Карта акустического воздействия TFM

Chi-Hang Kwan
Guillaume Painchaud-April
Benoit Lepage
Данная исследовательская работа изначально представлена на симпозиуме ASNT в 2019 г.

АННОТАЦИЯ

В этой статье мы представляем недавно разработанную полуаналитическую модель для прогнозирования карты амплитудной чувствительности TFM (метода общей фокусировки) для поиска ненаправленных и направленных дефектов. Для сложных акустических путей, включающих множественные интерфейсные взаимодействия и преобразования волновых мод, знание карты акустического воздействия (AIM) позволяет контролерам оптимизировать план сканирования, а значит, максимизировать отношение сигнал-шум полученного изображения TFM и увеличить вероятность обнаружения дефектов. Точность этой новой акустической модели была протестирована и подтверждена с использованием контрольных образцов, имеющих боковые сверления (SDH) и плоскодонные отверстия (FBH). Результаты экспериментов показывают хорошее соответствие между эмпирическими картами амплитуд TFM и теоретической AIM. Результаты также показывают, что модель может использоваться для выбора оптимального режима контроля TFM.

ВВЕДЕНИЕ

TFM (Метод общей фокусировки) – находящийся в последние годы в постоянном развитии метод реконструкции луча с синтетической апертурой [1]. Применяя соответствующие задержки передачи и приема к данным A-скана, полученным методом полноматричного захвата (FMC), TFM может сфокусироваться электронным образом на любой точке в пределах зоны контроля. Поскольку речь идет о фокусировке электронного луча, TFM может обеспечить лучшее разрешение по сравнению с традиционным методом ультразвукового контроля с применением фазированной решетки. Кроме того, путем расчета и применения времени пролета нескольких акустических мод, многорежимный TFM может предоставить дополнительную информацию об исследуемом образце [2].

Несмотря на перечисленные выше преимущества, TFM также имеет ограничения, определяемые физическими законами. Зона контроля может иметь плохую чувствительность из-за эффектов интерфейсного взаимодействия, ограничений формирования луча и затухания пути распространения звука. Ввиду новизны TFM, отсутствия стандартов контроля и сложности многорежимной TFM-визуализации, большинство контролеров не знакомы с физическими ограничениями TFM и, следовательно, не могут определить оптимальный план сканирования для максимизации отношения сигнал-шум (ОСШ) и повышения вероятности обнаружения. Соответственно, необходим инструмент, который оценивает карту акустической чувствительности для данного плана сканирования TFM.

АКУСТИЧЕСКАЯ ОБЛАСТЬ ВЛИЯНИЯ

Карта акустического воздействия (AIM) — это теоретическая карта амплитудной чувствительности для данного конкретного плана сканирования TFM. В целом, карта AIM будет разной для направленных и ненаправленных рассеивателей (дефектов). Примеры ненаправленных рассеивателей в области НК включают шлаковые включения и пористость в сварных швах. Примеры направленных рассеивателей: несплавления в сварных швах и различные трещины. Направленный рассеиватель (дефект) — важный параметр, который часто игнорируется при моделировании систем, использующих преобразователи с фазированной решеткой (ПФР).

Для построения AIM, мы разработали полу-аналитическую акустическую модель на базе УЗ-лучей, которая рассчитывает двусторонний эхо-сигнал в режимах импульс-эхо, самотандем и TFM (двойного отражения). Эта акустическая модель учитывает влияние коэффициентов пропускания и отражения, геометрического распространения луча и затухания в материале. Кроме того, в нашей модели, мы также использовали интеграл Рэлея-Зоммерфельда [3] для моделирования рассеяния волн в дальней зоне для плоскодонного отверстия (FBH). Рассеяние волн FBH используется для имитации направленных дефектов.

ОПИСАНИЕ ИСПЫТАНИЙ Для проверки точности акустической модели, мы провели несколько экспериментов, чтобы сравнить полученные карты амплитуд TFM с теоретически рассчитанной AIM-картой TFM. Ниже представлены результаты, полученные в ходе двух экспериментов. Первый эксперимент был проведен на контрольном образце с боковыми цилиндрическими отверстиями (SDH) малого диаметра, которые имитируют рассеянные волны ненаправленных дефектов. Второй эксперимент был проведен на контрольном образце с несколькими FBH, которые имитируют рассеянные волны направленных дефектов. Результаты, представленные в данной статье, определяют ось x положительной справа от первого элемента преобразователя, а ось z — положительной ниже поверхности тестового образца. Схематическая диаграмма данной координатной системы представлена на Рис. 1.

