WO2019001902A1 - Verfahren zur erstellung einer bewertungstabelle für eine ultraschallprüfung sowie verfahren zur ultraschallprüfung - Google Patents

Verfahren zur erstellung einer bewertungstabelle für eine ultraschallprüfung sowie verfahren zur ultraschallprüfung Download PDF

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simulation
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Hubert Mooshofer
Alexander SEEBER
Johannes Vrana
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Definitions

  • the invention relates to a method for generating a rating table for an ultrasonic test of an object, in particular a component. Furthermore, the invention relates to a method for ultrasound testing of an object, in which an inventively created rating table for the assessment ⁇ tion of detected in the ultrasound examination displays, in particular defects, is used.
  • the evaluation of small displays in an ultrasound examination by means of a comparison of one of the display underlying defect or defect reflects the ultrasonic amplitude (also referred to as amplitude or echo) with a display of an artificially produced defect.
  • an ad is called small if its size is smaller than that
  • the defects artificially ⁇ Lich produced can be formed as flat bottom holes, side holes or circular discs.
  • a display or a defect within the object can be assigned a value designated as a substitute defect quantity.
  • the replacement ⁇ correct size indicates how big a comparable reflective man-made defect. Can accordingly from the spare defect size not necessarily be on the actual geometric size or extent of the defect within the object ge ⁇ closed.
  • known substitute error quantities are based on mathematical models.
  • the known mathematical models require a scaling of the reflectivity proportional to the reflective surface of the defect. Since the ge ⁇ called proportionality is acceptable only for defect sizes above the wavelength, known mathematical ⁇ specific models are not applicable in case of defects having a defect size smaller than the wavelength.
  • the present invention is based on the object to improve the detection of small defects in an object, in particular in a component, in an ultrasonic test.
  • the object is achieved by a method having the features of independent claim 1 and by a method having the features of independent claim 10.
  • advantageous refinements and developments of the invention are given.
  • the inventive method for generating a rating table for an ultrasonic testing of an object, in particular ⁇ a component comprising at least the following steps:
  • the defect size is the geometric size of a defect, particularly a defect used in the simulation and out ⁇ stalteten referred perpendicular to the irradiation direction of the ultrasound.
  • a defect in the sense of the present invention is small if its defect size is less than or equal to the wavelength, in particular less than or equal to half the wavelength, of the ultrasound used. In other words, the defect has, in at least one direction, a geometric extension that is less than or equal to the wavelength of the ultrasound used.
  • the simulation can be implemented by means of a computing device, in particular by means of a computer. The further steps of the method according to the invention can also be carried out by means of a computing device.
  • a two-dimensional simulation can be provided for objects with a spatial symmetry, for example in the case of an object designed as a rotation body.
  • the two-dimensional and three-dimensional simulation can furthermore include a time sequence of the scattering process.
  • the reflectivity of the defect having a defect size below the wavelength of the ultrasound is determined by the simulation.
  • the simulation includes a numerical calculation of the scattering of the ultrasound on the defect used.
  • the simulation takes into account a mode conversion of the ultra ⁇ sound through its scattering at defect.
  • the scattering process ge ⁇ called is physically completely as possible represented by the simulation.
  • the simulation provides at least one time-dependent amplitude of the ultrasound (echo) reflected at the defect, from which the reflectivity can be determined.
  • the evaluation table according to the invention is created by assigning the determined reflectivity to the defined defect size of the defect.
  • the ermit ⁇ telten reflectivity is assigned a replacement defect size. Since ⁇ can advantageously by a defect size evaluation of basically arbitrarily small ads or defects gen successes.
  • this experimentally detected reflectivity can be compared with the determined or calculated reflectivity within the evaluation table according to the invention.
  • the inventive method for ultrasonic testing of an object comprises at least the following steps:
  • an SAFT evaluation synthetic aperture-focus technique, abbreviated SAFT
  • SAFT synthetic aperture-focus technique
  • the simulation method called is particularly advantageous to simulate a physically complete as possible scattering of ultra ⁇ sound on a small defect or to calculate.
  • Further grid-based simulation methods can be provided alternatively or additionally, for example a finite element method (abbreviated to FEM).
  • the Auldsche reciprocity theorem is used to determine the reflectivity.
  • the propagation of the ultrasound (sound propagation) for its way to the defect and its reflection at the defect is simulated by means of an EFIT simulation, and furthermore the propagation of the ultrasound for its
  • the simulation takes place exclusively in a partial area of the object surrounded by the defect.
  • the simulation of the propagation of the ultrasound from an insonification position to the subarea is effected by means of an elastodynamic point source synthesis.
  • the propagation of the ultrasound from ⁇ finally simulated in an environment of the defect.
