WO2008119748A1 - Method for controlling an array test head of a device for the ultrasonic testing of an animate or inanimate test object and device for carrying out said method - Google Patents
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Definitions
- the present invention is a method for controlling an array probe of a device for non-destructive ultrasonic testing of a specimen, and a device for non-destructive ultrasonic testing of a specimen, which is suitable for carrying out the method according to the invention.
- the invention particularly relates to the field of material testing by means of ultrasound and here to the improvement of the lateral resolution of an array probe.
- the invention can furthermore be used in the field of investigation of animated and inanimate biological samples by means of ultrasound, in particular for medical diagnostics. The invention will be explained below using the example of material testing by means of ultrasound.
- An array probe is basically a single transducer that is divided into many individual elements. Typical element widths range from 0.5 mm to approx. 2.5 mm, other dimensions are also possible.
- the term array also includes so-called ring phased arrays, ie round oscillators or elements which are divided into concentrically shaped individual elements.
- phased array probes excite the individual elements at different times, whereby a wavefront is generated, which is characterized by mutually delayed einstrahlende sound lobes.
- This wavefront looks like the sound field of a conventional angle probe.
- the delay times By varying the delay times, different sound fields can be generated; in particular, the insonification angle of the sound field within the sound beam characteristic of the individual oscillator can be set practically as desired.
- the entire sound field can thus be “swiveled.”
- the use of a phased array test head thus makes possible an angle scan with a stationary test head.
- phased array probes In addition to sound beam tilting, phased array probes also allow dynamic focusing of the sound beam. This is achieved by an electronic unit that allows control of the individual elements and at the same time can cause pulse delays. In principle, a focal point is driven through the test specimen. The combination of dynamic focusing and beam oscillation causes a beam of sound that is simultaneously focused and incident at an angle, whereby the depth of the focal point in the specimen and the insonification angle can be adjusted specifically.
- the test is performed in most cases with the pulse-echo technique.
- the probe preferably emits ultrasonic pulses periodically, which are coupled into the test specimen.
- a receiver e.g., the probe itself in the case of perpendicular sound
- the echo signals originate from the test object and in particular from a rear wall of the workpiece.
- the test method is suitable for workpieces whose coupling surface is substantially parallel to the rear wall, so that it comes to the formation of several outgoing and longitudinal courses of the ultrasonic pulse in the workpiece.
- "echoes" essentially only originate from edges or defects of the test object.
- the resolution of the technique is essentially limited to the size of the individual phased array probe.
- the invention is based, which has set itself the task of specifying a method which involves shifting a sound field enclosed by a phased array test head into a live or inanimate test specimen with a fixed test head by fractions of the size of the individual oscillators used Array probe allowed. It is another object of the present invention to provide a device for ultrasonic testing of a live or inanimate test specimen by means of a Ultraschallprüfkopfs, which allows the aforementioned electronic displacement of the phased array probe into the test specimen ultrasonic field.
- the inventive method is based on the finding that in addition to the relative phase position of the ultrasonic pulses generated by the individual elements of a phased array probe and their relative amplitude has an impact on the total resulting sound field.
- the sound field which is collimated by a total of, for example, eight individual oscillators of a linear array into a test head, can be electronically displaced by fractions of the dimensions of a single oscillator along the array
- the totality of the eight individual oscillators is divided into groups of four adjoining individual oscillators and a targeted reduction or increase in the amplitude of the ultrasound pulses emitted by the individual oscillators of the individual groups.
- the amplitude of the ultrasound pulses emitted by the first group of individual oscillators is increased by a substantially equal amount, for example 10%, compared to the mean amplitude of the ultrasound pulses emitted by all the individual oscillators.
- the amplitude of the second group is lowered by a substantially equal amount to the average. This results in a shift of the maximum of the resulting in the superposition of the emitted from the individual oscillators of the array ultrasonic pulses sound field by an amount corresponding to a fraction of the structure size of a single oscillator. At the same time a slight deformation of the resulting from the superposition of the individual pulses sound field occurs, but in practice is not usually relevant.
- the method according to the invention relates to the activation of an array probe of a device for ultrasound testing of an animated or inanimate test object, via which the array test head comprises a plurality N of individually controllable ultrasound transmitters.
- the method comprises the following method steps:
- the subset M may comprise in particular all the individually controllable ultrasonic transmitters of the array test head, or else only a subset of this total number.
- the subset M advantageously comprises an even number of individually controllable ultrasound transmitters, but this is not absolutely necessary.
- a subset M can also comprise only two individually controllable ultrasound transmitters.
- subset M can also be subdivided into more than just two subsets.
- the subset M can be divided into so many subsets U that each subset U comprises only a single controllable ultrasonic transmitter.
- the inventive method allows controlled by a plurality of individually controllable ultrasound transmitters sound field electronically controlled by an amount smaller than the dimensions of a single controllable ultrasonic transmitter, which is a single element of an array - Probe may be, wherein the displacement is substantially independent of the depth of the sound field in the device under test.
- the probe elements are referred to as ultrasonic transmitters.
- all ultrasound transmitters with the same amplitude Al encompassed by the subset Ul and all the ultrasound transmitters encompassed by the subset U2 are actuated with the same amplitude A2.
- This embodiment of the method according to the invention allows a particularly simple design of the control electronics for the array probe.
- the ultrasound transmitters included in a subset U1 are not driven with a substantially constant amplitude, rather they are driven with different amplitudes. It is inventively provided that in the second subset U2 to each ultrasonic transmitter of the first subset a complementary ultrasonic transmitter is provided in the second subset U2, wherein in each pairing of the ultrasonic transmitter is that the average of the amplitude of the ultrasonic transmitter from the subset of Ul and the amplitude of the complementary ultrasound transmitter from the subset U2 is just equal to the mean value of the amplitudes of all the ultrasound transmitters 0A contained in the subset U. ,
- the method steps c) and d) are preferably repeated, wherein the amplitudes A1 and A2 are changed between the individual passes.
- the maximum of the sound field can be shifted in a controlled manner along the longitudinal axis of the phased array probe.
- the evaluation of the resulting ultrasound echo signals is particularly simple in this case if, during the individual passes, the mean amplitude value 0 A is kept essentially constant over all ultrasound transmitters contained in the subset M.
- the method according to the invention can also be used with the methods for dynamic focusing established from the field of phased array ultrasonic probes, for the stepwise displacement of the sound field across the width of an individually controllable ultrasound transmitter and for blurring. ken of the sound bundle.
- the sound field which is generated by the ultrasound transmitters of the amount of sound M, usually be impressed by phase-shifted control of individually controllable ultrasound transmitters focus.
- the exact position of the focus in the specimen can be adjusted by varying the phase shift between the individually controlled ultrasound transmitters.
- the inventive method for example, to accurately determine the error size of an error in a device under test, one will usually combine the prior art prior art test methods, which are based on the use of a phased array probe, with the inventive method.
- a focused ultrasound field will be incrementally translated along the array until the intensity of the error found is maximum. After the error is roughly localized in this way, then the scanning method according to the invention for highly accurate determination of the size of the error is applied.
- pivoting of the focused ultrasound beam is of course also possible in order to allow for errors whose main direction of reflection is not perpendicular to the coupling surface of the device under test, to maximize the error signal by searching that insonification angle below which the reflectivity maximum error.
