen zweidimensionalen Abtastung des Prüfgegenstands eine dreidimensionale Darstellung zuordnet. Dabei wird der Prüfgegenstand zweidimensional abgetastet. Dies erfolgt beispielsweise entlang einer mäanderförmigen Bahn. Die Daten werden zusammen mit Positionsdaten des Prüfgegenstands für die weitere Auswertung gespeichert. Der Prüfgegenstand wird in kleine Volumenelemente, beispielsweise in Würfel unterteilt. Die Volumenelemente werden mit Summen von Echosignalteilen belegt, die von verschiedenen Positionen des Prüfkopfs bei der zweidimensionalen Abtastung stammen.
Beim SAFT-Verfahren werden in jedem Bildpunkt in einem Fehlererwartungsbereich alle in Frage kommenden reflektierten Signalanteile mit einer Zeitverschiebung addiert, die die Signalanteile dann hätten, wenn der Bildpunkt die Quelle einer reflektierten Welle wäre. Die Zeitverschiebung, die der Phasenlage entspricht, ergibt sich aus den geometrischen Beziehungen zwischen dem Prüfkopf und dem Bildpunkt, insbesondere aus dem Abstand zwischen dem Prüfkopf und dem Bildpunkt. Wenn der Bildpunkt nun tatsächlich die Quelle einer reflektierten Welle ist, dann nimmt die Amplitude an dieser Stelle mit der Anzahl der verschiedenen Positionen des Prüfköpfs zu, von denen aus der Materialfehler erfasst wurde. Für alle anderen Bildpunkte stimmen die Phasen nicht überein, so dass die Summe im Idealfall gegen Null geht, zumindest aber sehr klein ist. Die Ortsauflösung ist bei dem SAFT-Verfahren nicht durch die Abmessungen des Prüfkopfs begrenzt, so dass eine hohe Ortsauflösung möglich ist. Es handelt sich im Prinzip um ein Fokussierungsverfahren, bei dem sich die Auflösungsgrenze durch die Wellenlänge und die synthetische Apertur ergibt. Die synthetische Apertur wird von dem Winkelbereich bestimmt, aus dem der Materialfehler erfasst wird. Die Apertur wird durch die Bewegung des Prüfkopfes und die Divergenz des Schallfeldes begrenzt.
Beim SAFT-Verfahren werden nicht nur die zentralen Strahlen, sondern alle Strahlen eines Divergenzbündels berücksichtigt. Da die Daten mit hohen Frequenzen aufgezeichnet werden, kann bei der Addition der Daten auch die Phase berücksichtigt werden. In Abhängigkeit von der Phase können sich Echosignale bei destruktiver Interferenz auslöschen und bei konstruktiver Interferenz verstärken.
Gemäß dem Stand der Technik werden alle Echosignale unabhängig von ihrer Lage innerhalb des Divergenzbündels gleichermaßen berücksichtigt. Dies hat zur Folge, dass die Echosignale der Randstrahlen einen Reflektor um den Faktor „2" bei gleichem Reflexionsvermögen unterbewerten. Der Faktor „2" entspricht einem Abstand von 6 dB. Die Echosignale der Randstrahlen führen zu einer Verfälschung der für die einzelnen Volumenanteile berechneten Echosummen. Die Anteile der Echosignale, die nicht aus dem Zentralstrahl stammen, sind wesentliche Bestandteile des SAFT-Verfahrens .
Eine Korrektur dieser Anteile wäre nur bei einer genauen Kenntnis des Schallfeldes möglich. In der Praxis ist dies nicht vollständig möglich, so dass die Resultate stets einem Fehler unterliegen. Eine anschließende Bewertung der erhaltenen Daten nach dem Abstand-Verstärkung-Größe-Verfahren (AVG-Verfahren) ist nicht möglich, da das AVG-Verfahren die genaue Kenntnis der Echoamplitude voraussetzt. Bei AVG-Verfahren wird ausgehend von der Amplitude dem Materialfehler eine Ersatzreflektorgröße zugeordnet, die eine senkrecht beschallte freie kreisrunde Oberfläche erzeugen würde. Wenn das erfasste Signal deutlich größer ist als das Störsignal oder Rauschsignal, ist die Auswertung der
Amplitude nach der AVG-Methode problemlos möglich. Dabei muss sich der Reflektor auf dem Zentralstrahl des Schallfeldes des Prüfköpfes befinden. Aus der Abhängigkeit der Amplitude vom Abstand zum Prüfkopf entspricht die erfasste Amplitude einer Reflektorgröße mit bekannter Geometrie und Orientierung zum
Zentralstrahl. Ist dagegen die erfasste Amplitude kleiner als das Rauschsignal oder in einer vergleichbaren Größenordnung, kann der Materialfehler aus dem Amplituden-Laufzeit-Diagramm nicht identifiziert werden.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zur zerstörungsfreien Materialprüfung eines Prüfgegenstands mit Ultraschallwellen bereit zu stellen.
Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens durch den Gegenstand gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass in jeder Messposition ein Zentralstrahl auf das Volumenelement gerichtet wird, wobei der Zentralstrahl die maximale Intensität des Schallfeldes aufweist.
Der Kern der Erfindung liegt in einem modifizierten SAFT- Verfahren, bei dem der Zentralstrahl mit der maximalen
Intensität des Schallfeldes auf das Volumenelement gerichtet wird. Auf diese Weise spielen die Anteile der Echosignale, die von Randstrahlen ausgehen, keine Rolle und tragen nicht zu Verfälschungen des Messergebnisses bei.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Zentralstrahl elektronisch auf das Volumenelement gerichtet wird. Dies ermöglicht eine schnelle und präzise Durchführung des Verfahrens .
Vorteilhafterweise ist die Richtung des Zentralstrahls zweidimensional veränderbar. Damit ist sichergestellt, dass bei allen geometrischen Formen des Prüfgegenstands der Zentralstrahl auf das Volumenelement gerichtet werden kann.
Beispielsweise wird zum Beaufschlagen des Prüfgegenstands mit Ultraschall ein Prüfkopf verwendet, der eine Vielzahl
Ultraschallquellen umfasst. Die einzelnen Ultraschallquellen sind elektronisch besonders einfach ansteuerbar. Insbesondere ist der Prüfköpf ein Gruppenstrahler.
Anschließend werden die aufaddierten Schallwellen nach dem Abstand-Verstärkung-Größe-Verfahren (AVG-Verfahren) ausgewertet .
Weiterhin ist vorgesehen, dass die Oberfläche oder zumindest der Oberflächenabschnitt des Prüfgegenstands nach einem vorbestimmten Schema abgetastet wird.
Insbesondere wird die Oberfläche oder zumindest der Oberflächenabschnitt des Prüfgegenstands vollständig abgetastet.
Beispielsweise ist das Verfahren für die Materialprüfung eines Prüfgegenstands aus Metall vorgesehen. Insbesondere, aber nicht ausschließlich, kann das Verfahren für die Materialprüfung eines geschmiedeten Bauteils verwendet werden .
Außerdem kann das Verfahren neben der zerstörungsfreien Materialprüfung in entsprechender Weise auch für medizinische und medizintechnische Anwendungen vorgesehen sein. Dabei können beispielsweise von Außen Untersuchungen der inneren Struktur des menschlichen oder tierischen Körpers durchgeführt werden. Insbesondere können Tumore oder andere konstitutionelle Veränderungen innerhalb der Körpers aufgefunden und geortet werden. Weiterhin ermöglicht das Verfahren auch die Untersuchung von Fremdkörpern, die zu Behandlungszwecken in den menschlichen oder tierischen Körper eingesetzt worden sind. Beispielsweise können solche
Befestigungselemente, die zum Verbinden von Knochenfrakturen eingesetzt worden sind, auf diese Weise untersucht werden.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird hinsichtlich der Vorrichtung durch den Gegenstand gemäß Patentanspruch 11 gelöst .
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass ein vom Prüfkopf ausgehender Zentralstrahl auf das Volumenelement ausrichtbar ist, wobei der Zentralstrahl die maximale Intensität des Schallfeldes aufweist.
Da der Zentralstrahl mit der maximalen Intensität des Schallfeldes auf das Volumenelement gerichtet wird, spielen die Anteile der Echosignale, die von Randstrahlen ausgehen, keine Rolle und tragen nicht zu Verfälschungen des Messergebnisses bei.
Vorzugsweise ist der Zentralstrahl elektronisch auf das Volumenelement ausrichtbar. Dies ermöglicht eine schnelle und präzise Durchführung des Verfahrens.
Beispielsweise weist der Prüfkopf eine Vielzahl Ultraschallquellen auf. Die einzelnen Ultraschallquellen sind elektronisch besonders einfach ansteuerbar. Insbesondere ist der Prüfköpf ein Gruppenstrahler.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird sinngemäß für eine Vorrichtung zur Untersuchung eines Objekts innerhalb eines menschlichen oder tierischen Körpers durch den Gegenstand gemäß Patentanspruch 15 gelöst. Erfindungsgemäß ist ebenfalls vorgesehen, dass ein vom Prüfkopf ausgehender Zentralstrahl auf das Volumenelement ausrichtbar ist, wobei der Zentralstrahl die maximale Intensität des Schallfeldes aufweist.
