ES2920825T3 - Procedimiento de detección y de caracterización por ultrasonidos de defectos en un material heterogéneo - Google Patents
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Abstract
La invención se refiere a un método para la detección de ultrasonido y la caracterización de defectos en un material heterogéneo, que comprende los siguientes pasos: - para cada una pluralidad de posiciones de la sonda (z), para una pluralidad de configuraciones de la sonda de elemento múltiple (1), emitiendo ultrasonido por al menos un transductor transmitente (14) y adquiriendo una señal de medición por al menos un transductor receptor (15), implementando un algoritmo de enfoque y obteniendo, para cada posición de la sonda (z), una imagen en la que cada píxel de La imagen representa un punto sondeado (w) del material con el que se asocia una amplitud enfocada, - para cada punto sondeado (w), determinando una medida de la tendencia central de la amplitud y una función representativa de la variabilidad de la amplitud, - - - Para cada imagen, corrige la amplitud, detectando y caracterizando los defectos en el material basado en las imágenes corregidas. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Procedimiento de detección y de caracterización por ultrasonidos de defectos en un material heterogéneo Campo técnico general y contexto de la invención
La presente invención se refiere al control no destructivo de materiales, y más precisamente a la detección y a la caracterización por ultrasonidos de defectos en un material heterogéneo.
Los ultrasonidos se utilizan habitualmente para la aplicación de controles no destructivos de materiales. Para ello, se utiliza un transductor ultrasonoro colocado en la superficie del material a examinar, que emite unas ondas ultrasonoras en el material. Estas ondas se propagan en el material y son reflejadas por éste en función de su estructura. El transductor recibe estas ondas reflejadas, y su análisis permite detectar eventuales defectos en el material.
Sin embargo, para un material heterogéneo, es decir, un material policristalino cuyo tamaño de grano es del orden de la longitud de onda ultrasonora en este material, el fenómeno de difusión de la onda ultrasonora por la estructura del material se vuelve preponderante. Esta difusión puede conducir entonces a la generación de un ruido de estructura, es decir, una señal ultrasonora de amplitud no despreciable recibida por el transductor y que presenta unas características parecidas a las que emitiría una onda reflejada por un defecto, provocando así un deterioro de la capacidad de detección de los defectos realmente presentes en el material.
En efecto, en la medida en la que el ruido de estructura presenta unas características temporales y espectrales similares a las de las firmas de defecto que constituyen la señal útil, los enfoques clásicos de procesamiento de las señales ultrasonoras, por filtrado temporal o frecuencial, deconvolución o proyección sobre unas bases de ondas pequeñas resultan ineficaces.
La solicitud de patente US 2007/0006651 A1 describe un procedimiento de control no destructivo por medio de ondas ultrasonoras, basado en la comparación de la amplitud del espectro frecuencial de una selección de la señal con una amplitud de referencia. Esta solicitud menciona la posibilidad de efectuar las mediciones en diferentes posiciones, y menciona la combinación de estas mediciones para obtener una señal de medición media en el sentido espacial. Sin embargo, un procedimiento de este tipo no aporta una satisfacción completa, y la señal permanece contaminada con ruido.
La solicitud de patente WO2016083759 describe un procedimiento de detección y de caracterización por ultrasonidos de defectos en un material heterogéneo, que comprende las etapas siguientes:
- emisión de ultrasonidos a partir de un transductor emisor ultrasonoro colocado contra el material, - adquisición, por un transductor receptor ultrasonoro en diferentes posiciones con respecto a dicho material, de una pluralidad de señales temporales representativas de la amplitud de los ultrasonidos propagados en el material en función del tiempo para una posición de transductor receptor ultrasonoro,
- determinación de una función temporal representativa de una potencia espacialmente media de las señales temporales que corresponden a diferentes posiciones del transductor receptor ultrasonoro, siendo la función temporal representativa de la potencia espacialmente media de las señales temporales de fórmula general:
siendo «, p y y diferentes de cero, x(z,t) la señal temporal representativa de la amplitud del sonido propagado en el material en función del tiempo para una posición z del transductor receptor ultrasonoro, y m(t) una función del tiempo,
- normalización de las señales temporales por medio de dicha función temporal para obtener unas señales temporales normalizadas,
- detección y caracterización de los defectos del material a partir de dichas señales temporales normalizadas. La solicitud de patente WO2016083759 describe así un pretratamiento que aprovecha una función temporal representativa de una potencia espacialmente media de las señales temporales correspondientes a diferentes posiciones del transductor receptor ultrasonoro. Dicho pretratamiento permite mejorar la detección y la caracterización de los defectos en el material, homogeneizando las señales tratadas, con el fin de que las estadísticas de ruido sean similares en los diferentes sitios de medición, facilitando así la detección de un nivel de
señal anormal. Sin embargo, el ruido de medición existe aún y puede limitar a veces las capacidades de detección y de caracterización de un defecto.
De hecho, el procedimiento no aprovecha todas las capacidades de una sonda multielemento que comprende una pluralidad de transductores, que funcionan como emisor o como receptor. En efecto, la adquisición de señales de medición por medio de una sonda multielemento de este tipo da lugar a unas características suplementarias en la señal de medición que se pueden aprovechar para mejorar aún más la detección y la caracterización de los defectos en el material.
Presentación de la invención
La presente invención tiene como objetivo proponer un procedimiento de detección por ultrasonidos de defectos en un material heterogéneo que permiten reducir la influencia del ruido de estructura que contamina los datos recogidos.
