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Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 10.
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Aus dem Stand der Technik ist es bekannt bei einer zerstörungsfreien Prüfung eines Objektes mittels Ultraschall (Ultraschallprüfung) ein SAFT-Verfahren beziehungsweise eine SAFT-Auswertung (Synthetische-Apertur-Fokus-Technik; abgekürzt SAFT) durchzuführen.
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Bei einer SAFT-Auswertung (englisch: Synthetic-Aperture-Focusing-Technique; abgekürzt SAFT) werden typischerweise ermittelte Ultraschall-Messsignale von einer Mehrzahl von räumlichen Positionen eines Ultraschallprüfkopfes für jedes Volumenelement (Voxel) miteinander verrechnet. Alternativ kann eine Vielzahl von Ultraschallprüfköpfen an verschiedenen räumlichen Positionen zur SAFT-Auswertung herangezogen werden. Vorteilhafterweise werden durch die SAFT-Auswertung die Nachweisgrenze, beispielsweise von Defekten eines Bauteils, sowie eine Positionsbestimmung und Größenbestimmung von solchen Defekten verbessert.
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Der Schallweg vom Ultraschallprüfkopf zum jeweiligen Volumenelement ist hierbei typischerweise verschieden lang. Der Schalldruck ist jedoch von der Länge des Schallweges abhängig. Dies ist für eine nachgelagerte SAFT-Auswertung von Nachteil.
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Beispielsweise wird ein zylinderförmiges Bauteil typischerweise von seiner Mantelfläche ausgehend geprüft. Liegt ein Defekt innerhalb des Bauteils vor, so wird dieser aus zwei verschiedenen räumlichen Richtungen angeschallt, sodass sich zwei verschieden lange Schallwege ausbilden. Dadurch sind die Seitenkonturen des Defektes in den Signalen der Einzelmesssignale verschieden stark ausgeprägt, was bei einer SAFT-Auswertung berücksichtigt werden muss.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ultraschallprüfung eines Objektes, insbesondere eines Bauteils, zu verbessern.
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Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 1 sowie durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 10 gelöst. In den abhängigen Patentansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung angegeben.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung eines Objektes mittels Ultraschall umfasst wenigstens die folgenden Schritte:
- - Ermitteln einer Mehrzahl von Ultraschall-Messsignalen des Objektes; und
- - Auswerten der Ultraschall-Messsignale durch ein Ultraschall-Rekonstruktions-Verfahren.
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Erfindungsgemäß erfolgt vor oder bei dem Ultraschall-Rekonstruktions-Verfahren eine Normierung der Amplituden der Ultraschall-Messsignale auf einen gleichen Amplitudenbezugswert.
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Das Ermitteln der Mehrzahl von Ultraschall-Messsignalen kann mittels einer Ultraschallprüfvorrichtung erfolgen. Die Ultraschallprüfvorrichtung kann einen Prüfkopf zum Einschallen von Ultraschall und eine Erfassungsvorrichtung zum Erfassen von vom Objekt reflektiertem Ultraschall umfassen. Dadurch können die Ultraschall-Messsignale ermittelt werden. Der Prüfkopf kann die Erfassungsvorrichtung umfassen. Mit anderen Worten kann der Prüfkopf zum Einschallen und zum Erfassen von Ultraschall ausgebildet sein.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere für einen Prüfkopf von Vorteil, der einen großen Öffnungswinkel aufweist. Beispielsweise ist der in dem nicht vorveröffentlichten Dokument mit dem amtlichen Aktenzeichen 102016224438.8 genannte Prüfkopf vorteilhaft.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die Amplituden der Ultraschall-Messsignale auf den gleichen Amplitudenbezugswert normiert. Mit anderen Worten weisen die Ultraschall-Messsignale nach der Normierung den gleichen Maximalwert ihrer Amplituden auf. Der Amplitudenbezugswert kann somit als ein Referenzwert der erfassten Amplituden angesehen werden. Dadurch fliesen die Ultraschall-Messsignale vorteilhafterweise möglichst gleichwertig in die Auswertung, das heißt in das Ultraschall-Rekonstruktions-Verfahren, ein. Vorteilhafterweise wird hierdurch die Leistungsfähigkeit des Ultraschall-Rekonstruktions-Verfahren bezüglich seiner Nachweisgrenze, seiner Defektbewertung und seiner Defektabgrenzung verbessert.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung eines Objektes mittels Ultraschall umfasst wenigstens
- - eine Ultraschallprüfvorrichtung zum Ermitteln einer Mehrzahl von Ultraschall-Messsignalen des Objektes; und
- - eine Rechenvorrichtung zum Auswerten der Ultraschallsignale mittels eines Ultraschall-Rekonstruktions-Verfahrens. Erfindungsgemäß ist die Vorrichtung vor oder bei dem Ultraschall-Rekonstruktions-Verfahren zu einer Normierung der Amplituden der Ultraschall-Messsignale auf einen gleichen Amplitudenbezugswert ausgebildet.