  • the sound propagation from the insonification position (test head) to the simulated subrange is calculated by means of elastodynamic point source synthesis. This allows advantageous ⁇ , the computing time of the simulation are further reduced.
  • More ray-based simulation methods may be vorgese ⁇ hen.
  • the reflectivity R means
  • x Df / ⁇
  • Df the D size
  • ⁇ the wavelength of the ultrasound
  • Q the fit parameter and s denote the sound path.
  • i denotes the imagi ⁇ ary unit.
  • a Q denotes a reference value of the maximum value.
  • the reflectivity is given by the ratio
  • ⁇ / ⁇ 0 I such that R ⁇ A / A Q ⁇ .
  • V the gain
  • the reflectivity is given in units of decibels.
  • the evaluation table can advantageously be supplemented by non-simulated data points.
  • the above formula expression can be efficiently implemented, so that an ultrasonic inspection, a direct query and thus an immediate and quick assessment can be done.
  • the mentioned approximation is independent of the fit parameter Q, so that within the approximation no fit is required.
  • the simulation is validated by means of a comparative ultrasound test on at least one defect produced, the defect size of the defect produced being greater than the defect Wavelength of the ultrasound used in the comparative ultrasound measurement.
  • the evaluation table is determined as a diagram or formula expression.
  • FIG. 1 is a schematic flow diagram of the invention shown SEN method for creating a Herbststa ⁇ Bark for an ultrasonic examination
  • FIG. 2 is a comparison diagram of a simulation with a
  • FIG. 1 shows the schematic flow chart of the method according OF INVENTION ⁇ dung for creating an evaluation table.
  • Scattering of ultrasound on at least one defect with a defined defect size by means of a computer-implemented two-dimensional or three-dimensional simulation.
  • the defect size is less than or equal to the wavelength of the ultrasound.
  • a mode conversion of the ultrasound through the defect will be taken into ⁇ through the simulation. In other words, a physically most complete simulation of the scattering of the ultra ⁇ sound occurs at the existing within the simulation defect.
  • a second step S2 the reflectivity of the Defek ⁇ tes from the simulation, on a defect corresponding to the maximum value of the amount of zeitab ⁇ dependent amplitude of the reflected ultrasound at the defect, for example determined based.
  • the determination of the reflectivity can be made into special ⁇ on a SAFT analysis of the calculated time-dependent amplitudes (A-scans).
  • the evaluation table is created by means of assigning the ermit ⁇ telten reflectivity at the specified defect size of Defek ⁇ tes.
  • the reflectivity, determined by means of the simulation is correlated with the ver ⁇ used in the simulation defect size.
  • the evaluation table is to be understood as a correlation between the reflectivity and the defect size. In other words, a fixed given reflectivity results in exactly one defect size.
  • the rating table may be tabulated, wherein a column of the table of reflectance and a white ⁇ tere column is associated with the table, the defect size.
  • FIG. 2 shows a comparison diagram of a simulation with a theoretical model of the reflectivity of the ultrasound.
  • the defect size in the unit millimeters (mm) is plotted logarithmically.
  • the defect is exemplified as a circular disk.
  • the gain of the ultrasonic signal is plotted in decibels (dB).
  • the dependence of the normalized amplitude is
  • the amplification corresponds to the detected reflectivity of an ultrasound reflected at the defect.
  • the reflected at the De ⁇ fect ultrasound is recognized as a time-dependent Amplitu ⁇ de.
  • a dashed line 121 denotes a classical distance-gain-size-rating (abbreviated: AVG-method). In the case of the illustrated double logarithmic plot, this extends essentially linearly.
  • the dashed line thus corresponds to a dependence of the amplitude, which is proportional to the square of the defect size, that is AoaDj.
  • a dotted-dashed line 112 is Darge ⁇ represents, which is based on a dependence of the amplitude proportional to the third power of the defect size, that is AoaD.
  • the dotted-dashed line 112 has a greater slope than the dashed line 121.
  • it ⁇ the dot-dashed line 112 also extends linearly.
  • the simulated course of the reflectivity or the gain in dependence of the defect size is given by Since ⁇ ten; 142 a simulation of the defect with the defect size jeweili ⁇ gen. For the sake of clarity is only one of the data points is identified by the reference numeral 142. There is a kink within the mentioned course to recognize.
  • the kink corresponds to a transition of the dependence of the amplitude from A oc D for small defect sizes to AoaDj for large defect sizes.
  • the lines 121, 112 thus correspond in each case to an asymptotic area of the data points 142.
  • the determined data points 142 which reproduce the course of the amplification V selectively, can be determined by means of (see also the formula expressions mentioned in the description).
  • x Df / ⁇
  • Df the defect size
  • D a transducer diameter of a probe
  • ⁇ the wavelength of the ultrasound
  • Q the fit parameter
  • s the fit parameter
  • an evaluation of an ultrasound examination of an object can take place.