Con este fin, se propone un procedimiento de detección y de caracterización por ultrasonidos de defectos en un material heterogéneo, que comprende las etapas siguientes:
a) para cada una de una pluralidad de posiciones en la superficie del material,
- una sonda multielemento que comprende una pluralidad de transductores se dispone en la posición en la superficie del material;
- para una pluralidad de configuraciones de la sonda multielemento, se emiten unos ultrasonidos por lo menos por un transductor emisor, y por lo menos un transductor receptor adquiere una señal de medición representativa de la amplitud de los ultrasonidos propagados en el material en función del tiempo para esta configuración de sonda en esta posición, distinguiéndose las diferentes configuraciones entre sí por unos retardos diferentes aplicados a la emisión de ondas ultrasonoras por los transductores o por unas funciones de emisor o de receptor cumplidas por diferentes transductores, b) aplicación de un algoritmo de focalización sobre un conjunto de datos de medición que agrupa las señales de medición para las diferentes configuraciones de la sonda multielemento para cada posición de la sonda multielemento, y obtención para cada posición de sonda de una imagen en la que cada píxel de la imagen representa un punto sondeado del material al que está asociada una amplitud focalizada para dicho punto sondeado en diferentes posiciones de sonda,
c) para cada punto sondeado, determinación de una medición de tendencia central de la amplitud focalizada a nivel del punto sondeado en diferentes posiciones de sonda,
d) para cada punto sondeado, determinación de una función representativa de la variabilidad de la amplitud focalizada a nivel de este punto sondeado en diferentes posiciones de sonda,
e) para cada imagen, corrección de la amplitud focalizada en cada punto sondeado sustrayendo a la amplitud la medición la tendencia central y dividiendo por la función representativa de la variabilidad, para obtener unas imágenes corregidas,
f) detección y caracterización de los defectos del material a partir de las imágenes corregidas.
La invención se completa ventajosamente con las características siguientes, consideradas solas o en cualquiera de sus combinaciones técnicamente posibles:
- las diferentes configuraciones se distinguen entre sí por unas funciones de emisor o de receptor cumplidas por diferentes transductores, y el algoritmo de focalización es un algoritmo de focalización en cualquier punto;
- las diferentes configuraciones se distinguen entre sí por diferentes desplazamientos temporales entre transductores aplicados a la emisión de ondas ultrasonoras por los transductores, y el algoritmo de focalización es una formación de imágenes por onda plana;
- la medición de la tendencia central es una media o una mediana;
- la medición de la tendencia central es una media A(w) de fórmula general:
siendo N8 un número de imágenes de diferentes posiciones de sonda tenidas en cuenta, siendo Ns superior a 2 , Vw un conjunto de puntos alrededor del punto w que puede reducirse al punto w, siendo l(zi, w) la amplitud o el valor absoluto de la amplitud focalizada en la posición de sonda zi para el punto w¡, siendo preferentemente,
o
o p = 1, siendo Nv el cardinal del conjunto de puntos Vw;
- la medición de la tendencia central es una media A(w) de fórmula general:
siendo Ns un número de imágenes de diferentes posiciones de sonda tenidas en cuenta, siendo Ns superior a 2 , Vw un conjunto de puntos alrededor del punto w que puede reducirse al punto w, siendo l(zi, w) la amplitud en la posición de sonda zi para el punto sondeado wj, y Nv el cardinal del conjunto de puntos Vw;
- la función B(w) representativa de la variabilidad de la amplitud para este punto sondeado w en las diferentes posiciones de sonda, es de fórmula general
siendo « ’, p’ y y diferentes de cero, Ns’ un número de imágenes de diferentes posiciones de sonda, Vw’ un conjunto de puntos alrededor del punto w que se puede reducir al punto w, y A(w) la medición de la tendencia central, y preferentemente:
• o bien A(w) es la media, o bien A(w) es la mediana sobre el conjunto de puntos Vw, y
• o bien k ’=2, y y’=0,5, o bien « ’=1, y y’=1, y
• 
0 p ’=^ s¡enc|0 n s’ el número de posiciones z tenidas en cuenta, siendo Ns’ superior a 2, y Nv’ el cardinal del conjunto Vw’ de puntos alrededor del punto w;
- la función B(w) representativa de la variabilidad de la amplitud a nivel de este punto sondeado en las diferentes posiciones de la sonda es de fórmula general
siendo Ns un número de imágenes de diferentes posiciones de sonda, Vw es un conjunto de puntos alrededor del punto sondeado w que puede reducirse al punto sondeado w, siendo l(zi, w) la amplitud focalizada en la posición de la sonda zi para el punto sondeado wj, Nv el cardinal de Vw, y A(w) una medición de tendencia central de la amplitud focalizada a nivel del punto sondeado en diferentes posiciones de la sonda;
- la detección de los defectos comprende una etapa de filtrado espacial de por lo menos una imagen corregida
por medio de un filtro bilateral, y de comparación con un umbral.
La invención se refiere asimismo a un producto de programa de ordenador que comprende unas instrucciones de código de programa para la ejecución del procedimiento según la invención cuando dicho programa se ejecuta en un ordenador. Preferentemente, el producto de programa de ordenador adopta la forma de un soporte tangible no transitorio legible por ordenador, en el que se almacenan unas instrucciones de código de programa para la ejecución del procedimiento según la invención cuando el soporte es leído por un ordenador.
Presentación de las figuras
La invención se entenderá mejor gracias a la descripción siguiente, que se refiere a un ejemplo de realización preferido, dado a título de ejemplo no limitativo y explicado con referencia a los dibujos esquemáticos adjuntos, en los que:
- la figura 1 ilustra la inspección de un tubo por una sonda multielemento;
- la figura 2 es un diagrama que ilustra esquemáticamente unas etapas del procedimiento según un modo de realización de la invención;
- la figura 3a es un ejemplo de una imagen resultante de la aplicación de un método de focalización en cualquier punto sobre un material heterogéneo, antes de la aplicación de la corrección propuesta por la invención;
- la figura 3b es un ejemplo de una imagen corregida por la aplicación de la corrección propuesta en la imagen de la figura 3a,
- la figura 3c es un ejemplo de una imagen filtrada resultante de un filtrado espacial por medio de un filtro bilateral sobre la imagen corregida de la figura 3b.
