Seitdem das OmniScan X3 Prüfgerät über die AIM-Modellierung (Acoustic Influence Map) verfügt, ist sie zu einem festen Bestandteil für die Erstellung von Prüfplänen für die Total Focusing Method (TFM) geworden. AIM schätzt die Abdeckung der akustischen Intensität für verschiedene TFM-Wellengruppen und Streuungsarten, sodass ein Prüfplan erstellt werden kann, der die Erkennungswahrscheinlichkeit maximiert.
Mit der Einführung von MXU 5.10 profitieren Prüfer von drei wichtigen Upgrades für AIM, die die Funktionen und die Bedienerfreundlichkeit der Prüfplanhilfe von OmniScan X3 und X3 64 optimieren.
1. Unterstützung für 3D-Prüfgeometrien
Bisher unterstützte AIM nur lineare Sensoren, bei denen der TFM-Prüfbereich direkt unter der Hauptachse der Elemente liegt. Mit dem MXU 5.10 Update unterstützt AIM jetzt Dual Linear Array (DLA) und Dual Matrix Array (DMA) Sensoren für ebene, Außendurchmesser in Umfangsrichtung (COD) und Außendurchmesser in Achsrichtung (AOD) Geometrien. Diese Änderung wird durch eine umfassende Überarbeitung des AIM-Modells ermöglicht.
Das aktualisierte AIM-Modell liefert ähnliche Ergebnisse wie einige andere kommerzielle Softwarepakete für akustische Simulationen. Nachstehend sind zu Vergleichszwecken Bilder einer LL-TFM-Wellengruppe einer AOD-Geometrie mit dem aktualisierten AIM-Modell (rechts) und die Empfindlichkeitsanzeige von CIVA 2021 (entwickelt von CEA LIST) (links) dargestellt.
A27 Sensoren für AOD-Geometrie im LL-Modus mit AIM-Modell (links) verglichen mit der CIVA Software (rechts)
Für dieses Beispiel wurde eine Konfiguration mit einem 4DM16X2SM-A27 Sensor und einem SA27-DN55L-FD25-IHC-AOD10.75 Vorlaufkeil auf einem Rohr mit einem Außendurchmesser von 10,75 Zoll (273,05 mm) verwendet. Es ist klar zu sehen, dass das neue AIM-Modell und das CIVA 2021 Modell nahezu identische Darstellungen dieser AOD-Geometrie mit dem DMA-Sensor bieten.
2. Verbesserte Genauigkeit im Nahfeld des Sensors
Ein zweiter Vorteil des überarbeiteten AIM-Modells ist eine bessere Simulationsgenauigkeit im Nahfeld des Sensors. Da die verbesserte Genauigkeit bei Kontaktprüfungen deutlicher wird, wurde ein Einzelschwinger-Kontaktprüfkopf verwendet, um die folgenden Beispielbilder zu erstellen. Die Größe des Elements beträgt 1 mm × 10 mm, und die Mittenfrequenz beträgt 5 MHz.
Diese Bilder zeigen das Signal im Nahfeld des Einzelschwingers unter Verwendung des alten und des neuen AIM-Modells im Vergleich zum genauen numerischen Rayleigh-Modell. Das genaue Rayleigh-Modell wird konstruiert, indem Teile von 100.000 gleichmäßig verteilten Punktquellen auf der Oberfläche des einzelnen Elements summiert werden.
Verbesserte AIM verglichen mit genauem Rayleigh-Modell für einen Einzelschwinger-Prüfkopf im LL-Modus
Alte AIM im Vergleich zum genauen Rayleigh-Modell für einen Einzelschwinger-Prüfkopf im LL-Modus
Auffällig ist die Ähnlichkeit zwischen dem verbesserten AIM-Modell und dem Rayleigh-Modell, selbst bei einem Beobachtungsabstand von 1 mm (0,04 Zoll) von der Elementoberfläche. Im Gegensatz dazu weist das alte AIM-Modell Oszillationen im Nahfeld auf, was die Genauigkeit von Simulationen im Nahfeld-Kontaktmodus beeinträchtigen könnte.