  • Is ⁇ example for a sensed time-varying amplitude of a Ultra ⁇ sound signal requires a gain of about 83 dB, this corresponds, according to the illustrated diagram of an exemplary defect size of about 1 mm.
  • the evaluation table can correspond in their graphi ⁇ rule representation of the diagram shown, detected defects having a defect size below the wavelength of the ultrasound used and their size relationship ⁇ as spare defect size can be determined.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Erstellung einer Bewertungstabelle für eine Ultraschallprüfung eines Objektes vorgeschlagen, das die folgenden Schritte umfasst: - Simulation einer Streuung von Ultraschall an wenigstens einem Defekt mit einer festgelegten Defektgröße mittels einer computerimplementierten zweidimensionalen oder dreidimensionalen Simulation, wobei die Defektgröße kleiner oder gleich der Wellenlänge des Ultraschalls ist, und die Simulation eine Modenumwandlung des Ultraschalls durch den Defekt berücksichtigt; - Ermitteln der Reflektivität des Defektes aus der Simulation; und - Erstellen der Bewertungstabelle mittels eines Zuordnens der ermittelten Reflektivität zur festgelegten Defektgröße des Defektes. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Ultraschallprüfung eines Objektes, bei dem eine erfindungsgemäße Bewertungstabelle verwendet wird.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Erstellung einer Bewertungstabelle für eine Ultraschallprüfung sowie Verfahren zur Ultraschallprüfung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erstellung einer Bewertungstabelle für eine Ultraschallprüfung eines Objektes, insbesondere eines Bauteils. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Ultraschallprüfung eines Objektes, bei dem eine erfindungsgemäß erstellte Bewertungstabelle zur Bewer¬ tung von bei der Ultraschallprüfung erfassten Anzeigen, insbesondere Defekten, verwendet wird.
Gemäß des Standes der Technik erfolgt die Bewertung kleiner Anzeigen bei einer Ultraschallprüfung mittels eines Vergleiches einer von einem der Anzeige zugrundeliegenden Defektes oder Fehlstelle reflektieren Ultraschallamplitude (auch als Amplitude oder Echo bezeichnet) mit einer Anzeige eines künstlich hergestellten Defektes. Hierbei wird eine Anzeige als klein bezeichnet, falls ihre Größe kleiner als das
Schallbündel des eingeschallten Ultraschalls ist. Die künst¬ lich hergestellten Defekte können als Flachbodenbohrungen, Seitenbohrungen oder Kreisscheiben ausgebildet sein. Durch den genannten Vergleich kann einer Anzeige beziehungsweise einem Defekt innerhalb des Objektes ein als Ersatzfehlergröße bezeichneter Wert zugeordnet werden. Hierbei gibt die Ersatz¬ fehlergröße an, wie groß ein vergleichbar reflektierender künstlich hergestellter Defekt ist. Aus der Ersatzfehlergröße kann demnach nicht zwingend auf die tatsächliche geometrische Größe oder Ausdehnung des Defektes innerhalb des Objektes ge¬ schlossen werden.
Eine exemplarische Bewertung eines Defektes ist daher bei¬ spielsweise durch folgende Aussage gegeben: Die Anzeige be- ziehungsweise der Defekt reflektiert wie eine Kreisscheibe mit einem Durchmesser von 4 mm. Eine Verwendung bekannter Verfahren zur Bestimmung von Ersatzfehlergrößen ist mit ausreichender Genauigkeit nur bis zu einer minimalen Defektgröße möglich, wobei die minimale Defektgröße im Wesentlichen durch die Wellenlänge des
eingeschallten Ultraschalls festgelegt ist. Bei kleineren De¬ fektgrößen, das heißt bei Defektgrößen, die kleiner als die Wellenlänge des verwendeten Ultraschalls sind, können bekann¬ te Ersatzfehlergrößen, die beispielsweise auf Bohrungen basieren, nur unzureichend verwendet werden.
Das ist deshalb der Fall, da solche Bohrungen mit kleinem Durchmesser, in ihrer jeweiligen Bohrrichtung, typischerweise deutlich größer als die Wellenlänge des eingeschallten Ultraschalls sind. Dadurch können diese nicht als brauchbare Refe- renz, das heißt als Ersatzfehlergröße herangezogen werden. Darüber hinaus ist die Herstellung und Präparation solch kleiner Bohrungen problematisch. Dadurch ist nur für große Defektgrößen, die jedoch in der Praxis kaum von Relevanz sind, die Herstellung definierter Ultraschallreflektoren und somit die Bereitstellung von Ersatzfehlergrößen möglich.