Рис. 1: Система координат, используемая в данном документе

Проверка бокового сверления (отверстия)

Эксперимент по проверке SDH проводился на тестовом образце из стали NAVSHIPS 1018, который включал шесть боковых сверлений (SDH) диам. 1,2 мм на глубине от 6,25 до 37,5 мм с шагом 6,25 мм. Если перевернуть тестовый образец, можно измерить SDH на глубине от 6,25 до 68,75 мм. Для этого эксперимента мы использовали 32-элементный преобразователь 5L32-A31 с центральной частотой 5 МГц и шагом элемента 0,6 мм. Преобразователь был установлен на призму Rexolite SA31-N55S-IHC с углом наклона 36,1º. Схематический чертеж экспериментальной модели представлен на Рис. 2.

Рис. 2: Схематическая диаграмма сканирования SDH. Показан только вид сверху.

Перемещая преобразователь вдоль поверхности образца, мы получили рассеивающие эхо-сигналы от SDH, расположенных на разном расстоянии от ПЭП. Наборы данных FMC были получены в каждом положении сканирования для последующей обработки и создания эмпирических карт амплитуд TFM. Описание алгоритма постобработки см. в следующем подразделе.

Создание эмпирической карты амплитуд TFM

Основные шаги для создания эмпирической карты амплитуд TFM:

• Для конкретного дефекта в фиксированном положении сканирования используйте строб глубины (в направлении z) для получения линии амплитуды по ширине карты амплитуд.
• Повторите шаг 1 для разных положений сканирования, чтобы получить составную амплитудную линию для данного дефекта.
• Повторите шаги 1 и 2 для всех других дефектов, чтобы получить составные амплитудные линии в разных z-положениях.
• Интерполируйте составные амплитудные линии в направлении z для получения финальной карты амплитуд TFM.

Шаг 1 показан на Рис. 3. Рис. 3 показывает, что мы сначала формируем полосу TFM по ширине карты амплитуд на глубинах, заданных стробом z. Положение строба z выбирается исходя из известной глубины залегания дефекта. В каждом положении X вдоль полосы TFM максимальная амплитуда взята вдоль z-направления для получения амплитудной линии, представленной на Рис. 3 (внизу).

Рис. 3: Получение амплитудной линии для данного дефекта в одном положении сканирования

Чтобы сформировать составную амплитудную линию для данного дефекта, мы сравниваем все амплитудные линии, полученные в разных положениях сканирования, и записываем максимальные значения амплитуды. Эта процедура представлена на Рис. 4.

Рис. 4: Процедура формирования составных амплитудных линий в разных положениях сканирования.

После формирования составной амплитудной линии для данного дефекта, процедура повторяется для всех дефектов на разной глубине. На Рис. 5 показаны составные амплитудные линии в режиме импульс-эхо TT, полученные для SDH на тестовом образце NAVSHIPS (верхняя и нижняя ориентации). На Рис. 5 и других иллюстрациях, полученных в ходе эксперимента TFM, амплитуды не нормированы. Поскольку в устройствах сбора данных используется 12-разрядный АЦП, а преобразователь содержит 32 элемента, теоретическая максимальная амплитуда TFM-изображения составляет 2097152 (212 ÷ 2 × 32 × 32).

Имейте в виду, что составные амплитудные линии для SDH, расположенных на глубине 6,25 мм, 62,5 мм и 68,75 мм, не показаны на Рис. 5. Из-за близости этих SDH к боковым границам тестового образца было невозможно получить полные составные амплитудные линии по всей ширине карты амплитуд.

Рис. 5: Составные амплитудные линии SDH тестового образца NAVSHIPS.

Сравнение эмпирических карт амплитуд TFM с AIM

В результате интерполяции в направлении по оси z на составных амплитудных линиях, представленных на Рис. 5, мы получили эмпирическую карту амплитуд TFM (см. Рис. 6а).

Рис. 6 (а) показывает, что данный план сканирования TFM имеет плохую чувствительность при малом (30º) и большом (> 70º) углах ввода. Низкая чувствительность при малых углах ввода обусловлена ​​малыми значениями коэффициента пропускания между призмой Rexolite и стальным образцом [4]. Напротив, низкая чувствительность при больших углах ввода обусловлена ​​плохой фокусировкой, вызванной большой эффективной апертурой F [5]. Эти данные соответствуют рекомендуемым значениям углов ввода для ультразвукового ФР-контроля под наклоном [6].