- the previously known from the prior art array probes are suitable for the inventive device, comprising a plurality N individually controllable ultrasonic transmitter. In particular, both linear and areal stretched array probes suitable.
- the corresponding design of the control electronics for the array test head can be hardware implemented. In the majority of applications, however, the control electronics of the array probe will work digitally and the method according to the invention will be implemented by executing a software program on the digital control electronics.
- FIG. 1 shows a schematic representation of a device according to the invention for non-destructive ultrasonic testing of a test specimen with an array probe
- Sound pressure amplitude signal along the longitudinal axis X of the test head array to indicate the position of the sound pressure maximum.
- FIG. 1 shows schematically a device according to the invention for non-destructive ultrasonic testing of a test object.
- the device comprises an array test head 10, which is placed on a test surface of a test object 100 in the illustration of FIG.
- the control electronics 20 include, among other things, a display 25 for the graphic representation of the ultrasonic signals received by the array test head 10 as well as various operating elements 30 for operating the ultrasonic testing device.
- this group extends along the longitudinal axis of the array probe 10, the direction of which is marked X in FIG.
- the direction Z extends into the test piece 100, along which the depth, for example, of the focus or defect in the test piece 100 can be indicated.
- the subset M in turn is now subdivided into two equal subsets Ul and U2, the ultrasound transmitters 15, which are assigned to a subgroup U1 or U2, each adjoining each other directly.
- the ultrasonic transmitters 15 of the subgroups U1 and U2 are arranged symmetrically about the Z axis.
- the control electronics 20 of the device according to FIG. 1 are now configured to carry out the method according to the invention in a preferred embodiment.
- the ultrasound transmitters 15 of the first subgroup U1 are actuated with a first uniform amplitude A1 and the ultrasound transmitters 15 of the second subgroup U2 with a second uniform amplitude A2.
- the average amplitude over all ultrasound transmitters 15 of subset M is given by 0A.
- the amplitude Al is lowered by an amount ⁇ A / 2 with respect to 0A, the amplitude A2 is increased by 0A by the amount ⁇ A / 2. Overall, this results in an amplitude difference of ⁇ A between the ultrasound transmitters 15 of the first subgroup U1 and the ultrasound transmitters 15 of the second subgroup U2.
- the starting point of the beam shift is an activation of U1 and U2, each with 0A. This sound beam centered over the geometric center of the subset of the M ultrasound transmitters 15 is displaced by the method according to the invention.
- a maximum of the sound field is formed, which is generated by the subset M of the ultrasonic transmitter.
- the position of the maximum of this sound field corresponds to the zero crossing of the first derivative of the sound pressure of the sound field along the longitudinal axis X of the array probe 10.
- Figure 2 the course of the first derivative of the amplitude signal of the resulting sound field along the longitudinal axis X of the strigkopf- Arrays 10 shown for different amplitude differences .DELTA.A. Values for ⁇ A between 0% and 80% of the mean amplitude 0A were chosen.
- the unit for the abscissa is selected to be 1/10 of the width of an individually controllable ultrasonic transmitter 15 ("dot pitch").
- FIG. 3 shows the resulting shift of the amplitude maximum as a function of the amplitude difference ⁇ A.
- the strictly monotonous dependence of the resulting shift of the amplitude maximum as a function of the amplitude difference ⁇ A can also be read from the illustration in FIG.
- FIG. 3 shows that the resulting displacement of the maximum amplitude is already only in the range of fractions of the width of an individually controllable ultrasonic transmitter 15, even though the amplitude differences ⁇ A are quite high.
- FIG. 4 shows the position of the resulting amplitude maximum of the sound field of all ultrasonic transmitters 15 of subset M as a function of depth Z in specimen 100 for a given fixed amplitude difference ⁇ A be that the position of the amplitude maximum is practically independent of the depth Z in the test piece 100.
- the method according to the invention actually essentially causes only a displacement of the sound field by fractions of an ultrasonic transmitter width (in addition to the already mentioned slight deformation of the ultrasonic field) and practically causes no tilting of the ultrasonic field against the Z axis.
- this controlled shift of the ultrasound field can be combined by means of the method according to the invention along the longitudinal axis X of the ultrasound array 10 with a pivoting of the ultrasound field by a controlled angle by the relative phase of the ultrasound transmitter 15 of the subset M is selectively controlled.
- the specific shape of the sound field generated by subset M of ultrasound transmitter 15, in particular the position and the size of a focusing focus, can also be controlled by suitable phase control of ultrasound transmitters 15 of subset M.
- the selection of a subset M of the totality N of the ultrasonic transmitters 15 of the array test head 10 is not necessarily required in the context of the method according to the invention. Rather, the method can also be carried out in such a way that always all the ultrasonic transmitters 15 of the array test head 10 are used for the method according to the invention.
- the division of the totality N of the ultrasonic transmitter 15 of the array probe 10 can be fixed in the context of the method according to the invention, for example, if always one half of the ultrasonic transmitter 15 is combined to form a subgroup U1 and the second half ultrasound transmitter 15 to the second subgroup U2.
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Abstract
Description
Bezeichnung: Verfahren zur Ansteuerung eines Array-Prüfkopfs einer Vorrichtung zur Ultraschallprüfung eines belebten oder unbelebten Prüflings sowie Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens Description: Method for controlling an array test head of a device for ultrasound testing of a live or inanimate test specimen and device for carrying out the method
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Ansteuerung eines Array-Prüfkopfs einer Vorrichtung zur zerstörungsfreien Ultraschallprüfung eines Prüflings, sowie eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Ultraschallprüfung eines Prüflings, die zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf den Bereich der Werkstoffprüfung mittels Ultraschall und hier auf die Verbesserung des lateralen Auflösungsvermögens eines Array-Prüfkopfs. Die Erfindung lässt sich weiterhin im Bereich der Untersuchung belebter und unbelebter biologischer Proben mittels Ultraschall einsetzen, insbesondere zu der medizinischen Diagnostik. Nachfolgend wird die Erfindung aber am Beispiel der Werkstoffprüfung mittels Ultraschall erläutert.The present invention is a method for controlling an array probe of a device for non-destructive ultrasonic testing of a specimen, and a device for non-destructive ultrasonic testing of a specimen, which is suitable for carrying out the method according to the invention. The invention particularly relates to the field of material testing by means of ultrasound and here to the improvement of the lateral resolution of an array probe. The invention can furthermore be used in the field of investigation of animated and inanimate biological samples by means of ultrasound, in particular for medical diagnostics. The invention will be explained below using the example of material testing by means of ultrasound.
Ein Array- Prüfkopf ist im Prinzip ein Einzelschwinger, der in viele einzelne Elemente unterteilt ist. Typische Elementbreiten reichen von 0,5 mm bis ca. 2,5 mm, andere Abmessungen sind natürlich auch möglich. Der Begriff Array um- fasst auch so genannte Ring-Gruppenstrahler, also runde Schwinger oder Elemente, die in konzentrisch geformte Einzelelemente aufgeteilt sind.An array probe is basically a single transducer that is divided into many individual elements. Typical element widths range from 0.5 mm to approx. 2.5 mm, other dimensions are also possible. The term array also includes so-called ring phased arrays, ie round oscillators or elements which are divided into concentrically shaped individual elements.
