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Das Ultraschall-Echo-Verfahren ist eine klassische zerstörungsfreie Prüftechnik zur Geometriebestimmung sowie Schadensanalyse von Betonkonstruktionen. Um die Abbildung der Ultraschalldaten von komplexen Betonstrukturen zu verbessern, haben wir die Reverse-Time Migration (RTM) aus der Seismik auf die zerstörungsfreie Prüfung im Bauwesen übertragen. In einer Vorstudie haben wir einen 2D akustischen RTM Code verwendet und an realen Ultraschalldaten, die an einer Betonfundamentplatte aufgenommen wurden, getestet. Im Vergleich mit dem herkömmlichen Rekonstruktionsalgorithmus für Ultraschalldaten, der Synthetic Aperture Focusing Technique (SAFT), zeigten die akustischen RTM-Ergebnisse eine deutliche Verbesserung in der Abbildung der inneren Struktur der Betonfundamentplatte. Vertikale Reflektoren konnten rekonstruiert werden, was mit dem herkömmlichen Abbildungsverfahren nicht möglich war. RTM ist, im Gegensatz zu SAFT, eine wellengleichungsbasierte Migrationsmethode und beruht auf der numerischen Lösung der vollständigen Wellengleichung. Die Vorteile sind, dass der Algorithmus sämtliche Informationen des Wellenfeldes verwendet und daher verschiedene Welleneffekte wie z.B. Multipathing berücksichtigt werden können. Die RTM bietet damit die Möglichkeit auch stark geneigte Reflektoren sowie Streukörper mit komplexen Geometrien darzustellen. Ein Nachteil ist jedoch die lange Rechenzeit und der hohe Bedarf an Speicherkapazität. Ein RTM-Algorithmus, der die elastische Wellengleichung anstatt der akustischen verwendet (wie in unserer Vorstudie angewandt), hat das Potenzial, die Abbildungsergebnisse noch weiter zu optimieren. Das liegt daran, dass unsere Ultraschallmessdaten durch Anregung elastischer Wellen generiert werden. In einem ersten Schritt haben wir zwei elastische 2D-RTM-Algorithmen an synthetischen Ultraschalldaten getestet. Diese wurden mit einem Betonmodell, bestehend aus mehreren Stufen und kreisförmigen Lufteinschlüssen, erzeugt. In einem zweiten Schritt wurden reale Ultraschalldaten mit Scherwellenprüfköpfen an einer Betonstufenplatte mit integrierten Hüllrohren aufgenommen. Die Auswertung der realen Daten mit unserem elastischen RTM-Code war ebenfalls erfolgreich. Wir konnten die Abbildungsqualität der Stufen und Hüllrohre im Vergleich zur akustischen RTM und SAFT verbessern.
The ultrasonic echo technique is widely used in non-destructive testing for investigation and damage analysis of concrete constructions. Important applications include thickness measurements, geometry determination, the localization and characterization of built-in components as well as the detection of quality issues (cracks, honeycombing, low concrete strength).
To improve ultrasonic data imaging of complicated structures in concrete, we transferred a seismic migration technique, the Reverse Time Migration (RTM), to non-destructive testing in civil engineering. In a preliminary study, we tested a 2D acoustic RTM algorithm on measured ultrasonic echo data acquired at a concrete foundation slab. Compared to the conventional used synthetic aperture focusing technique algorithms (SAFT) for ultrasonic data reconstruction, our acoustic RTM results showed a significant improvement in imaging the interior structure of the concrete slab. Vertical reflectors were reconstructed which was not possible by traditional imaging.
In contrast to SAFT, RTM is a wavefield-continuation method in time and uses the full wave equation. RTM is, thus, able to include multiple reflections and to handle multi-pathing as well as many other complex situations. As a drawback RTM requires extensive computing power and memory capacity. Nevertheless, due to progresses in parallel processing and other computational technologies RTM has become appealing for the application in the field of non-destructive testing.
An RTM algorithm, which uses the full elastic wave equation instead of the full acoustic one (as applied in our preliminary work) has the potential to optimize the imaging results even further. This is due to the fact, that our ultrasonic measurement data are generated by exciting elastic waves. Thus, in a first step, two 2D elastic RTM algorithms were tested on synthetic ultrasonic echo data generated with a concrete model consisting of several steps and circular shaped air inclusions. In addition, two imaging conditions were evaluated to reduce migration artifacts. Our synthetic elastic RTM results showed an enhancement in imaging the features inside the test model compared to acoustic RTM and SAFT. In a second step, we acquired ultrasonic measurement data at a concrete test specimen consisting of three steps and four air filled tendon ducts. The evaluation of the real data with our elastic RTM code was also successful and the reconstruction of the geometries of the steps and tendon ducts could be improved. With our study we have shown that elastic RTM is a step forward for ultrasonic testing in civil engineering.