Descripción detallada
Con fines ilustrativos, la descripción siguiente se realizará en el marco del control no destructivo de tubos por medio de transductores ultrasonoros. A menudo sucede que unas estructuras tales como unos tubos deban ser controladas con fuertes restricciones de accesibilidad en un contexto industrial, por ejemplo, para unos tubos dispuestos en el interior de otras estructuras. Así, es habitual que unos tubos puedan ser controlados únicamente desde el interior o desde el exterior, lo cual implica la necesidad de inspeccionar en su totalidad el grosor del tubo desde una sola cara. Debido a que la inspección solo se puede realizar a partir de una sola cara, aumenta entonces la profundidad a inspeccionar, lo cual aumenta asimismo la influencia del ruido de estructura.
Dicha adquisición de las mediciones de los transductores se efectúa habitualmente, en particular para la aplicación de la técnica denominada de medición del tiempo de trayectoria de difracción, más conocida bajo el acrónimo TOFD por el inglés “time of flight diffracion”, cuyo mismo protocolo de adquisición se puede realizar para la presente invención.
Un material habitual para los tubos es, por ejemplo, el inconel, es decir, una aleación principalmente a base de níquel, de cromo, de hierro, y que contiene asimismo cobre, manganeso y molibdeno, así como, eventualmente, otros componentes en cantidad generalmente menor. Se trata de un material heterogéneo cuya estructura presenta unos granos de un tamaño comparable a la longitud de onda de las ondas ultrasonoras empleadas en los controles no destructivos. A título de ejemplo, la frecuencia de las ondas ultrasonoras utilizadas generalmente en control no destructivo se puede extender de 0,1 a 50 MHz, siendo la banda 2-10 MHz la más utilizada. En esta banda, la longitud de onda está, por lo tanto, comprendida prácticamente, para metales tales como el acero o el aluminio, entre 3 mm y 0,5 mm. Se debe observar que el procedimiento no está restringido necesariamente a un material heterogéneo, sino que encuentra en el mismo una aplicación ventajosa.
Una primera etapa (etapa S1) del procedimiento consiste en adquirir un conjunto de datos de medición que agrupan una señal de medición representativa de la amplitud de los ultrasonidos propagados en el material en función del tiempo, para varias configuraciones de sonda en varias posiciones de una sonda multielemento 1.
Con referencia a la figura 1, la adquisición se realiza por medio de una sonda multielemento 1 que comprende una pluralidad de transductores 14, 15. La sonda 1 está dispuesta frente a la pared interna 11 de este tubo 10, en una posición z. El tubo 10 presenta un defecto 13, representado en la presente memoria en forma de una muesca.
Para más simplificación, se ilustran en este caso solo dos transductores 14, 15. En realidad, los transductores 14, 15 son más numerosos y presentan una distribución espacial que varía en función de las aplicaciones consideradas y de las superficies a inspeccionar. La distribución espacial puede ser, por ejemplo, matricial, anular, o formando una barra, para los más habituales, o presentar unos patrones particulares. La pluralidad de transductores 14, 15
da la posibilidad de focalizar las ondas transmitidas en la dirección y a la profundidad deseadas. Es posible inspeccionar así una pluralidad de puntos sondeados w. La distribución espacial de los transductores 14, 15 puede no ser plana, con el fin de adaptarse a la superficie a inspeccionar. Es habitual utilizar un medio de acoplamiento, tal como una zapata o una capa de gel de acoplamiento, con el fin de favorecer la propagación de los ultrasonidos entre los transductores 14, 15 y el material.
La sonda multielemento 1 recorre la superficie del material a inspeccionar y, por lo tanto, recorre una pluralidad de posiciones z en la superficie del material. Por ejemplo, la sonda multielemento 1 puede recorrer la superficie interna 11 del tubo 10 de manera helicoidal. La posición z de la sonda multielemento 1 en la superficie 11 del tubo 10 puede, por ejemplo, expresarse mediante una profundidad p y un ángulo 0, estando las posiciones z separadas, por ejemplo, por menos de un milímetro de altitud y por algunos grados (normalmente menos de dos grados) en ángulo. Se pueden utilizar otras formas de expresar la posición z en función de la conformación de la superficie a inspeccionar. En el caso de una superficie plana, la posición podrá así expresarse con una abscisa en lugar del ángulo.
Cuando tiene lugar un disparo ultrasonoro en una posición z de la sonda multielemento 1, uno o varios transductores emisores 14 emiten (etapa S11) unas ondas ultrasonoras que penetran en el tubo 10 a nivel de su pared interna 11, y después se propagan en el material de dicho tubo 10, antes de ser recibidas por otro transductor 15, denominado receptor (etapa S12). Con el fin de ilustrar la propagación de las ondas ultrasonoras en el material, en la figura 1 se ha representado un primer trayecto 16 que constituye un camino corto para las ondas ultrasonoras, que son difractadas por el defecto 13 en dirección al transductor receptor 15, y un segundo trayecto 17, que constituye un camino largo para las ondas ultrasonoras, que son reflejadas por la pared externa 12 del tubo 10 en dirección al defecto 13, y después se unen al transductor receptor 15.
