DE102014117721A1

DE102014117721A1 - Verfahren und Vorrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung eines Prüflings mittels Ultraschall

Info

Publication number: DE102014117721A1
Application number: DE102014117721.5A
Authority: DE
Inventors: York Oberdörfer; Johannes Büchler; Matthias Jobst; Ralf Ratering
Original assignee: GE Sensing and Inspection Technologies GmbH
Current assignee: Baker Hughes Digital Solutions GmbH
Priority date: 2014-12-02
Filing date: 2014-12-02
Publication date: 2016-06-02

Abstract

Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur zerstörungsfreien Prüfung eines Prüflings mittels Ultraschall. Es umfasst das Aussenden und Empfangen von Ultraschallsignalen in den bzw. aus dem Prüfling mittels eines Arrays (10) von M unabhängig ansteuerbaren Ultraschallwandlern (12). Hierzu werden mehrerer Untergruppen GH von Ultraschallwandlern (12) mittels jeweils eines Subaperturprozessors (20) individuell und phasengenau angesteuert, so dass diese jeweils einen Ultraschallpuls in einen der spezifischen Untergruppe zugeordneten Raumbereich VH des Prüflings einschallen. Aus zeitaufgelöst empfangenen Ultraschallechosignalen der jeweils einer Untergruppe GH zugeordneten Ultraschallwandler (12) wird zumindest ein Ausgangssignal erzeugt, indem diese vom Subaperturprozessor (20) einem geeigneten Beamforming-Verfahren unterworfen werden. Mittels einer übergeordneten Steuereinheit (40) wird dann ein Abbild des gesamten durchschallten Volumens VINSP des Prüflings generiert. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Prüfvorrichtung, die zur Ausführung eines Verfahrens zur zerstörungsfreien Prüfung eines Prüflings mittels Ultraschall eingerichtet ist.

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung eines Prüflings mittels Ultraschall umfassend das Aussenden von Ultraschallsignalen in den Prüfling mittels eines Arrays von unabhängig ansteuerbaren Ultraschallwandlern sowie das Empfangen von resultierenden Ultraschallsignalen aus den Prüfling mittels eines Array von unabhängig ansteuerbaren Ultraschallwandlern. In der Regel wird in Impuls-Echo-Technik gearbeitet. Weiterhin ist Gegenstand der vorliegenden Anmeldung eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung eines Prüflings mittels Ultraschall, welche zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet.
Die Verwendung ein- bzw. zweidimensionaler Arrays unabhängig voneinander ansteuerbarer Ultraschallwandler ist in der Medizintechnik sowie im Bereich der zerstörungsfreien Ultraschallprüfung (im Folgenden „NDT“ = non destructive testing) ist im Stand der Technik seit langem bekannt. Eine phasengenaue Ansteuerung der einzelnen Ultraschallwandler eines ein- oder zweidimensionalen Arrays erlaubt eine gezielte Strahlformung und Steuerung des vom Array ausgesandten Ultraschallfelds. Insbesondere ist eine gezielte Beeinflussung der Form des Ultraschallfeldes sowie der Ausstrahlrichtung möglich. Auch empfangsseitig kann diese als Phased-Array-Technik bezeichnete Technik angewendet werden, wozu die zeitaufgelöst empfangenen wandlerspezifischen Ultraschallsignale gezielt gegeneinander phasenverschoben und dann summiert werden, was im Prinzip dem umgekehrten Prozess der Strahlformung und Steuerung beim Aussenden des Ultraschallfelds entspricht.
Die Anwendung der Phased-Array-Technologie auf ein Array von individuell ansteuerbaren Ultraschallwandlern stellt jedoch hohe Anforderungen an die zu verwendende Sende- und Empfangselektronik, da eine kanalweise Ansteuerung der Ultraschallwandler zur Erzeugung der auszusendenden Ultraschallimpulse ebenso erforderlich ist wie eine kanalweise Verarbeitung der wandlerspezifischen empfangenen Ultraschallsignale. Dies steht insbesondere bei der Verwendung größerer Ultraschallarrays mit beispielsweise 16 × 16 oder 64 × 64 individuell ansteuerbaren Wandlerelementen zu einem enormen apparativen Aufwand bei der Signalerzeugung und -verarbeitung.
Zur Lösung dieses technischen Problems ist aus dem Stand der Technik bekannt, die erforderliche Sende- und Empfangselektronik soweit wie möglich zu digitalisieren und in größere Verarbeitungseinheiten zu integrieren, dies bevorzugt in miniaturisierter Form, beispielsweise in Form von ASICs. Eine weitere Reduktion der auszuwertenden Ultraschall-Echosignale kann erzielt werden, indem Gruppen von Ultraschallwandlern sowohl beim Senden als auch beim Empfangen zusammengefasst werden. Hierzu wird deren phasengenauere individuelle Ansteuerung beim Erzeugen von Ultraschallsignalen von einer integrierten Steuereinheit beispielsweise in Form eines ASICs übernommen ebenso wie die Auswertung der von dieser Gruppe von Ultraschallwandlern zeitaufgelöst kanalgetrennt empfangenen Ultraschall-Echosignale. Eine entsprechende Vorrichtung und ein entsprechendes Verfahren sind beispielsweise aus der US 7,775,982 B2 bekannt, aus der sich insbesondere Details der verwendeten integrierten Sende- und Empfangselektronik ergeben sowie Hinweise auf eine mögliche gruppenweise Ansteuerung einer Mehrzahl von Ultraschallwandlern. Beim Senden als auch auf die von diesen Ultraschallwandlern empfangenen Ultraschallsignale.
Aus der US 14/029,426 A1 ergeben sich weiterhin detaillierte Informationen über eine weiterentwickelte Ansteuerelektronik zur Erzeugung von Signalzügen zur Ansteuerung der individuell ansteuerbaren Ultraschallwandler mit dem Ziel einer weitgehend flexiblen Strahlformung und Steuerung des mittels des Arrays ausgesendeten Ultraschallfelds. Aus dieser Druckschrift ergeben sich insbesondere weitere Hinweise darauf, wie eine entsprechende Ansteuerelektronik in hoch integrierter Form beispielsweise in einem ASIC ausgeführt werden kann.
Durch die Bezugnahme auf diese beiden Druckschriften wird deren Offenbarungsgehalt in vollem Umfang zum Offenbarungsgehalt der vorliegenden Anmeldung hinzugefügt.
Grundsätzlich zielen die aus dem Stand der Technik vorbekannten Verfahren und Vorrichtungen darauf ab, ein gerichtetes Ultraschallfeld zu erzeugen, welches optimal an die durchzuführende Prüfaufgabe angepasst ist. Hierzu weist das Ultraschallfeld in der Regel eine bestimmte Ausstrahlrichtung sowie eine bestimmte Formgebung auf, die sich insbesondere auf Größe und Lage eines Fokus bezieht. Bei dem Stand der Technik üblichen Untersuchungsverfahren wird der zu untersuchende Raumbereich eines Prüflings, z.B. eines Werkstücks oder eines Werkzeugs oder ggf. auch des Körpers eines Patienten, sequenziell mittels eines entsprechend geformten und gesteuerten gepulsten Ultraschallfelds abgetastet. Die empfangenen resultierenden Echosignale werden durch Anwendung geeigneter Algorithmen bestimmten Raumbereichen des Prüflings zugeordnet und nachfolgend beispielsweise der Bilderzeugung mittels eines bildgebenden Verfahrens zugrunde gelegt. Mittels dieser Verfahrensführung ist es möglich, hochauflösende Bilder des abgetasteten Volumens des Prüflings zu erzeugen, wobei die Bilderzeugung jedoch aufgrund der sequenziellen Abtastung des interessierenden Volumens des Prüflings eine geraume Zeit in Anspruch nimmt. Daher kommen nur verhältnismäßig niedrige Bildwiederholraten des erzeugten Abbilds des durchschallten Volumens erzeugt werden.