Die Verwendung mehrerer kleiner Schwinger bewirkt, dass eine dynamische Fo- kussierung und ein Schwenken des Schallbündels möglich werden. Außerdem ergibt sich eine besonders wirksame Schallübertragung, da kleinere Elemente weniger Anregungsenergie benötigen. Als Empfänger sprechen sie wegen ihrer geringen anzuregenden Masse äußerst effizient an. Ein großer Schwinger liefert zwar eine große ebene Abtastung, seine relativ geringe Auffächerung (die kleine Divergenz) begrenzt aber die Fehlerauffindbarkeit. Kleine Schwinger hingegen haben einen viel größeren Divergenzwinkel. Ein weiterer Vorteil eines Array-Prüfkopfs ist dessen Fähigkeit, ein dynamisch veränderbares Ultraschallbündel zu erzeugen und so über einen „Virtuellen Prüfkopf" zu verfügen. Hierzu wird eine Teilmenge der von einem Array- Prüfkopf um- fassten Einzelschwinger gemeinschaftlich angesteuert und auf diese Weise zu einem „virtuellen Prüfkopf" zusammengefasst, denn Position längs des Arrays durch Ansteuern verschiedener Teilmengen verschoben werden kann.The use of several small oscillators makes dynamic focusing and oscillation of the beam possible. In addition, a particularly effective sound transmission results because smaller elements require less excitation energy. As a receiver, they respond extremely efficiently because of their low mass to be excited. While a large transducer provides a large level scan, its relatively low fanning (the small divergence) limits fault findability. Small swingers, on the other hand, have a much larger divergence angle. Another advantage of an array probe is its ability to create a dynamically modifiable ultrasound beam to provide a "virtual probe." For this purpose, a subset of the individual transducers encircled by an array probe are jointly driven, thus becoming one "Virtual probe" summarized because position along the array by driving different subsets can be moved.
Sogenannte Phased-Array-Prüfköpfe regen die einzelnen Elemente zu unterschiedlichen Zeitpunkten an, wodurch eine Wellenfront erzeugt wird, die durch gegeneinander verzögert einstrahlende Schallkeulen charakterisiert ist. Diese Wellenfront sieht wie das Schallfeld eines konventionellen Winkelprüfkopfs aus. Durch Variationen der Verzögerungszeiten können verschiedene Schallfelder erzeugt werden, insbesondere kann der Einschallwinkel des Schallfelds innerhalb der Schallbündelcharakteristik des Einzelschwingers praktisch beliebig eingestellt werden. Durch schrittweise Variation der Verzögerungszeiten kann somit das gesamte Schallfeld „geschwenkt" werden. Die Verwendung eines Phased-Array- Prüfkopfs macht damit einen Winkelscan mit einem unbewegten Prüfkopf möglich.So-called phased array probes excite the individual elements at different times, whereby a wavefront is generated, which is characterized by mutually delayed einstrahlende sound lobes. This wavefront looks like the sound field of a conventional angle probe. By varying the delay times, different sound fields can be generated; in particular, the insonification angle of the sound field within the sound beam characteristic of the individual oscillator can be set practically as desired. By gradually varying the delay times, the entire sound field can thus be "swiveled." The use of a phased array test head thus makes possible an angle scan with a stationary test head.
Neben der Schallbündelschwenkung ist bei Phased-Array-Prüfköpfen auch eine dynamische Fokussierung des Schallstrahls möglich. Dies wird durch eine elektronische Einheit erreicht, die eine Ansteuerung der Einzelelemente ermöglicht und gleichzeitig Impulsverzögerungen bewirken kann. Im Prinzip wird ein Fokuspunkt durch den Prüfkörper hindurch gefahren. Die Kombination aus dynamischer Fokussierung und Schallbündelschwenkung bewirkt ein Schallbündel, das gleichzeitig fokussiert ist und unter einem Winkel einfällt, wobei die Tiefe des Fokuspunkts im Prüfling und der Einschallwinkel gezielt eingestellt werden können.In addition to sound beam tilting, phased array probes also allow dynamic focusing of the sound beam. This is achieved by an electronic unit that allows control of the individual elements and at the same time can cause pulse delays. In principle, a focal point is driven through the test specimen. The combination of dynamic focusing and beam oscillation causes a beam of sound that is simultaneously focused and incident at an angle, whereby the depth of the focal point in the specimen and the insonification angle can be adjusted specifically.
Größere Array- Prüfköpfe können auch zu einer so genannten linearen Abtastung genutzt werden, bei der zusammen liegende Schwingergruppen nacheinander angesteuert werden. So wird ein Abtasteffekt erzeugt. Die Breite der durch den Prüfkörper hindurch wandernden Schallkeule und die Abtastschrittweite können durch die Anzahl der gleichzeitig angesteuerten Einzelelemente und durch den Versatz von Impuls zu Impuls festgelegt werden. Auf diese Weise ist die erzielbare Auflösung des „virtuellen Prüfkopfs" pinzipbedingt beschränkt auf einen so ge- nannten „Pitch" des Prüfkopfs, d.h. den Mitte-Abstand zweier Einzelschwinger ( = Breite Einzelschwinger + Spalt zwischen Einzelschwinger).Larger array probes can also be used for a so-called linear scan, in which the combined groups of oscillators are controlled one after the other. This creates a sampling effect. The width of the sound lobe traveling through the test specimen and the scanning step size can be determined by the number of simultaneously activated individual elements and by the impulse to impulse offset. In this way, the achievable resolution of the "virtual test head" is limited in principle to such a called "pitch" of the probe, ie the center distance of two single oscillator (= width single oscillator + gap between single oscillator).
Für weitere Details zur Technik der Ultraschallprüfung mittels Array- Prüfköpfen wird beispielsweise auf die Veröffentlichung Ultraschall- Array -Technik für industrielle Anwendungen der Autoren Bill Waldron & Gerd Kauth, ZfP-Zeitung 69, März 2000, S. 50 - 52, verwiesen.For further details on the technique of ultrasonic testing by means of array probes, reference is made, for example, to the publication Ultrasonic Array Technique for Industrial Applications by the authors Bill Waldron & Gerd Kauth, ZfP-Zeitung 69, March 2000, pp. 50-52.
Auch bei der Verwendung von Array- Prüfköpfen für die Materialprüfung bzw. in der Medizintechnik erfolgt die Prüfung in den meisten Fällen mit der Impuls- Echo-Technik. Der Prüfkopf gibt vorzugsweise periodisch Ultraschallimpulse ab, die in den Prüfling eingekoppelt werden. Ein Empfänger (z.B. der Prüfkopf selbst bei Senkrechtenschallung) empfängt danach Echosignale der abgegebenen Ultraschallimpulse. Die Echosignale stammen aus dem Prüfling und insbesondere von einer Rückwand des Werkstücks. Insoweit ist das Prüfungsverfahren für Werkstücke geeignet, deren Ankoppelfläche im Wesentlichen parallel zur Rückwand verläuft, so dass es zur Ausbildung mehrerer Hin- und Hergänge des Ultraschallimpulses im Werkstück kommt. Bei Schrägeinschallung hingegen rühren „Echos" im Wesentlichen nur von Kanten oder Fehlstellen des Prüflings her.Even with the use of array probes for material testing or in medical technology, the test is performed in most cases with the pulse-echo technique. The probe preferably emits ultrasonic pulses periodically, which are coupled into the test specimen. A receiver (e.g., the probe itself in the case of perpendicular sound) then receives echo signals of the delivered ultrasonic pulses. The echo signals originate from the test object and in particular from a rear wall of the workpiece. In that regard, the test method is suitable for workpieces whose coupling surface is substantially parallel to the rear wall, so that it comes to the formation of several outgoing and longitudinal courses of the ultrasonic pulse in the workpiece. In the case of oblique sound, however, "echoes" essentially only originate from edges or defects of the test object.