3. Normalisierte Empfindlichkeitsanzeige
Vor MXU 5.10 wurde die Empfindlichkeitsanzeige von AIM in willkürlichen proportionalen Einheiten angegeben, die nur verwendet werden konnten, um die relative Empfindlichkeit zwischen verschiedenen Wellengruppen zu vergleichen. Jetzt haben wir die Empfindlichkeitsanzeige neu skaliert, um eine intuitivere Interpretation der Empfindlichkeit eines Prüfplans zu ermöglichen. Im nächsten Abschnitt werden die Berechnungen erläutert, die die MXU Software durchführt, um die Empfindlichkeitsanzeige für jede AIM-Karte zu generieren. Es folgen hier einige konkrete Beispiele, aus denen hervorgeht, wie die normalisierte Empfindlichkeitsanzeige zu interpretieren ist und in der Praxis angewendet werden kann.
Berechnung des theoretischen Maximums der AIM-Empfindlichkeitsanzeige
Die Empfindlichkeitsanzeige entspricht dem maximalen Amplitudenwert in einer AIM-Karte. Für jedes Pixel wird die Amplitude durch 3 Komponenten bestimmt (Sendeimpuls, Empfangssignal und Streuungskoeffizient):
(1)
Das sind die Definitionen für die Gleichung (1):
- N ist die Anzahl Sendeelemente und M die Anzahl Empfangselemente.
- Ti ist der Sendeimpuls des i-ten Sendeelements. Ein Maximalwert von 1 steht für perfekte Übertragung. Mit anderen Worten ist die übertragene Intensität am Pixel derselbe Wert wie die Intensität auf der Oberfläche des Sendeelements.
- Rj ist das Empfangssignal des j-ten Empfangselements. Ein Maximalwert von 1 steht für perfekten Empfang. Mit anderen Worten wird die gestreute Intensität perfekt an der Oberfläche des Empfangselements empfangen.
- aij ist der Streuungskoeffizient vom i-ten Sendeelements zum j-ten Empfangselements. Ein Maximalwert von 1 steht für perfekte Streuung. Mit anderen Worten wird die einschallende Intensität auf das Pixel perfekt in die Empfangsrichtung gestreut.
Gleichung (1) zeigt, dass der theoretische Maximalwert für die Empfindlichkeit NM ist, wenn es N Sendeelemente und M Empfangselemente gibt. Dieser Wert wird jedoch bei typischen TFM-Konfigurationen nicht erreicht.
Unterschiede der Empfindlichkeitsanzeige für ebene und sphärische Streuungsarten
Wie bei früheren AIM-Versionen unterstützt AIM in MXU 5.10 jetzt sphärische und ebene Streuungsarten. Im neuen AIM-Modell wird die sphärische Streuung als ideale Punktstreuung betrachtet, bei der die einschallende Intensität am Pixel perfekt in die Empfangsrichtung gestreut wird. Mit anderen Worten hat aij für alle Sende- und Empfangskombinationen den Wert 1.
Die ebene Streuung wird in AIM als kreisförmiger Hohlraum mit 3 mm Durchmesser modelliert. Der Streuungskoeffizient αij ist eine komplexe Funktion der Frequenz und der Vektoren für die Normale (normal), den Einschall (incident), die Reflexion (reflected) und die Beobachtung (observation) im 3D-Modell. In dieser schematischen Zeichnung werden diese Vektoren gezeigt:
Schema mit Vektoren für die Normale (normal), den Einschall (incident), die Reflexion (reflected) und die Beobachtung (observation) für einen kreisförmigen Hohlraum
Bei diesem Beispiel des kreisförmigen Hohlraums (Abbildung 4) wäre der reflektierte Winkel θr gleich dem Einschallwinkel θ i, wenn an der Oberfläche der gerichteten Streuung keine Modenumwandlung stattfindet. Es ist auch zu beachten, dass der Vektor für die Beobachtung nicht auf der Ebene liegen darf, die durch den Vektor für die Normale, den Einschall und die Reflexion gebildet wird.
