DE4416829A1 - Verfahren und Einrichtung zur Erstellung eines Ultraschall-Tomogramms für einen Querschnitt eines Prüfkörpers - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Einrich­ tung zur Erstellung eines Ultraschall-Tomogramms für einen Querschnitt eines Prüfkörpers auf einem den Querschnitt überdeckenden Raster von Bildpunkten. Dabei sind zunächst mehrere Serien von Echolaufzeitspektren aufzunehmen, wobei in jeder Serie von vorgegebenen Meßpunkten an einem Umfang des Querschnitts aus jeweils ein Echolaufzeitspektrum eines Ultraschallsignals als Amplitude eines Echos des Ultraschallsignals in Abhängigkeit von dessen Laufzeit auf­ genommen wird derart, daß das Ultraschallsignal unter einem der Serie zugehörigen Einschallwinkel mit einer zugehöri­ gen Divergenz in den Prüfkörper eingestrahlt wird; an­ schließend erfolgt eine Auswertung der Serien unter Er­ stellung des Ultraschall-Tomogramms, welches eine drei­ dimensionale Darstellung von Stellen in dem Querschnitt sein soll, an welchen ein Ultraschallsignal reflektiert wird. Solche Stellen werden vielfach "Reflektoren" ge­ nannt.

Ein dertiges Ultraschall-Tomogramm kann perspektivisch und/oder als Höhenliniendiagramm, gegebenenfalls farbig unterlegt, dargestellt und unmittelbar zur Lokalisierung von Reflektoren in dem untersuchten Querschnitt herange­ zogen werden. In diesem Sinne ist ein Ultraschall-Tomo­ gramm ein sehr nützliches Mittel beim Auffinden von Defek­ ten in Prüfkörpern, insbesondere in Prüfkörpern in Form von Turbinenteilen wie beispielsweise Turbinenwellen und Turbinenradscheiben.

Detaillierte Information über die Ultraschall-Prüftechnik und die dazu erforderlichen oder brauchbaren Gerätschaften gehen hervor aus dem Buch "Ultrasonic Testing of Materials" von J. Krautkrämer und H. Krautkrämer, 4. Auflage, Springer-Verlag, Berlin 1990.