Zur Technik der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung mittels Ultraschall, insbesondere mittels Impuls-Echo-Verfahren wird allgemein verwiesen auf das Buch Werkstoffprüfung mit Ultraschall, Josef Krautkrämer & Herbert Krautkrämer, Springer, 5. Auflage (Februar 1998).For the technique of non-destructive material testing by means of ultrasound, in particular by means of pulse-echo method is generally referred to the book Material Testing with Ultrasound, Josef Krautkrämer & Herbert Krautkrämer, Springer, 5th edition (February 1998).
Grundsätzlich gilt, dass bei Prüfungsverfahren, bei dem unter Verwendung von unbewegten Phased-Array-Prüfköpfen Größen von Fehlern in einem Prüfling bestimmt werden sollen, das Auflösungsvermögen der Technik im Wesentlichen auf die Größe der einzelnen Schwinger des Phased-Array-Prüfkopf beschränkt ist. Hier setzt nun die Erfindung ein, die es sich zur Aufgabe gemacht hat, ein Verfahren anzugeben, welches das Verschieben eines von einem Phased-Array- Prüfkopfs in einen belebten oder unbelebten Prüfling eingeschallten Schallfelds bei fixiertem Prüfkopf um Bruchteile der Größe der Einzelschwinger der verwendeten Phased-Array-Prüfkopf erlaubt. Weiterhin ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Ultraschallprüfung eines belebten oder unbelebten Prüflings mittels eines Ultraschallprüfkopfs anzugeben, welcher die vorgenannte elektronische Verschiebung des vom Phased-Array-Prüfkopfs in den Prüfling eingeschallten Ultraschallfelds erlaubt.As a general rule, in a test method which uses fixed phase array probes to determine magnitudes of errors in a sample, the resolution of the technique is essentially limited to the size of the individual phased array probe. This is where the invention is based, which has set itself the task of specifying a method which involves shifting a sound field enclosed by a phased array test head into a live or inanimate test specimen with a fixed test head by fractions of the size of the individual oscillators used Array probe allowed. It is another object of the present invention to provide a device for ultrasonic testing of a live or inanimate test specimen by means of a Ultraschallprüfkopfs, which allows the aforementioned electronic displacement of the phased array probe into the test specimen ultrasonic field.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 7.This object is achieved by a method having the features of claim 1 and by an apparatus having the features of claim 7.
Das erfindungsgemäße Verfahren basiert auf der Erkenntnis, dass neben der relativen Phasenlage der von den einzelnen Elementen eines Phased-Array- Prüfkopfs erzeugten Ultraschallpulse auch deren relative Amplitude einen Einfluss auf das sich insgesamt ergebende Schallfeld aufweist.The inventive method is based on the finding that in addition to the relative phase position of the ultrasonic pulses generated by the individual elements of a phased array probe and their relative amplitude has an impact on the total resulting sound field.
So konnte im Rahmen aufwendiger theoretischer und experimenteller Untersuchungen festgestellt werden, dass das Schallfeld, welches von einer Gesamtheit von beispielsweise acht Einzelschwingern eines linearen Arrays in einen Prüfkopf eingeschallt wird, gezielt um Bruchteile der Abmessungen eines Einzelschwingers entlang des Arrays elektronisch verschoben werden kann, indem die Gesamtheit der acht Einzelschwinger aufgeteilt wird in Gruppen von jeweils vier aneinander angrenzenden Einzelschwingern und eine gezielte Absenkung bzw. Anhebung der Amplitude der von den Einzelschwingern der einzelnen Gruppen ausgesandten Ultraschallpulse. In einer einfachen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird beispielsweise die Amplitude der Ultraschallpulse, welche von der ersten Gruppe von Einzelschwingern ausgesandt werden, um einen im Wesentlichen gleichen Betrag, beispielsweise 10%, gegenüber der mittleren Amplitude der von allen Einzelschwingern ausgesandten Ultraschallpulse erhöht. Die Amplitude der zweiten Gruppe wird hingegen um einen im Wesentlichen gleichen Betrag gegenüber dem Mittelwert abgesenkt. Hieraus resultiert eine Verschiebung des Maximums des sich in der Überlagerung der von den Einzelschwingern des Arrays ausgesandten Ultraschallpulse ergebenen Schallfelds um einen Betrag, der einem Bruchteil der Strukturgröße eines Einzelschwingers entspricht. Gleichzeitig tritt eine geringfügige Deformierung des aus der Überlagerung der Einzelimpulse resultierenden Schallfelds auf, die aber in der Praxis in der Regel nicht von Relevanz ist. Allgemeiner bezieht sich das erfindungsgemäße Verfahren auf die Ansteuerung eines Array-Prüfkopfs einer Vorrichtung zur Ultraschallprüfung eines belebten oder unbelebten Prüflings, worüber der Array- Prüfkopf eine Mehrzahl N einzeln ansteuerbarer Ultraschallsender umfasst. Das Verfahren umfasst dabei die folgenden Verfahrensschritte:For example, it has been found in the course of extensive theoretical and experimental investigations that the sound field, which is collimated by a total of, for example, eight individual oscillators of a linear array into a test head, can be electronically displaced by fractions of the dimensions of a single oscillator along the array The totality of the eight individual oscillators is divided into groups of four adjoining individual oscillators and a targeted reduction or increase in the amplitude of the ultrasound pulses emitted by the individual oscillators of the individual groups. In a simple embodiment of the method according to the invention, for example, the amplitude of the ultrasound pulses emitted by the first group of individual oscillators is increased by a substantially equal amount, for example 10%, compared to the mean amplitude of the ultrasound pulses emitted by all the individual oscillators. The amplitude of the second group, however, is lowered by a substantially equal amount to the average. This results in a shift of the maximum of the resulting in the superposition of the emitted from the individual oscillators of the array ultrasonic pulses sound field by an amount corresponding to a fraction of the structure size of a single oscillator. At the same time a slight deformation of the resulting from the superposition of the individual pulses sound field occurs, but in practice is not usually relevant. More generally, the method according to the invention relates to the activation of an array probe of a device for ultrasound testing of an animated or inanimate test object, via which the array test head comprises a plurality N of individually controllable ultrasound transmitters. The method comprises the following method steps:
a) Auswählen einer Teilmenge M der Mehrzahl N einzeln ansteuerbarer Ultraschallsender des Array-Prüfkopfs, b) Aufteilen der Teilmenge M in zumindest zwei Untermengen Ul und U2, c) Ansteuern der von der Untermenge Ul umfassten Ultraschallsender mit einer Amplitude Al, die gegenüber dem Amplitudenmittelwert 0 A über alle in der Teilmenge M enthaltenen Ultraschallsender erhöht ist, und d) Ansteuern der von der Untermenge U2 umfassten Ultraschallsender mit einer Amplitude A2, die gegenüber dem Amplitudenmittelwert 0 A über alle in der Teilmenge M enthaltenen Ultraschallsender vermindert ist.a) selecting a subset M of the plurality N individually controllable ultrasound transmitter of the array probe, b) dividing the subset M in at least two subsets Ul and U2, c) driving the ultrasonic transmitter comprised of the subset Ul with an amplitude Al, compared to the amplitude mean value 0 A is increased over all ultrasound transmitters contained in the subset M, and d) driving the ultrasound transmitters, which are encompassed by the subset U 2, with an amplitude A 2 which is reduced in relation to the mean amplitude A 0 across all ultrasound transmitters contained in the subset M.