Weiterhin basieren bekannte Ersatzfehlergrößen auf mathematischen Modellen. Allerdings setzen die bekannten mathematischen Modelle eine Skalierung der Reflektivität proportional zur reflektierenden Fläche des Defektes voraus. Da die ge¬ nannte Proportionalität ausschließlich für Defektgrößen oberhalb der Wellenlänge annehmbar ist, sind bekannte mathemati¬ sche Modelle bei Defekten mit einer Defektgröße kleiner als die Wellenlänge nicht anwendbar.
Zur Auflösung kleinerer Defektgrößen könnten höhere Frequenzen verwendet werden. Dies führt jedoch zu einer erhöhten Absorption des verwendeten Ultraschalls (Schallschwächung) , sodass Defekte schwieriger zu detektieren sind.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, das Erkennen von kleinen Defekten in einem Objekt, insbesondere in einem Bauteil, bei einer Ultraschallprüfung zu verbessern. Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 10 gelöst. In den abhängigen Patentansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung angegeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erstellung einer Bewertungstabelle für eine Ultraschallprüfung eines Objektes, ins¬ besondere eines Bauteils, umfasst wenigstens die folgenden Schritte :
- Simulation einer Streuung von Ultraschall an wenigstens einem Defekt mit einer festgelegten Defektgröße mittels einer computerimplementierten zweidimensionalen oder dreidimensionalen Simulation, wobei die Defektgröße kleiner oder gleich der Wellenlänge des Ultraschalls ist, und die Simulation eine Modenumwandlung des Ultraschalls durch den Defekt berücksichtigt;
- Ermitteln der Reflektivität des Defektes aus der Simulati¬ on; und
- Erstellen der Bewertungstabelle mittels eines Zuordnens der ermittelten Reflektivität zur festgelegten Defektgröße des Defektes . Als Defektgröße wird die geometrische Größe eines Defektes, insbesondere eines in der Simulation verwendeten und ausge¬ stalteten Defektes, senkrecht zur Einschallrichtung des Ultraschalls bezeichnet. Ein Defekt im Sinne der vorliegenden Erfindung ist klein, falls seine Defektgröße kleiner oder gleich der Wellenlänge, insbesondere kleiner oder gleich der halben Wellenlänge, des verwendeten Ultraschalls ist. Mit anderen Worten weist der Defekt wenigstens in einer Richtung eine geometrische Ausdeh- nung auf, die kleiner oder gleich der Wellenlänge des verwendeten Ultraschalls ist. Die Simulation kann mittels einer Rechenvorrichtung, insbesondere mittels eines Computers, implementiert werden. Die weiteren Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens können ebenfalls mittels einer Rechenvorrichtung ausgeführt werden.
Bei Objekten, die keine räumliche Symmetrie aufweisen, er¬ folgt eine dreidimensionale Simulation. Eine zweidimensionale Simulation kann bei Objekten mit einer räumlichen Symmetrie, beispielsweise bei einem als Rotationskörper ausgebildeten Objekt, vorgesehen sein. Durch die zweidimensionale Simulati¬ on kann Rechenzeit eingespart werden. Die zweidimensionale sowie dreidimensionale Simulation können weiterhin einen zeitlichen Ablauf des Streuvorgangs umfassen. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Reflektivität des Defektes mit einer Defektgröße unterhalb der Wellenlänge des Ultraschalls mittels der Simulation ermittelt. Hierbei um- fasst die Simulation eine numerische Berechnung der Streuung des Ultraschalls an dem verwendeten Defekt. Erfindungsgemäß berücksichtigt die Simulation eine Modenumwandlung des Ultra¬ schalls durch seine Streuung am Defekt. Somit wird der ge¬ nannte Streuvorgang physikalisch möglichst vollständig durch die Simulation abgebildet. Die Simulation stellt im Ergebnis wenigstens eine am Defekt reflektierte zeitabhängige Amplitude des Ultraschalls (Echo) bereit, aus welcher die Reflektivität ermittelt werden kann.
Die erfindungsgemäße Bewertungstabelle wird durch das Zuord- nen der ermittelten Reflektivität zur festgelegten Defektgröße des Defektes erstellt. Mit anderen Worten wird der ermit¬ telten Reflektivität eine Ersatzfehlergröße zugeordnet. Da¬ durch kann vorteilhafterweise eine Defektgrößenbewertung von grundsätzlich beliebig kleinen Anzeigen oder Defekten erfol- gen.
Wird bei einer Ultraschallprüfung eines Objektes eine be¬ stimmte experimentelle Reflektivität eines Defektes im Objekt erfasst, so kann diese experimentell erfasste Reflektivität mit der ermittelten beziehungsweise berechneten Reflektivität innerhalb der erfindungsgemäßen Bewertungstabelle verglichen werden. Der ermittelten Reflektivität ist erfindungsgemäß ei- ne Defektgröße beziehungsweise eine Ersatzfehlergröße zuge¬ ordnet, sodass durch den genannten Vergleich auch der experimentell erfassten Reflektivität und somit dem realen Defekt eine Ersatzfehlergröße zuordenbar ist. Dadurch kann kleinen Defekten eine ausreichend genaue Ersatzfehlergröße zugeordnet werden.