Die Grundlagen der Ultraschall-Prüfverfahren, die auf das Aufnehmen und Auswerten von Echolaufzeitspektren gegründet sind, sind in dem Kapitel 10 dieses Buches eingehend beschrieben. Der Abschnitt 10.4, Seite 187 ff., betrifft Transduktoren, d. h. piezoelektrische Elemente zur Erzeu­ gung und zum Nachweis von Ultraschall, sowie ihre Einbin­ dung in Prüfköpfe, die in der Praxis Verwendung finden können. Neben Einzelprüfköpfen, d. h. Prüfköpfen, die je­ weils nur ein einziges Ultraschallelement für Sende- und Empfangszwecke oder ein einzelnes Element für Sendezwecke und ein einzelnes Element für Empfangszwecke aufweisen, sind Prüfköpfe bekannt, die aus vielzähligen, jeweils dem selben Zweck dienenden Elementen bestehen. Derartige Prüf­ köpfe, insbesondere solche, die als "phased arrays" aus­ gestaltet sind, gestatten es, die Richtung des abgestrahl­ ten Ultraschalls beziehungsweise die Richtung, aus der Ultraschall empfangen werden kann, zu verschwenken. Solche "Phased Arrays" oder "Gruppenstrahler" werden üblicher­ weise eingesetzt zur Erstellung von Tomogrammen. Hinweise zur Anwendung von Prüfköpfen gehen insbesondere aus dem Abschnitt 10.5, Seite 205 ff., hervor. Prüfmethoden unter Einbeziehung bilderzeugender Verfahren sind in dem Kapitel 13, Seite 241 ff., eingehend dargestellt. In dem Abschnitt 13.12, Seite 248 ff., sind verschiedene abtastende Ver­ fahren erläutert, darunter Verfahren, die Tomogramme, d. h. Schnittbilder, liefern. Von großer Wichtigkeit bei allen bildgebenden Verfahren ist die Ausmerzung des an sich nach­ teiligen Effektes, daß ein Ultraschall-Sender stets ein Ultraschall-Bündel endlicher Breite und endlicher Diver­ genz emittiert. Die räumliche Auflösung eines Echolaufzeit­ spektrums ist daher, gesehen entlang der Wellenfronten eines Ultraschallsignals, sehr gering. Eine ausgesprochen hohe räumliche Auflösung kann allerdings erzielt werden senkrecht zu den Wellenfronten, da durch Auswertung des zeitlichen Verlaufs der Echolaufzeitspektren durch ent­ sprechende feine Unterteilung des dargestellten Zeitraums (was im Rahmen der geläufigen digitalisierten Speicherung von Daten stets der Fall ist) eine Auflösung erzielt werden kann, die dem durch die Gesetze der Wellenoptik gegebenen Maximum beliebig nahekommt. Dieses Maximum an Auflösung entspricht im Wesentlichen der Wellenlänge des verwendeten Ultraschallsignals. Verschiedene Methoden zur Eliminierung der schlechten Auflösung entlang der Wellenfronten sind bekannt und werden in dem Buch vorgestellt; bekannt sind insbesondere sogenannte Schnittpunktverfahren, die darauf hinauslaufen, Laufzeiten von Ultraschallsignalen, die aus verschiedenen Richtungen auf einen Reflektor treffen, zu­ einander in Beziehung zu setzen, sowie das sogenannte SAFT- Verfahren ("SAFT" ist ein Kürzel für den Begriff "Synthetic Aperture Focusing Technique"). Das SAFT-Verfahren erfordert keine unmittelbare Auswertung von Korrelationen zwischen verschiedenen Laufzeitspektren. Ausgehend von einer Zer­ legung des untersuchten Querschnitts in ein Raster von Bildpunkten und Untersuchung dieses Rasters von einer großen Vielzahl von Meßpunkten aus wird jedem Bildpunkt in dem Raster als Funktionswert eine Summe aus allen Meßwerten in den Echolaufzeitspektren, denen eine Laufzeit zukommt, die einem Abstand zwischen dem jeweiligen Meßpunkt und dem betrachteten Bildpunkt entsteht, zugeordnet. Diese Zuord­ nung geht von der Überlegung aus, daß zu jedem Bildpunkt nur dann zugehörige hohe Amplituden in den Echolaufzeit­ spektren auftreten, wenn sich an dem Bildpunkt tatsächlich ein Reflektor befindet. Selbstverständlich kann sich auch eine hohe Amplitude für einen Bildpunkt ergeben, an dem sich kein Reflektor befindet; allerdings wird diese hohe Amplitude dann weitgehend allein stehen und somit keinen wesentlichen Beitrag zu dem dem Bildpunkt zuzuordnenden Funktionswert liefern. Das Vorsehen einer hinreichenden Anzahl von Echolaufzeitspektren, die an einer hinreichend großen Anzahl von Meßpunkten gewonnen wurden, stellt sicher, daß Störeinflüsse aus den wechselnden Gestalten der Reflektoren, die zu Anisotropien hinsichtlich des Reflexionsverhaltens führen, gering bleiben. Zur Be­ stimmung des Funktionswertes ist aus allen in Frage kommenden Amplituden ein Normwert zu bilden, wobei als solcher Normwert insbesondere das Maximum oder ein Mittel­ wert, vorzugsweise der arithmetische Mittelwert, in Frage kommt. Selbstverständlich ist es auch möglich, als Mittel­ wert einen gewichteten Mittelwert zu bilden, wobei bei der Gewichtung der einzelnen Amplituden Faktoren wie Abstand zwischen Bildpunkt und Meßpunkt sowie Geometrie des von dem verwendeten Prüfkopf ausgesandten Ultraschallbündels usw. berücksichtigt werden können. Der Erfahrung zeigt allerdings, daß die Benutzung eines gewichteten Mittel­ wertes in der Regel nicht erforderlich ist und die Wahl des Maximums als Normwert den Anforderungen hinreichend genügt. Von Bedeutung in dem erwähnten Buch ist auch das Kapitel 15, Seite 257 ff., welches allgemeine Hinweise zur Durchführung von Ultraschallmessungen gibt, insbesondere Hinweise zur Sicherung eines für Ultraschall hinreichend transparenten Kontaktes zwischen einem Prüfkopf und einem Prüfkörper.

Weitere Hinweise, die im vorliegenden Zusammenhang von Bedeutung sein können, sind der EP 0 125 635 B1, der EP 0 352 117 A2, der EP 0 459 487 A2, Der EP 0 472 252 A1 und der EP 0 388 215 A2 entnehmbar. Alle Schriften stellen verschiedene Verfahren und Einrichtungen für Ultraschall­ prüfungen vor und geben Hinweise, wie Auswerteeinrichtun­ gen, mit denen die Ultraschalldaten mehr oder weniger automatisiert auswertbar sind, ausgestaltet sein können. Von besonderem Interesse ist die EP 0 125 635 B1, da sie Probleme anspricht, die sich bei der Verwendung eines "Phased Array" ergeben können aufgrund der Tatsache, daß ein solches "Phased Array" Ultraschall nicht nur in einen einzigen hinreichend begrenzten Winkelbereich abstrahlt, sondern in mehrere, nebeneinanderliegende und voneinander beabstandete Winkelbereiche. Dies führt zu einem relativ komplexen Echolaufzeitspektrum, welches in der Regel mit hohem Aufwand analysiert werden muß, um ver­ läßliche Aussagen über den Ort eines möglichen Reflektors machen zu können. Ein Schnittpunktverfahren der weiter oben bereits erwähnten Art geht hervor aus der EP 0 352 117 A2. Eine Einrichtung zur Verarbeitung von Ultraschallmeßdaten unter Einbeziehung eines Computers ist der EP 0 459 487 A2 oder der EP 0 388 215 A2 entnehmbar.