Dabei kann die Teilmenge M insbesondere sämtliche einzeln ansteuerbare Ultraschallsender des Array-Prüfkopfs umfassen, oder auch nur eine Untermenge dieser Gesamtzahl. Vorteilhaft umfasst die Teilmenge M eine gerade Anzahl einzeln ansteuerbarer Ultraschallsender, dies ist aber nicht zwingend erforderlich. Grundsätzlich kann eine Teilmenge M auch nur zwei einzeln ansteuerbare Ultraschallsender umfassen.In this case, the subset M may comprise in particular all the individually controllable ultrasonic transmitters of the array test head, or else only a subset of this total number. The subset M advantageously comprises an even number of individually controllable ultrasound transmitters, but this is not absolutely necessary. In principle, a subset M can also comprise only two individually controllable ultrasound transmitters.
Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass die Teilmenge M auch in mehr als nur zwei Untermengen unterteilt werden kann. Insbesondere kann die Teilmenge M in so viele Untermengen U unterteilt werden, dass jede Untermenge U nur einen einzelnen ansteuerbaren Ultraschallsender umfasst.It should also be noted that the subset M can also be subdivided into more than just two subsets. In particular, the subset M can be divided into so many subsets U that each subset U comprises only a single controllable ultrasonic transmitter.
Im Rahmen des Ausführungsbeispiels werden Nachweise dafür vorgelegt, dass das erfindungsgemäße Verfahren es erlaubt, ein von einer Mehrzahl von einzeln ansteuerbaren Ultraschallsendern erzeugtes Schallfeld kontrolliert elektronisch um einen Betrag zu verschieben, der kleiner ist als die Abmessungen eines einzelnen ansteuerbaren Ultraschallsenders, der ein Einzelelement eines Array- Prüfkopfs sein kann, wobei die Verschiebung im Wesentlichen unabhängig von der Tiefe des Schallfelds im Prüfling ist. Im Folgenden werden die Prüfkopfelemente als Ultraschallsender bezeichnet. In einer besonders bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden alle von der Untermenge Ul umfassten Ultraschallsender mit derselben Amplitude Al und alle von der Untermenge U2 umfassten Ultraschallsender mit derselben Amplitude A2 angesteuert. Diese Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erlaubt eine besonders einfache Ausführung der Ansteuerelektronik für den Array- Prüfkopf.In the exemplary embodiment, evidence is presented that the inventive method allows controlled by a plurality of individually controllable ultrasound transmitters sound field electronically controlled by an amount smaller than the dimensions of a single controllable ultrasonic transmitter, which is a single element of an array - Probe may be, wherein the displacement is substantially independent of the depth of the sound field in the device under test. In the following, the probe elements are referred to as ultrasonic transmitters. In a particularly preferred development of the method according to the invention, all ultrasound transmitters with the same amplitude Al encompassed by the subset Ul and all the ultrasound transmitters encompassed by the subset U2 are actuated with the same amplitude A2. This embodiment of the method according to the invention allows a particularly simple design of the control electronics for the array probe.
In einer alternativen Ausgestaltung werden die in einer Untermenge Ul umfassten Ultraschallsender nicht mit einer im Wesentlichen konstanten Amplitude angesteuert, vielmehr werden sie mit unterschiedlichen Amplituden angesteuert. Dabei ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass in der zweiten Untermenge U2 zu jedem Ultraschallsender der ersten Untermenge ein komplementärer Ultraschallsender in der zweiten Untermenge U2 vorgesehen ist, wobei bei jeder Paarung der Ultraschallsender gilt, dass der Mittelwert der Amplitude des Ultraschallsenders aus der Untermenge Ul und der Amplitude des komplementären Ultraschallsenders aus der Untermenge U2 gerade gleich dem Mittelwert der Amplituden aller in der Teilmenge U enthaltenen Ultraschallsender 0 A ist. .In an alternative embodiment, the ultrasound transmitters included in a subset U1 are not driven with a substantially constant amplitude, rather they are driven with different amplitudes. It is inventively provided that in the second subset U2 to each ultrasonic transmitter of the first subset a complementary ultrasonic transmitter is provided in the second subset U2, wherein in each pairing of the ultrasonic transmitter is that the average of the amplitude of the ultrasonic transmitter from the subset of Ul and the amplitude of the complementary ultrasound transmitter from the subset U2 is just equal to the mean value of the amplitudes of all the ultrasound transmitters 0A contained in the subset U. ,
Um das erfindungsgemäße Verfahren tatsächlich zum lateralen Verschieben des von dem Phased-Array-Prüfkopfs erzeugten Schallfelds zu verwenden, werden die Verfahrensschritte c) und d) bevorzugt wiederholt durchlaufen, wobei zwischen den einzelnen Durchläufen die Amplituden Al und A2 geändert werden. Durch gezielte Variation der Amplituden Al und A2 kann das Maximum des Schallfelds kontrolliert entlang der Längsachse des Phased-Array-Prüfkopfs verschoben werden.In order to actually use the method according to the invention for lateral displacement of the sound field generated by the phased array probe, the method steps c) and d) are preferably repeated, wherein the amplitudes A1 and A2 are changed between the individual passes. By deliberately varying the amplitudes A1 and A2, the maximum of the sound field can be shifted in a controlled manner along the longitudinal axis of the phased array probe.
Die Auswertung der resultierenden Ultraschall-Echosignale gestaltet sich hierbei besonders einfach, wenn während der einzelnen Durchläufe der Amplitudenmittelwert 0 A über alle in der Teilmenge M enthaltenen Ultraschallsender im Wesentlichen konstant gehalten wird.The evaluation of the resulting ultrasound echo signals is particularly simple in this case if, during the individual passes, the mean amplitude value 0 A is kept essentially constant over all ultrasound transmitters contained in the subset M.