Рис. 6: (a) Эмпирическая карта амплитуд SDH и (b) теоретическая AIM-карта SDH для режима импульс-эхо TT. Были добавлены углы ввода 30º и 70º (от средней точки активной апертуры). Соответствующая теоретическая AIM-карта SDH показана на Рис. 6 (б).

Сравнение Рис. 6 (a) и Рис. 6 (b), показывает, что акустическая модель может точно прогнозировать зону с оптимальной чувствительностью на плане сканирования. Расхождения между двумя Рис. можно объяснить небольшими колебаниями в акустическом контакте в ходе перемещения ПЭП по поверхности образца. Обратите внимание, что амплитуда теоретической AIM выражена в произвольных единицах, поскольку очень сложно смоделировать точную величину принятых сигналов напряжения от системы сбора данных. Однако, поскольку произвольные единицы измерения используются для разных AIM, все еще возможно сравнивать акустическую чувствительность TFM разных планов сканирования и разных акустических режимов.

Проверка плоскодонного отверстия

Чтобы проверить точность акустической модели для прогнозирования амплитудной чувствительности для направленных дефектов, мы провели несколько тестов на специально изготовленном образце. Контрольный образец толщиной 20 мм включает несколько FBH, просверленных для соответствия профилю типичного сварного шва с J-образной разделкой кромок. В данном исследовании мы используем 5 FBH, где нормальные векторы нижней поверхности ориентированы на 3º ниже горизонтали. Снимок образца с указанием осей сканирования представлен на Рис. 7.

Рис. 7: Специально изготовленный образец FBH с указанием осей сканирования

В данном эксперименте мы использовали 32-элементный преобразователь 5L32-A32 с центральной частотой 5 МГц и шагом элемента 1 мм. Преобразователь был установлен на призму Rexolite SA32-N55S-IHC с углом наклона 36,1º. Поскольку ориентация нижних поверхностей FBH близка к вертикали, полученные группы данных FMC были обработаны в режимах самотандем. Схематическая диаграмма плана сканирования представлена на Рис. 8.

Рис. 8: Схематическая диаграмма эксперимента, отображающая самотандемный режим TFM

Сравнение эмпирических карт амплитуд TFM с AIM

Эмпирическая карта амплитуд FBH и теоретическая AIM-карта FBH для самотандемного режима TTT показаны на Рис. 9 (a) и (b), соответственно. При сравнении двух графиков видно, что акустическая модель дает точную оценку относительной акустической чувствительности в зоне сканирования. Рис. 9 показывает, что самотандемный режим TTT лучше подходит для обнаружения вертикальных дефектов, расположенных вблизи донной поверхности образца.

Рис. 9: (а) Эмпирическая карта амплитуд FBH и (б) теоретическая AIM-карта FBH для самотандемного режима TTT.

Эмпирическая карта амплитуд FBH и теоретическая AIM-карта FBH для самотандемного режима TLT показаны на Рис. 10 (a) и (b), соответственно. И снова очевидно, что акустическая модель дает точную оценку относительной акустической чувствительности в зоне сканирования. Колебания эмпирической амплитудной карты от x = 25 мм до x = 40 мм вызваны помехами от других акустических режимов, имеющих одинаковое время прохождения.

Кроме того, если сравнить Рис. 9 и Рис. 10, мы видим, что отношения максимальных амплитуд между двумя самотандемными режимами составляют приблизительно 3,3 (13800/4200) для эмпирических карт амплитуд, и приблизительно 3,4 (1,23/0,36) для теоретической AIM-карты. Сходство отношений амплитуд предполагает, что акустическая модель также может быть использована для прогнозирования относительной акустической чувствительности в разных режимах визуализации TFM.

Рис. 10: (a) Эмпирическая карта амплитуд FBH и (b) теоретическая AIM-карта FBH для самотандемного режима TLT

ПРИМЕР ПРИМЕНЕНИЯ

Чтобы еще лучше продемонстрировать полезность акустической модели, мы представляем реальный пример применения, где теоретическая карта AIM используется для выбора режима контроля TFM. Мы проверили V-образный сварной шов с известным дефектом (несплавлением). Угол сварного шва составляет приблизительно 35º; мы использовали те же преобразователь 5L32-A32 и призму SA32-N55S-IHC, что при проверке FBH. Схематический чертеж экспериментальной модели показан на Рис. 11.

