DE112006001786B4

DE112006001786B4 - Verfahren und System zum Bestimmen von Materialeigenschaften mittels Ultraschalldämpfung

Info

Publication number: DE112006001786B4
Application number: DE112006001786.1T
Authority: DE
Inventors: Silvio E. Kruger; Guy Lamouche; Daniel Levesque; Jean-Pierre Monchalin
Original assignee: National Research Council of Canada
Current assignee: National Research Council of Canada
Priority date: 2005-07-06
Filing date: 2006-06-30
Publication date: 2018-11-29
Anticipated expiration: 2026-07-01
Also published as: KR20080031004A; WO2007003058A1; DE112006001786T5; JP2008545123A; KR101281273B1

Abstract

Verfahren zum Verwenden einer Messung einer Ultraschalldämpfung, um eine Materialeigenschaft eines Prüfgegenstandes zu bestimmen, welches Verfahren im Effekt einen einzelnen detektierten, gedämpften Breitbandultraschallimpuls durch Vergleich mit einem Referenz-Breitbandultraschallimpuls, der eine Kompensation für Diffraktions- und Geometrieparameter des Prüfgegenstandes bedingt, normiert, umfassend:(a) Empfangen eines Interaktionssignals von einem Ultraschalldetektor an einem Detektionsort auf dem Prüfgegenstand als Reaktion auf das Auftreffen eines Breitbandultraschallimpulses auf den Detektionsort, wobei der Breitbandultraschallimpuls beim Durchlaufen des Prüfgegenstands gedämpft wurde, um so einen gedämpften Breitbandultraschallimpuls zu detektieren;(b) Transformieren eines Abschnitts des Interaktionssignals, der dem gedämpften Breitbandultraschallimpuls entspricht, von der Zeitdomäne in die Frequenzdomäne, um ein Amplitudenspektrum zu erhalten;c) Erhalten eines Referenz-Breitbandultraschallimpulses durch Anwenden von a) auf eine Referenzprobe mit hinsichtlich des gedämpften Breitbandultraschallimpulses äquivalenten Diffraktionseigenschaften;d) Anwenden von b) auf den Referenz-Breitbandultraschallimpuls, um ein Referenzamplitudenspektrum zu erhalten, welches dämpfungsfrei ist;(e) Vergleichen des Amplitudenspektrums des gedämpften Breitbandultraschallimpulses mit dem Referenzamplitudenspektrum des Referenz-Breitbandultraschallimpulses, um ein Dämpfungsspektrum zu erhalten;(f) Bestimmen eines „Best Fit“ des Dämpfungsspektrums gemäß einem Modell der frequenzabhängigen Dämpfung, um einen Dämpfungsparameter zu erhalten, wobei das Bestimmen eines „Best Fit“ des Dämpfungsspektrums ein Identifizieren eines „Best Fit“ gemäß einem Modell umfasst, welches frequenzunabhängigen Variationen der Signalstärke zwischen dem Prüfmaterial und dem Referenzmaterial Rechnung trägt; und(g) Verwenden des Dämpfungsparameters, um eine Materialeigenschaft des Prüfgegenstandes, die von der Dämpfung abhängt, zu berechnen.

Description

Hintergrund der Erfindung
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen die zerstörungsfreie Ultraschallprüfung und im Besonderen ein Verfahren und ein System zum Bestimmen von Materialeigenschaften eines Gegenstandes mittels Ultraschalldämpfung.
Stand der Technik
Ultraschalldämpfung ist ein Maß des Abklingens der Ultraschallstärke während der Fortpflanzung durch ein Material und kann verwendet werden, um Eigenschaften von Materialien zu bewerten. Beispielsweise steht die Ultraschalldämpfung direkt mit der Korngröße in einem polykristallinen Feststoff, z.B. in den meisten Metallen, in Relation. Die Korngröße hat eine starke Auswirkung auf wichtige mechanische Eigenschaften von polykristallinen Feststoffen. Die Ultraschalldämpfung kann auch verwendet werden, um die Konzentration und Größe von Partikeln, die in einem Medium enthalten sind, entweder in festem oder flüssigem Zustand, zu bestimmen oder um eine Porositätsverteilung in einem Verbundmaterial zu bestimmen. Ein anderes Beispiel ist die kombinierte Verwendung von Ultraschalldämpfung und -geschwindigkeit, um das Relaxationsverhalten und die viskoelastischen Eigenschaften von Polymerstoffen zu charakterisieren. Zu den physikalischen Mechanismen, welche Ultraschalldämpfung hervorrufen, zählen Streuung und Absorption, von denen beide verwendet werden können, um Materialeigenschaften zu charakterisieren. Diese physikalischen Mechanismen (Streuung und Absorption) sind frequenzabhängig, was bedeutet, dass bei unterschiedlichen Frequenzen unterschiedliche Dämpfungsraten beobachtet werden. Es ist bekannt, Ultraschalldämpfungsmessungen mittels eines Schmalbandsystems (wobei in diesem Fall eine Messung für gewöhnlich bei einer Mittenfrequenz gemeldet wird) oder mittels eines Breitbandsystems, was eine Frequenzdomänenanalyse mit einschließt, durchzuführen.
Ein übliches zur Dämpfungsmessung verwendetes Verfahren ist als Impuls-Echo-Konfiguration (Reflexionsmodus) bekannt, wobei Ultraschall mittels eines piezoelektrischen Prüfkopfes erzeugt und detektiert wird, der mit dem Prüfgegenstand mittels eines Koppelmittels oder eines festen oder flüssigen Puffers (d.h. eines Koppelmediums) gekoppelt ist. Ein anderes Verfahren ist die Durchschallungskonfiguration (oder der Transmissionsmodus), wobei zwei Prüfköpfe, die einander an entgegengesetzten Seiten des Prüfgegenstandes zugewandt sind, zum Abstrahlen und Empfangen des Ultraschalls verwendet werden. Für die Durchschallungskonfiguration ist Zugang zu beiden Seiten des Materials erforderlich. Gemäß der Durchschallungskonfiguration muss das Prüfkopfpaar auch genau abgestimmt oder vollständig charakterisiert und vorzugsweise mit dem Prüfgegenstand mittels eines Koppelmediums auf beiden Seiten ausgerichtet sein. Ein drittes Verfahren (das als Pitch-Catch-Konfiguration bekannt ist) umfasst ein Paar von Prüfköpfen, die, für gewöhnlich auf derselben Seite des Prüfgegenstands, in einem Abstand voneinander getrennt sind. Die Pitch-Catch-Konfiguration wird für das Messen der Ultraschalldämpfung von Rayleigh-Oberflächenwellen, Lamb-Wellen sowie der Ultraschalldämpfung von Volumenwellen verwendet.
Diese Konfigurationen für die Dämpfungsmessung können auch bei kontaktfreien Ultraschallerzeugungs- und -detektionsverfahren verwendet werden, wobei elektromagnetische akustische Prüfköpfe (EMATs), Luftschallprüfköpfe oder Laserultraschall zur Anwendung kommt. Laserultraschall bedient sich eines Lasers mit einem kurzen Impuls für die Erzeugung von Ultraschallwellen. Der Transfer von Energie von dem Laser auf die Ultraschallwellen kann im thermoelastischen System stattfinden, wobei Wärmeausdehnung auf einer Oberfläche in Folge der plötzlichen Lasererwärmung für die Erzeugung eines Ultraschallimpulses verantwortlich ist, oder in einem Ablationssystem, wobei die Laserenergie eine dünne Schicht der Oberfläche entfernt und ein Plasma erzeugt, welches die Ultraschallwellen induziert.