Selbstverständlich lässt sich das erfindungsgemäß Verfahren auch mit den aus dem Bereich der Phased-Array-Ultraschall-Prüfköpfe etablierten Verfahren zur dynamischen Fokussierung, zum schrittweisen Verschieben des Schallfelds über die Breite eines einzeln ansteuerbaren Ultraschallsenders sowie zum Verschwen- ken des Schallbündels kombinieren. Um eine möglichst gute Ortsauflösung bei der Vermessung von Fehlern im Prüfling zu erzielen, wird daher in der Regel dem Schallfeld, welches von den Ultraschallsendern der Schallmenge M erzeugt wird, durch phasenverschobene Ansteuerung der einzeln ansteuerbaren Ultraschallsendern ein Focus aufgeprägt werden. Auch hier kann die genaue Lage des Fokus im Prüfling durch Variation der Phasenverschiebung zwischen den einzeln angesteuerten Ultraschallsendern gezielt eingestellt werden.Of course, the method according to the invention can also be used with the methods for dynamic focusing established from the field of phased array ultrasonic probes, for the stepwise displacement of the sound field across the width of an individually controllable ultrasound transmitter and for blurring. ken of the sound bundle. In order to achieve the best possible spatial resolution in the measurement of errors in the DUT, therefore, the sound field, which is generated by the ultrasound transmitters of the amount of sound M, usually be impressed by phase-shifted control of individually controllable ultrasound transmitters focus. Here, too, the exact position of the focus in the specimen can be adjusted by varying the phase shift between the individually controlled ultrasound transmitters.
Um das erfindungsgemäße Verfahren beispielsweise zur genauen Bestimmung der Fehlergröße eines Fehlers in einem Prüfling zu verwenden, wird man in der Regel die aus dem Stand der Technik vorbekannten Prüfverfahren, die auf der Verwendung eines Phased-Array-Prüfkopfs basieren, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kombinieren. Insbesondere wird man zum Auffinden eines Fehlers in einem Prüfling ein fokussiertes Ultraschallfeld schrittweise längs des Arrays verschieben, bis die Intensität des aufgefundenen Fehlers maximal ist. Nachdem der Fehler auf diese Weise grob lokalisiert ist, wird dann das erfindungsgemäße Scanverfahren zur hochgenauen Bestimmung der Größe des Fehlers angewendet. Neben dem linearen Verschieben des fokussierten Ultraschallbündels entlang des Arrays ist selbstverständlich auch ein Verschwenken des fokussierten Ultraschallbündels möglich, um bei Fehlern, deren Hauptreflektionsrichtung nicht senkrecht zur Einkoppelfläche des Prüflings ist, eine Maximierung des Fehlersignals durch Aufsuchen desjenigen Einschallwinkels zu ermöglichen, unter dem die Reflektivi- tät des Fehlers maximal ist.In order to use the inventive method, for example, to accurately determine the error size of an error in a device under test, one will usually combine the prior art prior art test methods, which are based on the use of a phased array probe, with the inventive method. In particular, to locate a fault in a device under test, a focused ultrasound field will be incrementally translated along the array until the intensity of the error found is maximum. After the error is roughly localized in this way, then the scanning method according to the invention for highly accurate determination of the size of the error is applied. In addition to the linear displacement of the focused ultrasound beam along the array, pivoting of the focused ultrasound beam is of course also possible in order to allow for errors whose main direction of reflection is not perpendicular to the coupling surface of the device under test, to maximize the error signal by searching that insonification angle below which the reflectivity maximum error.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur zerstörungsfreien Ultraschallprüfung eines belebten oder unbelebten Prüflings umfasst einen Array- Prüfkopf, der eine Mehrzahl N einzeln ansteuerbarer Ultraschallsender umfasst. Weiterhin umfasst die Vorrichtung eine Ansteuerelektronik für den Array-Prüfkopf, wobei die Ansteuerelektronik dazu eingerichtet ist, die einzeln ansteuerbaren Ultraschallsender einzeln oder gruppenweise sowie insbesondere bezüglich ihrer Phasenlage und ihrer jeweiligen Sendeamplitude kontrolliert anzusteuern. Dabei ist die Ansteuerelektronik insbesondere dazu eingerichtet, den Array-Prüfkopf gemäß des erfindungsgemäßen Verfahren anzusteuern. In der Regel sind für die erfindungsgemäße Vorrichtung die aus dem Stand der Technik vorbekannten Array- Prüfköpfe geeignet, die eine Mehrzahl N einzeln ansteuerbarer Ultraschallsender umfassen. Insbesondere sind hier sowohl lineare als auch flächenhaft ausge- dehnte Array- Prüfköpfe geeignet. Die entsprechende Ausgestaltung der Ansteuerelektronik für den Array- Prüf köpf kann dabei hardwareimplementiert sein. In der Mehrzahl der Applikationen wird jedoch die Ansteuerelektronik des Array- Prüfkopfs digital arbeiten und das erfindungsgemäße Verfahren durch Ausführung eines Softwareprogramms auf der digitalen Ansteuerelektronik implementiert werden.An apparatus according to the invention for non-destructive ultrasonic testing of a live or inanimate test specimen comprises an array test head which comprises a plurality of individually controllable ultrasound transmitters. Furthermore, the device comprises a control electronics for the array probe, wherein the control electronics is set up to control the individually controllable ultrasonic transmitter individually or in groups and in particular with respect to their phase position and their respective transmission amplitude controlled. In this case, the control electronics is especially adapted to drive the array probe according to the inventive method. In general, the previously known from the prior art array probes are suitable for the inventive device, comprising a plurality N individually controllable ultrasonic transmitter. In particular, both linear and areal stretched array probes suitable. The corresponding design of the control electronics for the array test head can be hardware implemented. In the majority of applications, however, the control electronics of the array probe will work digitally and the method according to the invention will be implemented by executing a software program on the digital control electronics.
Weitere Vorteile und Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie den Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert wird. In dieser zeigen :Further advantages and features of the method according to the invention and the device according to the invention will become apparent from the dependent claims and the embodiment, which is explained below with reference to the drawing. In this show:
Fig. 1 : eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur zerstörungsfreien Ultraschallprüfung eines Prüflings mit einem Array- Prüfkopf,1 shows a schematic representation of a device according to the invention for non-destructive ultrasonic testing of a test specimen with an array probe,
Fig. 2: eine grafische Darstellung des Verlaufs der ersten Ableitung des2 is a graphical representation of the course of the first derivative of
Schalldruck-Amplitudensignals entlang der Längsachse X des Prüf- kopf-Arrays, um die Lage des Schalldruckmaximums anzuzeigen.Sound pressure amplitude signal along the longitudinal axis X of the test head array to indicate the position of the sound pressure maximum.
Fig. 3: die sich ergebende Verschiebung des Amplitudenmaximums in Abhängigkeit von der Amplitudendifferenz ΔA zwischen der ersten Untermenge Ul und der zweiten Untermenge U2, und3: the resulting shift of the amplitude maximum as a function of the amplitude difference ΔA between the first subset U1 and the second subset U2, and
Fig. 4: die Lage des Amplitudenmaximums für eine vorgegebene Amplitudendifferenz ΔA als Funktion der Tiefe Z im Prüfling.4 shows the position of the amplitude maximum for a given amplitude difference ΔA as a function of the depth Z in the test object.