Für diese Streuungsart wird der Maximum αij Wert 1 erreicht, wenn der Vektor für den Einschall, die Reflexion oder die Beobachtung alle mit dem Vektor für die Normale übereinstimmen. Dies wäre im Impuls-Echo-Modus der Fall, wenn die gesendeten und empfangenen Schallbündel genau senkrecht zum gerichteten Fehler stehen. Da der Wert αij für eine spezielle Teilmenge von Tx/Rx-Kombinationen 1 beträgt, wäre die Empfindlichkeitsanzeige für AIM-Karten für eine ebene Streuung allgemein niedriger als der entsprechende Empfindlichkeitsindex für eine ideale sphärische Streuung.
So wird die normalisierte Empfindlichkeitsanzeige von AIM interpretiert und verglichen
Diese Beispiele zeigen AIM-Karten mit Empfindlichkeitsanzeige für drei verschiedene Konfigurationen, die denselben linearen 5L32-A32 Sensor verwenden. Die Interpretation ist unter jedem Beispiel erklärt.
Für die erste Konfiguration wird der Sensor im LL-Kontaktmodus verwendet, die entsprechende AIM-Karte für eine sphärische Streuung ist hier gezeigt:
Konfiguration 1: AIM-Karte für LL-Kontakt im Spherical Modus (Empfindlichkeitsanzeige = 19,91)
Für diese Konfiguration beträgt der normalisierte Empfindlichkeitsanzeige 19,91, obwohl der theoretische Maximalwert 1024 beträgt (32 Sende- und 32 Empfangselemente). Die Abweichung vom Maximalwert ist hauptsächlich auf die Richtcharakteristik des Elements und die geometrische Schallbündelausbreitung zurückzuführen.
Für die zweite Konfiguration ist der Sensor an einen SA32LS-N55S-Group D Vorlaufkeil gekoppelt und wird im TT-Modus für die COD-Geometrie verwendet. Der Außendurchmesser des Rohrs ist auf 10,75 Zoll (273,05 mm) eingestellt. Die entsprechende AIM-Karte für eine sphärische Streuung ist hier dargestellt:
Konfiguration 2: AIM-Karte für TT-COD Spherical Modus (Empfindlichkeitsanzeige = 1,25)
In dieser AIM-Karte ist zu sehen, dass sich einige schwarze Pixel in der Nähe der Oberfläche am Außendurchmesser direkt vor dem Vorlaufkeil befinden. Diese schwarzen Pixel zeigen, dass mindestens ein Schallweg aufgrund der physikalischen Grenzen des Vorlaufkeils nicht von einem Element zu dem Pixel nachverfolgt werden kann. Zu beachten ist, dass die Empfindlichkeitsanzeige jetzt 1,25 beträgt, was darauf hinweist, dass eine zusätzliche Verstärkung von 24 dB erforderlich ist, um den gleichen erwarteten Fehleramplitudenpegel wie bei der vorherigen Kontaktkonfiguration zu erreichen. Die Abnahme der Empfindlichkeitsanzeige ist hauptsächlich auf eine erhöhte geometrische Schallbündelausbreitung und komplexe Brechungskoeffizienten an der Grenzfläche zwischen Vorlaufkeil und Prüfteil zurückzuführen.
Die dritte Konfiguration ist die gleiche wie die zweite, aber diese AIM-Karte ist für einen ebenen Reflektor:
Konfiguration 3: AIM-Karte für TT-COD im Planar Modus (Empfindlichkeitsanzeige = 1,25)
Der Winkel des Fehlers wurde auf 27° eingestellt, sodass die Normale des Fehlers größtenteils senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Hauptschallbündels verläuft. Selbst bei optimaler Fehlerausrichtung beträgt die Empfindlichkeitsanzeige für die ebene Streuung nur 0,44. Die Empfindlichkeitsanzeige liegt unter dem Niveau der vorherigen Darstellung von 1,25, da nicht für alle Kombinationen der Sende- und Empfangselementen eine perfekte Rechtwinkligkeit zwischen der Fehleroberfläche und der Ausbreitungsrichtung der Schallbündel erreicht werden kann.
Auf der Software Downloads Seite können Sie das MXU 5.10 Upgrade und das AIM-Upgrade (scrollen Sie nach unten zu „OmniScan“) herunterladen.
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