Ein zweiter Laser mit einem längeren Impuls (oder sogar einer kontinuierlichen Welle) wird für gewöhnlich für die Detektion verwendet. Der zweite Laser beleuchtet einen Detektionsort an der Oberfläche des Prüfgegenstandes und eine Phasen- oder Frequenzverschiebung in dem reflektierten Licht auf Grund des Eintreffens eines gedämpften Ultraschallimpulses an dem Detektionsort wird mittels eines optischen interferometrischen Systems gemessen. Zu im Stand der Technik bekannten interferometrischen Systemen für die Ultraschalldetektion zählen jene, die auf Zeitverzögerungsinterferometrie basieren, sowie Systeme, die auf nichtlinearer Optik für Wellenfrontanpassung basieren, wie von Monchalin J.-P. in „Laserultrasonics: from the laboratory to industry", Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation, Bd. 23A, hrsg. von D.O. Thompson und D.E. Chimenti, AIP Conf. Proc., New York, 2004, S. 3-31, erläutert wird. Die Erzeugung und die Detektion von Ultraschall werden in einem Abstand durchgeführt, und es besteht dabei keine Notwendigkeit für eine Koppelflüssigkeit und für die Ausrichtungserfordernisse herkömmlicher Ultraschalllösungen.
Bei Verwendung einer beliebigen der oben genannten Konfigurationen umfassen herkömmliche Verfahren zum Messen der Ultraschalldämpfung das Bestimmen eines Abklingens eines detektierten Ultraschallimpulses (Amplitude) für zwei Fortpflanzungsstrecken in dem Material, z.B. durch Verwendung zweier Echosignale, die zwischen Flächen des Prüfgegenstandes hin und her geworfen werden. Die Dämpfung wird durch Vergleichen von Amplituden der beiden Echos bei jeder Frequenz berechnet, wie von A. Vary im Nondestructive Testing Handbook, V. 7, 2. Ausgabe, S. 383-431 ASNT (1991), erläutert wird.
Leider wird die berechnete Dämpfung durch Rauschen der beiden Echos beeinträchtigt, d.h. Unsicherheiten von beiden Messungen reduzieren die Genauigkeit des Dämpfungswertes. Wenn der Prüfgegenstand dick und/oder aus hochgradig dämpfendem Material hergestellt ist, weist das zweite Echo ein schlechtes Signal-Rausch-Verhältnis (SRV) auf. In derartigen Fällen ermöglicht das Zwei-Echo-Dämpfungsverfahren eventuell keine genaue Messung, und das SRV des ersten Echos wird nicht voll genutzt. In Anbetracht der Einschränkungen des herkömmlichen Zwei-Echo-Verfahrens ist die Verwendung einer Ein-Echo-Lösung, um die Ultraschalldämpfung zu bestimmen, sehr erstrebenswert. Allerdings hängt die Amplitude eines Echos auch von der Erzeugungsstärke, der Koppeleffizienz, der Detektionseffizienz usw. ab. Bei dem herkömmlichen Zwei-Echo-Verfahren trägt der Vergleich mit einem Echo schon an sich jedem dieser Faktoren Rechnung und liefert einen normierten Messwert.
Ein anderes Problem bei dem herkömmlichen Zwei-Echo-Verfahren ist die Notwendigkeit einer Korrektur von Diffraktionseffekten des Ultraschallimpulses, um die intrinsische Ultraschalldämpfung, die dem Prüfgegenstand zugeordnet werden kann, zu erhalten. Während vereinfachte theoretische Modelle verwendet wurden, um eine Korrektur für die Diffraktion für einfache Geometrien des Prüfgegenstandes zu berechnen, kann das Diffraktionsverhalten in realen Situationen komplexer sein.
Die Beseitigung von durch Erzeugungsstärke, Koppeleffizienz, Detektionseffizienz und Diffraktion verursachten Variationen, zur Erzeugung eines vollständig normierten intrinsischen Ultraschalldämpfungsspektrums, ist die schwierigste Aufgabe für die Verwendung eines einzigen Echos zur Bestimmung von Materialeigenschaften. Für manche Ausführungsformen der Impuls-Echo-Konfiguration kann eine Normierung durch Verwendung des Ultraschallimpulses durchgeführt werden, der von der Oberfläche des Prüfgegenstandes reflektiert wird (d.h. ein Eintrittsecho), um die Stärke des erzeugten Ultraschallimpulses zu charakterisieren, was ermöglicht, die Amplitude des Ein-Echo-Interaktionssignals zu verwenden. Für die Durchschallungskonfiguration erfolgt die Normierung oft durch Vergleich mit dem Impuls, der sich bei Nichtvorhandensein des Prüfgegenstandes durch das Koppelmedium fortpflanzt. Diese Konfiguration erfordert Zugang zu beiden Seiten des Materials, was bei manchen industriellen Anwendungen eventuell nicht möglich oder nicht bevorzugt ist. Ferner entfällt durch die Verwendung eines Eintrittsechos oder eines Leerwerts ohne Probe in den oben genannten Fällen nicht die Notwendigkeit einer Diffraktionskorrektur, um die intrinsische Materialdämpfung zu erhalten. Es ist immer noch ein Modell mit der exakten Kenntnis der Eigenschaften des verwendeten Systems erforderlich.
Die Verwendung eines einzigen Echos in einem Laserultraschallverfahren, um eine Materialeigenschaft im Vergleich mit der Dämpfung eines Referenzmaterials zu messen, wird in US 6,684,701 B2 von Dubois et al. gelehrt. Dubois et al. lehren ein Verfahren zum Ultraschallmessen der Porosität einer Verbundmaterialprobe mittels Zugang zu nur einer Seite der Verbundmaterialprobe. Das Verfahren umfasst das Messen eines Proben-Ultraschallsignals von der Verbundmaterialprobe, das Normieren des Proben-Ultraschallsignals relativ zu der Oberflächenverschiebung bei der Erzeugung auf der Verbundmaterialprobe, und das Heraustrennen eines Proben-Rückwandechos von dem Proben-Ultraschallsignal. Dann wird ein Proben-Frequenzspektrum des Proben-Rückwandechos bestimmt. Als nächstes umfasst das Verfahren die Schritte Messen eines Referenzultraschallsignals von einem Referenzverbundmaterial, Normieren des Referenzultraschallsignals in Bezug auf die Oberflächenverschiebung bei der Erzeugung auf dem Referenzverbundmaterial und Isolieren eines Referenzrückwandechos aus dem Proben-Ultraschallsignal. Dann wird ein Referenzfrequenzspektrum des Referenzrückwandechos bestimmt. Die Erfindung umfasst ferner das Ableiten der Ultraschalldämpfung der Verbundmaterialprobe als Verhältnis des Proben-Frequenzspektrums zu dem Referenzfrequenzspektrum über einen vorgegebenen Frequenzbereich. Das Vergleichen der abgeleiteten Ultraschalldämpfung mit den vorbestimmten Dämpfungsreferenzwerten ermöglicht die Bewertung der Porosität der Verbundmaterialprobe.