Da der Zentralstrahl mit der maximalen Intensität des Schallfeldes auf das Volumenelement gerichtet wird, spielen auch bei dieser Anwendung die Anteile der Echosignale, die von Randstrahlen ausgehen, keine Rolle und tragen nicht zu Verfälschungen des Messergebnisses bei.
Vorzugsweise ist der Zentralstrahl elektronisch auf das Volumenelement ausrichtbar. Damit lässt sich eine schnelle und präzise Untersuchung durchführen.
Vorzugsweise umfasst der Prüfkopf eine Vielzahl Ultraschallquellen. Die einzelnen Ultraschallquellen sind elektronisch besonders einfach ansteuerbar. Insbesondere ist der Prüfköpf ein Gruppenstrahler.
Weitere Merkmale, Vorteile und besondere Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Nachstehend wird das Verfahren gemäß der Erfindung in der Figurenbeschreibung anhand bevorzugter Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
FIG. 1 eine schematische seitliche Schnittansicht eines Prüfgegenstands und eines Prüfkopfes gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens,
FIG. 2 eine schematische seitliche Schnittansicht des Prüfgegenstands und drei Positionen des Prüfkopfs in einem unausgerichteten Zustand gemäß der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, und FIG. 3 eine schematische seitliche Schnittansicht des Prüfgegenstands und der drei Positionen des Prüfkopfs in einem ausgerichteten Zustand gemäß der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens .
FIG. 1 zeigt eine schematische seitliche Schnittansicht eines Prüfgegenstands 10 und eines Prüfkopfes 12. Vom Prüfköpf 12 geht ein kegelförmiges Schallfeld 14 aus und dringt in den Prüfgegenstand 10 ein. Das Schallfeld 14 umfasst einen Zentralstrahl 16 und einen Vielzahl Randstrahlen 18. Die Randstrahlen 18 sind durch eine Abschwächung um -6 dB definiert. Außerdem umfasst das Schallfeld 14 zwischen dem Zentralstrahl 16 und den Randstrahlen 18 weitere Strahlen.
Das Schallfeld 14 umfasst weiterhin eine Wellenfront 20, die die Form eines Kugeloberflächenabschnitts aufweist. Das Schallfeld 14 bildet ein Divergenzbündel.
Die Materialprüfung erfolgt, indem der Prüfkopf 16 an der äußeren Oberfläche des Prüfgegenstands 10 bewegt wird. FIG. 1 verdeutlicht, dass eine radiale Schallwelle 22 an dem tangentialen Materialfehler 18 besonders stark reflektiert wird, da der tangentiale Materialfehler 18 im Wesentlichen parallel zur Oberfläche des Prüfgegenstands 10 ausgerichtet ist. Ebenso wird deutlich, dass eine tangentiale Schallwelle 24 an dem radialen Materialfehler 18 besonders intensiv reflektiert wird.
In FIG. 2 ist eine schematische seitliche Schnittansicht des Prüfgegenstands 10 und mehrerer Positionen des Prüfkopfs 12 in einem unausgerichteten Zustand gemäß der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt.
Der Prüfkopf 12 ist an einer ersten Prüfkopfposition 22, einer zweiten Prüfkopfposition 24 und an einer dritten Prüfkopfposition 26 am Prüfgegenstand 10 dargestellt. Bei allen drei Prüfkopfpositionen 22, 24 und 26 befindet sich der Prüfköpf 12 auf der Oberfläche des Prüfgegenstands 10. In diesem Beispiel weist der Prüfgegenstand 10 eine gekrümmte Oberfläche auf. An jeder Prüfkopfposition 22, 24 und 26 erzeugt der Prüfkopf 12 ein Schallfeld 14 mit jeweils einem Zentralstrahl 16 und einer Vielzahl Randstrahlen 18. Zwischen dem Zentralstrahl 16 und den Randstrahlen 18 befinden sich weitere Strahlen.
Innerhalb des Prüfgegenstands 10 befindet sich ein
Volumenelement 30. Das Schallfeld 14, das von der ersten Prüfkopfposition 22 ausgeht, läuft an dem Volumenelement 30 vorbei. Das von der zweiten Prüfkopfposition 24 ausgehende Schallfeld 14 trifft mit seinem Zentralstrahl 16 das Volumenelement 30 in seinem Zentrum. Das Schallfeld 14, das von der dritten Prüfkopfposition 26 ausgeht, trifft mit einem seiner Randstrahlen 18 auf das Volumenelement 30. Nur diejenigen Strahlen, die auf das Volumenelement 30 auftreffen, leisten einen Beitrag.