Das ist zum einen deshalb der Fall, da die Simulation des er¬ findungsgemäßen Verfahrens die Modenumwandlungen des Ultraschalls an dem Defekt berücksichtigt. Mit anderen Worten er- folgt typischerweise aufgrund der Streuung des Ultraschalls am Defekt eine Veränderung der Polarisation des
eingeschallten Ultraschalls, welche die Simulation berücksichtigt. Beispielsweise können am Defekt gestreute Longitu- dinalwellen (Ultraschall longitudinal polarisiert) in Trans- versalwellen (Ultraschall transversal polarisiert) und umge¬ kehrt gewandelt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Ultraschallprüfung eines Objektes umfasst wenigstens die folgenden Schritte:
- Einschallen von Ultraschall auf wenigstens ein Volumenele¬ ment des Objektes;
- Erfassen wenigstens eines aufgrund wenigstens eines Defek¬ tes vom Volumenelement reflektierten Ultraschalls;
- Bestimmen der Reflektivität mittels des Betrages einer zeitabhängigen Amplitude des reflektierten Ultraschalls für das Volumenelement; und
- Ermitteln einer zur bestimmten Reflektivität zugehörigen Defektgröße des Defektes mittels einer gemäß der vorliegen¬ den Erfindung oder einer ihrer Ausgestaltungen erstellten Bewertungstabelle.
Es ergeben sich zum bereits genannten erfindungsgemäßen Verfahren zur Erstellung der Bewertungstabelle gleichartige und gleichwertige Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ultraschallprüfung eines Objektes.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Ultraschallprüfung ist es besonders bevorzugt, wenn beim Bestimmen der Reflek- tivität eine SAFT-Auswertung ( Synthetische-Apertur-Fokus- Technik; abgekürzt SAFT) verwendet wird. Mit anderen Worten basiert das Ermitteln der Reflektivität auf einer SAFT-Aus¬ wertung (englisch: Synthetic-Aperture-Focusing-Technique ; ab- gekürzt SAFT) .
Dadurch wird vorteilhafterweise die Genauigkeit und die Be¬ wertung von Defektgrößen verbessert. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird als Simulation eine auf finiten Differenzen basierte Simulation, insbesondere eine elastodynamische finite Integrations¬ methode (englisch: Elastodynamic Finite Integration
Technique, abgekürzt: EFIT) , verwendet.
Die genannte Simulationsmethode ist besonders vorteilhaft um eine physikalisch möglichst vollständige Streuung des Ultra¬ schalls an einem kleinen Defekt zu simulieren beziehungsweise zu berechnen. Weitere gitterbasierte Simulationsmethoden kön- nen alternativ oder ergänzend vorgesehen sein, beispielsweise eine Finite-Elemente-Methode (abgekürzt: FEM).
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Auldsche Reziprozitätstheorem zum Bestimmen der Reflektivität verwendet.
Hierbei wird beispielsweise mittels einer EFIT Simulation die Ausbreitung des Ultraschalls (Schallausbreitung) für seinen Hinweg zum Defekt und seine Reflektion am Defekt simuliert, und weiterhin die Ausbreitung des Ultraschalls für seinen
Hinweg zur räumlichen Position des Defektes ohne eine Reflektion am Defekt berechnet. Ist das Ultraschallfeld auf einer den Defekt umschließenden Fläche bekannt, so kann mittels des Auldschen Reziprozitätstheorem die reflektierte Amplitude beziehungsweise die Reflektivität des Ultraschalls - ohne sei¬ nen Rückweg zu simulieren - bestimmt werden. Dadurch kann vorteilhafterweise die Rechenzeit der Simulation reduziert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung erfolgt die Simulation ausschließlich in einem dem Defekt umgegebenen Teilbereich des Objektes.
Vorteilhafterweise ist es dadurch nicht erforderlich das Vo¬ lumen des gesamten Objektes dreidimensional zu simulieren. Dadurch kann vorteilhafterweise die Rechenzeit der Simulation weiter reduziert werden ohne an Genauigkeit einzubüßen.
Hierbei ist es besonders bevorzugt, wenn die Simulation der Ausbreitung des Ultraschalls von einer Einschallposition zum Teilbereich mittels einer elastodynamischen Punktquellensynthese erfolgt.
Mit anderen Worten wird die Ausbreitung des Ultraschalls aus¬ schließlich in einer Umgebung des Defektes simuliert. Die Schallausbreitung von der Einschallposition (Prüfkopf) zum simulierten Teilbereich wird mittels der elastodynamischen Punktquellensynthese berechnet. Hierdurch kann vorteilhafter¬ weise die Rechendauer der Simulation weiter reduziert werden.
