Imagini Phased Array de înaltă rezoluţie folosind Total Focusing Method (TFM)

Wolfram A. Karl DEUTSCH, Werner ROYE, Helge RAST,  KARL DEUTSCH Prüf- und Messgerätebau GmbH + Co KG, Wuppertal, Germany

Philippe BENOIST M2M-NDT, Les Ulis, France

Contact e-mail: rast@karldeutsch.de

Abstract. Tehnica de control nedistructiv ultrasonic cu Phased Array este folosită de mai mulţi ani în domeniile medicale şi cele tehnice. Datorită creşterii performanţelor informaticii, în zilele noastre, pot fi folosite de asemenea aceste tehnici ce oferă rezoluţii înalte ale imaginii, comparativ cu scanarea tradiţională şi cea liniară, şi care se bazează doar pe cîmpuri sonice focalizate. Total Focusing Method (TFM) este un algoritm de procesare a semnalului folosind datele obtinute de la o matrice de sonde (FMC). Toate calculele sunt realizate cu o rată de pînă la 30 de cadre pe secundă. Cu TFM pot fi definite imagini de la diferitele moduri ultrasonice, pentru undele longitudinale, pentru undele de forfecare şi chiar şi pentru modul de conversie, ca Long-Long-Trans (LLT), de exemplu. Tehnica LLT poate înlocui tehnicile tradiţionale în tandem, datorită avantajelor oferite în ceea ce reprezintă spaţiul necesar, fiind nevoie de o singură matrice de sonde. Rezultatele practice pot fi demonstrate şi discutate în timpul prezentării.

Introducere

Bine cunoscutele tradiţionale tehnici Array, "Sector Scan" şi "Linear Scan" furnizează imagini ultrasonice cu rezoluţii laterale de 2 sau 3 lungimi de undă, în cazul în care cîmpul sonic este focalizat corespunzător.

Prin intermediul metodei Total Focusing Method (TFM) poate fi obţinută o rezoluţie de o lungime de undă, în cazul în care se foloseşte o matrice cu 64 de sonde.

1 Total Focusing Method

1.1. Principiu

Metoda totală de focalizare (TFM) este un algoritm de procesare a semnalului, folosind datele în modul de captură matrice completă (CMP). Este specificată o zonă de calcul pentru reconstrucţia datelor. Această zonă reprezintă o grilă, iar pentru fiecare punct de pe această grilă, legile focalizării sunt calculate pentru întregul set de elemente ale matricei de sonde, pe etape. Toate semnalele înregistrate sunt decalate corespunzător în timp, înainte de a însumarea fiecărui punct al grilei. Bucla se termină când reconstrucţia se face pentru fiecare punct al grilei. Principalele avantaje ale FMC-TFM sunt imaginile directe ale unei zone mari, pentro o singură poziţie a sondei, combinată cu o focalizare optimă şi o rezoluţie spaţială

Fig. 1: Principiul TFM

Cu toate că sunt efectuate o mulţime de calcule, scanarea este posibilă la o rată de reîmprospătare de 30 de cadre pe secundă.

TFM poate oferi o rezoluţie laterală de o lungime de undă, în cazul în care sunt folosite suficiente elemente, de exemplu 64. Figura 2 prezintă un rezultatul controlului nedistructiv cu phased arraya blocului de calibrare, conform ASTM E 2497, cu un rînd vertical de găuri cu diametrul de 1 mm. În acest caz a fost utilizata o sondă de 5 MHz, ceea ce conduce la o lungime de undă de 1,2 mm. Pe imaginea B, TFM prezintă în mod clar găurile de 1 mm.

Mai mult decât atât, TFM permite unei matrici de sonde liniară, să se "uite" în toate direcţiile, datorită faptului că fiecare element de dimensiuni reduse, generează un fascicol ultrasonic foarte divergent. Figura 2 arată întregul şir vertical de găuri deşi sonda este poziţionată lateral faţă de şirul de găuri:

Fig. 2: Bloc ASTM rezultat TFM

1.2 Analysis and Sizing capabilities with TFM

Capabilităţile de analizare şi dimensionare cu TFM

Blocul de calibrare ASTM menţionat mai sus conţine, de asemenea, un şir de găuri cu un diametru de 1,5 mm. In figura 3 este prezentată o imagine B - TFM. Dacă în imaginea B sunt selectate 2 cursoare, sunt indicate şi distanţele, aici: Δx = 1,5 mm:

Fig. 3: Determinarea dimensiunii reflectorului

2 Aplicaţii TFM 

2.1 Controlul nedsitructiv al unei suduri în T

Mai jos este prezentat controlul nedisitructiv al unei suduri în T. Imbinările în T sunt adesea critice în ceea ce priveşte pătrunderea sudurii (cazul concret de sudură de mai jos conţine un defect artificial).