Hier setzt nun die vorliegende Erfindung ein, die es sich zur Aufgabe gemacht hat, die aus dem Stand der Technik vorbekannten Verfahren bzw. Vorrichtungen dahingehend weiterzuentwickeln, dass die Aufnahme einzelner Bilder des zu untersuchenden Raumbereichs eines Prüflings schneller aufgenommen werden können, so dass ggf. auch höhere Bildwiederholraten erzielt werden können.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 13.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist vorgesehen zur zerstörungsfreien Prüfung eines Prüflings mittels Ultraschall, insbesondere mit dem Ziel einer zwei- oder dreidimensionalen Bilderzeugung des durchschallten Volumens des Prüflings. Das Verfahren umfasst das Aussenden von Ultraschallsignalen in den Prüfling mittels eines Arrays von M unabhängig ansteuerbaren Ultraschallwandlern. Weiterhin umfasst das Verfahren das Empfangen von resultierenden Ultraschallsignalen aus dem Prüfling mittels eines Arrays von M unabhängig ansteuerbaren Ultraschallwandern, wobei die für das Aussenden bzw. das Empfangen der Ultraschallsignale verwendeten Arrays identisch oder verschieden sein können. In der Regel wird dasselbe Array zum Aussenden und Empfangen der Ultraschallsignale verwendet werden.
Im Rahmen des Verfahrens werden mehrere Untergruppen G_H von Ultraschallwandlern individuell und phasengenau angesteuert, so dass jede Untergruppe jeweils einen Ultraschallpuls in einen der spezifischen Untergruppe G_H zugeordneten Raumbereich V_H des Prüflings einschallt.
Nachfolgend wird zumindest ein Ausgangssignal aus zeitaufgelöst empfangenen Ultraschallechosignalen der jeweils einer Untergruppe G_H zugeordneten Ultraschallwandler erzeugt, indem diese vom zugehörigen Subaperturprozessor einem geeigneten Beamforming-Verfahren unterworfen werden.
Die so mittels einer Mehrzahl von unabhängig voneinander arbeitenden Subaperturprozessoren erzeugten Ausgangssignale werden dann an eine übergeordnete Steuereinheit übergeben.
Die übergeordnete Steuereinheit erzeugt dann im letzten Verfahrensschritt aus der Mehrzahl von Ausgangssignalen ein Abbild des durchschallten Volumens des Prüflings, insbesondere des gesamten durchschallten Volumens. Hierzu werden die ersten drei Verfahrensschritte vorteilhaft wiederholt durchlaufen, wobei eine zeitliche Abfolge von Ultraschallpulsen erzeugt wird.
Beim wiederholten Durchlaufen der ersten der Verfahrensschritte ist es einerseits möglich, das von einer jeweiligen Untergruppe GH von Ultraschallwandlern erzeugte gepulste Ultraschallfeld nicht zu verändern, jedoch die jeweils resultierenden Echosignalen verschiedenen geeigneten Beamforming-Verfahren zu unterwerfen. Hiervon mit umfasst ist insbesondere der Sonderfall, dass ein zwar stets derselbe Beamformingalgorithmus angewendet wird, jedoch dessen Parameter von Puls zu Puls geändert werden.
Andererseits ist es möglich, das von einer jeweiligen Untergruppe G_H von Ultraschallwandlern erzeugte gepulste Ultraschallfeld von Puls zu Puls zu verändern, z.B. in Bezug auf Richtung und Fokuslage, jedoch auf alle resultierenden Echosignale stets dasselbe Beamforming-Verfahren anzuwenden.
Schließlich ist es möglich, sende- und empfangsseitig die vorstehend beschriebene sequentielle Variation von eingeschalltem gepulstem Ultraschallfeld und Beamforming-Verfahren miteinander zu kombinieren.
In einer vorteilhaften Weiterbildung wird vom jeweils zugehörigen Subaperturprozessor anstelle eines einzelnen Ausgangssignals eine Mehrzahl von Ausgangssignalen aus den zeitaufgelöst empfangenen Ultraschallsignalen der jeweils einer Untergruppe G_H zugeordneten Ultraschallwandlern generiert. Hierzu werden die empfangenen Ultraschallsignale vom zugehörigen Subaperturprozessor einer Mehrzahl unterschiedlicher Beamforming-Verfahren wie sie vielfältig aus dem Stand der Technik bekannt sind, unterworfen. „Unterschiedlich“ soll im Kontext der vorliegenden Erfindung bedeuten, dass sich zumindest die Parameter der angewendeten Beamforming-Verfahren voneinander unterscheiden. Es können sich aber auch die Beamforming-Verfahren selbst voneinander unterscheiden, dies ist aber nicht zwingend erforderlich.
Bevorzugt wird im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens das Abbilds des gesamten durchschallten Volumens des Prüflings generiert, indem mittels der übergeordneten Steuereinheit entweder

• für die verschiedenen Untergruppen G_H jeweils aus den Ausgangssignalen des einer Untergruppe G_H zugeordneten Subaperturprozessors ein separates Abbild des Raumbereichs V_E, aus dem die Ultraschallechosignale empfangen wurden, erzeugt wird und diese nachfolgend zu einem Abbild des gesamten durchschallten Volumens V_INSP des Prüflings zusammenfügt werden, oder
• aus den Ausgangssignalen aller Subaperturprozessoren ein Abbild des gesamten durchschallten Volumens V_INSP des Prüflings erzeugt wird.

In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens sind die Raumbereiche V_H und V_E gleich, d.h. mittels der Untergruppe G_H werden nur Echosignale aus dem Raumbereich V_H empfangen, in den mittels derselben Untergruppe G_H Ultraschallpulse eingeschallt wurden.
In einer alternativen bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens sind die Raumbereiche V_H und V_E verschieden, d.h. mittels der Untergruppe G_I werden nur Echosignale aus dem Raumbereich V_H empfangen, in den mittels einer anderen Untergruppe G_H Ultraschallpulse eingeschallt wurden.
Schließlich sind in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung die Raumbereiche V_H und V_E nicht identisch, können aber einen Überlapp aufweisen.
Das erfindungsgemäße Verfahren basiert darauf, dass abweichend von den nach dem Stand der Technik vorbekannten Verfahren keine streng sequentielle Abtastung des gesamten zu durchschallenden Raumbereichs V_INSP eines Prüflings mehr erfolgen muss, sondern vielmehr eine Zerlegung dieses zu durchschallenden Raumbereichs in verschiedene Teilraumbereiche V_H erfolgt. Untergruppen G_H von Ultraschallwandlern können dergestalt angesteuert werden, dass eine beispielsweise sequentielle Durchschallung jedes dieser Teilraumbereiche V_H mittels jeweils einer Untergruppe G_H von Ultraschallwandlern erfolgt. Auf diese Weise ist es möglich, die erzielbare Verarbeitungsgeschwindigkeit beispielsweise zu vervierfachen, indem vier Teilraumbereiche V_H parallel durchschallt werden, auch wenn jeder einzelne Teilraumbereich V_H weiterhin sequentiell abgetastet wird, wie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist. Eine Zerlegung des zu untersuchenden Raumbereichs in acht Teilraumbereiche V_H erlaubt entsprechend eine Verachtfachung der Verarbeitungsgeschwindigkeit, und so fort.
Erleichtert wird eine solche Verfahrensführung durch die heute zur Verfügung stehenden Möglichkeiten der digitalen Signalerzeugung und Verarbeitung, insbesondere mittels hochintegrierter Schaltkreise wie ASICs. Hierauf wird im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung noch genauer eingegangen werden sowie im Zusammenhang mit den nachfolgend diskutierten Ausführungsbeispielen.
Trotz der wesentlich erhöhten Verarbeitungsgeschwindigkeit erhöht sich der zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erforderliche apparative Aufwand gegenüber dem Stand der Technik vorbekannten Verfahren der sequentiellen Abtastung des gesamten zu untersuchenden Raumbereichs eines Prüflings nur unerheblich, da nur geringfügige Abwandlungen der im Stand der Technik verfügbaren Hardware erforderlich sind.
Der Schritt des Zusammenfügens der generierten Abbilder der einzelnen Raumbereiche V_H zu einem Abbild des gesamten durchschallten Volumens des Prüflings erfolgt dabei mittels ein sich zum Stand der Technik bekannter Bildbearbeitungsverfahren. Besondere Vorteile ergeben sich hier, wenn aneinander angrenzende Teilraumbereiche V_H einen gewissen Überlapp aufweisen, beispielsweise ein bestimmter Prozentsatz eines ersten Teilraumbereichs V_H ebenfalls zu einem anderen angrenzenden Teilraumbereich V_H gehört. Dieser Prozentsatz kann zwischen 0,1 und 100% betragen, in der Praxis hat sich ein Prozentsatz im Bereich zwischen fünf und fünfzehn Prozent als besonders geeignet herausgestellt.