Weitere strahlenbasierte Simulationsmethoden können vorgese¬ hen sein.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Reflektivität R mittels
Figure imgf000009_0001
ermittelt oder gefittet, wobei x = Df/λ ist, und Df die De- fektgröße, D einen Schwingerdurchmesser eines Prüfkopfes, λ die Wellenlänge des Ultraschalls, Q den Fitparameter sowie s den Schallweg bezeichnen. Das Symbol i bezeichnet die imagi¬ näre Einheit.
Mit anderen Worten gilt für einen Maximalwert der reflektierten Amplitude
Figure imgf000010_0001
wobei AQ einen Referenzwert des Maximalwertes bezeichnet. Die Reflektivität ist durch das Verhältnis |^/^0I gegeben, sodass R = \A/AQ\ gilt.
Typischerweise wird der obenstehende Formelausdruck für die Reflektivität in Beziehung zu einer bei der Ultraschallprü¬ fung verwendeten Verstärkung V (englisch: Gain) mittels V = 20■ log10(7?) gebracht. Mit anderen Worten wird die Reflektivität in der Einheit Dezibel angegeben. Vorteilhafterweise wird dadurch das Ergebnis der Simulation, das heißt insbesondere die Reflektivität , mittels einer Glei¬ chung oder eines Formelausdruckes beschrieben und gefittet. Dadurch kann eine Interpolation der Ergebnisse der Simulation erfolgen. Weiterhin kann dadurch vorteilhafterweise die Be- wertungstabelle durch nicht simulierte Datenpunkte ergänzt werden. Zudem ist der obenstehende Formelausdruck effizient implementierbar, sodass bei einer Ultraschallprüfung eine unmittelbare Abfrage und somit eine unmittelbare und schnelle Bewertung erfolgen kann.
Weitere Gleichungen oder Formelausdrücke, die vergleichbar und/oder mathematisch äquivalent sind, und die Ergebnisse der Simulation möglichst präzise wiedergeben, können vorgesehen sein. Insbesondere kann ein Fit der Reflektivität anhand die- ser weiteren Gleichungen oder Formelausdrücke erfolgen. Typi- scherweise wird nicht die Reflektivität direkt, sondern die Verstärkung, das heißt die in Dezibel angegeben Reflektivität gefittet. Dies ist äquivalent zu einem Fit der Reflektivität .
Beispielsweise kann der obenstehende Formelausdruck für die Verstärkung V wie folgt umgeformt werden:
Figure imgf000011_0001
Weiterhin können vorteilhaftweise näherungsweise gegebenen¬ falls Resonanzeffekte vernachlässigt werden, was zur Näherung
Figure imgf000011_0002
führt, wobei die Variablen und Parameter wie obenstehend de finiert sind. Insbesondere ist x = 4Df/Ä. Mit anderen Worten wird die Reflektivität näherungsweise mittels
Figure imgf000011_0003
ermittelt .
Die genannte Näherung ist unabhängig vom Fitparameter Q, so dass innerhalb der Näherung kein Fit erforderlich ist.
Die obenstehenden Gleichungen können als theoretisches Modell der Reflektivität des Ultraschalls am Defekt bezeichnet wer¬ den .
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung erfolgt eine Validierung der Simulation mittels einer Vergleichsultraschallprüfung an wenigstens einem hergestellten Defekt, wobei die Defektgröße des hergestellten Defektes größer als die Wellenlänge des bei der Vergleichsultraschallmessung verwendeten Ultraschalls ist.
Vorteilhafterweise erfolgt dadurch eine Kalibrierung und/oder Validierung beziehungsweise Überprüfung der Simulation an großen Defekten und somit an noch herstellbaren Defekten.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die Bewertungstabelle als Diagramm oder Formelausdruck ermittelt wird.
Dadurch kann eine verbesserte Bewertung eines Defektes basie¬ rend auf der als Diagramm oder als Formelausdruck ausgebildeten Bewertungstabelle erfolgen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung er¬ geben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen schematisiert :
Figur 1 ein schematisches Flussdiagramm des erfindungsgemä¬ ßen Verfahrens zur Erstellung einer Bewertungsta¬ belle für eine Ultraschallprüfung; und Figur 2 ein Vergleichsdiagramm einer Simulation mit einem
Formelausdruck .
Gleichartige, gleichwertige oder gleichwirkende Elemente kön¬ nen in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen sein.