Die Anteile der Echosignale für die verschiedenen Prüfkopfpositionen 22, 24 und 26 werden entsprechend der Position mit Berücksichtigung der Phase aufaddiert. Dabei ist der Anteil des Echosignals, der von dem Zentralstrahl 16 der zweiten Prüfkopfposition 24 kommt, ein korrekter Beitrag für die Summe. Dagegen ist der Anteil des Echosignals, der von dem Randstrahl 18 der dritten Prüfkopfposition 26 kommt, verfälscht, nämlich zu gering. Der von der zweiten Prüfkopfposition 24 ausgehende Zentralstrahl 16 würde korrekt in die Berechnung eingehen. Dagegen würde der von der dritten Prüfkopfposition 26 ausgehende Randstrahl 18 mit Fehlern behaftet in die Berechnung eingehen. Auch die weiteren Strahlen, die von der zweiten Prüfkopfposition 24 kommen, würden verfälscht in die Berechnung eingehen.
Der unausgerichtete Zustand der Zentralstrahlen 16 entspricht auch der Ausrichtung bei einem konventionellen Verfahren. FIG. 3 zeigt eine schematische seitliche Schnittansicht des Prüfgegenstands 10 und der drei Positionen des Prüfkopfs 12 aus FIG. 2 in einem ausgerichteten Zustand gemäß der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Im Gegensatz zu FIG. 2 sind in der FIG. 3 alle drei Zentralstrahlen 16 auf das Volumenelement 30 gerichtet. Dadurch verschwinden die Anteile der Echosignale, die von den Randstrahlen 18 kommen. Auf diese Weise wird eine Fehlerquelle eliminiert.
Durch das Verfahren gemäß der Erfindung kann die Richtung des Zentralstrahls 16 vom Prüfkopf 12 elektronisch so verändert werden, dass der Zentralstrahl 16 in eine gewünschte Richtung gesteuert wird. Dies erfolgt mit Hilfe der
Gruppenstrahlertechnik. Bei Verwendung eines zweidimensionalen Gruppenstrahlers wird der Zentralstrahl 16 in kleiner Rasterung elektronisch zweidimensional in seiner Richtung geändert.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird jedes Volumenelement 30 von der verschiedenen Prüfkopfpositionen 22, 24 und 26 jeweils mit dem Zentralstrahl 16 getroffen. Dadurch erfolgt die Summation automatisch mit der korrekten Gewichtung.
Die auf diese Weise gewonnenen Resultate können auch nach dem AVG-Verfahren ausgewertet werden. Die relativ große Datenmenge kann ohne Probleme aufgezeichnet und abgespeichert werden .
Bei der Programmierung der Ausrichtung des Prüfkopfes 12 wird die richtungsabhängige Empfindlichkeit bereits bei der Messung berücksichtigt, indem eine Angle-Amplitude-Correction (AAC) eingestellt wird.
Bei der Gruppenstrahlertechnik wird ein Gruppenstrahlerprüfköpf 12 verwendet, bei dem der Winkelbereich elektronisch einstellbar ist. Mit dem Gruppenstrahlerprüfköpf 12 kann ein wesentlich größeres Volumen abgetastet werden als mit einem konventionellen Prüfköpf 12.
Außerdem kann das Verfahren gemäß der Erfindung nicht nur für die zerstörungsfreie Materialprüfung, sondern auch in entsprechender Weise für medizinische und medizintechnische Anwendungen vorgesehen sein.
Dabei können beispielsweise von Außen Untersuchungen der inneren Struktur des menschlichen oder tierischen Körpers durchgeführt werden. Insbesondere können Tumore oder andere konstitutionelle Veränderungen oder Erkrankungen innerhalb der Körpers aufgefunden und geortet werden.
Weiterhin ermöglicht das Verfahren auch die Untersuchung von Fremdkörpern, die zu Behandlungszwecken in den menschlichen oder tierischen Körper eingesetzt worden sind. Beispielsweise können solche Befestigungselemente, die zum Verbinden von Knochenfrakturen eingesetzt worden sind, auf diese Weise untersucht werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren führt zu einer größeren Ortsauflösung und ermöglicht die Auswertung mit dem AVG- Verfahren. Dies führt zu einer Verbesserung der Bewertung von Materialfehlem .