En cada posición z de la sonda multielemento 1, se adquieren unas señales de medición según diferentes configuraciones de la sonda multielemento 1. Estas diferentes configuraciones pueden variar entre sí, por ejemplo por las funciones desempeñadas por cada uno de los transductores 14, 15. De hecho, los transductores 14, 15 pueden desempeñar preferentemente el papel de emisor o el papel de receptor alternativamente. Así, cuando tiene lugar una iteración en una misma posición z de la sonda multielemento 1, un transductor 14, 15 puede ser un emisor, y volverse receptor cuando tiene lugar otra iteración.
Se obtiene un conjunto de dados de mediciones que agrupa la señal de medición para cada configuración para cada posición de sonda z. Más precisamente, para cada posición de sonda z, se obtiene una matriz de adquisición de coeficientes x(z, n, i, j) que corresponden cada uno a la amplitud de la señal de medición x en el instante nTe (siendo Te el periodo de muestreo) recibida por el transductor j cuando el transductor i emite unas ondas ultrasonoras.
A continuación, se realiza un método de focalización sobre el conjunto de datos, con el fin de obtener (etapa S2) una imagen en la que cada píxel de la imagen representa un punto sondeado w del material al que está asociada una amplitud focalizada para dicho punto sondeado w en diferentes posiciones de sonda z, y que no depende del tiempo o de la configuración de la sonda multielemento 1 (es decir, independientemente de qué transductor 14, 15 actúe como emisor i o de receptor j). El punto sondeado w es una posición en el material, que puede expresarse, por ejemplo, como un vector de dos o tres coordenadas espaciales, expresadas normalmente en un punto de referencia vinculado a la posición z de la sonda multielemento 1.
Un método de focalización habitual es el método de focalización en cualquier punto designado habitualmente por el acrónimo TFM por el inglés “Total Focusing Method”. En este enfoque, las diferentes configuraciones se distinguen entre sí por unas funciones de emisor o de receptor cumplidas por diferentes transductores 14, 15. Por ejemplo, en una primera configuración, un primer transductor 14 (o un primer conjunto de transductores 14) es excitado individualmente con una señal eléctrica pulsada con el fin de emitir unos ultrasonidos. Estos ultrasonidos se propagan en el material, y son adquiridos a continuación por todos los transductores 14, 15 (o por un segundo conjunto de transductores 15). A continuación, en la misma posición de sonda z, otro transductor 14 (u otro primer conjunto de transductores 14) es excitado individualmente con una señal eléctrica pulsada con el fin de emitir unos ultrasonidos. Estos ultrasonidos se propagan en el material, y son adquiridos a continuación por todos los transductores 14, 15 (o por otro segundo conjunto de transductores 15). Preferentemente, cada uno de los transductores 14, 15 emite unos ultrasonidos en por lo menos una configuración de sonda en una posición z. Normalmente, cada uno de los transductores 14, 15 es, a su vez, el único transductor emisor, mientras que todos los transductores 14, 15 adquieren los ultrasonidos. Habrá entonces tantas configuraciones como transductores 14, 15.
A partir de la matriz de adquisición de coeficientes x(z, n, i, j), el cálculo de la amplitud focalizada de la señal puede resumirse mediante la fórmula siguiente:
en la que M es el número de transductores 14, 15 de la sonda multielemento 1, y h(w, i, j) es una función representativa del trayecto de las ondas ultrasonoras entre el transductor i que emite estas ondas y el transductor j que las recibe, pasando por el punto sondeado w. h(w, y, j) corresponde, por ejemplo, al tiempo de trayecto (expresado en número de muestras) estimado para una onda ultrasonora:
- emitida por el transductor i,
- reflejada por un punto del defecto situado en el punto sondeado w, y
- adquirida por el transductor j.
Por ejemplo, puede tratarse del tiempo de trayecto de una onda ultrasonora que toma el camino corto 16 en la figura 1 entre el transductor 14 que emite y el transductor 15 que recibe.
h(w, i, j) puede corresponder asimismo a un tiempo de trayecto estimado para una onda ultrasonora:
- emitida por el transductor i,
- reflejada por una pared de fondo del material, opuesta a la superficie sobre la cual está dispuesta la sonda multielemento 1,
- reflejada por un punto del defecto situado en el punto sondeado w, y
- captada por el transductor j.
Por ejemplo, puede tratarse del tiempo de trayecto estimado de una onda ultrasonora que toma el camino largo 17 en la figura 1, entre el transductor 14 que emite y el transductor 15 que recibe, que es reflejada por la pared externa 12 del tubo 10. Este tipo de trayecto se aprovecha más bien para los defectos que desembocan en la pared externa 12 del tubo 10.
Estos tiempos de trayecto se pueden estimar a partir de las velocidades de las ondas ultrasonoras que dependen de la frecuencia de las ondas ultrasonoras y de la naturaleza del material inspeccionado, y asimismo del tipo de propagación (ondas transversales u ondas longitudinales). Se pueden considerar asimismo unas conversiones del modo de propagación cuando tienen lugar las diferentes reflexiones.
La función g es una función que puede depender, por ejemplo, de la posición del punto sondeado w o de la velocidad de propagación de la onda. La función g también puede ser la función de valor absoluto, o el módulo de señal analítica. El experto en la materia podrá referirse, por ejemplo, a documentos que presentan diferentes métodos de focalización en cualquier punto. Por ejemplo, la tesis de doctorado de física de Uduardo R. lopez Villaverde de abril de 2017 titulada “Imagerie Ultrasonore dans des matériaux complexes par focalisation en tous points: Développement d'une méthode de débruitage des images basées sur la décomposition de l'opérateur de retournement temporel”, describe un estado de la técnica reciente de ciertos métodos de focalización en cualquier punto.
En el caso más simple, la amplitud focalizada de la señal en el punto sondeado w para la posición de la sonda z se puede escribir:
o
M M
/ ( z , w ) = ^ ^ Ix(z,h(w,i,j),i , j)\
i = l j = 1
Se obtiene así, para cada posición z, una imagen en la que cada píxel de la imagen representa un punto sondeado w del material al que está asociada una amplitud focalizada l(z,w).
