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Organisationseinheit der BAM
Phased-Array-Technik und Bildgebung mit Ultraschallwellen sind nach langer Entwicklungszeit inzwischen auf dem Weg zu allgemeiner Verbreitung. Daher bietet sich an, die verschiedenen Techniken und deren Begriffe wie z.B. Phased-Array, SAFT, TFM, FMC und Sparse-Array zusammenfassend in Beziehung zu setzen.
All diesen Techniken liegt dieselbe Idee zu Grunde, nämlich durch gezielte Überlagerung von Ultraschallsignalen den gewünschten Effekt zu erreichen. Die verschiedenen Techniken werden kurz charakterisiert und neben den Unterschieden wird beschreiben, auf welche Weise bei all diesen Techniken das Phänomen der konstruktiven Interferenz jeweils genutzt wird.
Die Simulation von Ultraschallausbreitung ist ein wesentliches Hilfsmittel zur Optimierung von Prüfanordnungen und wird zunehmend in der Prüfvorbereitung eingesetzt. Eisenbahnschienen sind Bauteile mit komplexer Geometrie und im eingebauten Zustand eingeschränkter Zugänglichkeit. Bei der Prüfung im Feld entstehen aus der Schienengeometrie komplexe Echosignale mit Formanzeigen, die schwer zu interpretieren sind.
Für das bessere Verständnis der Schallausbreitung in der Eisenbahnschiene wird diese in einem ersten Schritt mit Hilfe verschiedener Ansätze modelliert. Hierbei werden Finite Elemente Methoden und semi-analytischen Modelle verwendet. In einem zweiten Schritt werden die Ergebnisse der Simulationsmodelle einander gegenübergestellt und mit Messungen an realen Schienen verglichen.
Ziel dieser Untersuchungen ist die Validierung von Simulationsverfahren mit Hilfe von Messdatensätzen und Überprüfung der Anwendbarkeit bei der Bewertung von Ergebnissen der Schienenprüfung.
Die Größenbewertung von Anzeigen und die Bestimmung der Nachweisgrenze spielen bei der Ultraschallprüfung eine zentrale Rolle: Sie stellen sicher, dass kritische Ungänzen erfasst und bruchmechanisch behandelt werden können.
Bei SAFT wurde bisher die Größe von Ungänzen dadurch bestimmt, dass die räumliche Anzeigenausdehnung im Rekonstruktionsergebnis ausgewertet wird, d.h. die Anzahl von Voxel über die sich eine Anzeige erstreckt. Auf diese Weise lassen sich jedoch nur Defektanzeigen bewerten, die größer oder gleich der Wellenlänge sind. Bei kleinen Defekten versagt diese Methode, d.h. es ist keine Größenbewertung möglich. Außerdem bietet diese Methode keine Aussage über die Nachweisgrenze des Verfahrens.
Ein Hauptvorteil von SAFT gegenüber der konventionellen Ultraschallprüfung ist aber gerade die Verbesserung der Nachweisgrenze, denn SAFT steigert das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) gegenüber dem Gefügerauschen und reduziert statistisches Rauschen. Um diesen Hauptvorteil nutzen (und quantifizieren) zu können, wird für SAFT eine Methode zur Nachweisgrenzenbestimmung und zur Größenbewertung der Anzeigen kleiner Ungänzen benötigt.
Neben ihrer räumlichen Ausdehnung lassen sich Anzeigen im SAFT-Ergebnis auch durch ihre Amplitude charakterisieren, wenn die Prüfkopfeigenschaften und die geometrischen Verhältnisse beim Scan berücksichtigt werden. Genauer gesagt durch die Amplitudensumme, in die - neben der Echoamplitude - auch die winkelabhängige Streucharakteristik eingeht.
Im Folgenden wird dargelegt, dass sich die Amplitudensumme zur Nachweisgrenzenbestimmung und zur Größenbewertung kleiner Ungänzen eignet.
Es wird der Zusammenhang zwischen der Amplitudensumme und der Größe von Ungänzen dargestellt, und es wird gezeigt, dass auch die Anzeigenposition und die Form des Prüfobjektes eine Rolle spielen können. Auf dieser Basis wird eine Methode zur Größenbestimmung kleiner Anzeigen im SAFT-Ergebnis entwickelt.
Damit lässt sich das SAFT-Ergebnis als Ersatzfehlergröße darstellen, so wie das bei konventioneller Ultraschallprüfung z.B. mit Hilfe von AVG-Diagrammen erfolgt.