To improve ultrasonic imaging of concrete structures, we transferred a seismic migration technique, the Reverse Time Migration (RTM), to non-destructive testing. A 2D elastic RTM algorithm was tested on synthetic ultrasonic echo data. Compared to the typically used synthetic aperture focusing technique (SAFT) as well as our acoustic RTM algorithm, the presented elastic RTM results show an enhancement in imaging vertical reflectors and complex features inside the 2D numerical concrete model.
Anwendung der Reverse-Time Migration auf Ultraschall-Echo-Daten in der zerstörungsfreien Prüfung
(2017)
Das Ultraschall-Echo-Verfahren ist eine klassische zerstörungsfreie Prüftechnik zur Bestimmung der Geometrie von Bauteilen. Die Prüfaufgaben beinhalten unter anderem die korrekte Dickenbestimmung der Baukörper sowie die Lokalisierung von Einbauteilen und Fehlstellen. Stand der Technik bei den Abbildungsverfahren ist die SAFT-Rekonstruktion (Synthetic Aperture Focusing Technique). Diese Gruppe von Verfahren weist Schwierigkeiten bei der Darstellung von steilen Grenzflächen und komplizierten Strukturen auf, wie beispielsweise Stufen oder Unterkanten von Hüllrohren. Zudem verarbeiten die SAFT-Verfahren nur die primären Reflexionen am abzubildendem Objekt korrekt. Als Alternative wird seit einiger Zeit die Reverse-Time Migration (RTM) aus dem Bereich der Geophysik evaluiert. Diese beruht auf der numerischen Lösung der vollständigen Wellengleichung. Die migrierte Abbildung wird durch Kreuzkorrelation von zeitlich vorwärts- und rückwärtsmodellierten Wellenfeldern erzeugt.
Für die Durchführung der RTM wurde in einer Vorarbeit ein 2D akustischer Code verwendet und an realen Ultraschallmessdaten getestet. Letztere wurden mit Scherwellenprüfköpfen an einem Stahlbetonfundament aufgenommen. Ein Vergleich der Migrationsergebnisse mit den Ergebnissen der SAFT-Rekonstruktion zeigte für die RTM einen deutlichen Fortschritt in der Rekonstruktion der Bauteilgeometrie.
Derzeit wird vom akustischen Code auf einen elastischen Code umgestellt, da für die eigentlichen Ultraschallmessungen elastische Wellen angeregt werden. In einem ersten Schritt wurde dies mit dem Softwarepaket Madagascar umgesetzt und an einem einfachen 2D-Modell getestet. Dabei fanden verschiedene Quellanregungen Anwendung. Um Migrationsartefakte zu reduzieren wurden weiterhin zwei Abbildungsbedingungen getestet. Die Kreuzkorrelation der Verschiebungskomponenten der zeitlich vorwärts-und rückwärtsmodellierten Wellenfelder wurde mit der Kreuzkorrelation der Skalar- und Vektorpotentiale beider Wellenfelder verglichen.
Im zweiten Schritt wurden Ultraschallmessdaten an einer Stufenplatte aufgenommen und mit dem akustischen sowie elastischen 2D Code evaluiert. Diese erste Anwendung der elastischen RTM auf reale Messdaten war erfolgreich und zeigt im Vergleich zu der akustischen Auswertung eine Verbesserung in der Abbildungsqualität.
Das Ultraschall-Echo-Verfahren ist eine wichtige Methode der zerstörungsfreien Prüfung (ZfP). Prüfaufgaben im Bauwesen beinhalten unter anderem die korrekte Dickenbestimmung von Konstruktionen, sowie die Lokalisierung von Einbauteilen und Fehlstellen. Das Abbildungsverfahren RTM (Reverse Time Migration) liefert oft bessere Bilder als konventionelle Verfahren. Die Datenaufnahme am Betonprobekörper erfolgte mit einem Scannersystem der BAM, bei dem jeweils ein Ultraschall-Prüfkopf als Sender bzw. Empfänger diente. Es wurden senkrecht zur Profilrichtung horizontal polarisierte Scherwellen genutzt. Die RTM wurde mit dem Softwarepaket Madagascar gerechnet.
Die Ergebnis zeigt das Potential dieser Methode im Bezug auf komplexe Strukturen. Die lateralen Positionen der Risse im RTM-Bild sowie deren Höhe innerhalb des Probekörpers, entsprechen recht genau dem visuellen Befund.