Otro método de focalización es el método de formación de imágenes por onda plana, designado a menudo por PWI del inglés “Plane Wave Imaging”. En este enfoque, las diferentes configuraciones se distinguen entre sí por unos retardos diferentes aplicados a la emisión de ondas ultrasonoras por los transductores 14, 15 emisores. El
método PWI se basa en la emisión de ondas planas excitando todos los transductores 14, 15 de manera unisecuencial, lo cual permite orientar y aumentar la amplitud del campo incidente en unas direcciones deseadas. Una onda plana incidente se forma excitando la totalidad o parte de los transductores 14, 15 con un desplazamiento temporal entre los transductores 14, 15. Cambiando el desplazamiento temporal entre las emisiones de los transductores, se modifica el ángulo de propagación 0k de la onda plana. Las diferentes configuraciones utilizan diferentes ángulos de propagación 0k, obtenidos por diferentes desplazamientos temporales, es decir, diferentes retardos aplicados a la emisión de ondas ultrasonoras. Los transductores 14, 15 adquieren entonces cada uno una señal de medición representativa de la amplitud de los ultrasonidos propagados en el material. Las señales de medición recibidas en cada disparo ultrasonoro se focalizan en la recepción en cualquier punto inspeccionado. Debido al hecho de que los transductores 14, 15 emiten unos ultrasonidos con unos desplazamientos temporales de manera que se emita una onda plana en el material, esta onda plana presenta un ángulo de propagación que depende del desplazamiento temporal entre los transductores. Haciendo variar este desplazamiento temporal entre los transductores 14, 15, se pueden emitir unas ondas planas con diferentes ángulos de propagación.
A partir de la matriz de adquisición de coeficientes x(z, n, 0k, j), el cálculo de la amplitud focalizada de la señal se puede resumir entonces por la fórmula siguiente:
en la que M es el número de transductores 14, 15 de la sonda multielemento 1, 0k es el ángulo de propagación (o de incidencia) de la onda plana emitida, siendo N0 el número de ángulos de propagación, y por lo tanto de desplazamiento temporales diferentes, y h(w, 6k, j) es una función representativa del trayecto de la onda plana de ángulo de propagación 0k hasta el transductor j que la recibe, pasando por el punto sondeado w. h(w, 6k, j) corresponde, por ejemplo, al tiempo de trayecto (expresado en número de muestras) estimado para:
- una onda plana emitida por los transductores 14, 15 con un ángulo 9k
- reflejada por un punto de defecto situado en el punto sondeado w, y
- adquirida por el transductor j (se debe observar que la onda entre el defecto y el transductor j ya no es plana).
Como anteriormente, los tiempos de trayecto se pueden estimar a partir de las velocidades de las ondas ultrasonoras que dependen de la frecuencia de las ondas ultrasonoras y de la naturaleza del material inspeccionado, y también del tipo de propagación (ondas transversales u ondas longitudinales). Asimismo, la función g es una función que puede depender, por ejemplo, de la posición del punto sondeado w o de la velocidad de propagación de la onda.
En el caso más simple, la amplitud focalizada de la señal en el punto sondeado w para la posición de sonda z se puede escribir:
Ne m
l{z,
w) =
9Ik= lI x(z,h(w,6k,j),Gk,j)
j = l
o
Sea cual sea el enfoque elegido, se dispone entonces para cada posición z de sonda de una imagen en la que cada píxel de la imagen representa un punto sondeado w del material al que está asociada una amplitud focalizada para dicho punto sondeado w en diferentes posiciones de sonda z.
Se debe observar que la imagen puede ser de dos dimensiones (si w es de dimensión 2) o de tres dimensiones (si w es de dimensión 3). La detección, y después la caracterización de un defecto se efectúa a continuación a partir de los valores tomados por esta amplitud focalizada l(z, w), normalmente a partir del valor absoluto lI(z,w)l de esta amplitud focalizada. Con fines de claridad y de simplificación, la referencia siguiente a la amplitud focalizada l(z, w) designará indistintamente dicha amplitud focalizada l(z, w) o su valor absoluto |I(z,w)|.
El ruido de estructura observado en las imágenes procedentes de TFM presenta una falta de homogeneidad
espacial: la importancia del ruido de estructura varía en función de la localización de los puntos sondeados w. En particular, tiende a ser más elevado cerca de los transductores 14, 15. Por lo tanto, se ha propuesto proceder a un post-tratamiento de las imágenes obtenidas que tiene como objetivo homogeneizar y después reducir el ruido de estructura, con el fin de mejorar la detección y la caracterización de los defectos.
El pos-tratamiento propuesto se basa en el aprovechamiento de estadísticas extraídas de la multiplicidad de los datos disponibles para un mismo punto sondeado w, debido al hecho de que las informaciones sobre el mismo punto sondeado w en el material aparecen en diferentes imágenes relativas a diferentes posiciones z.
La etapa siguiente (etapa S3) consiste en determinar, para cada punto sondeado w, una medición de tendencia central, anotada A(w) de la amplitud focalizada l(z, w) a nivel del punto sondeado w en diferentes posiciones z de la sonda multielemento 1. Normalmente, la medición de la tendencia central A(w) es una media o una mediana. Preferentemente, la medición de la tendencia central es una media A(w) de fórmula general:
siendo Ns un número de imágenes de diferentes posiciones de la sonda z tenidas en cuenta, siendo Ns superior a 2 , Vw un conjunto de puntos alrededor del punto sondeado w que puede reducirse al punto sondeado w, siendo w, /(zi,wj) la amplitud focalizada o el valor absoluto de la amplitud en la posición zi para el punto sondeado wj. Por ejemplo,
_ i
P ” Ns
o
1 1
P = NS NV
o 3 = 1, siendo Nv el cardinal del conjunto de puntos Vw.