Zu bekannten Verfahren und Einrichtungen zur Erstellung von Ultraschall-Tomogrammen ist zu vermerken, daß diese oftmals den Einsatz von "phased arrays" erfordern mit den entsprechenden Komplikationen hinsichtlich der Struktur der Echolaufzeitspektren, andererseits aber von jedweder Aufarbeitung der Echolaufzeitspektren zur Eliminierung der Probleme hinsichtlich der geringen Auflösung parallel zu den für die Messung verwandten Ultraschall-Wellenfronten absehen. Hoher Wert wird gelegt auf die Schnelligkeit, mit der anfallende Ultraschall-Meßdaten verarbeitet werden können, was freilich für den praktischen Wert der Verfahren von Bedeutung ist. Dementsprechend finden auch üblicher­ weise "phased arrays" Einsatz, da diese mit rein elektro­ nischen Mitteln eine Veränderung des Einschallwinkels des in einen Prüfkörper eingestrahlten Ultraschallsignals er­ lauben. Üblich ist es, die Daten der Echolaufzeitspektren unmittelbar nach ihrem Anfall in den das Tomogramm bilden­ den Satz von Daten einzuarbeiten. Damit gehen freilich wesentliche Informationen verloren, die zu der bereits mehrfach erwähnten Auflösungsverbesserung erforderlich sind.

In Ansehung der geschilderten Probleme liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung zur Erstellung eines Ultraschall-Tomogramms für einen Querschnitt eines Prüfkörpers auf einem den Querschnitt überdeckenden Raster von Bildpunkten anzugeben, womit eine deutliche Verbesserung der Bildqualität durch den Einsatz auflösungsverbessernder Prozeduren möglich ist und womit von komplexen und teuren Apparaturen zur Erzeugung des Ultraschalls abgesehen werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe im Hinblick auf ein Verfahren wird erfindungsgemäß ein Verfahren zur Erstellung eines Ultraschall-Tomogramms für einen Querschnitt eines Prüf­ körpers auf einem den Querschnitt überdeckenden Raster von Bildpunkten angegeben, umfassend

• a) Aufnahme mehrerer Serien von Echolaufzeitspektren, wobei in jeder Serie von vorgegebenen Meßpunkten an einem Umfang des Querschnitts aus jeweils ein Echolaufzeit­ spektrum eines Ultraschallsignals als Amplitude eines Echos des Ultraschallsignals in Abhängigkeit von dessen Laufzeit aufgenommen wird, wobei das Ultraschallsignal unter einem der Serie zugehörigen Einschallwinkel mit einer zugehörigen Divergenz in den Prüfkörper eintritt;
• b) für jede Serie Erstellen eines zugehörigen Teiltomogramms auf dem Raster, wobei jedem Bildpunkt ein Wert zugeordnet wird durch Ermittlung einer Verteilung von Reflektoren auf dem Raster aus den Echolaufzeitspektren der Serie unter Berücksichtigung des Einschallwinkels und der Divergenz;
• c) Erstellen des Ultraschall-Tomogramms, in dem jedem Bildpunkt ein Normwert der entsprechenden Werte der Teiltomogramme zugeordnet wird.

Erfindungsgemäß wird vor dem Einarbeiten der Echolaufzeit­ spektren in das zu erstellende Ultraschall-Tomogramm jede Serie von Echolaufzeitspektren einer die räumliche Auf­ lösung verbessernden Bearbeitung unterzogen, wobei insbe­ sondere der zugehörige Einschallwinkel und die zugehörige Divergenz des zur Aufnahme der Serie verwendeten Ultra­ schallsignals, wie gegeben durch die verwendete Prüfkopf­ anordnung, berücksichtigt werden. Diese Berücksichtigung erfolgt bei der Erstellung eines Teiltomogrammes, wobei für jedes Teiltomogramm nur Echolaufzeitspektren einer einzigen Serie Verwendung finden. Für eine derartige Be­ arbeitung stehen grundsätzlich mehrere Prozeduren zur Ver­ fügung; so ist die Anwendung von Schnittpunktverfahren denkbar, wobei einem Schnittpunktverfahren gegebenenfalls für jedes Echolaufzeitspektrum ein Erkennungsverfahren für Echos von Reflektoren vorzuschalten ist, auch ist grund­ sätzlich die Anwendung der bekannten SAFT-Prozedur möglich.