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Es ergeben sich zum erfindungsgemäßen Verfahren gleichartige und gleichwertige Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird als Ultraschall-Rekonstruktions-Verfahren ein SAFT-Verfahren verwendet.
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Vorteilhafterweise wird dadurch eine Amplitudenbewertung des Ergebnisses der SAFT-Auswertung ermöglicht, da hauptsächlich Ultraschall-Messsignale mit einheitlichem Amplitudenbezugswert miteinander verrechnet werden. Typischerweise werden bei dem SAFT-Verfahren beziehungsweise bei der SAFT-Auswertung die Ultraschall-Messsignale für ein Volumenelement phasentreu aufsummiert. Vorteilhafterweise erfolgt die Normierung hierbei vor der genannten Summierung, sodass nur normierte Ultraschall-Messsignale dem SAFT-Verfahren zugrunde gelegt werden. Vorteilhafterweise wird dadurch die Nachweisgrenze von Defekten verbessert.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Normierung mittels der den Ultraschall-Messsignalen zugeordneten Schallwege.
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Mit anderen erfolgt in Abhängigkeit der jeweiligen Schallwege ein Tiefenausgleich. Die Amplitude eines Ultraschall-Messsignals ist von dem Schallweg, welchen der dem Ultraschall-Messsignal zugehörige Ultraschall zurückgelegt hat, abhängig. Das ist deshalb der Fall, da der Schalldruck mit der Länge des Schallweges abnimmt.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die Ultraschall-Messsignale gemäß ihrer Schallwege derart verstärkt, dass ihre Amplituden den gleichen Amplitudenbezugswert aufweisen.
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Die Verstärkung kann mittels eines Verstärkers erfolgen. Vorteilhafterweise wird dadurch eine hardwarebasierte Normierung ermöglicht. Weiterhin können dadurch AD-Wandler der zur Ermittlung der Ultraschall-Messsignale vorgesehenen Ultraschallprüfvorrichtung möglichst optimal verwendet werden, sodass insbesondere ihre Auflösung maximal ausgeschöpft werden kann.
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Hierbei kann die Verstärkung der Ultraschall-Messsignale auch während dem Ermitteln der Ultraschall-Messsignale mittels einer laufzeitabhängigen Verstärkeranpassung erfolgen.
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Alternativ kann eine konstante Verstärkung von zwölf Dezibel (12 dB) pro Verdopplung des Schallweges vorgesehen sein. Dies ist insbesondere im Fernfeld (s > 3N) des Ultraschalls von Vorteil.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die Ultraschall-Messsignale gemäß ihrer Schallwege derart numerisch skaliert, dass ihre Amplituden den gleichen Amplitudenbezugswert aufweisen.
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Mit anderen Worten werden die Amplituden der Ultraschall-Messsignale jeweils mit einem Skalenfaktor (Zahl) multipliziert, sodass ihre Amplituden nach der genannten Multiplikation den gleichen Amplitudenbezugswert aufweisen. Hierbei ist die Skalierung laufzeitabhängig. Die Skalierung kann mittels einer Rechenvorrichtung, insbesondere mittels eines Computers, erfolgen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Verstärkung oder die numerische Skalierung der Ultraschall-Messsignale kalibriert.
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Dadurch kann eine besonders treue und vorteilhafte Normierung erreicht werden.
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Besonders bevorzugt erfolgt die Kalibrierung mittels einer Rückwand oder mittels eines Vergleichskörpers oder mittels eines Bauteils mit wenigstens einem eingebrachten Vergleichsreflektor.
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Der Vergleichsreflektor kann als eine Flachbodenbohrung, als eine Nut oder als eine seitliche Bohrung (englisch: Side Drilled Holes) ausgebildet sein. Weiterhin kann eine Mehrzahl von insbesondere verschiedenen Vergleichsreflektoren, insbesondere der oben genannten Arten, vorgesehen sein.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Normierung beim Ultraschall-Rekonstruktion-Verfahren mittels eines jedem der Ultraschall-Messsignalen zugehörigen Winkels zum eingeschallten Ultraschall.
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Dies ist insbesondere für eine treue Erfassung der Kontur eines Defektes und bei vergleichsweise großen Defekten von Vorteil.
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Der Winkel ist zwischen einem Hauptstrahl des eingeschallten Ultraschalls und einem Nebenstrahl ausgebildet. Hierbei wird der eingeschallte Ultraschall beziehungsweise das eingeschallte Ultraschallbündel in einen Hauptstrahl und wenigstens einen Nebenstrahl, insbesondere in eine Mehrzahl von Nebenstrahlen, eingeteilt.