Die Verwendung breitbandiger Ultraschallsignale zur Bestimmung von frequenzabhängigen Materialeigenschaften basierend auf einer einzelnen Messung ist auch aus der US 6,532,821 B2 bekannt. Dieses Dokument beschreibt die Bestimmung eines bestmöglichen Dämpfungsspektrums durch Variation eines Dämpfungsparameters ausgehend von einem Model der frequenzabhängigen Dämpfung. Der dadurch erreichte Abgleich von Messdaten und Normwerten wird zur Bestimmung von Ultraschalldämpfungsparametern eingesetzt.
Das Verfahren von Dubois et al. ist auf die oben beschriebene Impuls-Echo-Konfiguration beschränkt. Gemäß Dubois et al. ist es zur Normierung jedes Echos erforderlich, die Varianz in der Erzeugungsstärke und der Detektionseffizienz durch Vergleichen der Amplitude mit einer Oberflächenverschiebung bei der Erzeugung an der Oberfläche des Prüfgegenstandes zu kompensieren. Diese Lösung kann nur auf mittels Laser erzeugten Ultraschall im thermoelastischen System angewandt werden. Ferner trägt das Verfahren nach Dubois et al. keinen Variationen Rechnung, die durch das Durchdringen von Licht durch die Oberfläche des Prüfgegenstandes verursacht werden. Leider ist die Oberflächenverschiebung kein exaktes Maß für die Energie des Ultraschallimpulses, da sie den Beiträgen aus durchdringendem Licht nicht Rechnung trägt. Beispielsweise ist bei Kohlenstoff-Epoxid-Verbundstoffen die Lichtpenetration des ultraschallerzeugenden Lasers von der Dicke einer Oberflächenepoxidschicht abhängig, die in der Praxis erheblich variiert und schwer zu bestimmen ist. Darüber hinaus ist die Normierung mittels Oberflächenverschiebung in dem Ablationssystem, in dem der Erzeugungslaser ein Plasma erzeugt, nicht für durch Laser erzeugten Ultraschall anwendbar. Während eventuell bei der Erzeugung ein starkes Signal detektiert wird (insbesondere wenn das Impuls-Echo-Verfahren verwendet wird), wird das starke Signal, auch wenn es einen Beitrag der Oberflächenverschiebung umfasst, in erster Linie durch eine Brechungsindexstörung des Plasmas verursacht, die hochgradig variabel ist und die nicht verwendet werden kann, um die Stärke des Ultraschallimpulses zu messen.
Daher besteht auch weiter ein Bedarf an einem Verfahren und einem System zum Ableiten einer Ultraschalldämpfungsmessung mittels eines einzigen Echos, welches Diffraktion kompensiert.
Kurzdarstellung der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden ein Verfahren und ein System zur Verwendung der Ultraschalldämpfung zum Bestimmen einer Materialeigenschaft eines Gegenstandes aus einem einzigen detektierten Ultraschallimpuls, der sich durch das Material hindurch fortpfanzt, bereitgestellt.
Die Erfindung kann auf jedwedes Ultraschallverfahren (z.B. piezoelektrische Prüfköpfe, Laserultraschall und EMATs) für jedwede Art von Welle (z.B. Longitudinal-, Scher- und Oberflächenwellen) und jedwede Erzeugungs/Detektions-Konfiguration (z.B. Impuls-Echo, Durchschallung und Pitch-Catch) angewandt werden. Für ein bestimmtes Verfahren, eine bestimmte Wellenart und eine bestimmte Konfiguration werden Messungen an dem untersuchten Material und auch an einem Referenzmaterial durchgeführt. Das Referenzmaterial wird verwendet, um das Ansprechverhalten des gesamten Messsystems (Bandbreite, Diffraktion usw.), mit Ausnahme der intrinsischen Dämpfung des Prüfmaterials und der möglichen Änderungen der Signalstärke, zu charakterisieren.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zum Verwenden einer Messung einer Ultraschalldämpfung, um eine Materialeigenschaft eines Prüfgegenstandes zu bestimmen bereit. Das Verfahren normiert im Effekt einen einzelnen detektierten, gedämpften Breitbandultraschallimpuls durch Vergleich mit einem Referenz-Breitbandultraschallimpuls, der eine Kompensation für Diffraktions- und Geometrieparameter des Prüfgegenstandes bedingt, und umfasset die Schritte:

(a) Empfangen eines Interaktionssignals von einem Ultraschalldetektor an einem Detektionsort auf dem Prüfgegenstand als Reaktion auf das Auftreffen eines Breitbandultraschallimpulses auf den Detektionsort, wobei der Breitbandultraschallimpuls beim Durchlaufen des Prüfgegenstands gedämpft wurde, um so einen gedämpften Breitbandultraschallimpuls zu detektieren;
(b) Transformieren eines Abschnitts des Interaktionssignals, der dem gedämpften Breitbandultraschallimpuls entspricht, von der Zeitdomäne in die Frequenzdomäne, um ein Amplitudenspektrum zu erhalten;
c) Erhalten eines Referenz-Breitbandultraschallimpulses durch Anwenden von a) auf eine Referenzprobe mit hinsichtlich des gedämpften Breitbandultraschallimpulses äquivalenten Diffraktionseigenschaften;
d) Anwenden von b) auf den Referenz-Breitbandultraschallimpuls, um ein Referenzamplitudenspektrum zu erhalten, welches dämpfungsfrei ist;
(e) Vergleichen des Amplitudenspektrums des gedämpften Breitbandultraschallimpulses mit dem Referenzamplitudenspektrum des Referenz-Breitbandultraschallimpulses, um ein Dämpfungsspektrum zu erhalten;
(f) Bestimmen eines „Best Fit“ des Dämpfungsspektrums gemäß einem Modell der frequenzabhängigen Dämpfung, um einen Dämpfungsparameter zu erhalten, wobei das Bestimmen eines „Best Fit“ des Dämpfungsspektrums ein Identifizieren eines „Best Fit“ gemäß einem Modell umfasst, welches frequenzunabhängigen Variationen der Signalstärke zwischen dem Prüfmaterial und dem Referenzmaterial Rechnung trägt; und
(g) Verwenden des Dämpfungsparameters, um eine Materialeigenschaft des Prüfgegenstandes, die von der Dämpfung abhängt, zu berechnen.

Beispielsweise kann das Bestimmen des „Best Fit“ das Vergleichen des gemessenen Dämpfungsspektrums mit Kurven von der Form: α(f) = α₀ + af^m + bfⁿ mit einschließen, wobei α₀ ein beliebiger Amplitudenversatz ist, der Variationen der Signalstärke berücksichtigt, m und n Frequenzpotenzen sind, die entsprechenden zu Grunde liegenden Mechanismen der Dämpfung zugeordnet sind, und die Parameter a und b für Beiträge von den beteiligten Mechanismen stehen, die sich auf Materialeigenschaften beziehen. Der Parameter a ist Null, wenn nur ein einziger zu Grunde liegender Mechanismus für die Dämpfung vorliegt. Das Anpassen kann das Variieren der Dämpfungsparameter umfassen, wobei m und n fix gehalten werden.