El conjunto de puntos Vw incluye el punto sondeado w, y está centrado preferentemente alrededor del punto sondeado w. Su tamaño se elige en función de las características del ruido de estructura y de las imágenes utilizadas. Por ejemplo, el conjunto de puntos Vw se podrá elegir tanto más grande cuanto menor sea el número de imágenes Ns de diferentes posiciones de sonda z tenidas en cuenta. En efecto, tener en cuenta la proximidad del punto sondeado w permite calcular la medición de la tendencia central en suficientes puntos, y obtener así una mejor estimación de esta medición de tendencia central. Sin embargo, el conjunto de puntos Vw agrupa preferentemente menos de 100 puntos alrededor del punto sondeado w, con el fin de conservar el aspecto local de la medición de la tendencia central, que debe seguir siendo representativa de la amplitud focalizada a nivel del punto sondeado w, es decir, en sus entornos inmediatos. A la inversa, si el número de imágenes Ns de diferentes posiciones de sonda z tenidas en cuenta es suficientemente elevado, el conjunto de puntos Vw puede reducirse hasta corresponder solo al punto sondeado w (caso en el que Nv es igual a 1).
Preferentemente,
/ ^? = - NS —NV
y es el valor absoluto de la amplitud focalizada que se utiliza, lo cual da:
La etapa siguiente (etapa S4) consiste en determinar, para cada punto sondeado w, una función B(w) representativa de la variabilidad de la amplitud focalizada a nivel de este punto sondeado w en las diferentes posiciones z de la sonda multielemento 1. La función B(w) es normalmente de fórmula general:
siendo k ’, 3’ y y’ diferentes de cero, Ns’ un número de imágenes de diferentes posiciones z de sonda, Vw’ un conjunto de puntos alrededor del punto sondeado w que puede reducirse al punto sondeado w, Nv el cardinal de
Vw’. Preferentemente, l(z, w) designa en este caso el valor absoluto de la amplitud focalizada.
Para el conjunto de puntos Vw’, se aplican las mismas consideraciones que para el conjunto de puntos Vw que sirve para determinar la función A(w). Se debe observar que si el conjunto de puntos Vw’ que sirve para determinar la función B(w) puede ser diferente del conjunto de puntos Vw que sirve para determinar la función A(w), es preferible, por razones de coherencia, tomar el mismo conjunto de puntos, y, por lo tanto, preferentemente Vw’ = Vw y Nv’ = Nv.
Preferentemente:
• o bien « ’ = 2 y y’ = 0,5, o bien « ’ = 1 y y’ = 1, y
/ ? ' = — /?' = — / ? ' = — —
• nsi 0 Nsr i o Nsr nvi /3’ = 1, siendo Ns’ el número de posiciones z tenidas en cuenta, siendo Ns’ superior a 2, y Nv el cardinal del conjunto Vw de puntos alrededor del punto sondeado w.
Preferentemente:
Una vez que se han determinado la medición de la tendencia central A(w) de la amplitud focalizada l(z, w) y la función B(w) representativa de la variabilidad de la amplitud focalizada l(z, w), es posible corregir (etapa S5) en cada imagen, las amplitudes asociadas al punto sondeado w considerado. Esta corrección se realiza restando a la amplitud focalizada l(z, w) la medición de tendencia central A(w) y dividiendo por la función B(w) representativa de la variabilidad. Se obtiene entonces una amplitud corregida lc (z, w).
Ic{z,w) = (I{z,w) - A ( w ) y B(w)
Preferentemente, es el valor absoluto lI(z,w)l de la amplitud focalizada el que se utiliza.
Se obtienen entonces unas imágenes corregidas que se pueden utilizar para detectar y caracterizar los defectos del material (etapa S6), con una puesta en evidencia mejorada de los defectos, y una mejor caracterización de estos gracias a la corrección propuesta.
Las figuras 3a y 3b ilustran la aplicación de la normalización en un ejemplo de una imagen procedente de una TFM para una posición z de la sonda multielemento 1. Estas imágenes proceden de la medición sobre una maqueta que presenta un defecto 13 de 0,5 mm de diámetro situado a una profundidad de 5 mm. El eje vertical representa la profundidad (en unidades arbitrarias), y el eje horizontal la abscisa (en unidades arbitrarias). En estas figuras, un tono oscuro indica un valor bajo, mientras que un tono claro indica un valor elevado. Tratándose de una única imagen correspondiente, por lo tanto, a una única posición z de la sonda multielemento 1, la amplitud focalizada l(z, w) se puede anotar simplemente l(w). Asimismo, la amplitud corregida se puede anotar lc (w). En los ejemplos siguientes, al estar la posición de un punto sondeado w identificada por una abscisa a y una profundidad p, se podrá anotar la amplitud focalizada l(a, p) y la amplitud corregida lc (a, p).
La figura 3a es, por lo tanto, un ejemplo de imagen, antes de aplicar la corrección. Se constata que la imagen presenta un degradado rápido desde la parte alta de la imagen, que corresponde a la superficie 11, desde unos valores elevados (tonos claros) hasta unos valores más bajos (tonos oscuros), de manera que la imagen se puede dividir en dos partes: una parte alta 31 que presenta unos tonos claros, y una parte baja 32 que presenta únicamente unos tonos oscuros. La presencia del defecto 13 en el material se materializa por una zona clara 35 en la parte alta 31, que, sin embargo, se distingue poco de los tonos claros de esta parte alta 31.