Ein Teiltomogramm kann in gewissem Sinne bereits als regel­ rechtes Tomogramm angesehen werden; seine Aussagekraft ist allerdings deshalb eingeschränkt, weil in einer Serie von Echolaufzeitspektren Reflektoren in dem untersuchten Quer­ schnitt je nachdem nicht aus allen denkbaren Richtungen beschallt wurden und dementsprechend nur als Projektionen in bestimmte Ebenen in das Teiltomogramm Eingang finden. Wenn also das Reflexionsverhalten eines Reflektors anisotrop ist, so kann nicht sichergestellt werden, daß er in einem konkreten Teiltomogramm auch tatsächlich er­ scheint. Um eine vollständige Aussage über alle in dem untersuchten Querschnitt vorkommenden Reflektoren zu er­ halten, müssen in das zu erstellende Ultraschall-Tomogramm Echolaufzeitspektren eingehen, die unter verschiedenen Einschallwinkeln gewonnen wurden. Dies bedeutet letztlich, daß die Teiltomogramme in einem letzten Schritt mitein­ ander kombiniert werden müssen; freilich können erfindungs­ gemäß die Daten jedes Teiltomogrammes im Sinne einer Ver­ besserung der räumlichen Auflösung bearbeitet werden unter Berücksichtigung der spezifischen Begebenheiten, unter denen sie entstanden sind.

Mit besonderem Vorzug ist jedes Laufzeitspektrum, das beim Erstellen eines Teiltomogramms zur Zuordnung eines Wertes zu einem bestimmten Bildpunkt berücksichtigt wird, dadurch ausgezeichnet, daß es an einem Meßpunkt aufgenommen wurde, von dem aus ein einen entsprechenden Einschallwinkel sowie eine entsprechende Divergenz habendes Ultraschallsignal dem Bildpunkt erreichen kann. Dies bedeutet, daß zur Ver­ besserung der räumlichen Auswertung alle Daten außer Be­ tracht bleiben, die auf Grund ihrer geometrischen Bedin­ gungen nicht in Frage kommen zur Lieferung eines Beitrages an dem betrachteten Bildpunkt. Auf diese Weise wird eine Verschlechterung des erwünschten Ultraschall-Tomogramms durch Berücksichtigung irrelevanter Daten, was sich gemäß dem Stand der Technik nicht verhindern läßt, vermieden. In diesem Sinne ist es weiterhin bevorzugt, daß bei der beim Erstellen jedes Teiltomogramms jedem Bildpunkt zugeordnete Wert ein Normwert aus allen Amplituden ist, die zu Lauf­ zeiten korrespondieren, deren jede einem Abstand zwischen dem entsprechenden Meßpunkt und dem Bildpunkt entspricht. Dieses Verfahren entspricht einer Anwendung der SAFT-Pro­ zedur zur Erstellung des Teiltomogramms, wobei allerdings in Ergänzung der bekannten SAFT-Prozedur geometrische Spezifika, die den betrachteten Daten eigen sind, Berück­ sichtigung finden.

Der erwähnte Normwert beim Erstellen eines Teiltomogramms ist außerdem bevorzugt ein Maximum oder ein Mittelwert, insbesondere ein arithmetischer Mittelwert. Es ist sogar denkbar, einen gewichteten Mittelwert unter Berücksichti­ gung der genauen Gestalt und Intensitätsverteilung des zum Erstellen eines Echolaufzeitspektrums benutzen Ultraschall­ signals zu wählen; erfahrungsgemäß ist allerdings die mit diesem hohen Aufwand erzielbare Verbesserung gering. Üblicherweise bevorzugt wird als Normwert ein Maximalwert herangezogen.

Auch beim Erstellen des gewünschen Ultraschall-Tomogramms aus den Teiltomogrammen sind Normwerte zu bilden; auch ein solcher Normwert entspricht bevorzugtermaßen einem Maximum oder einem Mittelwert, insbesondere einem arithmetischen Mittelwert, wobei auch hier Verallgemeinerungen im Sinne der Verwendung gewichteter Mittelwerte denkbar sind. Üblicherweise wird die Wahl des Maximums als Normwert bevorzugt, aus den bereits erwähnten Gründen.

Eine andere bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt in der Verwendung jeweils einer besonde­ ren Prüfkopfanordnung zur Aufnahme jeder Serie von Echo­ laufzeiten. Im Sinne der Erfindung erhält die Verwendung von einzelnen Prüfkopfanordnungen an Stelle von "Gruppen­ strahlern" eine neue Bedeutung, da vielfach die Abspei­ cherung kompletter Echolaufzeitspektren erforderlich sein wird. Es gibt daher keine grundsätzlichen Einwände gegen die Erstellung mehrerer Serien von Echolaufzeitspektren in zeitlicher Trennung hintereinander, womit als wesentlicher Vorteil verbunden ist, daß die komplexen Abstrahleigen­ schaften von "Gruppenstrahllern" vermieden sind und auf Einzelprüfköpfe mit einfachen Geometrien hinsichtlich des abgestrahlten Ultraschalls zurückgegriffen werden kann. Von großer Bedeutung ist auch, daß im Sinne dieser Weiter­ bildung für die eigentliche Aufnahme der Echolaufzeit­ spektren relativ einfache Ultraschallgeräte eingesetzt werden können. Es ist durchaus denkbar, möglich und vor­ teilhaft, die gesamte weitere Verarbeitung der Echolauf­ zeitspektren auf übliche Computer zu verlagern; in einem solchen Fall ist für ein zu verwendendes Ultraschallgerät lediglich ein angemessener eigener digitaler Speicher nebst einer Anschlußmöglichkeit zur Übertragung eines gespeicher­ ten Echolaufzeitspektrums an den Computer zu verlangen.