Durch die Vervollständigung um die Größenbewertung ist SAFT nicht mehr nur ein bildgebendes Verfahren, sondern es kann vielmehr als vollwertiges Messverfahren dienen.
Der einwandfreie Zustand der Radsätze von Schienenfahrzeugen ist von größter Bedeutung für den sicheren Betrieb. Die Radsatzwellen werden durch eine große Zahl von Lastwechseln individuell unterschiedlich beansprucht. Dabei spielen viele Einflüsse wie äußere statische und dynamische Lasten, innere Lasten aufgrund von Unwuchten und inneren Spannungen und Umweltbedingungen entscheidende Rollen. Eine regelmäßige Prüfung ist daher obligatorisch.
BTD entwickelt im Rahmen eines MNPQ-Projektes in Kooperation mit der BAM eine Phased Array Technik zur automatisierten Prüfung von Radsatzwellen im eingebauten
Zustand. Die schwierigen Ankoppelbedingungen aufgrund der begrenzten Zugänglichkeit, der komplexen Geometrie und möglicherweise vorhandener Farbschichten und Schmutz
auf der Radsatzwelle stellen hierbei große Herausforderungen dar. Um diesen zu begegnen,
werden neben optimierten Prüfköpfen, einer in die Wasservorlaufstrecke integrierten
akustischen Linse und einer speziellen Ankoppeltechnik auch Signalverarbeitungsalgorithmen
eingesetzt.
Die Darstellung der Signalverarbeitung ist der Schwerpunkt dieses Beitrages. Mit Hilfe von Messdatensätzen präparierter Testwellen werden verschiedene Algorithmen
erprobt und hinsichtlich der Stabilität, dem Verhalten bezüglich der
Ankoppelschwankungen und veränderter Wellengeometrien und der Fähigkeit zur
automatischen Unterscheidung von Fehler- und Formanzeigen bewertet. Letztlich wird die
beste Lösung im entwickelten Prüfsystem eingesetzt.
Die Synthetic Aperture Focusing Technique (SAFT) ist ein Verfahren zur Verarbeitung von HF-Bildern, die an unterschiedlichen Prüfkopfpositionen aufgenommen wurden. Es wird in der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung genutzt, um eine Abbildung von Materialfehlern innerhalb des Gebietes zu erstellen, auf das die Rekonstruktion angewandt wird. Die nach Abschluss der SAFT-Rekonstruktion zusammengestellten Informationen über Reflektoren liegen zunächst nach wie vor in Form von HF-Daten vor. Die Interpretierbarkeit der SAFT-Bilder ist im Allgemeinen davon abhängig, wie diese Daten vor der endgültigen Darstellung aufbereitet werden. Die Bildung der Amplitudeneinhüllenden aus dem zugehörigen analytischen Signal stellt eine Möglichkeit einer solchen Aufbereitung nach Anwendung des SAFT-Algorithmus dar. Sie ist jedoch nur im eindimensionalen Fall eindeutig definiert. In diesem Beitrag wird das Konzept der analytischen Signale mit single-orthant-Spektren aufgegriffen, um eine Detektion der Einhüllenden an mehrdimensionalen HF-Daten durchzuführen. Dabei wird über die Betragsquadrate aller möglichen nach dieser Definition zu bildenden analytischen Signale gemittelt. Es wird gezeigt, dass die Anwendung des beschriebenen Verfahrens einem Separationsansatz entspricht. Außerdem wird eine Möglichkeit aufgezeigt die Gültigkeit dieses Ansatzes anhand der totalen und partiellen Hilberttransformationen des Signals im konkreten Fall zu überprüfen. Die Ergebnisse dieser Methode zur Verbesserung von SAFT Bildern werden unter Verwendung synthetischer und experimenteller Daten an rekonstruierten Abbildungen verschiedener Reflektorarten beispielhaft dargestellt.