La figura 3b es un ejemplo de imagen corregida que corresponde a la imagen de la figura 3a después de la aplicación de la corrección propuesta. En comparación con la imagen de la figura 3a, se constata que la parte alta 31 ya no se distingue de la parte alta 32. En efecto, ha desaparecido el degradado de tonos de la parte alta 31, mientras que han aparecido unas zonas claras aisladas y de pequeñas extensiones, tanto en la parte alta 31 como en la parte baja 32, que ya no presenta por lo tanto únicamente unos tonos oscuros. Por el contrario, la zona clara 35 que corresponde a la presencia del defecto 13 se distingue ahora claramente en la parte alta. La corrección propuesta ha permitido, por lo tanto, poner en evidencia la presencia del defecto en la parte alta 31. Además, la modificación de las amplitudes corregidas en la parte baja 32 ha permitido asegurarse de la ausencia de defecto en esta parta baja 32. En efecto, la presencia de un eventual defecto en la parte baja 32 no habría aparecido en la imagen de la figura 3a debido al hecho de que las amplitudes focalizadas habrían sido tan bajas que no se distinguirían del ruido de estructura. El procedimiento de corrección habría permitido poner en evidencia un
eventual defecto, como lo muestran las zonas claras aisladas y de pequeñas extensiones aparecidas en la parte baja 32.
Queda todavía por detectar y caracterizar los defectos por la detección de su firma en la señal derivada. A este respecto, la detección y la caracterización de los defectos se efectúa preferentemente a partir de la imagen. Los defectos tales como las muescas pueden extenderse sobre varias decenas de milímetros. Los puntos de la imagen a nivel de este defecto presentan así no sólo unas amplitudes corregidas más elevadas que los puntos que las rodean, sino que sus amplitudes están intercorrelacionadas entre sí, es decir, que presentan una coherencia en varias posiciones espacialmente adyacentes a nivel del defecto. Por el contrario, en ausencia de firma de un defecto en una imagen, con únicamente ruido, la imagen presenta una intercorrelación mucho más débil alrededor de un punto cualquiera. Así, cada muesca puede estar marcada por una persistencia espacial sobre la imagen según la abscisa y/o la profundidad en la que aparece.
Por lo tanto, se aprovecha esta coherencia espacial para poner en valor la señal útil representativa de los defectos en detrimento del ruido, menos correlacionado espacialmente. Por lo tanto, se puede realizar un filtrado espacial que aproveche esta correlación espacial sobre la imagen corregida, aplicando un filtro espacial a la imagen corregida con el fin de filtrarla espacialmente. El filtro espacial está diseñado para permitir atenuar la variabilidad del ruido de estructura, caracterizada por la desviación estándar espacial de la distribución de sus amplitudes, conservando al mismo tiempo el nivel de la firma de un defecto que se traduce en la amplitud corregida de la imagen corregida.
El filtro se denomina espacial ya que no implica ninguna consideración temporal, presentando la imagen corregida unas amplitudes corregidas que varían espacialmente, sin variación temporal. El filtro espacial puede ser un filtro con una dimensión aplicada sobre la componente de abscisas a, es decir que para cada profundidad p, se filtran las amplitudes corregidas lc (a), y/o sobre la componente de profundidad p, es decir que para cada abscisa a, se filtran las amplitudes corregidas lc (p).
El filtro espacial puede ser un filtro de paso bajo. La frecuencia espacial de corte del filtro espacial de paso bajo se puede seleccionar en función del tamaño mínimo ALmin de los defectos que se desea detectar, como la inversa de este tamaño mínimo ALmin. Así, para detectar unos defectos de por lo menos 10 mm, la frecuencia espacial de corte se selecciona, por lo tanto, inferior a 100 m-1. El filtro espacial es normalmente un filtro de Butterworth.
El filtro espacial puede ser asimismo un filtro espacial de paso bajo en dos dimensiones aplicado sobre la imagen corregida. La respuesta de frecuencia en dos dimensiones se puede seleccionar en función del tamaño mínimo de los defectos buscados, al igual que como para un filtro espacial unidimensional. El filtro espacial también puede ser un filtro mediano.
También es posible utilizar, como filtro espacial, un filtro bilateral, que permite promediar los valores de amplitud focalizada de los píxeles cercanos únicamente si estos valores son parecidos. Esto permite suavizar el ruido sin disminuir la amplitud media de un eventual defecto, aumentando así el contraste de la imagen y poniendo en evidencia el eventual defecto. La aplicación de la corrección propuesta es entonces particularmente ventajosa ya que permite homogeneizar la variabilidad del ruido en el conjunto de la imagen corregida.
La figura 3c es un ejemplo de una imagen filtrada resultante de un filtrado espacial por medio de un filtro bilateral sobre la imagen corregida de la figura 3b. Se constata que la zona clara 35 correspondiente a la presencia del defecto 13 es la única información presente en la imagen corregida filtrada, habiendo sido eliminados todos los ruidos por el filtrado espacial. La imagen corregida así filtrada permite obtener un mapa de detección de los defectos. En efecto, la firma aparece sobre la imagen corregida, en particular por una amplitud corregida diferente del entorno, lo cual permite detectarlos, pero también localizarlos. En efecto, una imagen corregida es una representación espacial, y cada punto está localizado por su profundidad y su abscisa.
Un método sencillo de detección consiste en utilizar un umbral dado: cualquier superación del umbral por un conjunto de puntos sondeados w adyacentes en la imagen corregida señala la presencia de un defecto. Evidentemente, se pueden realizar otros métodos más complejos.
El procedimiento descrito es realizado normalmente por un ordenador provisto de un procesador y de una memoria. Con este fin, se propone un producto de programa de ordenador que comprende unas instrucciones de código de programa registradas en un soporte tangible no transitorio legible por un ordenador para la ejecución del procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, cuando dicho programa se ejecuta en un ordenador.