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Weist das Objekt, insbesondere ein Bauteil, einen Defekt auf, so wird dieser typischerweise von einem Nebenstrahl des eingeschallten Ultraschalls beziehungsweise Ultraschallbündels erfasst. Mit anderen Worten wird der Defekt schräg vom Hauptstrahl und im Wesentlichen senkrecht vom Nebenstrahl erfasst. Hierdurch bildet sich der genannte Winkel zum eingeschallten Ultraschall beziehungsweise zum Hauptstrahl aus.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt eine Kalibrierung der Normierung mittels einer Simulation.
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Hierbei kann ein durch den Hauptstrahl schräg und ein durch einen der Nebenstrahlen senkrecht angeschallter Defekt simuliert werden. Die Simulation kann mittels einer Rechenvorrichtung, insbesondere mittels eines Computers, erfolgen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen schematisiert:
- 1 ein erstes Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens; und
- 2 ein zweites Flussdiagramm eines weiteren erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Gleichartige, gleichwertige oder gleichwirkende Elemente können in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen sein.
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In 1 ist das erste Flussdiagramm des ersten erfindungsgemäßen Verfahrens zur zerstörungsfreien Prüfung eines Objektes, insbesondere eines Bauteils, mittels Ultraschall dargestellt.
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In einem ersten Schritt S1 wird eine Mehrzahl von Ultraschall-Messsignalen des Objektes, insbesondere eines Bauteils, ermittelt. Das Ermitteln der Ultraschall-Messsignale kann mittels einer Ultraschallprüfvorrichtung erfolgen. Die Ultraschallprüfungsvorrichtung kann wenigstens einen Prüfkopf (Ultraschallprüfkopf) umfassen.
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In einem dritten Schritt S2 erfolgt eine Normierung der Amplituden der Ultraschall-Messsignale auf einen gleichen Amplitudenbezugswert.
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Dies erfolgt hier zeitlich vor einem Ultraschall-Rekonstruktions-Verfahren. Mit anderen Worten werden die gemäß der vorliegenden Erfindung normierten Ultraschall-Messsignale dem Ultraschall-Rekonstruktion-Verfahren zugrunde gelegt. Hierbei kann die Normierung mittels eines AVG-Diagramms, einer Simulation, einem Vergleichskörper mit eingebrachten Defekten und/oder mittels eines mathematischen Zusammenhangs (numerische Skalierung) zwischen der Amplitude der Ultraschall-Messsignale, ihrer Verstärkung und/oder Größe erfolgen.
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In einem dritten Schritt S3 werden die Ultraschall-Messsignale durch ein Ultraschall-Rekonstruktions-Verfahren ausgewertet. Als Ultraschall-Rekonstruktions-Verfahren können Verfahren vorgesehen sein, welche die Ultraschall-Messsignale mittels einer synthetischen Apertur auswerten. Beispielsweise ein SAFT-Verfahren (englisch: Synthetic-Aperture-Focusing-Technique; abgekürzt SAFT), ein FMC-Verfahren (englisch: Full Matrix Capture, abgekürzt FMC), ein TFM-Verfahren (englisch: Total Focussing Method, abgekürzt TFM), ein SPA-Verfahren (englisch: Sampling Phased Array, abgekürzt SPA) und/oder ein SynFo-SPA-Verfahren (englisch: Synthetic Focusing-Sampling Phased Array, abgekürzt SynFo-SPA).
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In 2 ist das zweite Flussdiagramm des weiteren erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt.
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Wie bereits innerhalb des ersten Flussdiagramms aus 1 wird in einem ersten Schritt S1 eine Mehrzahl von Ultraschall-Messsignalen des Objektes, insbesondere eines Bauteils, ermittelt. Das Ermitteln der Ultraschall-Messsignale kann mittels einer Ultraschallprüfvorrichtung erfolgen. Die Ultraschallprüfvorrichtung kann wenigstens einen Prüfkopf (Ultraschallprüfkopf) umfassen.
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Im Unterschied zum ersten Flussdiagramm ist der zweite Schritt S2, das heißt die Normierung der Amplituden der Ultraschall-Messsignale auf einen gleichen Amplitudenbezugswert, teil des dritten Schrittes S3, das heißt hier Teil des Ultraschall-Rekonstruktions-Verfahrens. Mit anderen Worten werden die (nicht normierten) Ultraschall-Messsignale dem Ultraschall-Rekonstruktions-Verfahren zugrunde gelegt. Die Ultraschall-Messsignale werden erst innerhalb des Ultraschall-Rekonstruktions-Verfahren normiert. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Normierung mittels eines jedem der Ultraschall-Messsignalen zugehörigen Winkels zum eingeschallten Ultraschall erfolgt.
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Wie bereits in 1 erfolgt in 2 im dritten Schritt S3 die Auswertung der Ultraschall-Messsignale. Hierzu können die gleichen Ultraschall-Rekonstruktions-Verfahren wie bereits unter 1 gelistet herangezogen werden. Das Ergebnis der Auswertung kann einer Bewertung von Defekten des Objektes, insbesondere eines Bauteils, zugrunde gelegt werden.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt oder andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