Fig. 4: Controlul nedistructiv al unei suduri în T, cu o sondă cu 64 elemente

Fig. 5: Imagini C, B şi A obţinute cu TFM

Fig. 6: Imagine B-TFM completă: este prezentat chiar şi conturul sudurii

2.2 Controlul nedsitructiv al unei suduri prin fricţiune a unui cîrlig de remorcare pentru autovehicule

Un alt tip de control se referă controlul nedistructiv al sudurii unui cîrlig de remorcare. Bara cu bila de remorcare este sudată la un arbore care este montat pe maşină. Acest tip de sudură trebuie să asigure rezistenţa maxima la toate tipurile de solicitări.

Controlul se efectuează folosind o matrice de 5 MHz, care cuprinde 32 de elemente. Pana este adaptată la diametrul arborelui de 40 mm. Apa asigură o cuplare ultrasonică constantă. Folosind TFM, sonda poate fi montată foarte aproape de sudură.

Clientul a proiectat un sistem mecanic pentru suportul de sondă, care permite rotirea arborelui. Un control complet, de 360°, are nevoie de 10 secunde, la o viteză de scanare de aprox. 13 mm/s.

Fig. 7: Reglarea aparatului pentru controlul barei sudate

Fig. 8: Rezultatele controlului TFM, stînga OK, dreapta NOK

2.3 Control nedsitructiv al inelelor de rulmenţi

Pentru controlul nedistructiv cu ultrasunete a inelelor de rulmenţi este necesară o foarte mare sensibilitate de control, de exemplu FBH cu un diametru de 0,5 mm şi o adîncime de 0,5 mm în faţa ecoului de fund. Gekko oferă un contrast şi un raport semnal/zgomot ridicate, datorită unui diafoniei între canale, foarte scăzute, de -50 dB, îndeplinind astfel această cerinţă.

 Cu toate acestea, în cazul în care peretele din spate este înclinat, cum este adesea, în cazul inelelor de rulmenţi, micile ecouri situate aproape de peretele din spate, interferează cu ecoul de fund de la peretele înclinat. Prin urmare, astfel de reflectoare nu pot fi detectate, nici cu sonde monocristal convenţionale şi nici cu tradiţionale array „sector and linear scans”. În acest caz, TFM este singura metodă de succes, a se vedea următoarele imagini:

Fig. 9: Bloc de calibrare cu perete de fund înclinat cu 2 FBH Ø 1 mm (1 mm adîncime) şi Ø 0,5 mm (0,5 mm adîncime)

Fig. 10: Indicaţii de la cele 2 FBH de pe peretele de fund înclinat

FFig. 11: Imaginea cu zoom de la FBH Ø 0,5 mm cu adincimea de 0,5 mm

2.4 Controlul nedistructiv al pieselor turnate

Oţelul şi aliajele uşoare turnate conţin adesea cavităţi de contracţie. Datorită suprafeţelor lor dendritice reflecţia undelor ultrasonice este slabă. În cazul în care sunt folosite metodele AVG sau DAC pentru estimarea dimensiunii defectului, în conformitate cu standardele de control pentru piese turnate, descoperim adesea o severă sub-dimensionare.

Cu toate acestea TFM, emite şi recepţionează la/de la diferite direcţii, permiţînd astfel o mult mai bună reflectare a dendritelor, ceea ce asigură o determinare a dimensiunii defectului mult mai precisă, în comparaţie cu metodele bazate pe AVG şi DAC.

Fig. 12: Controlul turnatelor cu TFM

2.5 TFM cu modul conversie

Gekko permite de asemenea tehnici TFM care iau în considerare modul de conversie. Un exemplu este prezentat mai jos:

Fig. 13: Bloc de calibrare cu FBH vertical

Blocul de calibrare, din fig. 13 conţine o FBH verticală, care este folosită în mod tradiţional ca reflector de referinţă pentru tehnicile de control în tandem, cu două traductoare unghiulare. Pentru diferite adîncimi, distanţa dintre sonde tandem trebuie schimbată sau trebuie folosită altă pereche de traductoare, ceea ce face ca tehnica tandem să fie adesea greoaie.

Cu o matrice liniară şi cu tehnica LLT (Long-Long-Trans), este necesară doar o singură sondă, şi se simplifică manipularea sondei.

Fig. 14: Stînga: Indicarea peretelui vertical, dreapta: indicarea FBH verticale, 10 mm înaintea peretelui vertical

Concluzii

Spre deosebire de cele traditionale phased array „sector scans” şi „linear scans”, Total Focusing Method oferă imagini laterale cu o rezoluţie de doar o singură lungime de undă, dacă sunt folosite matrici cu 64 de elemente. Total Focusing Method permite obţinerea unor imagini laterale de la defecte, datorită faptului că fiecare element al matricii generează un fascicol divergent care "caută" în toate direcţiile.

Pe lîngă o scurtă descriere a principiului de bază al TFM sunt prezentate şi cîteva exemple practice privind controlul nedistructiv al sudurilor speciale, a inelelor de rulmenţi şi a pieselor turnate cu geometrii diferite, în care TFM conduce la o mai bună dimensionare a cavităţilor de contracţie.