Indem ein bestimmter Überlapp zwischen den Teilraumbereichen V_H eingestellt wird, kann beispielsweise durch Identifikation charakteristischer Strukturen in den erzeugten Abbildern der durchschallten Teilraumbereiche V_H im Überlappungsbereich auf einfache Art und Weise eine Bildregistrierung erfolgen, d.h. der Anschluss des erzeugten Abbilds eines ersten Teilraumbereichs V_H an das Abbild eines zweiten überlappenden Teilraumbereichs V_H. Grundsätzlich kann die Überlappung auch bis zu 100% betragen kann, d.h. dass ein und derselbe Raumbereich separat mittels verschiedenen Sub-Arrays z.B. unter verschiedenen Einschallwinkeln und von verschiedenen Einkoppelorten ausgehend abgetastet wird. In der Summe wird mittels jeder Untergruppe G_H von Ultraschallwandlern ein separates Bild ein und desselben Raumbereichs V_H des Prüflings erzeugt in einem nachfolgenden Verarbeitungsschritt werden diese Bilder des identischen Raumbereichs V_H zu einem einzelnen Bild fusioniert.
Da im Überlappbereich der angrenzenden Raumbereiche V_H zumindest zwei voneinander unabhängige Bildinformationen vorliegen, können Artefakte in den erzeugten Abbildern der Teilraumbereiche identifiziert und ggf. eliminiert werden. Dieser Effekt kann noch verstärkt werden, indem gezielt ein Überlapp zwischen mehr als zwei aneinander angrenzenden Teilraumbereichen V_H eingestellt wird.
In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass vor der Ausführung des Prüfverfahrens einem Benutzer ermöglicht wird, den zu durchschallenden Raumbereich V_INSP des Prüflings individuell einzustellen. Insbesondere kann vorgesehen sein, einem Benutzer zu ermöglichen, eine Zerlegung des zu durchschallenden Raumbereichs V_INSP in eine Mehrzahl von Teilraumbereichen V_H vorzunehmen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der zu durchschallende Raumbereich V_INSP mittels des Prüflings auf Grundlage eines CAD-Modells des Prüflings bestimmt. Weiterhin kann auch eine Zerlegung des ausgewählten zu durchschallenden Raumbereichs V_INSP in die Mehrzahl von Teilraumbereichen V_H auf Grundlage eines CAD-Modells des Prüflings vorgenommen werden. Dabei kann die Bestimmung sowohl des Raumbereichs V_INSP als auch die Zerlegung des Raumbereichs V_INSP in die Teilraumbereiche V_H auf Grundlage des CAD-Modells des Prüflings automatisiert vorgenommen werden. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass einem Benutzer einer zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichteten Vorrichtung angeboten wird, das zu durchschallende Volumen V_INSP sowie ggf. auch dessen Zerlegung in Teilraumbereiche V_H anhand eines CAD-Modells des Prüflings vorzunehmen.
Es sei darauf hingewiesen, dass im Rahmen der vorliegenden Anmeldung stets nur von einem zu durchschallenden Raumbereich V_INSP des Prüflings besprochen wird. Unter dieser Formulierung soll aber auch die Situation zu verstehen sein, dass das zu untersuchende Volumen des Prüflings nicht aus einem einzigen zusammenhängenden Raumbereich V_INSP besteht, sondern ggf. aus mehreren diskreten Raumbereichen V_INSP. Dabei sollen in beiden Fällen die zu untersuchenden Raumbereiche V_INSP, unabhängig davon, ob es sich um einen einfach zusammenhängenden Raumbereich oder mehrere diskrete Raumbereiche handelt, in einen oder mehrere Teilraumbereiche V_H aufgeteilt werden. Denkbar ist also, dass es einen einfach zusammenhängenden Raumbereich V_INSP gibt, der durch durchschallt werden soll, und der in einen einzigen Teilraumbereich V_H aufgeteilt wird, (der dementsprechend mit V_INSP identisch ist). Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird die Durchschallung dieses einen Teilraumbereichs V_H aber mit mehreren verschiedenen Untergruppen G_H von Ultraschallwandlern vorgenommen dergestalt, dass das in den Teilraumbereich V_H eingeschallte Ultraschallfeld jeweils unterschiedliche Eigenschaften wie beispielsweise Lage des Einkoppelorts in den Prüfling oder Einschallrichtung oder Strahldurchmesser oder Lage des Focus aufweist. Denkbar ist aber auch, dass ein einfach zusammenhängender Raumbereich V_INSP zu durchschallen ist, der in einer Mehrzahl voneinander verschiedener, bevorzugt aber sich zumindest teilweise überlappender Teilraumbereiche V_H zerlegt wird. Schließlich ist auch denkbar, dass eine Mehrzahl von zu durchschallenden Raumbereichen V_INSP vorliegt, die jeweils in einen oder mehrere mittels einer Untergruppe G_H von Ultraschallwandlern zugeordnete zu durchschallende Teilraumbereiche V_H aufgeteilt sind.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung eines Prüflings mittels Ultraschall umfasst zumindest eine Array von M unabhängig voneinander ansteuerbaren Ultraschallwandlern, die zum Aussenden von Ultraschallsignalen in den Prüfling bzw. zum Empfangen von resultierenden Ultraschallsignalen aus dem Prüfling vorgesehen sind. In der Regel wird die erfindungsgemäße Vorrichtung nur ein Array von M unabhängig voneinander ansteuerbaren Ultraschallwandlern umfassen, die sowohl zum Aussenden als auch zum Empfangen von Ultraschallsignalen vorgesehen sind. Mit vom Umfang der vorliegenden Erfindung mit umfasst soll jedoch auch die Situation sein, in der ein erstes Array von M unabhängig voneinander ansteuerbaren Ultraschallwandlern zum Aussenden von Ultraschallsignalen in den Prüfling vorgesehen ist, und ein zweites Array von I unabhängig voneinander ansteuerbaren Ultraschallwandlern zum Empfangen von resultierenden Ultraschallsignalen aus dem Prüfling vorgesehen ist, wobei M = I oder M ≠ I möglich ist.
Weiterhin umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Mehrzahl H von Subaperturprozessoren, wobei jedem Subaperturprozessor eine Anzahl N der Ultraschallwandler zur Ansteuerung und Auswertung zugeordnet sind. Jeder der H Subaperturprozessoren ist dazu eingerichtet, die ihm zugeordneten N Ultraschallwandler individuell phasengenau so anzusteuern, dass diese einen Ultraschallpuls bzw. ein gepulstes Ultraschallfeld in einen dem Subaperturprozessor zugeordneten Raumbereich V_H des Prüflings einschallen.
Jeder Subaperturprozessor umfasst zumindest eine numerische Rekonstruktionseinheit, die dazu eingerichtet ist, von den zugeordneten N Ultraschallwandlern aus einem Raumbereich V_E des Prüflings zeitaufgelöst empfangene Ultraschallechosignale einem geeigneten Beamforming-Verfahren zu unterwerfen und ein Ausgangssignal zu erzeugen.
Schließlich ist eine übergeordnete Steuereinheit vorgesehen, die dazu eingerichtet ist, aus den Ausgangssignalen der Rekonstruktionseinheiten ein Abbild des gesamten durchschallten Volumens V_INSP des Prüflings zu generieren.
In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Subaperturprozessoren dazu eingerichtet, eine Mehrzahl von zeitlich aufeinanderfolgenden Ultraschallpulsen zu erzeugen. Hieraus resultiert für jeden Subaperturprozessor eine Mehrzahl von Ausgangssignalen. Die übergeordnete Steuereinheit ist dann dazu eingerichtet, diese Mehrzahl von Ausgangssignalen jedes Subaperturprozessors zu verarbeiten.
In einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind die Subaperturprozessoren dazu eingerichtet, eine Mehrzahl von Ausgangssignalen aus den zeitaufgelöst empfangenen Ultraschallechosignalen der jeweils einer Untergruppe G_H zugeordneten Ultraschallwandler zu erzeugen. Hierzu werden die zeitaufgelöst empfangenen Echosignale vom Subaperturprozessor sequentiell oder parallel einer Mehrzahl von geeigneten Beamforming-Verfahren unterworfen.
Die übergeordnete Steuereinheit ist dazu eingerichtet, aus den Ausgangssignalen der Rekonstruktionseinheiten ein Abbild des gesamten durchschallten Volumens V_INSP des Prüflings zu generieren. Hierzu kann die übergeordnete Steuereinheit entweder dazu eingerichtet sein, für die verschiedenen Untergruppen G_H jeweils aus den Ausgangssignalen des einer Untergruppe G_H zugeordneten Subaperturprozessors ein separates Abbild des zugehörigen Raumbereichs V_E zu erzeugen. Die übergeordnete Steuereinheit ist in diesem Fall weiterhin dazu eingerichtet, die erhaltene Mehrzahl von Abbildern verschiedener Raumbereichs V_E nachfolgend zu einem Abbild des gesamten durchschallten Volumens V_INSP des Prüflings zusammenzufügen.