Die Schritte des Empfangens und Transformierens können wiederholt auf eine Mehrzahl von Interaktionssignalen von dem Gegenstand angewandt werden, und das Verfahren kann ferner das Berechnen eines Mittelwerts aus der Mehrzahl von Signalen umfassen, welcher als Dämpfungsspektrum dient.
Ferner kann das Verfahren das Validieren des Interaktionssignals und des Amplitudenspektrums mittels Ausschlusskriterien sowohl in der Zeit- als auch in der Frequenzdomäne umfassen.
Ferner kann das Verfahren die Verwendung einer Kalibrierungskurve umfassen, um den Dämpfungsparameter mit einer Eigenschaft des Gegenstandes in Relation zu setzen. Die Materialeigenschaft kann beispielsweise die Korngröße in einem polykristallinen Feststoff oder die Porosität eines Verbundmaterials sein.
Die vorliegende Erfindung stellt außerdem ein System zum Messen einer Ultraschalldämpfung, um Materialeigenschaften eines Prüfgegenstandes zu bestimmen, bereit. Das System umfasst:

(a) einen Ultraschallimpulseerzeugungs- und -detektionsaufbau zum Abgeben eines Breitbandultraschallimpulses in den Prüfgegenstand und zum Detektieren eines gedämpften Breitbandultraschallimpulses nach Fortpflanzung durch den Prüfgegenstand;
(b) einen Empfänger zum Digitalisieren eines Interaktionssignals, das dem detektierten Ultraschallimpuls entspricht; und
(c) einen Signalprozessor ausgebildet zum:
1. i Transformieren eines Abschnitts des Interaktionssignals, der dem gedämpften Breitbandultraschallimpuls entspricht, von der Zeitdomäne in die Frequenzdomäne, um ein Amplitudenspektrum zu erhalten;
2. ii Berechnen eines Dämpfungsspektrums durch Vergleichen des Amplitudenspektrums mit einem Referenzamplitudenspektrum, wobei das Referenzamplitudenspektrum von einer Referenzprobe mit zu jenen des Prüfgegenstandes äquivalenten Diffraktionseigenschaften abgeleitet wird, wobei das Referenzamplitudenspektrum eine bekannte Dämpfung aufweist; und
3. iii Anpassen des Dämpfungsspektrums gemäß einem Modell, um einen Dämpfungsparameter zu bestimmen, der zum Bestimmen einer Materialeigenschaft des Prüfgegenstandes verwendet wird.

Ferner kann der Signalprozessor ausgebildet sein, um einen Mittelwert aus einer Mehrzahl von Interaktionssignalen von dem Gegenstand an einem oder mehreren Orten zu berechnen, um das Amplitudenspektrum zu erzeugen. Ferner kann der Signalprozessor ausgebildet sein, um einen Zeit- oder Frequenz-Domänen-Mittelwertbildungsprozess aus der Mehrzahl von Interaktionssignalen durchzuführen, um das Amplitudenspektrum zu erzeugen.
Ferner kann das System ein System für gesteuerte Bewegung zum Abtasten einer Oberfläche des Gegenstandes umfassen. Ferner kann der Signalprozessor Dämpfungsparameter verwenden, um ein Abbild der Materialeigenschaft des Gegenstandes zu erzeugen.
Der Ultraschallimpulserzeugungs- und -detektionsaufbau kann einen Erzeugungslaser zum Erzeugen des Breitbandultraschallimpulses und einen Detektionslaser, der mit einem optischen Detektionssystem gekoppelt ist, zum Detektieren der Manifestation des Breitbandultraschallimpulses umfassen. Der Erzeugungslaser und der Detektionslaser können auf dieselbe Seite des Prüfgegenstandes gerichtet sein.
Figurenliste
Ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung und ihrer Vorteile wird durch die folgende Beschreibung in Zusammenschau mit den beiliegenden Zeichnungen ermöglicht, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale kennzeichnen. In den beiliegenden Zeichnungen zeigen:

1 ein schematisches Diagramm eines Systems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
2a ein Blockdiagramm eines Verfahrens zum Bestimmen einer Materialeigenschaft mittels Ultraschalldämpfung;
2b ein Blockdiagramm eines Verfahrens zum Ermitteln eines Referenzspektrums, das im Verfahren aus 2a verwendet wird;
3a ein Beispiel für ein Zeitdomänen-Ultraschallinteraktionssignal, das mittels eines Laserultraschallsystems erhalten wird;
3b ein Beispiel für ein Fenster eines Laserultraschallinteraktionssignals und eines entsprechenden Amplitudenspektrums;
4a ein Ultraschallinteraktionssignal, das aus einer einzigen Messung an einem Detektionsort auf einem Gegenstand erhalten wird;
4b ein gemitteltes Ultraschallinteraktionssignal aus an zwölf Orten auf dem Gegenstand durchgeführten Messungen;
5a ein Beispiel für Gegenstand- und Referenz-Amplitudenspektren;
5b ein Dämpfungsspektrum, gemessen und mit einem Modell angepasst;
6 ein Interaktionssignal, das in einer Korngrößenmessanwendung erhalten wurde;
7a ein Beispiel für eine Kalibrierkurve für einen angepassten Dämpfungsparameter ‚b‘;
7b ein grafischer Vergleich zwischen Korngrößen, die online durch ein Laserultraschallsystem gemessen wurden, und denen mittels Metallografie erhaltenen Korngrößen;
8a ein C-Scan-Bild, welches Porositätsorte in einer Verbundmaterialprobe darstellt; und
8b ein Dämpfungsspektrum in den Porositätsbereichen der Verbundmaterialprobe.

Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren und ein System zum Messen der Ultraschalldämpfung in einem Prüfgegenstand mittels eines detektierten, gedämpften Breitbandultraschallimpulses bereit. Das Verfahren ermöglicht, dass eine Messung auf dem gedämpften Breitbandultraschallimpuls basiert, ohne weitere Echos, Oberflächenverschiebung usw. zu berücksichtigen. Tatsächlich wird der einzelne detektierte, gedämpfte Breitbandultraschallimpuls durch Vergleich mit einem Referenz-Breitbandultraschallimpuls, der eine Kompensation für Diffraktions- und Geometrieparameter des Prüfgegenstandes vorsieht, wirksam normiert. Der Referenz-Breitbandultraschallimpuls wird in einer Referenzprobe mit hinsichtlich des Breitbandultraschallimpulses äquivalenten Diffraktionseigenschaften zu jenen des Prüfgegenstandes erhalten. Der Vergleich mit der Referenz kann in der Frequenzdomäne durch Dividieren eines detektierten Spektrums durch ein Referenzspektrum erfolgen. Von Bedeutung ist, dass das Referenzspektrum im wesentlichen keine Dämpfung aufweist, entweder weil die Dämpfung durch die Referenzprobe vernachlässigbar ist oder weil die Dämpfung in der Referenzprobe vollständig charakterisiert ist und daher aus dem Referenzspektrum entfernt wird.