Die Figur 1 zeigt das schematische Flussdiagramm des erfin¬ dungsgemäßen Verfahrens zur Erstellung einer Bewertungstabelle. In einem ersten Schritt Sl erfolgt eine Simulation einer
Streuung von Ultraschall an wenigstens einem Defekt mit einer festgelegten Defektgröße mittels einer computerimplementierten zweidimensionalen oder dreidimensionalen Simulation. Hierbei ist die Defektgröße kleiner oder gleich der Wellenlänge des Ultraschalls. Weiterhin wird durch die Simulation eine Modenumwandlung des Ultraschalls durch den Defekt be¬ rücksichtigt. Mit anderen Worten erfolgt eine physikalisch möglichst vollständige Simulation der Streuung des Ultra¬ schalls an dem innerhalb der Simulation vorhandenen Defekt.
In einem zweiten Schritt S2 wird die Reflektivität des Defek¬ tes aus der Simulation, beispielsweise basierend auf einem zum Defekt zugehöriger Maximalwert des Betrages einer zeitab¬ hängigen Amplitude des am Defekt reflektierten Ultraschalls, ermittelt. Hierbei kann die Ermittlung der Reflektivität ins¬ besondere auf einer SAFT-Auswertung der berechneten zeitabhängigen Amplituden (A-Bilder) erfolgen.
In einem dritten Schritt S3 des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Bewertungstabelle mittels eines Zuordnens der ermit¬ telten Reflektivität zur festgelegten Defektgröße des Defek¬ tes erstellt. Mit anderen Worten wird die mittels der Simula- tion ermittelte Reflektivität mit der in der Simulation ver¬ wendeten Defektgröße korreliert. Im Allgemeinen ist die Be¬ wertungstabelle als Korrelation zwischen der Reflektivität und der Defektgröße zu verstehen. Mit anderen Worten ergibt sich aus einer festen vorgegeben Reflektivität genau eine De- fektgröße. Die Bewertungstabelle kann tabellarisch vorliegen, wobei eine Spalte der Tabelle der Reflektivität und eine wei¬ tere Spalte der Tabelle der Defektgröße zugeordnet ist. Mit¬ tels der erfindungsgemäß erstellten Bewertungstabelle kann eine Bewertung und Defektidentifikation bei der Ultraschall- prüfung des Objektes erfolgen. Insbesondere können unter Verwendung der erfindungsgemäßen Bewertungstabelle Defekte mit einer Defektgröße unterhalb der Wellenlänge des verwendeten Ultraschalls erkannt und bewertet werden. Dadurch kann Defek¬ ten mit einer Defektgröße unterhalb der Wellenlänge des bei der Ultraschallprüfung verwendeten Ultraschalls vorteilhafterweise eine Ersatzfehlergröße zugeordnet werden. In Figur 2 ist ein Vergleichsdiagramm einer Simulation mit einem theoretischen Modell der Reflektivität des Ultraschalls dargestellt . An der Abszisse 100 des dargestellten Vergleichsdiagramms ist die Defektgröße in der Einheit Millimetern (mm) logarithmisch aufgetragen. Hierbei ist der Defekt exemplarisch als Kreisscheibe ausgebildet. An der Ordinate 101 ist die Verstärkung (englisch: Gain) des Ultraschallsignals in der Einheit Dezi- bei (dB) aufgetragen. Mit anderen Worten ist die Abhängigkeit der normierten Amplitude |.A/.A0| von der Defektgröße Df dop¬ pelt-logarithmisch aufgetragen.
Hierbei entspricht die Verstärkung der erfassten Reflekti- vität eines am Defekt reflektierten Ultraschalls. Der am De¬ fekt reflektierte Ultraschall wird als zeitabhängige Amplitu¬ de erfasst.
Eine gestrichelte Linie 121 bezeichnet eine klassische Ab- stand-Verstärkung-Größe-Bewertung (abgekürzt: AVG-Methode) . Diese erstreckt sich bei der dargestellten doppelt- logarithmischen Auftragung im Wesentlichen linear. Die gestrichelte Linie korrespondiert somit zu einer Abhängigkeit der Amplitude, die proportional zum Quadrat der Defektgröße ist, das heißt AoaDj.
Weiterhin ist eine gepunktet-gestrichelte Linie 112 darge¬ stellt, die auf einer Abhängigkeit der Amplitude proportional zur dritten Potenz der Defektgröße basiert, das heißt AoaD . Somit weißt die gepunktet-gestrichelte Linie 112 eine größere Steigung als die gestrichelte Linie 121 auf. Weiterhin er¬ streckt sich die gepunktet-gestrichelte Linie 112 ebenfalls linear . Der simulierte Verlauf der Reflektivität beziehungsweise der Verstärkung in Abhängigkeit der Defektgröße ist durch die Da¬ tenpunkte 142 einer Simulation des Defektes mit der jeweili¬ gen Defektgröße gegeben. Aus Gründen der Übersicht ist nur einer der Datenpunkt mit dem Bezugszeichen 142 gekennzeichnet. Es ist ein Knick innerhalb des genannten Verlaufes zu erkennen. Der Knick entspricht einem Übergang der Abhängigkeit der Amplitude von A oc D für kleine Defektgrößen zu AoaDj für große Defektgrößen. Die Linien 121, 112 korrespondieren somit jeweils zu einem asymptotischen Bereich der Datenpunkte 142.