In einer ersten bevorzugten Ausgestaltung sind die Raumbereiche V_H und V_E gleich, d.h. es ist vorgesehen, mittels der Untergruppe G_H werden nur Echosignale aus dem Raumbereich V_H zu empfangen, in den mittels derselben Untergruppe G_H Ultraschallpulse eingeschallt wurden.
In einer alternativen bevorzugten Ausgestaltung sind die Raumbereiche V_H und V_E verschieden, d.h. es ist vorgesehen, mittels der Untergruppe G_I nur Echosignale aus einem Raumbereich V_H zu empfangen, in den mittels einer anderen Untergruppe G_H Ultraschallpulse eingeschallt wurden.
Schließlich sind in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung die Raumbereiche V_H und V_E nicht identisch, können aber einen Überlapp aufweisen.
Alternativ ist die übergeordnete Steuereinheit dazu eingerichtet, aus den sequentiell oder parallel oder in einer Kombination aus beiden Übertragungsarten empfangenen Ausgangssignalen aller Subaperturprozessoren ein Abbild des gesamten durchschallten Volumens V_INSP des Prüflings zu erzeugen.
In allen vorgenannten Fällen können die Abbilder der durchschallten Teilraumbereiche V_H zwei- oder dreidimensional sein, oder eine Schar zweidimensionaler Abbildungen umfassen, wobei es sich bei dem erzeugten Abbild bevorzugt um ein dreidimensionales Abbild des durchschallten Raumbereichs V_H handelt.
Bei dem mittels des erfindungsgemäßen Verfahren bzw. mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung generierten Abbild des gesamten durchschallten Volumens V_INSP des Prüflings kann es sich ebenso um eine zweidimensionale Repräsentation des Volumens des Prüflings handeln, um eine Abfolge von zweidimensionalen Repräsentationen des Volumens des Prüflings, oder besonders bevorzugt um eine dreidimensionale Repräsentation des durchschallten Volumens V_INSP des Prüflings.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist diese dergestalt eingerichtet, dass aneinander angrenzende Raumbereiche V_H einen Überlapp aufweisen. Bezüglich der Größenordnung dieses Überlapps wird auf die Ausführungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verwiesen. Eine entsprechende Einrichtung der Vorrichtung kann durch eine geeignete Ansteuerung der Ultraschallwandler, die den verschiedenen Subaperturprozessoren zugeordnet sind, erreicht werden. Eine solche Ansteuerung kann z.B. mittels der Subaperturprozessoren umgesetzt werden.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die übergeordnete Steuereinheit dazu eingerichtet, durch Bildvergleich Artefakte in dem erzeugten Abbild des durchschallten Volumen V_INSP des Prüflings zu identifizieren. Derartige Artefakte können insbesondere in den Bereichen, in denen die Abbilder der Teilraumbereiche V_H überlappen, identifiziert werden.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Benutzerschnittstelle auf, die es einem Benutzer der Vorrichtung ermöglicht, den zu durchschallenden Raumbereich V_INSP des Prüflings individuell einzustellen. Darüber hinaus kann die Benutzerschnittstelle so ausgestaltet sein, dass es einem Benutzer der Vorrichtung möglich ist, den zu durchschallenden Raumbereich V_INSP in einen oder mehrere Teilraumbereiche V_H zu zerlegen.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung weiterhin eine Strahlsteuerungseinheit, die dazu eingerichtet ist, auf Grundlage eines CAD-Modells des Prüflings den zu durchschallenden Raumbereich V_INSP zu bestimmen.
In einer alternativen Ausgestaltung weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Strahlsteuerungseinheit mit einer Benutzerschnittstelle auf, die es einem Benutzer erlaubt, auf Grundlage eines CAD-Modells des Prüflings den zu durchschallenden Raumbereich V_INSP des Prüflings zu bestimmen.
In beiden vorgenannten Fällen kann die Strahlsteuerungseinheit vorteilhaft dazu eingerichtet sein, den zu durchschallenden Raumbereich V_INSP des Prüflings in Raumbereiche V_H zu zerlegen, die jeweils einem oder mehreren Subaperturprozessoren zugeordnet sind.
In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung ist die Strahlsteuerungseinheit weiterhin dazu eingerichtet, diese Raumbereiche V_H so auszuwählen, dass die unter Verwendung einer oder mehrerer Subaperturprozessoren erzeugten Abbilder dieser Raumbereiche V_H eine im Wesentlichen vergleichbare räumliche Auflösung und/oder ein im Wesentlichen vergleichbares Signal zu Rauschverhältnis aufweist. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass einem weiter vom Array der Ultraschallwandler beabstandeten Teilraumbereich V_H mehrere Subaperturprozessoren und entsprechend eine größere Anzahl von Ultraschallwandlern zugeordnet werden als anderen Teilraumbereichen V_H, die einen geringeren Abstand zum Array aufweisen. Weisen die erzeugten Abbilder der Raumbereiche V_H eine vergleichbare Bildqualität aufweisen, wird einerseits eine Zusammenfügung zu einem Abbild des gesamten durchschallten Raumbereichs V_INSP des Prüflings einfacher möglich, andererseits ist auch die Identifikation von Artefakten einfacher und mit größerer Zuverlässigkeit möglich.
Weitere Vorteile und Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den nachgeordneten Ansprüchen, die sich jeweils an die unabhängigen Ansprüche anschließen, sowie aus den nachfolgend diskutierten Ausführungsbeispielen. Es wird darauf hingewiesen, dass die Merkmale der verschiedenen Unteransprüche im Rahmen des technisch Möglichen und Sinnvollen frei miteinander kombiniert werden können, ggf. auch über die Grenzen der verschiedenen Anspruchskategorien hinweg. Darüber hinaus wird darauf hingewiesen, dass einzelne oder mehrere Merkmale, die sich nur aus den sich anschließenden Ausführungsbeispielen ergeben, zur Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß der unabhängigen Ansprüche herangezogen werden können, auch ohne dass dies explizit in den Ausführungsbeispielen erwähnt sein muss.
Die nachfolgenden Ausführungsbeispiele werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines zweidimensionalen Arrays von unabhängig austauschbaren Ultraschallwandlern,
2: ein Blockdiagramm eines ultraschallbasierten bildgebenden Systems aus dem Stand der Technik basierend auf einem zweidimensionalen Array von unabhängig ansteuerbaren Ultraschallwandlern,
3: eine schematische Darstellung einer Ultraschallfelderzeugung mittels des Systems gemäß 2 nach den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren,
4: eine schematische Darstellung der Ultraschallfelderzeugung mittels des Systems gemäß 2 nach dem erfindungsgemäßen Verfahren,
5: eine schematische Darstellung eines Subaperturprozessors sowie der übergeordneten Steuereinheit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels, und
6: eine schematische Darstellung eines Subaperturprozessors sowie der übergeordneten Steuereinheit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß eines vereinfachten zweiten Ausführungsbeispiels.
Beispielhaft ist in 1 ein rechtwinkliges Array 10 dargestellt, welches insgesamt 1.024 unabhängig voneinander ansteuerbare quadratische Ultraschallwandler 12 aufweist, die auf einem quadratischen Gitter angeordnet sind. Diese 1.024 unabhängig voneinander ansteuerbaren Ultraschallwandler 12 sind in insgesamt sechzehn Gruppen zusammengefasst, die jeweils 8 × 8 = 64 unabhängig ansteuerbare Ultraschallwandler 12 umfassen. Diese Gruppe besteht dabei aus 8 × 8 in einem Quadrat aneinander angrenzend angeordneten Ultraschallwandlern 12, wie dies in 2 dargestellt ist.
In dieser ist der Aufbau einer aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannten gattungsgemäßen Vorrichtung 1 zur zerstörungsfreien Prüfung eines Prüflings mittels Ultraschall anhand eines Blockschaltbilds dargestellt. Die Vorrichtung 1 umfasst ein Array 10 von typisch n × m unabhängig voneinander ansteuerbaren Ultraschallwandlern, wobei n bzw. m Werte zwischen 8 und 64 oder auch darüber annehmen können. In der Regel gilt n = m. Bei den meisten aus dem Stand der Technik bekannten Arrays 10 sind die individuell ansteuerbaren Ultraschallwandler 12 in zu einander rechtwinkligen Spalten und Zeilen angeordnet, was jedoch nicht zwingend erforderlich ist. Ggf. können auch andere Anordnungen der Ultraschallwandler 12 in dem Array 10 Verwendung finden, beispielsweise in einer hexagonalen Anordnung, oder einer Anordnung in Spalten und Zeilen, die einen von 90° verschiedenen Winkel miteinander einschließen.