Das vorgeschlagene Verfahren ist besonders effizient bei einem Breitbandultraschallsystem mit gutem Ansprechverhalten bei niedrigen Frequenzen. Das Verfahren setzt auch voraus, dass die zu messende Dämpfung mit der Frequenz variiert, was bei den meisten Mechanismen der Ultraschallinteraktion mit Materialien der Fall ist.
1 zeigt eine Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform, wenn das vorgeschlagene Ultraschalldämpfungsverfahren angewandt wird. Ganz allgemein gesagt umfasst die Vorrichtung ein System zum Erzeugen eines Breitbandultraschallimpulses in einem Prüfgegenstand 10, ein System zum Detektieren des Breitbandultraschallimpulses nach der Transmission durch einen Teil des Prüfgegenstandes 10 und einen Signalprozessor, welche gekoppelt sind, um die Dämpfung des Prüfgegenstandes 10 zu messen. Der untersuchte Prüfgegenstand 10 kann jedwede geometrische Form aufweisen, und je nach verwendeter Konfiguration muss nur eine Seite des Prüfgegenstandes 10 zugänglich sein.
Das dargestellte System umfasst einen Erzeugungslaser 12 zum Erzeugen eines Breitbandultraschallimpulses, wenngleich zu erkennen sein wird, dass bei alternativen Ausführungsformen andere Erzeugungsmittel verwendet werden können, einschließlich der oben genannten. Bei derzeit bevorzugten Ausführungsformen ist der Erzeugungslaser 12 ein gepulster Laser, der entweder im Ablationssystem oder im thermoelastischen System zum Induzieren eines Ultraschallimpulses in dem Prüfgegenstand 10 betrieben wird. Die geeignete Wellenlängen- und Leistungsdichte des gepulsten Lasers und der Erzeugungsort an der Oberfläche des Prüfgegenstandes 10 können dem Material und der Konfiguration entsprechend gewählt werden, um in dem Prüfgegenstand 10 einen Ultraschallimpuls mit gewünschten Eigenschaften zu erzeugen.
Das System zum Detektieren des Breitbandultraschallimpulses kann einen Detektionslaser 14 und ein optisches Detektionssystem 16 umfassen. Der Detektionslaser 14 kann ein Langpulslaser oder ein kontinuierlicher Laser sein, der einen Strahl auf einen Detektionsort an der Oberfläche des Prüfgegenstandes 10 lenkt. Wie oben beschrieben sind der Detektionsort und der Erzeugungsort bei der Impuls-Echo-Konfiguration identisch, bei der Durchschallungskonfiguration entgegengesetzte Oberflächen und gemäß der Pitch-Catch-Konfiguration in einem Abstand voneinander (für gewöhnlich auf derselben Oberfläche) getrennt. Der Detektionslaser 14 kann ein relativ leistungsstarker Laser sein, um ein relativ schlechtes Reflexionsvermögen des Prüfgegenstandes 10 an dem Detektionsort zu kompensieren und dennoch ausreichende optische Leistung für die Detektion bereitzustellen.
Bei einigen Ausführungsformen wird bevorzugt, dass der Erzeugungslaser 12 und/oder der Detektionslaser 14 und das optische Detektionssystem 16 in Bezug auf den Prüfgegenstand 10 beweglich sind, um Ultraschallmessungen an einer Mehrzahl von Paaren von Erzeugungs- und Detektionsorten durchzuführen. Mehrere Messungen können getrennt zum Detektieren physikalischer Eigenschaften des Prüfgegenstandes 10 an verschiedenen Orten verwendet werden und/oder können zur räumlichen Mittelwertbildung kombiniert werden, um ein mittleres Maß für die physikalische Eigenschaft des Prüfgegenstandes mit größerer Genauigkeit zu erzeugen. Dies kann beispielsweise durch Bewegen des Prüfgegenstandes 10, durch Bewegen der Vorrichtung oder durch Bewegen von optischen Vorrichtungen erfolgen.
Der Detektionslaser 14 ist mit dem optischen Detektionssystem 16 gekoppelt, welches ein Zeitverzögerungs-Interferometer, beispielsweise ein stabilisiertes konfokales Fabry-Perot-Interferometer, sein kann oder nichtlineare optische Komponenten für die Wellenfrontanpassung, wie oben erwähnt wurde, umfassen kann. Das optische Detektionssystem 16 gibt ein elektrisches Interaktionssignal an eine Signalerfassungs- und -prozessoreinheit 18 aus. Beispielsweise kann die Signalerfassungs- und -prozessoreinheit 18 einen Analog-Digital-Signalwandler (A/D) zum Digitalisieren des elektrischen Interaktionssignals umfassen.
Die Signalerfassungs- und -prozessoreinheit 18 ist ausgebildet, um das Interaktionssignal von der Zeitdomäne in die Frequenzdomäne zu transformieren, beispielsweise durch Anwendung der diskreten Fourier-Transformation auf das Interaktionssignal, um ein Amplitudenspektrum des detektierten Ultraschallimpulses zu erzeugen. Vorzugsweise wird ein im Stand der Technik bestens bekannter Fast-Fourier-Transformations-Algorithmus verwendet. Bei bevorzugten Ausführungsformen wird nur ein Teil des Interaktionssignals transformiert, wobei der Teil durch eine Fensterauswahlfunktion ausgewählt wird, welche sicherstellt, dass nur das relevante Ultraschallecho in dem Amplitudenspektrum dargestellt wird und dass nicht mehrere Reflexionen oder Echos verbunden werden.
Ferner ist die Signalerfassungs- und -prozessoreinheit 18 ausgebildet, um ein Dämpfungsspektrum durch Vergleichen des Amplitudenspektrums des Prüfgegenstandes 10 mit jenem eines Referenzgegenstandes zu erzeugen. Das Referenzamplitudenspektrum wird auf dieselbe Weise wie jenes des Prüfgegenstandes 10 erzeugt. Bei manchen Ausführungsformen weist der Referenzgegenstand dieselbe Geometrie wie der Prüfgegenstand 10 auf und weist ähnliche Diffraktionseigenschaften auf, wobei der Breitbandultraschallimpuls jedoch im wesentlichen keine Dämpfung bei der Fortpflanzung durch den Referenzgegenstand erfährt. Alternativ dazu kann ein äquivalentes Referenzamplitudenspektrum mittels eines Referenzgegenstandes mit unterschiedlicher Geometrie, jedoch mit äquivalenten Diffraktionseigenschaften erhalten werden. Das Referenzamplitudenspektrum mit niedriger Dämpfung kann auch mit einem Referenzgegenstand mit einer gut charakterisierten Dämpfung durch Korrigieren des detektierten Amplitudenspektrums mittels auf dem Gebiet der Ultraschallwissenschaft bekannter Gleichungen erzeugt werden.