Im Hinblick auf den im Rahmen des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens zum untersuchenden Prüfkörper kann bemerkt werden, daß dieser sowohl konvex, insbesondere zylindrisch, und alle Meßpunkte auf einem Außenumfang tragen kann. In gleicher Weise ist es möglich, einen Prüfkörper aus einer konvexen Ausnehmung, insbesondere einer Bohrung, heraus zu untersuchen, wobei alle Meßpunkte auf einem Innenumfang des Prüfkörpers in der Ausnehmung liegen. Der Prüfkörper ist insbesondere ein Schmiedestück, beispielsweise ein Bauteil einer Turbomaschine wie z. B. eine Turbinenwelle oder eine Turbinenradscheibe.

Im Hinblick auf eine Einrichtung wird zur Lösung der Auf­ gabe eine Einrichtung zur Erstellung eines Ultraschall- Tomogramms für einen Querschnitt eines Prüfkörpers auf einem den Querschnitt überdeckenden Raster von Bildpunkten angegeben, umfassend

• a) eine Vorrichtung zur Aufnahme mehrerer Serien von Echo­ laufzeitspektren und Bereitstellung der Echolaufzeitspek­ tren in einem ersten Speicher, wobei in jeder Serie von vorgegebenen Meßpunkten an einem Umfang des Querschnitts aus jeweils ein Echolaufzeitspektrum eines Ultraschall­ signals als Amplitude eines Echos des Ultraschallsignals in Abhängigkeit von dessen Laufzeit aufnehmbar ist und jeweils aus einer an einem Meßpunkt auf den Prüfkörper aufgesetzten Prüfkopfanordnung das Ultraschallsignal unter einem der Serie zugehörigen Einschallwinkel mit einer zugehörigen Divergenz in den Prüfkörper einstrahlbar ist;
• b) ein System zur Erstellung eines zugehörigen Teiltomo­ gramms auf dem Raster für jede Serie und Zuordnung eines Wertes zu jedem Bildpunkt durch Ermittlung einer Vertei­ lung von Reflektoren auf dem Raster aus den aus dem ersten Speicher abzurufenden Echolaufzeitspektren der Serie unter Berücksichtigung des Einschallwinkels und der Divergenz, sowie Abspeicherung des Teiltomogramms in einem zweiten Speicher;
• c) eine Einrichtung zum Erstellen des Ultraschall-Tomo­ gramms, wobei jedem Bildpunkt ein Normwert der entsprechen­ den Werte der aus dem zweiten Speicher abzurufenden Teil­ tomogramme zugeordnet wird, sowie Abspeicherung und Bereit­ stellung des Ultraschall-Tomogramms in einem dritten Speicher.

Der Einrichtung ist vorzugsweise ein Satz mit mehreren Prüfkopfanordnungen zugeordnet, wobei jede Prüfkopfanord­ nung ausgebildet ist zur Einstrahlung von Ultraschall in einen Prüfkörper unter einem zugehörigen Einschallwinkel und mit einer zugehörigen Divergenz. Mit weiterem Vorzug ist allen Prüfkopfanordnungen ein einzelner Prüfkopf gemeinsam, wobei insbesondere jede Prüfkopfanordnung besteht aus dem Prüfkopf und einem zwischen dem Prüfkopf und dem Prüfkörper einzufügenden Zwischenelement, welches als Keil ausgestaltet sein kann und welches das von dem Prüfkopf ausgesandte Ultraschallsignal so umlenkt, daß der jeweils gewünschte Einschallwinkel erzielt wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung gehen aus der Zeichnung hervor. In der Zeichnung zeigen im einzelnen:

Fig. 1 eine Einrichtung zur Erstellung eines Ultraschall- Tomogramms im Sinne der Erfindung, an einem zylindrischen Prüfkörper;

Fig. 2 einen Prüfkörper mit zylindrischer Ausnehmung sowie einen Ultraschallprüfkopf;

Fig. 3 ein Teiltomogramm, erstellt aus einer Serie von Echolaufzeitspektren ohne Maßnahmen zur Verbesserung der Auflösung;

Fig. 4 ein Teiltomogramm, erstellt unter Bearbeitung der Fig. 3 zugrundeliegenden Echolaufzeitspektren im Sinne der Erfindung;

Fig. 5 ein Teiltomogramm ähnlich dem in Fig. 4 darge­ stellten, erstellt aus Echolaufzeitspektren zu einem anderen Einschallwinkel;

Fig. 6 ein erfindungsgemäß erstelltes Ultraschall- Tomogramm.