Jede einzelne Gruppe unabhängig ansteuerbarer Ultraschallwandler 12 ist mit vierundsechzig voneinander unabhängigen Ausgängen eines Subaperturprozessors 20 verbunden. In einem Ultraschall-Front-End, in dem die Ultraschallspezifischen elektronischen Komponenten zu einer mechanischen Einheit zusammengefasst sind, sind sechszehn voneinander unabhängige Subaperturprozessoren 20 angeordnet. Jeder Subaperturprozessor 20 ist dabei zur individuellen phasengenauen Ansteuerung der mit seinen Ausgängen verbundenen Ultraschallwandler 12 eingerichtet sowie zum zeitaufgelösten Aufnehmen der von den Ultraschallwandlern 12 aufgenommenen resultierenden Echosignale. Details hierzu werden im Folgenden noch genauer beschrieben. Jeder Subaperturprozessor 20 ist dazu eingerichtet, aus den empfangenen Ultraschallsignalen unter Anwendung geeigneter Beamforming-Verfahren eine Mehrzahl von resultierenden Ausgangssignalen zu erzeugen, die Ultraschalltypische Informationen über den Raumbereich enthalten, aus denen die empfangenen Echosignale herrühren. Dieser Raumbereich wird insbesondere vom verwendeten Beamforming-Verfahren sowie dessen der Rekonstruktion zugrunde gelegte spezifische Rekonstruktionsparameter bestimmt. Bei den Rekonstruktionsparametern kann es sich insbesondere um wandlerspezifische Zeitverzögerungen handeln.
Nachfolgend wird das Ausgangssignal der Subaperturprozessoren 20 jeweils einem dem Subaperturprozessor 20 zugeordneten AD-Wandler 50 übermittelt. Der AD-Wandler 50 ist dazu eingerichtet, das empfangene Ausgangssignal zu digitalisieren sowie ggf. zu verstärken bzw. Filterroutinen zu unterwerfen. Das dergestalt aufbereitete digitale Ausgangssignal wird vom AD-Wandler 50 dann an einen Bilderzeugungsprozessor 52 übergeben. Dieser Bilderzeugungsprozessor 52, bei dem es sich beispielsweise um einen PPGA handeln kann, ist dazu eingerichtet, die aufbereiteten digitalisierten Ausgangssignale der Subaperturprozessoren 20 zu empfangen und aus diesen ein zweidimensionales, bevorzugt jedoch ein dreidimensionales Abbild des durchschallten Raumbereichs des Prüflings. Bei dem durchschallten Raumbereich handelt es sich um das Volumen des Prüflings, in das die mittels des Arrays 10 erzeugten und ausgesandten Ultraschallsignale eingeschallt und aus dem mittels des Arrays 10 resultierenden Echosignale empfangen wurden.
In einem typischen Aufbau sind die Mehrzahl der Subaperturprozessoren 20 nebst der zugeordneten AD-Wandler 50 und der Bilderzeugungsprozessor 52 in einem Ultraschall-Front-End mechanisch zusammengefasst. Bei einem solchen Ultraschall-Front-End kann es sich insbesondere um eine Einsteckkarte in einem Rack-System gemäß Industriestandard handeln, wobei die Einsteckkarte weiterhin dazu eingerichtet ist, über ein standardisiertes Bus-System mit einem Steuerungs- und Bildverarbeitungssystem höherer Ordnung 54 zu kommunizieren. Bei einem solchen Bus-System kann es sich insbesondere um einen PCIe-Bus handeln.
Ein Steuerungs- und Bildverarbeitungssystem höherer Ordnung 54 umfasst dabei wie in 1 dargestellt einen Treiber 55, der eine Kommunikation des Systems höherer Ordnung 54 über den PCIe-Bus mit dem Ultraschall-Front-End ermöglicht, insbesondere eine Übergabe der vom Bilderzeugungsprozessor 52 erzeugten zwei- oder dreidimensionalen Bilddaten des Prüflings. Diese werden in dem System höherer Ordnung 54 einer dort vorgesehenen Bildverarbeitungseinheit 58 zugeleitet, die in der Regel softwarebasiert ausgeführt ist. Insbesondere kann es sich bei dem Steuerungs- und Bildverarbeitungssystem höherer Ordnung 54 um eine Workstation gemäß Industriestandard handeln.
Weiterhin weist das Steuerungs- und Bildverarbeitungssystem höherer Ordnung 54 eine Benutzerschnittstelle 56, beispielsweise in Form einer Tastatur, einer Maus, eines Joysticks oder eines sonstigen geeigneten Eingabegeräts auf.
Weiterhin umfasst die Benutzerschnittstelle 56 vorteilhaft eine grafische Benutzeroberfläche, über die ein Bediener Eingaben zur Steuerung des Steuerungs- und Bildverarbeitungssystems höherer Ordnung 54 sowie des Ultraschall-Front-Ends vornehmen kann. Insbesondere dienen die Eingabegeräte einer Navigation auf der grafischen Benutzeroberfläche GUI.
Schließlich ist eine Anzeigeeinheit 60 mit dem Steuerungs- und Bildverarbeitungssystem höherer Ordnung 54 verbunden, wobei die Anzeigeeinheit 60 einerseits dazu vorgesehen ist, die grafische Benutzeroberfläche des Systems höherer Ordnung dem Benutzer darzustellen, und andererseits die von der Bildverarbeitungseinheit 58 des Systems höherer Ordnung 54 aufbereiteten/erzeugten Bilddaten des untersuchten Prüflings darzustellen.
Aus 3 ist schematisch ersichtlich, wie die Vorrichtung gemäß 1 in dem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren bei der Schallfelderzeugung zur Einkopplung in den zu untersuchenden Prüfling betrieben wird. Typischerweise werden die im Ultraschall-Front-End vorgesehenen Subaperturprozessoren 20 dergestalt angesteuert, dass die von ihnen individuell phasengenau angesteuerten Ultraschallwandler 12 des Sende-Arrays 10 gemeinschaftlich ein breites Schallfeld erzeugen, welches im zu untersuchenden Volumen des Prüflings einen Focus aufweist.
Empfangsseitig erzeugt jede der mehreren numerischen Rekonstruktionseinheiten 22 der Subaperturprozessoren 20 zumindest ein Ausgangssignal, wobei im gezeigten Ausführungsbeispiel sechzehn Subaperturprozessoren 20 mit je sechzehn Rekonstruktionseinheiten 22 vorgesehen sind. Jede Rekonstruktionseinheit 16 stellt dabei einen unabhängigen Verarbeitungskanal dar, in dem die zeitaufgelöst und wandlerspezifisch aufgenommenen Ultraschallsignale jeweils einem geeigneten Beamforming-Verfahren unterworfen werden.
Die mittels des jeweils angewendeten Beamforming-Verfahrens erzeugten Ausgangssignale der numerischen Rekonstruktionseinheiten 22 werden von jedem Subaperturprozessor 20 jeweils einem Verstärker 48 und einem A/D-Wandler 50 zugeleitet (in 3 vereinfacht dargestellt). Die so aufbereiteten digitalisierten Signale werden dann einem nachgeschalteten Bilderzeugungsprozessor 52 zugeleitet.
Auf diese Weise wird das durchschallte Volumen des Prüflings im Bereich des Focus des eingeschalten Ultraschallfelds auf von sechzehn Subaperturprozessoren und damit auf sechzehn voneinander unabhängigen Kanälen analysiert und die dabei gewonnene Information zur Rekonstruktion von Bildinformationen dieses Raumbereichs genutzt. Die Vielzahl der voneinander unabhängigen Kanäle bei der Anwendung der Beamforming-Verfahren erlauben dabei die Erzeugung eines Bilds hoher Qualität, da hierdurch das Erkennen und Eliminieren von Artefakten der in den einzelnen Kanälen erzeugten Bilddaten auf einfache Weise möglich ist.
Soll jedoch ein größerer Raumbereich des Prüflings untersucht werden, so erfordert dies ein Abscannen des gesamten zu untersuchenden Raumbereichs V_INSP des Prüflings mit dem fokussierten eingeschallten Ultraschallfeld, was nur auf serielle Art und Weise durch Verschwenken des Ultraschallfelds sowie Variationen der Fokuslage möglich ist. Hierdurch wird die die erzielbare Zeitauflösung begrenzt.