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur zerstörungsfreien Materialprüfung eines zumindest abschnittsweise massiven Prüfgegenstands (10) durch Beaufschlagen des Prüfgegenstands (10) mit Ultraschallwellen (20) und Erfassen der innerhalb des Prüfgegenstands (10) reflektierten Ultraschallwellen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: a) rechnergestütztes Unterteilen des Prüfgegenstands (10) in eine vorbestimmte Anzahl von Volumenelementen (30), b) Beaufschlagen des Prüfgegenstands (10) mit einem Schallfeld (14) während eines Abtastens der Oberfläche oder zumindest eines Oberflächenabschnitts des
Prüfgegenstands (10), c) Erfassen der an den Volumenelementen reflektierten
Schallwellen während des Abtastens der Oberfläche oder zumindest des Oberflächenabschnitts des Prüfgegenstands (10), und d) phasenrichtiges Aufaddieren der an denselben Volumenelementen (30) reflektierten und an verschiedenen Messpositionen (22, 24, 26) auf der Oberfläche des Prüfgegenstands (10) erfassten Schallwellen, dadurch gekennzeichnet, dass in jeder Messposition (22, 24, 26) ein Zentralstrahl (16) auf das Volumenelement (30) gerichtet wird, wobei der
Zentralstrahl (16) die maximale Intensität des Schallfeldes (14) und eine Vielzahl Randstrahlen (18) jeweils die Hälfte der maximalen Intensität des Schallfeldes (14) aufweist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zentralstrahl (16) elektronisch auf das Volumenelement (30) gerichtet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtung des Zentralstrahls (16) zweidimensional veränderbar ist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Beaufschlagen des Prüfgegenstands (10) mit Ultraschall ein Prüfkopf (12) verwendet wird, der eine Vielzahl Ultraschallquellen umfasst.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Prüfkopf (12) ein Gruppenstrahler ist.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aufaddierten Schallwellen nach dem Abstand-Verstärkung- Größe-Verfahren (AVG-Verfahren) ausgewertet werden.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche oder zumindest der Oberflächenabschnitt des Prüfgegenstands (10) nach einem vorbestimmten Schema abgetastet wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche oder zumindest der Oberflächenabschnitt des Prüfgegenstands (10) vollständig abgetastet wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren für die Materialprüfung eines Prüfgegenstands (10) aus Metall vorgesehen ist.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren für die Materialprüfung eines geschmiedeten Bauteils (10) vorgesehen ist.
11. Vorrichtung zur zerstörungsfreien Materialprüfung eines zumindest abschnittsweise massiven Prüfgegenstands (10), der rechnergestützt in eine vorbestimmte Anzahl von Volumenelementen (30) unterteilt ist, wobei die Vorrichtung wenigstens einen Prüfkopf (12) zum Beaufschlagen des
Prüfgegenstands (10) mit einem Schallfeld (14) während eines Abtastens der Oberfläche oder zumindest eines Oberflächenabschnitts des Prüfgegenstands (10) und zum Erfassen der an den Volumenelementen (30) reflektierten Schallwellen während des Abtastens der Oberfläche oder zumindest des Oberflächenabschnitts des Prüfgegenstands (10), dadurch gekennzeichnet, dass ein vom Prüfkopf (12) ausgehender Zentralstrahl (16) auf das Volumenelement (30) ausrichtbar ist, wobei der Zentralstrahl (16) die maximale Intensität des Schallfeldes (14) und eine Vielzahl Ranstrahlen (18) jeweils die Hälfte der maximalen Intensität des Schallfeldes aufweist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Zentralstrahl (16) elektronisch auf das Volumenelement (30) ausrichtbar ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Prüfköpf (16) als Gruppenstrahler ausgebildet ist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Prüfkopf (16) eine Vielzahl Ultraschallquellen umfasst.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass als Prüfgegenstand (10) ein Objekt innerhalb eines menschlichen oder tierischen Körpers vorgesehen ist, wobei der Körper der rechnergestützt in eine vorbestimmte Anzahl von Volumenelementen (30) unterteilt ist und der Prüfköpf (12) zum Beaufschlagen des Körpers oder zumindest eines Bereiches des Körpers mit dem Schallfeld (14) während des Abtastens der Oberfläche oder zumindest eines Oberflächenabschnitts des Körpers sowie zum Erfassen der an den Volumenelementen (30) reflektierten Schallwellen während des Abtastens der Oberfläche oder zumindest des Oberflächenabschnitts des Körpers vorgesehen ist.
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