Рис. 11: Схематический чертеж контроля несплавления

В теоретической модели, несплавление смоделировано дефектом FBH диам. 5 мм, нижняя поверхность которого ориентирована на 35º от вертикали. Соответствующая теоретическая AIM-карта для самотандемного режима TLT и режима двойного отражения TTTT представлена на Рис. 12.

Рис. 12: Теоретическая AIM-карта для плана сканирования несплавления в (a) режиме самотандемного TLT и (b) режиме TTTT.

Рис. 12 показывает, что карта AIM в режиме TLT является более неоднородной по сравнению с режимом двойного отражения. Следовательно, было бы сложнее получить надежную оценку размера несплавления в режиме TLT. Кроме того, ожидаемая амплитуда в режиме TLT на 3 порядка ниже, чем в режиме двойного отражения. Эти теоретические AIM-карты позволяют нам сделать вывод, что режим двойного отражения TTTT является предпочтительным режимом TFM-визуализации. Соответствующие экспериментальные TFM-изображения представлены на Рис. 13.

Рис. 13: TFM-изображения несплавления в (a) самотандемном режиме TLT и (b) режиме двойного отражения TTTT.

Рис. 13 показывает, что TFM-изображение, полученное в режиме двойного отражения, имеет хорошее ОСШ и дает четкую оценку размера несплавления. И напротив, TFM-изображение в режиме самодандем имеет плохое ОСШ и включает изолированные эхо-сигналы, сложные для интерпретации. Изолированные эхо-сигналы — это, вероятно, дифрагированные эхо-сигналы от острых краев несплавления. Тем не менее, размер и тип дефекта трудно определить в режиме самотандема TLT.

Плохое ОСШ TFM-изображения в режиме самотандем TLT подтверждает низкую амплитуду, показанную на теоретической AIM-карте на Рис. 12 (а). Однако следует отметить, что отношение амплитуд эхо-сигналов для обоих режимов (см. Рис. 13) ниже, чем отношение амплитуд, прогнозируемое теоретической AIM на Рис. 12. Поскольку геометрия несплавления отличается от модели FBH, используемой для моделирования дефекта, амплитуды дифрагированных эхо-сигналов от острых краев несплавления могут быть недооценены в теоретической модели.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Мы продемонстрировали акустическую модель, которая может точно прогнозировать карту амплитуд TFM как для ненаправленных, так и для направленных дефектов. Для данного режима контроля, модель может использоваться для коррекции плана сканирования (апертура, частота сканирования, местоположение преобразователя и т. д.) в целях оптимизации ОСШ и улучшения вероятности обнаружения. Поскольку модель позволяет сравнивать относительную амплитуду в разных акустических режимах, ее также можно использовать для выбора оптимального режима реконструкции TFM. В будущем, мы планируем расширить модель до более сложных геометрий и включить больше моделей отражателей, чтобы повысить полезность модели.

СПРАВОЧНАЯ ЛИТЕРАТУРА

[1] C. Holmes, B. W. Drinkwater, and P. D. Wilcox, “Post-processing of the full matrix of ultrasonic transmit–receive array data for non-destructive evaluation,” NDT E Int., vol. 38, no. 8, pp. 701–711, Dec. 2005.

[2] K. Sy, P. Bredif, E. Iakovleva, O. Roy, and D. Lesselier, “Development of methods for the analysis of multi-mode TFM images,” J. Phys. Conf. Ser., vol. 1017, p. 012005, May 2018.

[3] L. W. S. Jr, Fundamentals of Ultrasonic Nondestructive Evaluation: A Modeling Approach, 2nd ed. Springer International Publishing, 2016.

[4] Foundations of Biomedical Ultrasound. Oxford, New York: Oxford University Press, 2006.

[5] S. I. Nikolov, J. Kortbek, and J. A. Jensen, “Practical applications of synthetic aperture imaging,” in 2010 IEEE International Ultrasonics Symposium, San Diego, CA, 2010, pp. 350–358.

[6] E. A. Ginzel and D. Johnson, “Phased-Array Resolution Assessment Techniques,” p. 13.