Die Signalerfassungs- und -prozessoreinheit 18 passt auch das Dämpfungsspektrum gemäß einem Modell an. Ein „Best Fit“ des Dämpfungsspektrums des Prüfgegenstandes an eine Kurve des Modells liefert mindestens einen Dämpfungsparameter des Prüfgegenstandes. Ein oder mehrere Dämpfungsparameter werden dann verwendet, um eine physikalische Eigenschaft des Prüfgegenstandes abzuleiten, die mit der Ultraschalldämpfung schwankt. Vorzugsweise hat die Signalerfassungs- und -prozessoreinheit 18 Zugang zu einem Speicher zum Speichern der Interaktionssignale, der Amplitudenspektren, des Dämpfungsspektrums, der Dämpfungsparameter und der abgeleiteten physikalischen Eigenschaft sowie von Programmanweisungen zum Ausführen von deren Verarbeitung. Mindestens die abgeleitete physikalische Eigenschaft wird in weiterer Folge 19 ausgegeben. Eine oder mehrere der gespeicherten Informationen können beispielsweise grafisch oder numerisch durch eine Anzeigeeinheit oder eine andere Ausgabevorrichtung angezeigt werden. Die Signalerfassungs- und -prozessoreinheit 18 kann einen Mehrzweckrechner umfassen.
2a zeigt eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Messen der Ultraschalldämpfung. Zur Verdeutlichung der Erläuterung wird bei der Beschreibung der zugehörigen Schritte auf 3a,b, 4a,b und 5a,b Bezug genommen. In Schritt 100 wird ein Interaktionssignal, das einen gedämpften Breitbandultraschallimpuls darstellt, empfangen, beispielsweise von einem in 1 dargestellten optischen Detektionssystem 16 über eine Signalempfangshardware. Das Interaktionssignal ist ein Signal mit sich zeitlich ändernder Amplitude, wobei die Amplitude mit der Oberflächenbewegung in Folge des Eintreffens der Ultraschallwellen an dem Detektionsort auf der Oberfläche des Prüfgegenstandes in Relation steht.
Ein Beispiel für ein Interaktionssignal, das mittels der Vorrichtung aus 1 in der Pitch-Catch-Konfiguration detektiert wurde, ist in 3a dargestellt. Das Interaktionssignal beginnt mit einer Erzeugungsstörung, bei welcher das optische Detektionssystem 16 mit störendem reflektiertem Licht von dem Erzeugungslaser bombardiert wird oder das Detektionslicht durch das erzeugte Plasma stark moduliert wird. Die Erzeugungsartefakte können durch die Verwendung einer gemeinsamen Wellenlänge für den Erzeugungs- wie auch den Detektionslaser verschlimmert werden. In weiterer Folge weist das Interaktionssignal ein erstes, ein zweites und ein drittes Echo eines Breitbandultraschallimpulses auf. Bei dem dargestellten Interaktionssignal aus 3a wurde eine Pitch-Catch-Konfiguration in einem Material mit niedriger Dämpfung angewandt. Starke Diffraktionseffekte in dieser Konfiguration resultieren in einem ersten Echo, welches eine kleinere Amplitude als das zweite und das dritte Echo aufweist. Auf Grund der starken Initialdiffraktion in derartigen Ausführungsformen kann ein zweites Echo des Ultraschallimpulses mit einer höheren Qualität für Dämpfungsmessungen verwendet werden. Es ist auch festzustellen, dass Scherwellen auf dem Interaktionssignal vorliegen. Für Zwecke der Darstellung wird davon ausgegangen, dass Longitudinalwellen für die Messung verwendet werden, wobei jedoch zu erkennen sein wird, dass alternativ dazu in anderen Ausführungsformen andere Ultraschallwellen verwendet werden könnten. Es wird festzustellen sein, dass das Verfahren auf jedwede Art von Ultraschallwellen (Longitudinal-, Scher-, Oberflächenwellen usw.) in jedweder Konfiguration (Impuls-Echo, Durchschallung, Pitch-Catch usw.) angewandt werden kann.
Demzufolge besteht ein Bedarf an einem Mechanismus zum Identifizieren des zu analysierenden gewünschten Teils des Interaktionssignals. Derzeit zieht es der Anmelder vor, eine Fensterauswahlfunktion zu verwenden, um einen Abschnitt des Interaktionssignals, der einer einzelnen Manifestation (Echo) des gewünschten Ultraschallimpulses (Schritt 102) zugeordnet ist, zu identifizieren. In diesem Dokument wird der Abschnitt des Interaktionssignals, der eine einzelne Manifestation des Ultraschallimpulses bildet, als Echo bezeichnet, auch dann wenn gemäß der Durchschallungskonfiguration der Ultraschallimpuls nicht von irgendeiner Wand zurückgeworfen wird. Wenn Dicke und Ultraschallausbreitungsgeschwindigkeit des Materials annähernd bekannt sind, wird es bevorzugt die Suche durch Vorwahl eines groben Zeitfensters des Echos einzugrenzen. Um dann die Identifizierung des Echos aus benachbartem Rauschen und das Zentrieren in einem schmalen Zeitfenster zu unterstützen, kann ein Kreuzkorrelationsverfahren verwendet werden, das einen Vergleich mit einem Referenzprofil eines Ultraschallimpulses mit einschließt. Die Amplitude einer Spitze des Echos kann mit einem auf herkömmliche Weise bestimmten Rauschpegel verglichen werden, um zu bestimmen, ob das Echo verwendbar ist. Ein Interaktionssignal kann verworfen werden, wenn eine Qualität des Echos zu niedrig ist.
Das Echo wird dann durch Anwendung (Schritt 104) der diskreten Fourier-Transformation (DFT) in der Frequenzdomäne dargestellt, wobei ein Amplitudenspektrum abgeleitet wird. Beispielsweise kann der Fast-Fourier-Transformations(FFT)-Algorithmus verwendet werden. Ausschlusskriterien werden sowohl in der Zeitdomäne, um sicherzustellen, dass das Echo über einem Rauschen wahrnehmbar ist (wie oben angeführt), als auch in der Frequenzdomäne verwendet, wobei die Ähnlichkeit mit einer erwarteten Spektrumsform (z.B. Gauß'sche Form) verwendet wird, um zu bestimmen, ob ein Amplitudenspektrum angenommen oder verworfen wird. Für den Fachmann ist klar zu erkennen, dass das Interaktionssignal Signalverarbeitungsverfahren unterzogen wird, um Aliasing zu verhindern und spektrale Leckeffekte zu minimieren, wie es im Stand der Technik gemeinhin praktiziert wird. 3b ist eine schematische Darstellung eines Zeitdomänen-Interaktionssignals, wobei ein Echo, das als Echo A dargestellt ist, ausgewählt und innerhalb eines Zeitfensters zentriert wird und so das Amplitudenspektrum erhalten wird. Die Impuls-Echo-Konfiguration wurde verwendet, um dieses Interaktionssignal zu erzeugen.
Bei manchen Ausführungsformen wird vorzugsweise ein Mittelwert aus mehreren Amplitudenspektrumsmessungen berechnet, um eine Messung mit höherer Genauigkeit zu erhalten, beispielsweise, wenn das Amplitudenspektrum des Echos des Ultraschallimpulses ein SRV aufweist, welches nicht ausreicht, um ein Dämpfungsspektrum von einer Qualität bereitzustellen, die erforderlich ist, um eine Materialeigenschaft des Prüfgegenstandes zuverlässig zu bestimmen. Während die Mittelwertbildung in der Zeitdomäne mittels des Interaktionssignals durchgeführt werden kann, wird es derzeit vorgezogen, eine Addition in der Frequenzdomäne durchzuführen. Durch Mitteln mehrerer Spektren ist es möglich, ein Amplitudenspektrum von höherer Qualität zu erzeugen. Die Genauigkeit der Fensterauswahlfunktion ist von größerer Bedeutung beim Mitteln mehrerer Spektren, da die Fensterauswahlfunktion gewährleistet, dass die Echos im wesentlichen synchronisiert sind. Das heißt, dass die Fensterauswahlfunktion die verschiedenen Echos zeitlich abgleicht, so dass präzise synchronisierte Echos verwendet werden, um die Amplitudenspektren zu erzeugen, wobei auf Überlagerungsversatz zurückzuführende Fehler minimiert werden.