La extensión de la protección está definida por las reivindicaciones.
Claims (12)
1. Procedimiento de detección y de caracterización por ultrasonidos de defectos en un material heterogéneo, que comprende las etapas siguientes:
a) para cada una de una pluralidad de posiciones (z) en la superficie del material,
- una sonda multielemento (1) que comprende una pluralidad de transductores (14, 15) está dispuesta en la posición (z) en la superficie (11) del material;
- para una pluralidad de configuraciones de la sonda multielemento (1), unos ultrasonidos son emitidos (511) por lo menos por un transductor emisor (14) y por lo menos un transductor receptor (15) adquiere (512) una señal de medición representativa de la amplitud de los ultrasonidos propagados en el material en función del tiempo para esta configuración de sonda en esta posición (z), distinguiéndose las diferentes configuraciones entre sí por unos retardos diferentes aplicados a la emisión de ondas ultrasonoras por los transductores o por unas funciones de emisor o de receptor cumplidas por diferentes transductores (14, 15),
b) aplicación de un algoritmo de focalización sobre un conjunto de datos de medición que agrupa las señales de medición para las diferentes configuraciones de la sonda multielemento (1) para cada posición (z) de la sonda multielemento (1), y obtención (S2), para cada posición (z) de sonda de una imagen en la que cada píxel de la imagen representa un punto sondeado (w) del material al que está asociada una amplitud focalizada para dicho punto sondeado (w) en diferentes posiciones de sonda (z),
c) para cada punto sondeado (w), determinación (S3) de una medición de tendencia central de la amplitud focalizada a nivel del punto sondeado en diferentes posiciones de sonda (z),
d) para cada punto sondeado (w), determinación (S4) de una función representativa de la variabilidad de la amplitud focalizada a nivel de este punto sondeado (w) en diferentes posiciones de sonda (z), e) para cada imagen, corrección (S5) de la amplitud focalizada en cada punto sondeado (w) restando a la amplitud la medición de la tendencia central y dividiendo por la función representativa de la variabilidad, para obtener unas imágenes corregidas,
f) detección y caracterización (S6) de los defectos del material a partir de las imágenes corregidas.
2. Procedimiento según la reivindicación anterior, en el que las diferentes configuraciones se distinguen entre sí por unas funciones de emisor o de receptor cumplidas por diferentes transductores (14, 15), y el algoritmo de focalización es un algoritmo de focalización en cualquier punto.
3. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que las diferentes configuraciones se distinguen entre sí por diferentes desplazamientos temporales entre transductores aplicados a la emisión de ondas ultrasonoras por los transductores, y el algoritmo de focalización es una formación de imágenes por onda plana.
4. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que la medición de la tendencia central es una media o una mediana.
5. Procedimiento según la reivindicación 4, en el que la medición de la tendencia central es una media A(w) de fórmula general:
siendo Ns un número de imágenes de diferentes posiciones de sonda (z) tenidas en cuenta, siendo Ns superior a 2 , Vw un conjunto de puntos alrededor del punto w que puede reducirse al punto w, siendo l(zi, w) la amplitud o el valor absoluto de la amplitud focalizada en la posición de sonda zi para el punto wj.
6. Procedimiento según la reivindicación 5, en el que
o
o p = 1, siendo Nv el cardinal del conjunto de puntos Vw.
7. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, en el que la medición de la tendencia central es una media A(w) de fórmula general:
Ns
Mw)=¥s^ 1 T=1 WZjGVwUí*-*>3l
siendo Ns un número de imágenes de diferentes posiciones de sonda (z) tenidas en cuenta, siendo Ns superior a 2 , Vw un conjunto de puntos alrededor del punto w que puede reducirse al punto w, siendo l(z, w) la amplitud de la posición de sonda zi para el punto sondeado wj, y Nv el cardinal del conjunto de puntos Vw.
8. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, en el que la función B(w) representativa de la variabilidad de la amplitud para este punto sondeado w en las diferentes posiciones de sonda (z), es de fórmula general
siendo « ’, p’ y y diferentes de cero, Ns’ un número de imágenes de diferentes posiciones de sonda (z), Vw’ un conjunto de puntos alrededor del punto w que puede reducirse al punto w, y A(w) la medición de la tendencia central.
9. Procedimiento según la reivindicación anterior, en el que
• o bien A(w) es la media, o bien A(w) es la mediana sobre el conjunto de puntos Vw, y
• o bien k ’=2, y y’=0,5, o bien « ’=1, y y’=1, y
siendo Ns’ superior a 2, y Nv’ el cardinal del conjunto Vw’ de puntos alrededor del punto w.
10. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, en el que la función B(w) representativa de la variabilidad de la amplitud a nivel de este punto sondeado (w) en las diferentes posiciones de sonda (z) es de fórmula general
siendo Ns un número de imágenes de diferentes posiciones de sonda (z), Vw un conjunto de puntos alrededor del punto sondeado w que puede reducirse al punto sondeado w, siendo l(zi, wj) la amplitud focalizada en la posición de sonda zi para el punto sondeado wj, Nv el cardinal de Vw, y A(w) una medición de tendencia central de la amplitud focalizada a nivel del punto sondeado en diferentes posiciones de sonda (z).
11. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, en el que la detección de los defectos comprende una etapa de filtrado espacial de por lo menos una imagen corregida por medio de un filtro bilateral, y de comparación con un umbral.
12. Producto de programa de ordenador que comprende unas instrucciones de código de programa registradas sobre un soporte tangible no transitorio legible por ordenador para la ejecución de las etapas b) a f) del procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, cuando dicho programa es ejecutado en un ordenador.
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