Figur 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur zerstörungsfreien Ultraschallprüfung eines Prüflings. Die Vorrichtung umfasst einen Array- Prüfkopf 10, der in der Darstellung der Figur 1 auf eine Prüffläche eines Prüflings 100 aufgesetzt ist. Der Array- Prüfkopf 10 umfasst eine Mehrzahl N = 16 von einzeln ansteuerbaren Ultraschallsenden 15, die in ihren Abmessungen und ihren Ultraschallende und Empfangseigenschaften im Wesentlichen identisch sind und die äquidistant angeordnet sind. Zur Ansteuerung des Array- Prüfkopf 10, insbesondere zur individuellen Ansteuerung der im Array- Prüf kopfs 10 vorgesehenen Ultraschallsender 15, ist der Array- Prüfkopf 10 mit einer Ansteuerelektronik 20 verbunden, die im gezeigten Ausführungsbeispiel als „stand alone" Ultraschallprüfgerät ausgebildet ist. Die Ansteuerelektronik 20 umfasst dabei u.a. ein Display 25 zur grafischen Darstellung der mittels des Array- Prüf köpf 10 aufgenommenen Ultraschallsignale sowie verschiedene Bedienelemente 30 für eine Bedienung des Ultraschallprüfgeräts.FIG. 1 shows schematically a device according to the invention for non-destructive ultrasonic testing of a test object. The device comprises an array test head 10, which is placed on a test surface of a test object 100 in the illustration of FIG. The array test head 10 comprises a plurality N = 16 of individually controllable ultrasound ends 15, which are substantially identical in their dimensions and their ultrasound end and reception properties and which are arranged equidistant. For controlling the array test head 10, in particular for the individual control of the head 10 provided in the array test ultrasound transmitter 15, the array test head 10 with a control electronics 20th In this case, the control electronics 20 include, among other things, a display 25 for the graphic representation of the ultrasonic signals received by the array test head 10 as well as various operating elements 30 for operating the ultrasonic testing device.
In Figur 1 ist die Mehrzahl N= 16 einzeln ansteuerbarer Ultraschallsender 15 dargestellt, von denen eine Teilmenge M=8 von Ultraschallsendern 15 ausgewählt wurde, die eine zusammenhängende Gruppe bilden. Dabei erstreckt sich diese Gruppe entlang der Längsachse des Array-Prüfkopf 10, deren Richtung in Figur 1 mit X gekennzeichnet ist. In den Prüfling 100 hinein erstreckt sich die Richtung Z, entlang derer die Tiefe beispielsweise des Fokus oder Fehlers im Prüfling 100 angegeben werden kann.FIG. 1 shows the plurality N = 16 of individually controllable ultrasound transmitters 15, of which a subset M = 8 has been selected by ultrasound transmitters 15, which form a coherent group. In this case, this group extends along the longitudinal axis of the array probe 10, the direction of which is marked X in FIG. The direction Z extends into the test piece 100, along which the depth, for example, of the focus or defect in the test piece 100 can be indicated.
Die Teilmenge M ihrerseits ist nun unterteilt in zwei gleich große Untermengen Ul und U2, wobei die Ultraschallsender 15, die einer Untergruppe Ul bzw. U2 zugeordnet sind, jeweils unmittelbar aneinander angrenzen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Ultraschallsender 15 der Untergruppen Ul und U2 symmetrisch um die Z-Achse angeordnet.The subset M in turn is now subdivided into two equal subsets Ul and U2, the ultrasound transmitters 15, which are assigned to a subgroup U1 or U2, each adjoining each other directly. In the exemplary embodiment shown, the ultrasonic transmitters 15 of the subgroups U1 and U2 are arranged symmetrically about the Z axis.
Die Ansteuerelektronik 20 der Vorrichtung gemäß Figur 1 ist nun dazu eingerichtet, das erfindungsgemäße Verfahren in einer bevorzugten Ausgestaltung auszuführen. Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird aus der Mehrzahl N = 16 einzeln ansteuerbarer Ultraschallsender 15 des Array- Prüfkopfs 10 die gekennzeichnete Teilmenge M mit 8 Elementen ausgewählt. Diese wird nun im Rahmen des Verfahrens in die beiden ebenfalls gekennzeichneten Untergruppen Ul und U2 mit je 4 Elementen zerlegt. Nachfolgend werden die Ultraschallsender 15 der ersten Untergruppe Ul mit einer ersten einheitlichen Amplitude Al angesteuert und die Ultraschallsender 15 der zweiten Untergruppe U2 mit einer zweiten einheitlichen Amplitude A2. Dabei ist die mittlere Amplitude über alle Ultraschallsender 15 der Teilmenge M durch 0A gegeben. Die Amplitude Al ist um einen Betrag ΔA/2 gegenüber 0A abgesenkt, die Amplitude A2 ist gegenüber 0A um den Betrag ΔA/2 erhöht. Insgesamt ergibt sich somit eine Amplitudendifferenz von ΔA zwischen den Ultraschallsendern 15 der ersten Untergruppe Ul und den Ultraschallsendern 15 der zweiten Untergruppe U2. Ausgangspunkt der Strahlverschiebung ist eine Ansteuerung von Ul und U2 jeweils mit 0A. Dieses über dem geometrischen Zentrum der Teilmenge der M Ultraschallsender 15 zentrierte Schallbündel wird durch das erfindungsgemäße Verfahren verschoben.The control electronics 20 of the device according to FIG. 1 are now configured to carry out the method according to the invention in a preferred embodiment. In the context of the method according to the invention, the designated subset M with 8 elements is selected from the plurality N = 16 individually controllable ultrasonic transmitters 15 of the array test head 10. This is now decomposed in the context of the procedure in the two also marked subgroups Ul and U2 with 4 elements each. Subsequently, the ultrasound transmitters 15 of the first subgroup U1 are actuated with a first uniform amplitude A1 and the ultrasound transmitters 15 of the second subgroup U2 with a second uniform amplitude A2. The average amplitude over all ultrasound transmitters 15 of subset M is given by 0A. The amplitude Al is lowered by an amount ΔA / 2 with respect to 0A, the amplitude A2 is increased by 0A by the amount ΔA / 2. Overall, this results in an amplitude difference of ΔA between the ultrasound transmitters 15 of the first subgroup U1 and the ultrasound transmitters 15 of the second subgroup U2. The starting point of the beam shift is an activation of U1 and U2, each with 0A. This sound beam centered over the geometric center of the subset of the M ultrasound transmitters 15 is displaced by the method according to the invention.
Durch geeignete Steuerung der relativen Phasenlage der von den Ultraschallsendern 15 der Teilmenge M erzeugten Ultraschallpulse bildet sich ein Maximum des Schallfelds aus, welches von der Teilmenge M der Ultraschallsender erzeugt wird. Die Lage des Maximums dieses Schallfelds korrespondiert mit dem Nulldurchgang der ersten Ableitung des Schalldrucks des Schallfelds entlang der Längsachse X des Array- Prüfkopfs 10. In Figur 2 ist nun der Verlauf der ersten Ableitung des Amplitudensignals des sich ergebende Schallfelds entlang der Längsachse X des Prüfkopf-Arrays 10 dargestellt für verschiedene Amplitudendifferenzen ΔA. Dabei wurden Werte für ΔA zwischen 0% und 80% der mittleren Amplitude 0A gewählt. Aus der sich ergebenden Kurvenschar ist deutlich zu erkennen, dass sich der Nulldurchgang mit zunehmender Amplitudendifferenz ΔA monoton verschiebt. Dabei ist als Einheit für die Abszisse 1/10 der Breite eines einzeln ansteuerbaren Ultraschallsenders 15 gewählt („Dot-Pitch").By suitable control of the relative phase position of the ultrasonic pulses generated by the ultrasonic transmitters 15 of the subset M, a maximum of the sound field is formed, which is generated by the subset M of the ultrasonic transmitter. The position of the maximum of this sound field corresponds to the zero crossing of the first derivative of the sound pressure of the sound field along the longitudinal axis X of the array probe 10. In Figure 2, the course of the first derivative of the amplitude signal of the resulting sound field along the longitudinal axis X of the Prüfkopf- Arrays 10 shown for different amplitude differences .DELTA.A. Values for ΔA between 0% and 80% of the mean amplitude 0A were chosen. It can be clearly seen from the resulting family of curves that the zero crossing shifts monotonously with increasing amplitude difference ΔA. In this case, the unit for the abscissa is selected to be 1/10 of the width of an individually controllable ultrasonic transmitter 15 ("dot pitch").