Beispielsweise weist die Fensterauswahlfunktion Vorteile auf, wenn eine Kompensation der Dickenvariation des Prüfgegenstandes an verschiedenen Erzeugungs- und Detektionsorten erforderlich ist. Ein Unterschied in der Dicke des Prüfgegenstandes an dem Detektions- und dem Erzeugungsort resultiert in unterschiedlichen Zeitspannen zwischen der Erzeugung des Ultraschallimpulses und der Manifestation des Impulses an dem Detektionsort. Wenn eine derartige Dickenvariation existiert, kann jedes Echo nicht zeitlich abgeglichen sein und die Summe aus digitalen Signalen würde kein digitales Summensignal von vernünftiger Qualität ergeben. Die Fensterauswahlfunktion ist ein Mechanismus zum Eliminieren von Fehlern, die durch den zeitlichen Versatz der Spektren verursacht werden.
Es können viele verschiedene Arten von Mittelwertberechnung angewandt werden. Derzeit bevorzugt der Anmelder die Frequenzdomänen-Mittelwertbildung mittels komplexer Spektren, d.h. umfassend Amplituden- und Phaseninformationen von dem FFT-Ausgang. Die Glätte des resultierenden Amplitudenspektrums zeigt die Verbesserung an. Das Mitteln von Messungen an verschiedenen Positionen bietet in bestimmten Situationen einige Vorteile. Wenn beispielsweise kohärentes Rauschen bei einem Phasenversatz, der sich mit der Position des Detektionsortes an der Oberfläche des Prüfgegenstandes ändert, vorliegt, wird die Mittelwertbildung an mehreren Detektionsorten das SRV statistisch verbessern. Ein Beispiel für ein derartiges kohärentes Rauschen ist das kohärente rückgestreute Kornrauschen, das im Interaktionssignal eines polykristallinen Materials vorliegt.
Demzufolge können optionale Schritte 106-108 angewandt werden, um die Mittelwertbildung durchzuführen. In Schritt 106 wird bestimmt, ob ein anderes Amplitudenspektrum zu mitteln ist. Wenn ein anderes Amplitudenspektrum zu mitteln ist, kehrt der Prozess zu Schritt 100 zurück. Die Anzahl von Amplitudenspektren, die benötigt werden, um ein annehmbares Dämpfungsspektrum bereitzustellen, kann empirisch ermittelt werden und unterliegt Genauigkeitsanforderungen, die sich auf verschiedene Anwendungen beziehen. Sobald das letzte Amplitudenspektrum erhalten wurde, werden die Amplitudenspektren in Schritt 108 gemittelt und das mittlere Amplitudenspektrum in Schritt 110 verarbeitet.
4a,b zeigen schematische Darstellungen des Effekts der Mittelwertbildung zum Reduzieren des Rauschens in dem Interaktionssignal. In 4a ist ein einzelnes Interaktionssignal wie empfangen dargestellt, wohingegen zwölf Interaktionssignale in der Zeitdomäne gemittelt wurden, um das in 4b dargestellte mittlere Interaktionssignal zu erzeugen. Die zwölf Signale werden in der Zeitdomäne ohne Fensterung addiert und in Bezug auf die Ultraschallerzeugung zeitlich abgeglichen, was beispielsweise geeignet ist, wenn ein Mittelwert von Messungen an identischen Erzeugungs- und Detektionsorten gebildet wird oder wenn sich andernfalls die Dicke nicht mit jeder Messung ändert. Der Fachmann wird durch Inaugenscheinnahme erkennen, dass 4b ein gegenüber 4a verbessertes SRV darstellt.
In Schritt 110 wird das Amplitudenspektrum des Prüfgegenstandes mit dem eines Referenzgegenstandes verglichen. Wie oben erläutert, kann das Referenzamplitudenspektrum durch Anwendung von Schritt 100-108 auf einen Referenzgegenstand an Stelle des Prüfgegenstandes erzeugt werden, wobei der Referenzgegenstand Diffraktionseigenschaften aufweist, die zu jenen des Prüfgegenstandes (in Bezug auf Ultraschall) äquivalent sind, der Referenzgegenstand jedoch im wesentlichen keine Dämpfung aufweist. Demzufolge kann das Referenzamplitudenspektrum anhand des unten in Bezug auf 2b beschriebenen Verfahrens abgeleitet werden.
Insbesondere wird die Dämpfung von Ultraschallwellen in dem Prüfgegenstand in Abhängigkeit von der Frequenz (d.h. das Dämpfungsspektrum) als Verhältnis zwischen dem Spektrum des Referenzgegenstandes zu jenem des Prüfgegenstandes berechnet. Für gewöhnlich ist die Dämpfung eine Funktion der durch die Welle zurückgelegten Strecke, und demzufolge kann das Dämpfungsspektrum durch die Strecke, welche der Ultraschallimpuls in dem Prüfgegenstand zurücklegt, dividiert werden. Für den Fachmann wird deutlich, dass diese Strecke vorbestimmt sein kann, mechanisch gemessen werden kann oder durch die Laufzeit zwischen Erzeugung und Detektion oder die Zeit zwischen Echos berechnet werden kann.
Beispielsweise kann, um das Dämpfungsspektrum in Dezibeleinheiten zu berechnen, folgende Gleichung verwendet werden: $α (f) = \frac{20}{d} {log}_{10} (\frac{A r e f (f)}{A (f)})$
wobei f die Frequenz darstellt, α das erhaltene Dämpfungsspektrum, d die vom Ultraschallimpuls zurückgelegte Strecke, Aref(f) das Amplitudenspektrum des Signals, das in dem Referenzmaterial mit niedriger (vernachlässigbarer) Dämpfung erhalten wird, und A(f) das Amplitudenspektrum des Prüfmaterials ist. Das Dämpfungsspektrum α stellt eine relative Dämpfungsmessung in Bezug auf das Referenzmaterial dar. Ein absolutes Dämpfungsspektrum ist nicht erforderlich, um Materialeigenschaften zu bewerten, wenn das Dämpfungsspektrum wie unten beschrieben gemäß einem Modell angepasst ist. Wenn das Referenzmaterial eine gewisse bekannte Dämpfung aufweist, wird diese Dämpfung einfach aus Aref in Gleichung (1) entfernt.