Aus 4 wird hingegen deutlich, auf welche Weise die grundsätzlich aus 2 bekannte Ultraschallprüfvorrichtung alternativ betrieben werden kann, so dass auch höhere Bilderzeugungsraten erzielbar werden. Hierbei macht man sich zu Nutze, dass die Subaperturprozessoren 20 so ausgebildet werden können, dass sie dazu geeignet sind, die ihnen zugeordneten individuell ansteuerbaren Ultraschallwandler 12 unabhängig von den weiteren Subaperturprozessoren 20 der Vorrichtung 1 anzusteuern. Hierdurch ist es möglich, dass jeder einzelne Subaperturprozessor 20 unabhängig von den weiteren im Ultraschall-Front-End vorgesehenen Subaperturprozessoren 20 mittels der von ihm individuell phasengenau angesteuerten Ultraschallwandler 12 eigenständig ein Ultraschallfeld erzeugt, dessen Einschallrichtung und Fokuslage unabhängig von denjenigen der von den anderen Subaperturprozessoren 20 erzeugten Ultraschallfelder ist. Auf diese Weise ist es möglich, zugleich eine Mehrzahl von voneinander unabhängigen Fokusse im zu durchschallenden Raumbereich des Prüflings zu erzeugen. Grundsätzlich kann jedes resultierende Echosignal von jedem der in 4 dargestellten bis zu sechzehn voneinander unabhängigen Fokusse herrühren. Dies kann bei der Bildauswertung beispielsweise dahingehend ausgenutzt werden, dass der zu untersuchende Raumbereich des Prüflings in einer Mehrzahl von Teilraumbereichen V_H zerlegt wird, und jeder Subaperturprozessor 20 dazu angesteuert wird, mittels der von ihm angesteuerten Ultraschallwandler 12 ein Ultraschallfeld zu erzeugen, welches in dem ihm zugeordneten Teilraumbereich V_H einen Fokus aufweist. Weiterhin kann jeder Subaperturprozessor 20 so angesteuert werden, dass der ihm zugeordnete Teilraumbereich V_H sequentiell von dem Fokus des erzeugten Schallfelds erfasst wird, so dass der Teilraumbereich V_H sequentiell abgetastet wird.
Dabei können die Subaperturprozessoren 20 insbesondere so ausgestaltet sein, dass Subaperturprozessor 20 zu einer Steuerung des von ihm erzeugten Ultraschallfelds in der Lage ist, die vollkommen unabhängig von der Steuerung der Ultraschallfelder ist, die von den weiteren Subaperturprozessoren 20 erzeug werden. Auf diese Weise ist es im gezeigten Ausführungsbeispiel möglich, den zu untersuchenden Raumbereich V_INSP des Prüflings in sechzehn Teilraumbereiche V_H zu zerlegen. Diese werden zwar jeweils sequentiell abgetastet, jedoch können alle sechzehn Teilraumbereiche V_H parallel abgetastet werden. Dies führt zu einer Versechzehnfachung der Aufnahmegeschwindigkeit des gesamten zu untersuchenden Raumbereichs V_INSP des Prüflings, wodurch deutlich erhöhte Bilderzeugungsraten möglich werden.
Besondere Vorteile ergeben sich, wenn bei der Verarbeitung der aufgenommenen Ultraschallsignale aus dem Prüfling im Rahmen der angewendeten Beamforming-Verfahren von einem Subaperturprozessor 20 auch Echosignale identifiziert werden, die aus Teilraumbereichen V_H resultieren, die von anderen Subaperturprozessoren 20 durchschallt wurde. Bei dieser Verfahrensführung kann der Vorteil des aus dem Stand der Technik vorbekannten Verfahrens, wie es sich aus 3 ergibt, beibehalten werden, dass nämlich jeder Subaperturprozessor 20 Bildinformationen nicht nur aus den ihm unmittelbar zugeordneten Teilraumbereich V_H erzeugen kann, sondern vielmehr darüber hinaus Bildinformationen derjenigen Teilraumbereiche V_H, die den verbleibenden weiteren Subaperturprozessoren 20 zugeordnet sind. Auch hier ergibt sich daher wieder die Möglichkeit, mittels geeigneter Bildverarbeitungsalgorithmen, wie beispielsweise einem Bildvergleich Artefakte in den von den einzelnen Subaperturprozessoren 20 erzeugten Bildinformationen zu erkennen und ggf. zu eliminieren. Hierzu ist in einer nochmals verbesserten Ausgestaltung vorgesehen, dass eine Kommunikation zwischen den Subaperturprozessoren 20 dahingehend möglich ist, dass jedem Subaperturprozessor 20 auch Informationen über die aktuelle Fokuslage der von den weiteren Subaperturprozessoren 20 erzeugten Ultraschallfelder zur Verfügung steht.
5 zeigt schließlich exemplarisch einen Subaperturprozessor 20 mit nachgeschalteter übergeordneter Steuereinheit 40 einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist der gezeigte Subaperturprozessor 20 mit einer Gruppe von vier Ultraschallwandlern 12 verbunden, dergestalt dass der Subaperturprozessor 20 einerseits dazu in der Lage ist, jeden einzelnen Ultraschallwandler 12 individuell phasengenau anzusteuern und andererseits die von den individuellen Ultraschallwandlern 12 aufgenommenen Echosignale kanalgetrennt zu empfangen, einer Signalaufbereitung zu unterwerfen und die so gewonnenen Echosignale einer Mehrzahl von umfassten numerischen Konstruktionseinheiten 22 zuzuführen.
Hierzu enthält der Subaperturprozessor 20 eine Sendespeichereinheit 23, in der beispielsweise von einem in einer übergeordneten Steuereinheit 40 vorgesehenen Zykluscontroller 46 empfangene Parameter für eine Sendesteuerung 24 abgelegt sein können. Diese Sendeparameter werden von der Sendesteuerung 24 ausgelesen. Die Sendesteuerung 24 weist vier Ausgänge für daran anzuschließende individuell anzusteuernde Ultrawandler 12 auf, wobei jedem einzelnen Ultraschallwandler 12 ein Pulsgenerator 26 zugeordnet ist und eine nachgeschaltete Pulserzeugungseinheit 28. Gemeinschaftlich erzeugen Sendesteuerung 24, Pulsgenerator 26 und Pulserzeugungseinheit 28 ein zeitlich variables Anregungssignal z.B. in Form eines Sendepulses oder eines Pulszugs für den einen angeschlossenen, individuell ansteuerbaren Ultraschallwandler 12. Dabei wird von der Sendesteuerung 24 der im Sendespeicher 23 abgelegte Parametersatz zugrunde gelegt.
Empfangsseitig enthält der Subaperturprozessor 20 vier Eingänge, mit denen die zugeordneten Ultraschallwandler 12 verbunden sind, welche ebenfalls zum Senden verwendet werden. Im gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Subaperturprozessor 20 insbesondere vier Anschlüsse zur Verbindung mit individuell ansteuerbaren Ultraschallwandlern 12 des Arrays 10 auf, auf die sowohl die ausgangsseitigen Ansteuersignale des Subaperturprozessor 20 als auch die Signaleingänge der individuellen Ultraschallwandler 12 gelegt werden. Empfangsseitig ist jedem Eingang dabei ein Vorverstärker 30, eine nachgeschaltete Filtereinheit 32 und eine logische Einheit zur Signalaufbereitung 34 zugeordnet.
Im Signalweg nachfolgend angeordnet ist eine erste numerische Rekonstruktionseinheit 22, die ihrerseits vier Eingänge aufweist für die aufbereiteten Signale, die von den angeschlossenen Ultraschallwandlern 12 aufgenommen wurden.
Wie bereits erwähnt, umfasst jeder Subaperturprozessor 20 eine Mehrzahl numerischer Rekonstruktionseinheiten 22. Im Ausführungsbeispiel gemäß 4 umfasst ein Subaperturprozessor 20 zwei identische numerische Rekonstruktionseinheiten 22, 22‘, denen jeweils die aufbereiteten Signale der Ultraschallwandler 12 zugeleitet werden. Dabei ist jeder numerischen Rekonstruktionseinheit 22, 22‘ jeweils eine Speichereinheit 36, 36‘ sowie ein Rekonstruktionsspeicher 38, 38‘ zugeordnet. Weiterhin weist jede numerische Rekonstruktionseinheit 22, 22‘ einen Signalausgang zur Ausgabe eines erzeugten Summensignals auf.