Die ermittelten Datenpunkte 142, die den Verlauf der Verstär kung V punktuell wiedergeben, können mittels (siehe auch in der Beschreibung genannte Formelausdrücke)
Figure imgf000015_0001
gefittet werden, wobei x = Df/λ ist, und Df die Defektgröße, D einen Schwingerdurchmesser eines Prüfkopfes, λ die Wellen länge des Ultraschalls, Q den Fitparameter sowie s den
Schallweg bezeichnen. Das Symbol i bezeichnet die imaginäre Einheit .
Der Fit ist durch die durchgezogene Linie 124 verdeutlicht und zeigt eine sehr gute Übereinstimmung mit den numerisch mittels der Simulation ermittelten Datenpunkten 142.
Mittels des dargestellten Diagramms kann eine Bewertung einer Ultraschallprüfung eines Objektes erfolgen. Wird beispiels¬ weise für eine erfasste zeitabhängige Amplitude eines Ultra¬ schallsignals eine Verstärkung von etwa 83 dB erfordert, so entspricht dies gemäß des dargestellten Diagramms einer exemplarischen Defektgröße von etwa 1 mm. Mit anderen Worten können mittels der Bewertungstabelle, die in ihrer graphi¬ schen Darstellung dem gezeigten Diagramm entsprechen kann, Defekte mit einer Defektgröße unterhalb der Wellenlänge des verwendeten Ultraschalls erkannt und ihre Größe beziehungs¬ weise Ersatzfehlergröße ermittelt werden. Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch offenbarten Beispiele einge¬ schränkt oder andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen .

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Erstellung einer Bewertungstabelle für eine Ultraschallprüfung eines Objektes, umfassend die Schritte: - Simulation einer Streuung von Ultraschall an wenigstens einem Defekt mit einer festgelegten Defektgröße mittels einer computerimplementierten zweidimensionalen oder dreidimensionalen Simulation, wobei die Defektgröße kleiner oder gleich der Wellenlänge des Ultraschalls ist, und die Simulation eine Modenumwandlung des Ultraschalls durch den
Defekt berücksichtigt;
- Ermitteln der Reflektivität des Defektes aus der Simulati¬ on; und
- Erstellen der Bewertungstabelle mittels eines Zuordnens der ermittelten Reflektivität zur festgelegten Defektgröße des
Defektes .
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem als Simulation eine auf finiten Differenzen basierte Simulation, insbesondere eine elastodynamische finite Integrationsmethode, verwendet wird .
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem das Auldsche Reziprozitätstheorem zum Ermitteln der Reflektivität verwen- det wird.
4. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Simulation ausschließlich in einem dem Defekt umgebenen Teilbereich des Objektes erfolgt.
5. Verfahren gemäß Anspruch 4, bei dem die Simulation der Ausbreitung des Ultraschalls von seiner Einschallposition zum Teilbereich mittels einer elastodynamischen Punktquellensynthese erfolgt.
6. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Reflektivität mittels
Figure imgf000018_0001
ermittelt wird, wobei x = Df/λ ist, und Df die Defektgröße, D einen Schwingerdurchmesser eines Prüfkopfes, λ die Wellenlänge des, Q einen Fitparameter sowie s den Schallweg bezeich- nen .
7. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Reflektivität näherungsweise mittels
Figure imgf000018_0002
ermittelt wird.
8. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Validierung der Simulation mittels einer Vergleichsultraschallprüfung an wenigstens einem hergestellten Defekt erfolgt, wobei die Defektgröße des hergestellten Defektes größer als die Wellenlänge des bei der Vergleichsultraschall¬ messung verwendeten Ultraschalls ist.
9. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Bewertungstabelle als Diagramm oder Formelausdruck ermittelt wird.
10. Verfahren zur Ultraschallprüfung eines Objektes, umfassend die Schritte:
- Einschallen von Ultraschall auf wenigstens ein Volumenele- ment des Objektes;
- Erfassen wenigstens eines aufgrund wenigstens eines Defek¬ tes vom Volumenelement reflektierten Ultraschalls;
- Bestimmen der Reflektivität mittels des Betrages einer zeitabhängigen Amplitude des reflektierten Ultraschalls für das Volumenelement; und
- Ermitteln einer zur bestimmten Reflektivität zugehörigen Defektgröße mittels einer gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, erstellten Bewertungstabelle.
11. Verfahren gemäß Anspruch 10, bei dem das Bestimmen der Reflektivität auf einer SAFT-Auswertung basiert.
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