Faserverbundwerkstoffe wie kohlefaserverstärkte Kunststoffe CFK sind vergleichsweise schwer mit Ultraschall zu prüfen, weil die starke Dämpfung, der inhomogene Aufbau und die akustische Anisotropie die Wellenausbreitung behindern bzw. komplizieren. Die Folge ist, dass die Ansprüche an die Prüfung oft stark reduziert werden müssen. Die vorgestellte Prüftechnik nutzt die Möglichkeiten der räumlichen Fokussierung und des zweidimensionalen Winkelscans von Matrix Phased Array Prüfköpfen MPA in Kombination mit Echosignalüberlagerungsalgorithmen für eine substantielle Verbesserung der Auflösung und des Signal-Rausch-Verhältnisses. Sowohl bei der Ansteuerung des MPA als auch bei der Auswertung wird die Anisotropie des Werkstoffs berücksichtigt. Das MPA wird über die Oberfläche bewegt und an einer Anzahl von Messpunkten werden zweidimensionale Winkelscans durchgeführt. Das Ergebnis sind räumliche Echohöhenverteilungen, aus denen Schnittbilder oder auch Volumendarstellungen erzeugt werden können.
Anhand von Messungen an CFK-Platten mit Flachbodenbohrungen KSR 1 und 2 sollen die Empfindlichkeit und das Auflösungsvermögen der Prüftechnik demonstriert werden. Weiterhin werden Untersuchungen an Impaktschäden gezeigt, die typischerweise bei Faserverbundwerkstoffen bei starken punktförmigen Belastungen auftreten.
Die Kombination der Synthetic Aperture Focusing Technique (SAFT) mit der Tauchtechnik stellt eine besondere Herausforderung dar. Zwei für SAFT notwendige Bedingungen – die große Schallbündeldivergenz und die Kenntnis über den Ort des Senders bzw. des Empfängers, der für die phasenrichtige Überlagerung der Echosignale genau bekannt sein muss – lassen sich einfach erfüllen, wenn kleine, fast punktförmige Sensoren direkt auf der Oberfläche des Prüfobjektes ankoppeln. Diese Anordnung ist in der Regel nicht vereinbar mit den praktischen Ansprüchen an die Signalqualität und die Flexibilität der Prüftechnik.
Werden jedoch Prüfköpfe mit üblichen Abmessungen und zudem noch mit Vorlaufstrecken verwendet, dann ist die Bestimmung der Sensororte und der Schalllaufwege durch die brechende Fläche nicht mehr trivial, wenn man die für SAFT geforderte Genauigkeit in Rechnung stellt.
Etwas anderes, aber ein im Prinzip einfacher Weg zur räumlichen Lokalisation von Echoquellen ist die Auswertung des 2D Sektorscans eines Matrixarrays und dessen dreidimensionale Darstellung. Durch gezielte Steuerung des Arrays gelingt auf einfache Weise die ortsrichtige Zuordnung.
Bei der Prüfung von gekrümmten Bauteilen in Tauchtechnik muss man die Veränderung des Schallfeldes durch die Form der Oberfläche berücksichtigen. Insbesondere bei hochauflösenden Ultraschallprüfungen mit Fokusprüfköpfen kommt es hierbei zu drastischen Verzerrungen des Schallfeldes.
Diese Verzerrungen sind bei der Empfindlichkeitseinstellung sowie bei der Auslegung von Fokuspunkt- und Spurabstand zu berücksichtigen, um eine ausreichende Prüfempfindlichkeit zu erreichen. Es werden Beispiele von Simulationsrechnungen an typischen Prüfanordnungen vorgestellt.
Die wiederkehrende zerstörungsfreie Prüfung von längs gebohrten
Eisenbahnradsatzwellen mit Ultraschall erfolgt im eingebauten Zustand aus der Wellenbohrung heraus. Neben den aufzufindenden Fehleranzeigen erzeugt aufgrund der geometrischen Bedingungen der Radsatzwelle hierbei jeder Querschnittsübergang eine umlaufende Formanzeige in der Ergebnisdarstellung. Durch den Prozess des Aufschrumpfens der Radscheiben auf die Sitze können weiterhin örtlich statistisch verteilte Bereiche im Sitz entstehen, die bei der Ultraschallprüfung Anzeigen hervorrufen, die so genannten Scheinanzeigen. Insbesondere in den Bereichen der Querschnittsübergänge ist zum einen die Prüfsituation sehr komplex, zum anderen ist hier die Wahrscheinlichkeit für eine Rissbildung am höchsten. Bei der Befundanalyse stößt die derzeit verwendete Prüftechnik in diesen Bereichen an ihre Grenzen, so dass nicht immer eine eindeutige Prüfaussage erfolgen kann. Im Bericht werden Lösungsansätze für Analyseverfahren vorgestellt, die auf Basis der Gruppenstrahlertechnik bzw. mit Fokusprüfköpfen in Verbindung mit dem Einsatz von Signalverarbeitung vielversprechende Ergebnisse zur Optimierung dieser Situation aufzeigen.