Im in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst das Array 10 eine quadratische Matrix von M = 8 × 8 = 64 quadratischen Wandlerelementen 12, von denen je N = 4 einem Subaperturprozessor 20 zur Ansteuerung und Auswertung zugeordnet sind. Jeder Subaperturprozessor 20 ist dazu eingerichtet, die ihm zugeordneten N = 4 Ultraschallwandler 12 individuell phasengenau so anzusteuern, dass diese ein Ultraschallfeld in einen dem Subaperturprozessor 20 zugeordneten Raumbereich V_H des Prüflings 100. einschallen, wie in 4 dargestellt.
Weiterhin umfasst jeder Subaperturprozessor 20 zwei (J = 2) numerische Rekonstruktionseinheiten 22, 22‘, die dazu vorgesehen sind, die von den zugeordneten vier Ultraschallwandlern 12 aus dem Raumbereich V_H des Prüflings 100 zeitaufgelöst empfangenen Ultraschallsignale einem geeigneten Beamforming-Verfahren zu unterwerfen und jeweils zumindest ein Ausgangssignal zu erzeugen. Hierzu ist jeder Rekonstruktionseinheit 22, 22‘ ein Rekonstruktionsspeicher 38, 38‘ zugeordnet, in dem der anzuwendende Rekonstruktionsalgorithmus, der das gewählte Beamforming-Verfahren beschreibt, nebst den erforderlichen Parametern abgelegt sind. Weiterhin ist jeder Rekonstruktionseinheit 22, 22‘ eine Speichereinheit 36, 36‘ zugeordnet, in der die zu verarbeitenden zeitaufgelösten Ultraschallsignale zwischengespeichert werden.
Ein vereinfachtes Ausführungsbeispiel ist aus 6 ersichtlich. Hier umfasst ein Subaperturprozessor 20 nur eine einzige Rekonstruktionseinheit 24 mit zugeordnetem Rekonstruktionsspeicher 38 sowie zugeordneter Speichereinheit 36. Um mittels eines Subaperturprozessors eine Mehrzahl von Ausgangssignalen zu generieren, ist es in diesem Ausführungsbeispiel daher erforderlich, mittels eines Subaperturprozessors eine zeitliche Folge von Ultraschallpulsen zu erzeugen und diese zeitlich aufeinanderfolgend einem geeigneten Beamforming-Verfahren zu unterwerfen.
In beiden Ausführungsbeispielen werden die von den zwei Rekonstruktionseinheiten 22, 22‘ generierten Ausgangssignale an eine übergeordnete Steuereinheit 40 übergeben, die dazu eingerichtet ist, diese ggf. zwischen zu speichern. Weiterhin ist sie dazu eingerichtet, aus der Gesamtheit der ggf. zwischengespeicherten Ausgangssignale der Rekonstruktionseinheiten 22, 22‘ ein Abbild des zugehörigen Raumbereichs V_H zu generieren. Hierzu ist neben einer signalwegweisen Signalaufbereitung in Form je eines Verstärkers 48, 48‘ und eines A/D-Wandlers 50, 50‘ ein zentraler Bilderzeugungsprozessor 52 vorgesehen, der die verstärkten und digitalisierten Ausgangssignale der Rekonstruktionseinheiten 22, 22‘ weiterverarbeitet. Insbesondere kann der Bilderzeugungsprozessor 52 dazu eingerichtet sein, ein Gating der empfangenen Signale durchzuführen sowie geeignete Filteralgorithmen anzuwenden. Die Gesamtheit bestehend aus der Mehrzahl von Verstärkern 48, 48‘, A/D-Wandlern 50, 50‘, dem Bilderzeugungsprozessor 52 sowie einem weiterhin vorgesehenen Zykluscontroller 46, der das zyklisch ablaufende Verfahren zeitlich steuert und gespeicherte oder erzeugte Konfigurationsdaten an die an ihn angeschlossenen funktionellen Einheiten wie die den Rekonstruktionseinheiten 22, 22‘ zugeordneten Rekonstruktionsspeicher 38, 38‘ bzw. die der Sendesteuerung 24 zugeordnete Sendespeichereinheit 23 übergibt, bilden dabei eine Prozesseinheit zweiter Ebene 42.
Weiterhin ist die übergeordnete Steuereinheit 40 dazu eingerichtet, die vom Bilderzeugungsprozessor 52 generierten Abbilder der Raumbereiche V_H zu einem Abbild des gesamten durchschallten Volumens V_INSP des Prüflings 100 zusammenzufügen. Hierzu ist eine der Prozesseinheit zweiter Ebene 42 nachgeschaltete Prozesseinheit dritter Ebene 44 vorgesehen, die insbesondere ein Steuerungs- und Bildverarbeitungssystem höherer Ordnung 54 umfasst. Der Aufbau dieses Steuerungs- und Bildverarbeitungssystems höherer Ordnung 54 entspricht dem des in 1 gezeigten Systems.
Das Steuerungs- und Bildverarbeitungssystem höherer Ordnung 54 der übergeordneten Steuereinheit 40 ist dazu eingerichtet, durch Bildvergleich Artefakte in dem erzeugten Abbild des durchschallten Volumens V_INSP des Prüflings zu identifizieren. Dies ist insbesondere dann möglich, wenn aneinander angrenzende Raumbereiche V_H einen Überlapp aufweisen.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist der Bilderzeugungsprozessor 52 nicht nur dazu eingerichtet, aus den Ausgangssignalen eines Subaperturprozessors 20 ein Abbild des diesem Subaperturprozessor 20 zugeordneten Teilraumbereichs V_H zu rekonstruieren, sondern auch Abbilder der weiteren Teilraumbereiche V_H, die anderen Subaperturprozessoren 20 zugeordnet sind. In dieser Weiterbildung liegt für jeden Teilraumbereich V_H eine Mehrzahl voneinander unabhängiger Abbilder vor, die vom Steuerungs- und Bildverarbeitungssystem höherer Ordnung 54 weiterverarbeitet werden können, z.B. um mittels Bildvergleich Artefakte in den erzeugten Abbildern der Teilraumbereiche V_H erkennen und eliminieren zu können sowie die Mehrzahl der Abbilder der Teilraumbereiche V_H zu einem konsolidierten Abbild zu fusionieren.
In einer alternativen Ausgestaltung ist die übergeordnete Steuereinheit 40 dazu eingerichtet, aus den ggf. zwischengespeicherten Ausgangssignalen aller Subaperturprozessoren 20 direkt ein Abbild des gesamten durchschallten Volumens V_INSP des Prüflings zu erzeugen, ohne dass in einem vorgelagerten Verarbeitungsschritt separate Abbilder der Teilraumbereiche V_H erzeugt werden.
Wie bereits in 2 dargestellt umfasst das Steuerungs- und Bildverarbeitungssystem höherer Ordnung 54 in den Ausführungsbeispielen gemäß 5 und 6 eine hier nicht gezeigte Benutzerschnittstelle 56, die es einem Benutzer der Vorrichtung 1 ermöglicht, die zu durchschallenden Raumbereiche V_H des Prüflings 100 individuell einzustellen. Weiterhin umfasst das Steuerungs- und Bildverarbeitungssystem höherer Ordnung 54 eine nicht dargestellte Strahlsteuerungseinheit, die dazu eingerichtet ist, auf Grundlage eines CAD-Modells des Prüflings 100 den zu durchschallenden Raumbereich V_INSP des Prüflings 100 zu bestimmen. Grundlage hierzu können beispielsweise Prüfdaten aus früheren Untersuchungen vergleichbarer Prüflinge sein, die ggf. auch mittels anderer zerstörungsfreier oder auch zerstörender Untersuchungsverfahren gewonnen worden sein können. Dies kann insbesondere bei der Untersuchung von Serienteilen vorteilhaft sein, bei denen bereits bekannt ist, dass nachzuweisende Fehler sich auf bestimmte Raumbereiche des Prüflings konzentrieren. Dies kann aber auch dann sinnvoll sein, wenn Prüfnormen nur eine auf bestimmte Raumbereiche beschränkte Prüfung vorschreiben, wie beispielsweise oberflächennahe Bereiche oder Bereiche, die an Schweißnähte angrenzen.
Die Benutzerschnittstelle 56 erlaubt einem Benutzer im gezeigten Ausführungsbeispiel gemäß 4 weiterhin, auf Grundlage eines CAD-Modells des Prüflings 100 den zu durchschallenden Raumbereich V_INSP des Prüflings 100 zu bestimmen.