Fig. 1 zeigt einen zylindrischen Prüfkörper 1, an den zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Prüf­ kopfanordnung 2 zur Einschallung von Ultraschall ange­ koppelt ist. Die Prüfkopfanordnung 2 beaufschlagt den Prüf­ körper 1 mit einem Ultraschallsignal 3, welches unter einem (von der Vertikalen 4 aus gemessenen) Einschallwin­ kel 5 in den Prüfkörper 1 eintritt. Das Ultraschallsignal 3 ist räumlich nicht lokalisiert und hat eine endliche Divergenz 6. Diese Divergenz 6 führt zu spezifischen Problemen bei der Auswertung eines von dem Steuergerät 7 unter Benutzung der Prüfkopfanordnung 2 aufgenommenen Echolaufzeitspektrums. Diese Schwierigkeiten wurden be­ reits eingehend erläutert und werden daher an dieser Stelle nicht erneut behandelt. Aus dem Steuergerät 7 werden gewonnene Echolaufzeitspektren übertragen auf einen Computer 8, der sie in einem ersten Speicher 9 zunächst abspeichert. Wenn alle Serien von Echolaufzeitspektren vorliegen, wozu der Prüfkopf 2 an einer Vielzahl von Meßpunkten 10 am Außenumfang des Prüfkörpers 1 angeordnet und gegebenenfalls gegen einen Prüfkopf 2 mit anderem Einschallwinkel ausgetauscht werden muß, vorliegen, kann mit Hilfe des Computers 8 das gewünschte Ultraschall-Tomo­ gramm des dargestellten Querschnitts des Prüfkörpers 1 er­ stellt werden. Hierzu sind zunächst unter Verwendung be­ sonderer, bereits eingehend abgehandelter auflösungsver­ bessernder Prozeduren Teiltomogramme zu erstellen, wobei in einem Teiltomogramm nur Echolaufzeitspektren einer einzigen Serie berücksichtigt werden. Diese Teiltomogramme werden in einem zweiten Speicher 11 abgelegt. Aus allen Teiltomogrammen wird schließlich das gewünsche Ultraschall- Tomogramm kombiniert und in einem dritten Speicher 12 be­ reitgestellt. Dort kann es abgerufen und dargestellt werden, beispielsweise auf einem Bildschirm 13. Für das Tomogramm ist der untersuchte Querschnitt des Prüfkörpers 1 zu überdecken mit einem hinreichend dichten Raster von Bildpunkten 20; der Übersicht halber sind in Fig. 1 nur wenige dieser Bildpunkte 20 dargestellt. Alle verarbeite­ ten Daten, soweit sie Teiltomogramme oder das Ultraschall- Tomogramm betreffen, sind auf die Gesamtheit der Bildpunk­ te 20 zu beziehen.

Anhand der Fig. 2 sei darauf hingewiesen, daß erfindungs­ gemäß nicht nur zylindrische oder immerhin konvexe Prüf­ körper 1 von einem Außenumfang aus untersuchbar sind; es ist auch möglich, einen eine konvexe Ausnehmung 14, vor­ zugsweise eine Bohrung 14, aufweisenden Prüfkörper 1 von einem in dieser Ausnehmung 14 befindlichen Innenumfang aus zu untersuchen. Beispielhaft hierfür ist ein in der Aus­ nehmung 14 befindlicher Prüfkopf 2 gezeigt.