In Figur 3 ist die sich ergebende Verschiebung des Amplitudenmaximums in Abhängigkeit von der Amplitudendifferenz ΔA dargestellt. Auch an der Darstellung in Figur 3 ist die streng monotone Abhängigkeit der sich ergebenden Verschiebung des Amplitudenmaximums als Funktion der Amplitudendifferenz ΔA abzulesen. Wie auch aus Figur 2 kann Figur 3 entnommen werden, dass die sich ergebende Verschiebung des Amplitudenmaximums bei durchaus bereits relativ hohen Amplitudendifferenzen ΔA immer noch nur im Bereich von Bruchteilen der Breite eines einzeln ansteuerbaren Ultraschallsenders 15 beträgt. Durch Variation der Amplitudendifferenz ΔA ist es dabei insbesondere möglich, das Maximum des sich ergebenden Schallfelds kontrolliert entlang oder entgegen der Längsachse X des Array-Prüfkopfs 10 um zumindest jeweils eine halbe Breite eines Ultraschallsenders 15 zu verschieben.FIG. 3 shows the resulting shift of the amplitude maximum as a function of the amplitude difference ΔA. The strictly monotonous dependence of the resulting shift of the amplitude maximum as a function of the amplitude difference ΔA can also be read from the illustration in FIG. As can also be seen from FIG. 2, FIG. 3 shows that the resulting displacement of the maximum amplitude is already only in the range of fractions of the width of an individually controllable ultrasonic transmitter 15, even though the amplitude differences ΔA are quite high. By varying the amplitude difference .DELTA.A, it is possible, in particular, to shift the maximum of the resulting sound field in a controlled manner along or against the longitudinal axis X of the array test head 10 by at least half the width of an ultrasound transmitter 15.
Figur 4 zeigt schließlich für eine vorgegebene feste Amplitudendifferenz ΔA, die Lage des sich ergebenden Amplitudenmaximums des Schallfelds aller Ultraschallsender 15 der Teilmenge M als Funktion der Tiefe Z im Prüfling 100. Im Rahmen der Genauigkeit der experimentellen Überprüfung kann aus Figur 4 abgelesen werden, dass die Lage des Amplitudenmaximums praktisch unabhängig von der Tiefe Z im Prüfling 100 ist. Dies bedeutet, dass das erfindungsgemäße Verfahren tatsächlich im Wesentlichen nur eine Verschiebung des Schallfelds um Bruchteile einer Ultraschallsenderbreite bewirkt (neben der bereits erwähnten geringförmigen Deformierung des Ultraschallfelds) und praktisch keine Verkippung des Ultraschallfelds gegen die Z-Achse bewirkt.Finally, FIG. 4 shows the position of the resulting amplitude maximum of the sound field of all ultrasonic transmitters 15 of subset M as a function of depth Z in specimen 100 for a given fixed amplitude difference ΔA be that the position of the amplitude maximum is practically independent of the depth Z in the test piece 100. This means that the method according to the invention actually essentially causes only a displacement of the sound field by fractions of an ultrasonic transmitter width (in addition to the already mentioned slight deformation of the ultrasonic field) and practically causes no tilting of the ultrasonic field against the Z axis.
Selbstverständlich kann dieser kontrollierte Shift des Ultraschallfelds mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens entlang der Längsachse X des Ultraschall-Arrays 10 kombiniert werden mit einer Verschwenkung des Ultraschallfelds um einen kontrollierten Winkel, indem die relative Phasenlage der Ultraschallsender 15 der Teilmenge M gezielt angesteuert wird. Auch die konkrete Form des von der Teilmenge M der Ultraschallsender 15 erzeugten Schallfelds, insbesondere die Lage und die Größe eines sich ausbildenden Fokus können durch geeignete Phasenan- steuerung der Ultraschallsender 15 der Teilmenge M kontrolliert werden.Of course, this controlled shift of the ultrasound field can be combined by means of the method according to the invention along the longitudinal axis X of the ultrasound array 10 with a pivoting of the ultrasound field by a controlled angle by the relative phase of the ultrasound transmitter 15 of the subset M is selectively controlled. The specific shape of the sound field generated by subset M of ultrasound transmitter 15, in particular the position and the size of a focusing focus, can also be controlled by suitable phase control of ultrasound transmitters 15 of subset M.
Abschließend sei darauf hingewiesen, dass die Auswahl einer Teilmenge M aus der Gesamtheit N der Ultraschallsender 15 des Array-Prüfkopfs 10 nicht zwingend im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens erforderlich ist. Vielmehr kann das Verfahren auch so ausgeführt werden, dass stets sämtliche Ultraschallsender 15 des Array-Prüfkopfs 10 für das erfindungsgemäße Verfahren verwendet werden. Auch die Aufteilung der Gesamtheit N der Ultraschallsender 15 des Array-Prüfkopfs 10 kann im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens fest vorgegeben werden, wenn beispielsweise stets eine Hälfte der Ultraschallsender 15 zu einer Untergruppe Ul zusammengefasst wird und die zweite Hälfte Ultraschallsender 15 zur zweiten Untergruppe U2. In dieser Ausprägung des erfindungsgemäßen Verfahrens hat somit die Auswahl der Teilmenge M aus der Gesamtheit N sowie deren Aufteilung in zwei Untermengen Ul und U2 bereits bei der erfindungsgemäßen Einrichtung der Ansteuerelektronik 25 stattgefunden und wird nicht jedes Mal von neuem bei der Durchführung einer Prüfaufgabe durchlaufen. Dennoch ist auch diese Ausprägung des erfindungsgemäßen Verfahrens als wortsinngemäße Verwirklichung des Verfahrens gemäß des Hauptanspruchs anzusehen. Finally, it should be pointed out that the selection of a subset M of the totality N of the ultrasonic transmitters 15 of the array test head 10 is not necessarily required in the context of the method according to the invention. Rather, the method can also be carried out in such a way that always all the ultrasonic transmitters 15 of the array test head 10 are used for the method according to the invention. The division of the totality N of the ultrasonic transmitter 15 of the array probe 10 can be fixed in the context of the method according to the invention, for example, if always one half of the ultrasonic transmitter 15 is combined to form a subgroup U1 and the second half ultrasound transmitter 15 to the second subgroup U2. In this embodiment of the method according to the invention thus the selection of the subset M from the totality N and their division into two subsets Ul and U2 already in the inventive device of the control electronics 25 has taken place and is not repeated each time anew when performing a test task. Nevertheless, this expression of the method according to the invention is to be regarded as a word-appropriate implementation of the method according to the main claim.
Claims
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Also Published As
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| DE102007015746A1 (en) | 2008-10-02 |
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