Weiterhin ist die im Steuerungs- und Bildverarbeitungssystem höherer Ordnung 54 vorgesehene Strahlsteuerungseinheit dazu eingerichtet ist, den zu durchschallenden Raumbereich V_INSP des Prüflings automatisiert in Raumbereiche V_I zu zerlegen, die jeweils einem oder mehreren Subaperturprozessoren 20 zugeordnet sind.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
10: Array
12: Ultraschallwandler
20: Subaperturprozessor
22: numerische Rekonstruktionseinheit
23: Sendespeichereinheit
24: Sendesteuerung
26: Pulsgenerator
28: Pulserzeugungseinheit
30: Vorverstärker
32: Filtereinheit
34: Signalaufbereitung
36: Speichereinheit
38: Rekonstruktionsspeicher
40: übergeordnete Steuereinheit
42: Prozesseinheit zweiter Ebene
44: Prozesseinheit dritter Ebene
46: Zykluscontroller
48: Verstärker
50: AD Wandler
52: Bilderzeugungsprozessor
54: Steuerungs- und Bildverarbeitungssystem höherer Ordnung
55: Treiber
56: Benutzerschnittstelle
58: Bildverarbeitungseinheit
60: Anzeigeneinheit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 7775982 B2 [0004]
US 14/029426 A1 [0005]

Claims

Verfahren zur Zerstörungsfreien Prüfung eines Prüflings mittels Ultraschall, umfassend das Aussenden und Empfangen von Ultraschallsignalen in den bzw. aus dem Prüfling mittels eines Arrays (10) von M unabhängig ansteuerbaren Ultraschallwandlern (12), wobei das Verfahren die folgenden Merkmale aufweist: a. individuelles und phasengenaues Ansteuern mehrerer Untergruppen G_H von Ultraschallwandlern (12) mittels jeweils eines Subaperturprozessors (20), so dass diese jeweils einen Ultraschallpuls in einen der spezifischen Untergruppe zugeordneten Raumbereich V_H des Prüflings einschallen, b. Erzeugen von zumindest einem Ausgangssignal aus zeitaufgelöst empfangenen Ultraschallechosignalen der jeweils einer Untergruppe G_H zugeordneten Ultraschallwandler (12), indem diese vom Subaperturprozessor (20) einem geeigneten Beamforming-Verfahren unterworfen werden, c. Übergabe der von den Subaperturprozessoren (20) erzeugten Ausgangssignale an eine übergeordnete Steuereinheit (40), d. Generieren eines Abbilds des gesamten durchschallten Volumens V_INSP des Prüflings mittels der übergeordneten Steuereinheit (40).
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahrensschritte a. bis c. für eine Mehrzahl von Ultraschallpulsen wiederholt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Ausgangssignalen aus den zeitaufgelöst empfangenen Ultraschallechosignalen der jeweils einer Untergruppe G_H zugeordneten Ultraschallwandler (12) generiert werden, indem diese vom Subaperturprozessor (20) einer Mehrzahl von geeigneten Beamforming-Verfahren unterworfen werden.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Abbild des gesamten durchschallten Volumens V_INSP des Prüflings generiert wird, indem mittels der übergeordneten Steuereinheit (40): a. für die verschiedenen Untergruppen G_H jeweils aus den Ausgangssignalen des einer Untergruppe G_H zugeordneten Subaperturprozessors (20) ein separates Abbild des Raumbereichs V_E, aus dem die Ultraschallechosignale empfangen wurden, erzeugt wird und diese nachfolgend zu einem Abbild des gesamten durchschallten Volumens V_INSP des Prüflings zusammenfügt werden, oder b. aus den Ausgangssignalen aller Subaperturprozessors (20) ein Abbild des gesamten durchschallten Volumens V_INSP des Prüflings erzeugt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Raumbereiche V_H und V_E gleich sind.
Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Raumbereiche V_H und V_E verschieden sind.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aneinander angrenzende Raumbereiche V_H einen Überlapp aufweisen.
Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bildvergleich durchgeführt wird, um Artefakte in den erzeugten Abbildern des durchschallten Volumens des Prüflings zu identifizieren.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ausführung des Verfahrens einem Benutzer möglich ist, die zu durchschallenden Raumbereiche V_H individuell einzustellen.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zu durchschallenden Raumbereiche V_INSP des Prüflings auf Grundlage eines CAD-Modells des Prüflings bestimmt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ausführung des Verfahrens einem Benutzer die Möglichkeit gegeben wird, auf Grundlage eines CAD-Modells des Prüflings die zu durchschallenden Raumbereiche V_INSP des Prüflings zu bestimmen.
Verfahren gemäß Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die zu durchschallenden Raumbereiche V_INSP des Prüflings in Raumbereiche V_I zerlegt werden, die jeweils einer oder mehreren Untergruppen G_H von Ultraschallwandlern (12) zugeordnet sind.
Vorrichtung (1) zur zerstörungsfreien Prüfung eines Prüflings mittels Ultraschall, die folgenden Merkmale aufweisend: a. ein Array (10) von M unabhängig ansteuerbaren Ultraschallwandlern (12) zum Aussenden und Empfangen von Ultraschallsignalen in den bzw. aus dem Prüfling, b. eine Mehrzahl H von Subaperturprozessoren, wobei i. jedem Subaperturprozessor N der Ultraschallwandler (12) zur Ansteuerung und Auswertung zugeordnet sind, ii. jeder Subaperturprozessor (20) dazu eingerichtet ist, die ihm zugeordneten N Ultraschallwandler (12) individuell phasengenau so anzusteuern, dass diese einen Ultraschallpuls in einen dem Subaperturprozessor (20) zugeordneten Raumbereich V_H des Prüflings einschallen, iii. jeder Subaperturprozessor (20) zumindest eine numerische Rekonstruktionseinheit (22) umfasst, die dazu vorgesehen ist, von den zugeordneten N Ultraschallwandlern (12) aus einem Raumbereich V_E des Prüflings zeitaufgelöst empfangene Ultraschallechosignale einem geeigneten Beamforming-Verfahren zu unterwerfen und ein Ausgangssignal zu erzeugen, c. eine übergeordnete Steuereinheit (40), die dazu eingerichtet ist, aus den Ausgangssignalen der Rekonstruktionseinheiten (22) ein Abbild des gesamten durchschallten Volumens V_INSP des Prüflings zu generieren.
Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Subaperturprozessoren (20) dazu eingerichtet sind, eine Mehrzahl von Ausgangssignalen aus den zeitaufgelöst empfangenen Ultraschallechosignalen der jeweils einer Untergruppe G_H zugeordneten Ultraschallwandler (12) zu erzeugen, indem diese vom Subaperturprozessor (20) einer Mehrzahl von geeigneten Beamforming-Verfahren unterworfen werden.
Vorrichtung gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die übergeordnete Steuereinheit (40) dazu eingerichtet ist, ein Abbild des gesamten durchschallten Volumens des Prüflings zu generieren, indem die übergeordnete Steuereinheit (40): a. für die verschiedenen Untergruppen G_H jeweils aus den Ausgangssignalen des einer Untergruppe G_H zugeordneten Subaperturprozessors (20) ein separates Abbild des zugehörigen Raumbereichs V_E erzeugt, und diese nachfolgend zu einem Abbild des gesamten durchschallten Volumens V_INSP des Prüflings zusammenfügt, oder b. aus den Ausgangssignalen aller Subaperturprozessors (20) ein Abbild des gesamten durchschallten Volumens V_INSP des Prüflings erzeugt.
Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Raumbereiche V_H und V_E gleich sind.
Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Raumbereiche V_H und V_E verschieden sind.
Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass aneinander angrenzende Raumbereiche V_H einen Überlapp aufweisen.
Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, durch Bildvergleich Artefakte in dem erzeugten Abbild des durchschallten Volumens V_INSP des Prüflings zu identifizieren.
Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) eine Benutzerschnittstelle (56) aufweist, die es einem Benutzer der Vorrichtung (1) ermöglicht, die zu durchschallenden Raumbereiche V_H individuell einzustellen.
Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) eine Strahlsteuerungseinheit umfasst, die dazu eingerichtet ist, auf Grundlage eines CAD-Modells des Prüflings den zu durchschallenden Raumbereich V_INSP des Prüflings zu bestimmen.
Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) eine Strahlsteuerungseinheit mit einer Benutzerschnittstelle (56) aufweist, die es einem Benutzer erlaubt, auf Grundlage eines CAD-Modells des Prüflings des Prüflings den zu durchschallenden Raumbereich V_INSP des Prüflings zu bestimmen.
Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlsteuerungseinheit dazu eingerichtet ist, den zu durchschallenden Raumbereich V_INSP des Prüflings in Raumbereiche V_I zu zerlegen, die jeweils einem oder mehreren Subaperturprozessoren (20) zugeordnet sind.