Anhand der nun folgenden Figuren sei ein wesentlicher Vorteil der Erfindung demonstriert. Die Fig. 3 und 4 zeigen jeweils ein Teiltomogramm, gewonnen aus einer Serie von Echolaufzeitspektren mit einem zugehörigen Einschall­ winkel von 21°. Das dargestellte Raster ist sehr fein, so daß einzelne Bildpunkte 20 nicht mehr erkennbar sind. Für das Teiltomogramm gemäß Fig. 3 wurden die Echolaufzeit­ spektren keiner weiteren Bearbeitung unterzogen, sondern unmittelbar unter Berücksichtigung der Laufzeiten der einzelnen Amplitudenwerte sowie der Geometrie in das Teil­ tomogramm eingefügt. Zur Erstellung des Teiltomogramms nach Fig. 4 wurden die Daten einer auflösungsverbessernden Bearbeitung im Sinne der Erfindung unter Berücksichtigung der Geometrie, die für die Aussendung der Ultraschallsig­ nale 3 von dem verwendeten Prüfkopf 2 maßgeblich ist, unterzogen. Die Fig. 4 zeigt recht deutlich auf der rechten Seite einen größeren Reflektor 15 und auf der linken Seite einen kleineren Reflektor 16. In Fig. 3 ist der größere Reflektor 15 noch einigermaßen zu erkennen; der kleinere Reflektor 16 ist kaum zu erahnen. Darüber hinaus findet sich eine große Anzahl von Störungen 17, die bedingt sind durch die komplexe Geometrie des von dem verwendeten Prüfkopf 2 ausgesandten Ultraschallsignals 3. Fig. 4 zeigt dergleichen Störungen 17 nicht mehr. Im Inneren beider Teiltomogramme stellt man einen Freiraum 18 fest; dieser Freiraum 18 ergibt sich zwangsläufig, da zur Erstellung der Echolaufzeitspektren, die zu den beiden Teiltomogrammen geführt haben, die Ultraschallsignale mit einem Einschallwinkel von 21° in den Prüfkörper 1 ein­ gestrahlt wurden. Sie können daher dessen Mittelpunkt aus geometrischen Gründen nicht erreichen. Aussagen über den Innenraum 18 lassen sich nur mit Teiltomogrammen ge­ winnen, die unter Benutzung kleinerer Einschallwinkel 5 erhalten wurden. Ein derartiges Teiltomogramm zeigt Fig. 5, nämlich ein Teiltomogramm, das unter einem Einschall­ winkel 5 von 0° erhalten wurde. Die in Fig. 5 dargestell­ ten Daten wurden einer erfindungsgemäßen Behandlung unter­ zogen. Fig. 5 zeigt den gesamten untersuchten Querschnitt, wobei Reflektoren 15, 16 im Bereich des Mittelpunktes im Rahmen der für Fig. 5 maßgeblichen Geometrie vollständig erfaßt werden, sie werden nämlich von allen Seiten gleichermaßen untersucht. Dies gilt nicht mehr für Reflektoren 15, 16 im Bereich des Randes des Prüfkörpers 1; in der für Fig. 5 maßgeblichen Geometrie, also unter einem Einschallwinkel von 0° werden diese Reflektoren 15, 16 nur zweimal untersucht, nämlich einmal von einem ihnen jeweils am nächsten Punkt des Umfanges, und einmal von einem ihnen jeweils am fernsten Punkt des Umfanges. Um solche Reflektoren 15, 16 vollständig zu erfassen, sind daher Echolaufzeitspektren mit von Null deutlich ver­ schiedenen Einschallwinkeln 5 erforderlich. In Fig. 5 erkennbar sind drei weitere Reflektoren 19, links von dem kleineren Reflektor 16. Es ist verständlich, daß diese weiteren Reflektoren 19 in dem Teiltomogramm gemäß Fig. 4 nicht auftauchen, denn sie sind am Innenumfang des vom Teiltomogramm gemäß Fig. 4 erfaßten Bereiches angesiedelt und bezüglich dieses Innenumfangs etwa tangential gerich­ tet; sie können daher von unter einem entsprechenden Ein­ schallwinkel eingestrahlten Ultraschallsignalen kaum er­ faßt werden.

Ein vollständiges Ultraschall-Tomogramm geht hervor aus Fig. 6. Deutlich erkennbar und fein strukturiert sind dort die Reflektoren 15 und 16; auch lassen sich die weiteren Reflektoren 19 ausmachen. Die Qualität dieses Ultraschall- Tomogramms, frei von Störungen, ist unmittelbar erkennbar; die Auflösung geht bis zur Darstellung feiner Strukturen der erkennbaren Reflektoren 15, 16, 19. Das Ultraschall- Tomogramm wurde erstellt mit insgesamt vier Serien von Echolaufzeitspektren, wobei die Einschallwinkel 0°, 7°, 14° und 21° waren. Als Normwert bei der Auswertung der Echolaufzeitspektren und Erstellung der Teiltomogramme sowie bei der Erstellung des Ultraschall-Tomogramms selbst wurde jeweils der Maximalwert angesetzt.

Claims (14)

1. Verfahren zur Erstellung eines Ultraschall-Tomogramms für einen Querschnitt eines Prüfkörpers (1) aus einem den Querschnitt überdeckenden Raster von Bildpunkten (20), umfassend:

