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Anwendung der Reverse-Time Migration auf Ultraschall-Echo-Messungen in der zerstörungsfreien Prüfung
(2012)
Ultrasonic echo testing is a more and more frequently used technique in civil engineering to investigate concrete building elements, to measure thickness as well as to locate and characterise built-in components or inhomogeneities. Currently the Synthetic Aperture Focusing Technique (SAFT), which is closely related to Kirchhoff migration, is used in most cases for imaging. However, this method is known to have difficulties to image steeply dipping interfaces as well as lower boundaries of tubes, voids or similar objects. We have transferred a processing technique from geophysics, the Reverse Time Migration (RTM) method, to improve the imaging of complicated geometries. By using the information from wide angle reflections as well as from multiple events there are fewer limitations compared to SAFT. As a drawback the required computing power is significantly higher compared to the techniques currently used. Synthetic experiments have been performed on polyamide and concrete specimens to show the improvements compared to SAFT. We have been able to image vertical interfaces of step-like structures as well as the lower boundaries of circular objects. It has been shown that RTM is a step forward for ultrasonic testing in civil engineering.
Aktuell wird die Ultraschallechotechnik für Holzbauteile genutzt, indem aus der Abschattung eines ansonsten stabilen Rückwandechos auf Auffälligkeiten im Holzbauteil geschlossen wird. Dabei werden Transversalwellen (Mittenfrequenz 50 kHz) mit der Polarisationsrichtung in Faserrichtung (L) angewendet. In einem 2012 abgeschlossenen Forschungsvorhaben wurde nun die direkte Abbildung von Streuern durch anisotrope SAFT-Rekonstruktion entwickelt.
Dazu werden flächig aufgenommene Ultraschallmessdaten mit automatisiert scannenden Druck- und Scherwellenköpfen erzeugt und auf Basis anisotroper Geschwindigkeitsverteilungen rekonstruiert. Benutzt werden die auch häufig für Beton eingesetzten trocken ankoppelnden Punktkontakt-Prüfköpfe. Da damit auch intensive Wellen an der Oberfläche erzeugt werden, entstehen im Material zusätzliche Kopfwellen, die ebenfalls bei der Rekonstruktion berücksichtigt werden.
Da die Wellengeschwindigkeiten in Holz individuell stark schwanken, wird eine interaktive Auswertetechnik zur Ermittlung der Materialkonstanten benutzt. Für die Messungen werden Druckwellen sowie Scherwellen in zwei Polarisationsrichtungen verwendet. Die Messungen erfolgen sowohl mit automatischen Scannersystemen als
auch mit einem linearen Prüfkopf-Array (kommerziell erhältlicher multistatischer Messkopf). Gezeigt werden Ergebnisse an Bauteilen mit künstlichen und realen Fehlstellen. Das Forschungsprojekt wurde gefördert vom Bundesamt für Bau- und Raumordnung (BBR, Zukunft Bau).
Ultraschall-Echo-Messungen dienen im Bauwesen zur Dickenbestimmung von Bauteilen sowie der Lokalisierung und Charakterisierung von Einbauteilen, Einlagerungen und anderen Inhomogenitäten. Zur Rekonstruktion werden bisher Abbildungsverfahren wie z.B. 3D-SAFT genutzt. Diese setzen aber voraus, dass direkte Reflexionen am Abbildungsobjekt erfolgen. Deshalb können keine zuverlässigen Aussagen über den Durchmesser von eingebauten Spannkanälen oder z. B. Seitenkanten von Objekten getroffen werden.
Ziel laufender Forschungsarbeiten ist es, die Abbildungsqualität zu verbessern.
Mit der aus der Geophysik stammenden Reverse Time Migration, die bereits häufig in der Erdölexploration genutzt wird, lassen sich auch steilere Strukturen über 70° abbilden und somit auch die Unterseite von Einbauten oder Stufen in Bauteilen darstellen.
Um die Leistungsfähigkeit des Algorithmus für die zerstörungsfreie Prüfung zu untersuchen, wurden verschiedene Simulationsrechnungen durchgeführt. Dabei wurden typische Prüfprobleme unterschiedlicher Komplexität zunächst in Polyamid nachgestellt. Die Schwerpunkte lagen bei der Darstellung senkrechter Grenzflächen und Hohlstellen. Die Rechnungen dienten neben der Evaluierung und Optimierung des Verfahrens auch der Planung von Experimenten an Probekörpern mit verschiedenen Einbauten.
Die Simulationsergebnisse wurden an einem dem synthetischen Modell entsprechenden Polyamidprobekörper überprüft, an dem rauscharme Ultraschalldaten aufgenommen werden konnten. In einer Messreihe wurde in den Probekörper eine Bohrung eingebracht und schrittweise vergrößert. Mit diesen Messungen konnte die Leistungsfähigkeit der Reverse Time Migration auch an realen Ultraschalldaten nachgewiesen werden. Untersuchungen mit an Beton aufgenommenen Ultraschalldaten werden folgen.
Ultrasonic echo testing is widely used in non-destructive testing in civil engineering to investigate concrete structures, to measure thickness, and to locate and characterise built-in components or inhomogeneities. Currently, synthetic aperture focusing techniques are mostly used for imaging. These algorithms are highly developed but have some limitations. For example, it is not possible to image the lower boundary of built-in components like tendon ducts or vertical reflectors. We adopted reverse time migration for non-destructive testing in civil engineering in order to improve the imaging of complicated structures in concrete. By using the entire wavefield, including waves reflected more than once, there are fewer limitations compared to synthetic aperture focusing technique algorithms. As a drawback, the required computation is significantly higher than that for the techniques currently used. Simulations for polyamide and concrete structures showed the potential for non-destructive testing. The simulations were followed by experiments at a polyamide specimen. Here, having acquired almost noise-free measurement data to test the algorithm, we were able to determine the shape and size of boreholes with sufficient accuracy. After these successful tests, we performed experiments at a reinforced concrete foundation slab. We obtained information from the data by reverse time migration, which was not accessible by traditional imaging. The imaging of the location and structure of the lower boundary of the concrete foundation slab was improved. Furthermore, vertical reflectors inside the slab were imaged clearly, and more flaws were found. It has been shown that reverse time migration is a step forward in ultrasonic testing in civil engineering.
Inhalt ist die zerstörungsfreie Detailuntersuchung von Holzbauteilen mit einem dreidimensional abbildenden Ultraschall-Echoverfahren. Das neu entwickelte 3D-Verfahren berücksichtigt den anisotropen Aufbau des Holzes. Die Bildschnitte und Projektionen werden aus flächigen Ultraschallaufnahmen berechnet. Die Messungen erfolgen an Probekörpern sowie an Bauteilen aus der Praxis. In dem Forschungsvorhaben wird die für Holz neue 3D-Rekonstruktionsrechnung verwendet und mit dem Ziel weiterentwickelt, unter Berücksichtigung der anisotropen Struktur des Holzes eine dreidimensional aufgelöste Abbildung von Reflektoren im Inneren der Holzbauteile zu ermöglichen. Damit werden die bisher für Holzbauteile zur Verfügung stehenden Verfahren entscheidend ergänzt, weil nun eine hochgenaue dreidimensionale Abbildung erreichbar ist (Auflösung: 20 mm und besser).