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Anwendung der Reverse-Time Migration auf Ultraschall-Echo-Daten in der zerstörungsfreien Prüfung
(2016)
Das Ultraschall-Echo-Verfahren ist eine klassische zerstörungsfreie Prüftechnik zur Bestimmung der Bauteilgeometrie sowie zur Lokalisierung von Einbauteilen und Fehlstellen. Der aktuelle Stand der Technik bei den Abbildungsverfahren ist die SAFT-Rekonstruktion (Synthetic Aperture Focusing Technique). Diese Gruppe von Verfahren weist u.a. Schwierigkeiten bei der Darstellung von steilen Grenzflächen auf und verarbeitet nur die primären Reflexionen am abzubildendem Objekt korrekt. Als Alternative werden seit einiger Zeit Migrationsmethoden aus dem Bereich der Geophysik evaluiert. Am Beispiel eines Stahlbetonfundamentes wurden in einer Vorarbeit die Kirchhoff-Migration und die Reverse-Time-Migration (RTM) getestet.
Die strahlenbasierten Algorithmen der Kirchhoff-Migration und SAFT-Rekonstruktion sind eng miteinander verwandt. Die RTM hingegen basiert auf der numerischen Lösung der vollständigen Wellengleichung. Durch Kreuzkorrelation von zeitlich vorwärts- und rückwärtsmodellierten Wellenfeldern erzeugt die RTM die migrierte Abbildung. Für die Durchführung der RTM wurde ein 2D akustischer Code verwendet.
Beide Migrationsmethoden wurden an auf Basis der akustischen Wellengleichung generierten synthetischen 2D-Daten sowie an realen Ultraschallmessdaten getestet. Letztere wurden mit Scherwellenprüfköpfen an der Fundamentplatte aufgenommen. Ein Vergleich der Migrationsergebnisse mit den Ergebnissen der SAFT-Rekonstruktion zeigte besonders für die RTM eine deutliche Verbesserung in der Abbildung der Bauteilgeometrie. Die Vorstudie an der Fundamentplatte lieferte somit den Nachweis, dass geophysikalische Migrationsverfahren auf reale Ultraschall-Messdaten anwendbar sind. Jedoch zeigten sich vereinzelt starke Artefakte und systembedingt Schwierigkeiten bei der Abbildung dreidimensionaler Strukturen.
Nunmehr wird vom akustischen Code auf einen elastischen Code umgestellt, da die eigentlichen Ultraschallmessungen mit elastischen Wellen erfolgen. In einem ersten Schritt wurde dies mit dem Softwarepaket Madagascar realisiert und an einem einfachen 2D-Modell getestet. Dabei fanden verschiedene Quellanregungen Anwendung. Des Weiteren wurden zwei Abbildungsbedingungen evaluiert. Ergebnisse der Kreuzkorrelation der Verschiebungskomponenten der zeitlich vorwärts-und rückwärtsmodellierten Wellenfelder wurden mit Resultaten der Kreuzkorrelation der Skalar- und Vektorpotentiale beider Wellenfelder verglichen.
Defect detection in concrete pile using impulse response measurements with sine sweep excitations
(2015)
For pile integrity inspection, a low cost and portable shaker was used to create the sine sweep signal for pile excitation. The impulse response function, calculated by the deconvolution of pile response from the sine sweep excitation, was proposed to identify the echoes in the piles due to the pile’s impedance changes. The proposed methodology has been evaluated and validated both numerically and experimentally. Based on the results from the simulations and experiments, it was found that the impulse response measurement with sine sweep excitation could be an effective tool to detect the echoes of the pile toe and the defects in the pile.
Low strain pile integrity testing is an established method in QA of foundation piles. The technique is very effective and well accepted for larger flaws and length determination. It is part of standards and recommendations. Challenges exist for more complicated structures (e. g. pile walls, diaphragm walls, and pile under structures) and small flaws. Interpretation is subjective in many cases. Possible solutions, e.g. the use of vibrators instead of a hammer or application of several sensors instead of one have been proposed decades ago, but not used much in practice. In several projects we are working on the extension and optimizations of these ideas, based on input from other engineering disciplines. In the frame of the project PileInspect we are working with an international consortium on the use of vibrators instead of a hand held hammer. This allows the full control of input signals as well as the use of (semi)automatic classification routines from machine diagnosis. At BAM we are using a low cost vibrator and deconvolution routines to improve the results of classical low strain testing. In another project we are working on multichannel measurements with sensor placement along the pile axis. This can be used to determine the travel direction of certain waves (downwards or upwards) to improve the interpretation of measurements on piles below constructions or pile walls. The use of ideas adapted from geophysics („vertical seismic profiling“) are helpful. Both concepts are proven by simulations results and first field tests.
Ultrasonic echo testing is widely used in non-destructive testing to investigate concrete structures as well as to locate built-in components or inhomogeneities. Currently, Synthetic Aperture Focusing Technique algorithms (SAFT) are used for imaging. These algorithms are highly developed but have some limitations. It is not possible to image the lower boundary of tendon ducts or vertical reflectors. We adopted a geophysical imaging technique, the Reverse Time Migration (RTM), to non-destructive testing in order to improve the imaging of complicated structures in concrete. By using the entire wavefield there are fewer limitations compared to SAFT.
In a first step, simulations for polyamide and concrete structures were performed by using a 2D acoustic finite difference code. The simulations were followed by experiments at a polyamide specimen. Here we were able to determine shape and size of boreholes with a sufficient accuracy. After these successful tests we carried out experiments at a reinforced concrete foundation slab. The reconstruction of the structure of the lower boundary of the slab was improved and vertical reflectors inside the slab were imaged clearly. These tests on polyamide and concrete showed that RTM is a step forward for ultrasonic testing. However we observed migration artifacts and difficulties in imaging 3D structures.
In a second step we implemented a 2D elastic RTM code, since for our ultrasonic measurements elastic waves are emitted. The modeling code is included in the Madagascar software package. The required computing power for performing elastic RTM is significantly high. Thus we need appropriate computer hardware to obtain meaningful results within an adequate time frame. Using our hardware RTM of an ultrasonic data set takes far too long (3 months).
We applied the elastic code to ultrasonic data acquired on a concrete specimen which contains vertical reflectors. A comparison of the acoustic RTM results with those obtained by elastic RTM showed an improvement in the image quality.
Future work includes the analysis of RTM artifacts and the expansion of the algorithm to three dimensions. Another topic to be addressed is to how to account for the size of the ultrasonic transducer arrays which we are using.
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.