• a) Aufnahme mehrerer Serien von Echolaufzeitspektren, wobei in jeder Serie von vorgegebenen Meßpunkten (10) an einem Umfang des Querschnitts aus jeweils ein Echolaufzeit­ spektrum eines Ultraschallsignals (3) als Amplitude eines Echos des Ultraschallsignals (3) in Abhängigkeit von dessen Laufzeit aufgenommen wird, wobei das Ultraschall­ signal (3) unter einem der Serie zugehörigen Einschall­ winkel (5) mit einer zugehörigen Divergenz (6) in den Prüfkörper (1) eintritt;
• b) für jede Serie Erstellung eines zugehörigen Teiltomo­ gramms auf dem Raster, wobei jedem Bildpunkt (20) ein Wert zugeordnet wird durch Ermittlung einer Verteilung von Re­ flektoren (15, 16, 19) auf dem Raster aus den Echolaufzeit­ spektren der Serie unter Berücksichtigung des Einschall­ winkels (5) und der Divergenz (6);
• c) Erstellung des Ultraschall-Tomogramms, indem jedem Bild­ punkt (20) ein Normwert der entsprechenden Werte der Teil­ tomogramme zugeordnet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem beim Erstellen jedes Teiltomogramms jedes Laufzeitspektrum, das zur Zuordnung eines Wertes zu einem Bildpunkt (20) berücksichtigt wird, an einem Meßpunkt (10) aufgenommen wurde, von dem aus ein einen entsprechenden Einschallwinkel (5) sowie eine ent­ sprechende Divergenz (6) habendes Ultraschallsignal (3) den Bildpunkt (20) erreichen kann.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der beim Erstellen jedes Teiltomogramms jedem Bildpunkt (20) zugeordnete Wert ein Normwert aus allen Amplituden, die zu Laufzeiten korrespondieren, deren jede einem Abstand zwischen dem entsprechenden Meßpunkt (10) und dem Bildpunkt (20) entspricht, der berücksichtigten Echolaufzeitspektren ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem alle Normwerte beim Erstellen eines Teiltomogramms jeweils einem Maximum oder einem Mittelwert, insbesondere einem arithmetischen Mittel­ wert, entsprechen.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem alle Normwerte beim Erstellen des Tomogramms aus den Teiltomogrammen jeweils einem Maximum oder einem Mittel­ wert, insbesondere einem arithmetischen Mittelwert, ent­ sprechen.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zur Aufnahme jeder Serie von Echolaufzeitspektren jeweils eine besondere Prüfkopfanordnung (2) verwendet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem jede Prüfkopfanord­ nung (2) einen einzelnen Prüfkopf (2) aufweist.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Prüfkörper (1) konvex, insbesondere zylindrisch, ist und alle Meßpunkte (10) auf einem Außenumfang des Prüfkörpers (1) liegen.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der Prüfkörper (1) eine konvexe Ausnehmung (14), insbesondere eine Bohrung (14), aufweist und alle Meßpunkte (10) auf einem Innenumfang des Prüfkörpers (1) in der Ausnehmung (14) liegen.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Prüfkörper (1) ein Schmiedestück, insbesondere ein Bauteil für eine Turbomaschine, ist.

11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem der Prüfkörper (1) eine Turbinenwelle oder eine Turbinenradscheibe ist.

12. Einrichtung zur Erstellung eines Ultraschall-Tomo­ gramms für einen Querschnitt eines Prüfkörpers (1) auf einem den Querschnitt überdeckenden Raster von Bildpunk­ ten (20), umfassend:

• a) eine Vorrichtung (2, 7, 8) zur Aufnahme mehrerer Serien von Echolaufzeitspektren und Bereitstellung der Echolaufzeitspektren in einem ersten Speicher (9), wobei in jeder Serie von vorgegebenen Meßpunkten (20) an einem Umfang des Querschnitts aus jeweils ein Echolaufzeitspek­ trum eines Ultraschallsignals (3) als Amplitude eines Echos des Ultraschallsignals (3) in Abhängigkeit von dessen Laufzeit aufnehmbar ist, und jeweils aus einer an einem Meßpunkt (10) auf den Prüfkörper (1) aufgesetzten Prüfkopfanordnung (2) das Ultraschallsignal (3) unter einem der Serie zugehörigen Einschallwinkel (5) mit einer zugehörigen Divergenz (6) in den Prüfkörper (1) einstrahl­ bar ist;
• b) ein System zur Erstellung eines zugehörigen Teiltomo­ gramms auf dem Raster für jede Serie unter Zuordnung eines Wertes zu jedem Bildpunkt (20) durch Ermittlung einer Ver­ teilung von Reflektoren (15, 16, 19) auf dem Raster aus den aus dem ersten Speicher (9) abzurufenden Echolaufzeit­ spektren der Serie unter Berücksichtigung des Einschall­ winkels (5) und der Divergenz (6), sowie Abspeicherung des Teiltomogramms in einem zweiten Speicher (11);
• c) eine Einrichtung zum Erstellen des Ultraschall-Tomo­ gramms, wobei jedem Bildpunkt (20) ein Normwert der ent­ sprechenden Werte der aus dem zweiten Speicher (11) abzu­ rufenden Teiltomogramme zugeordnet wird, sowie Abspeiche­ rung und Bereitstellung des Ultraschall-Tomogramms in einem dritten Speicher (12).

13. Einrichtung nach Anspruch 12, welcher ein Satz mit mehreren Prüfkopfanordnungen (2) zugeordnet ist, wobei jede Prüfkopfanordnung (2) ausgebildet ist zur Einstrah­ lung eines Ultraschallsignals (3) in einen Prüfkörper (1) unter einem zugehörigen Einschallwinkel (5) und mit einer zugehörigen Divergenz (6).

14. Einrichtung nach Anspruch 13, bei der allen Prüfkopf­ anordnungen (2) ein einzelner Prüfkopf (2) gemeinsam ist.