5a zeigt ein typisches Beispiel für ein Amplitudenspektrum 20 für einen Prüfgegenstand und ein Referenzamplitudenspektrum 21. Es ist zu erkennen, dass das Referenzamplitudenspektrum 21 eine größere Amplitude als das Amplitudenspektrum 20 aufweist. Während dies jedes Mal geschieht, wenn dieselben Bedingungen sowohl für den Prüfgegenstand als auch den Referenzgegenstand angewandt werden, wird doch deutlich, dass dies im Kontext der Erfindung nicht notwendig ist. Wenn die Empfindlichkeit des Ultraschalldetektors oder die Stärke des Ultraschallgenerators unterschiedlich sind, kann sich das System der vorliegenden Erfindung eines Modells bedienen, welches einen beliebigen Amplitudenversatz kompensiert. Das Dämpfungsspektrum wird dann in Schritt 112 gemäß einem Dämpfungsmodell angepasst. Da das Dämpfungsspektrum ein relatives Maß und keine absolute Dämpfungsmessung ist, trägt das Dämpfungsspektrum keinen Amplitudenvariationen Rechnung, die frequenzunabhängig sind. Die Anpassung erfolgt demnach vorzugsweise mit einem Modell, das mögliche Variationen von Impulsstärke bei der Erzeugung und Detektionsempfindlichkeit zwischen Prüfmaterial und Referenz (d.h. einen Amplitudenversatz) berücksichtigt.
Viele physikalische Mechanismen, welche für Dämpfung verantwortlich sind, können anhand einer Potenzgesetzabhängigkeit von der Frequenz modelliert werden. Wenn ein derartiger Mechanismus vorhanden ist, kann die gemessene Dämpfung gemäß dem folgenden Modell angepasst werden: $α (f) = α_{0} + b f^{n}$
wobei n eine Frequenzpotenz ist, α₀ ein Parameter, der Variationen der Signalstärke frequenzunabhängig Rechnung trägt, und b einen physikalischen Dämpfungsmechanismus darstellt, der mit einer Materialeigenschaft in Relation steht. Es ist zu erkennen, dass für jedwede zwei Parameter α₀, b des Modells eine Kurve definiert wird. Ein Maß der Anpassung des Dämpfungsspektrums gemäß einer Kurve wird für verschiedene Kurven verglichen. Die Kurve, für welche das Maß der Anpassung optimal ist, wird als „Best Fit“ des Dämpfungsspektrums gemäß dem Model auf im Stand der Technik bestens bekannte Weise bestimmt. Als Ergebnis der Anpassung werden die Dämpfungsparameter α₀ und b bestimmt.
Der Parameter α₀ ist zum Bestimmen einer physikalischen Eigenschaft des Prüfgegenstandes nicht erforderlich, und sofern keine Beiträge zu diesem Versatz festgestellt werden können, entspricht α₀ keinem relevanten Parameter des Systems. Folglich kann der Dämpfungswertversatz des Dämpfungsspektrums ignoriert werden. Das oben definierte Modell ermöglicht die Identifizierung der frequenzvariierenden Dämpfung, ohne eine Korrektur für Varianzen der Signalstärke zu erfordern. Für die Robustheit wird der Parameter n während des Anpassungsvorgangs vorzugsweise fix gehalten, mit einem Wert im Bereich zwischen 0 und 4. Wenn beispielsweise der vorherrschende beteiligte Mechanismus in dem Rayleigh-Regime die Streuung ist, beträgt der Wert von n 4, was einer Dämpfung entspricht, welche von der vierten Potenz der Frequenz abhängig ist.
Wenn zwei physikalische Mechanismen zur Dämpfung beitragen, beispielsweise Streuung und Absorption, kann die gemessene Dämpfung gemäß der folgenden Funktion angepasst werden: $α (f) = α_{0} + a f^{m} + b f^{n}$
wobei m und n die Frequenzpotenzen für Absorption bzw. Streuung sind. Gleicherweise sind die Parameter a und b Faktoren der beiden beteiligten Mechanismen, die mit Materialeigenschaften in Relation stehen. Gemäß anerkannten Modellen der Absorption und Streuung liegt m zwischen etwa 0,2 und etwa 1,5 und n zwischen etwa 1,5 und etwa 4. Auch hier werden zu Gunsten der Robustheit m und n vorzugsweise während der Anpassung fix gehalten und sollten nicht zu nahe beieinander liegen. Wenn beide Frequenzpotenzen n und m nahe beieinander liegen, muss die Gleichung (2) verwendet werden, wobei n eine effektive Frequenzpotenz für beide beteiligten Mechanismen ist, in welchem Fall Beiträge vom jeweiligen Mechanismus nicht identifiziert werden können. Es ist zu erkennen, dass eventuell nur einer oder mehrere der Parameter zum Berechnen der physikalischen Eigenschaft des Prüfgegenstandes erforderlich sind.
Bei der oben angeführten Funktion könnte auch der Parameter α₀, der Variationen der Signalstärke Rechnung trägt, einfach durch Inaugenscheinnahme geschätzt und während der Anwendung des Anpassungsverfahrens fix gehalten werden.
5b stellt ein Dämpfungsspektrum dar, welches gemessen 25 und gemäß einem Modell 26 angepasst wird. Das gemessene Dämpfungsspektrum 25 ist eine relative Dämpfungsmessung in Bezug auf das Referenzdämpfungsspektrum. Es ist zu erkennen, dass eine dem Modell entsprechende Kurve 26, welche am besten für die Dämpfungsmessung 25 passt, eine von vielen Kurven des Modells ist. Der „Fit“ mit der Kurve 26 liefert sowohl das Versatzmaß als auch einen Parameter, welcher die Bewertung von mindestens einer Materialeigenschaft des Prüfgegenstandes ermöglicht.
Bei manchen Anwendungen ist eine Materialeigenschaft erforderlich, welche mit einer ersten Ableitung des Dämpfungsspektrums schwankt. Dies entfernt den konstanten Faktor α₀, der sich auf Variationen der Signalstärke zwischen dem Prüfmaterial und der Referenz bezieht. Die Ableitung des Dämpfungsspektrums kann numerisch anhand von im Stand der Technik bestens bekannten Verfahren ermittelt werden.
2b zeigt eine Ausführungsform des Verfahrens zum Erzeugen eines Referenzamplitudenspektrums. In Schritt 120 wird ein Interaktionssignal erfasst, welches den Ultraschallimpuls nach der Transmission entlang einer Strecke in einem Referenzgegenstand darstellt. Der Referenzgegenstand weist vollständig charakterisierte Dämpfungseigenschaften (vorzugsweise eine vernachlässigbare Dämpfung) auf, und die Strecke in dem Referenzgegenstand weist äquivalente Diffraktionseigenschaften zu der Strecke durch den in 2a verwendeten Prüfgegenstand auf. Das Referenzamplitudenspektrum wird verwendet, um eine Korrektur für das Ansprechverhalten des gesamten Systems (Bandbreite, Diffraktion usw.) bereitzustellen. Durch geeignete Auswahl des Referenzmaterials kann der Diffraktionseffekt in beiden Signalen nahezu identisch gemacht werden und wird folglich durch Vergleich mit (Division durch) Aref automatisch entfernt. Um ein äquivalentes Diffraktionsverhalten aufzuweisen kann das Referenzmaterial derart gewählt werden, dass es dieselbe Geometrie und dieselben Ultraschallausbreitungsgeschwindigkeiten oder eine Kombination aus diesen Parametern aufweist, um äquivalente Diffraktionsbedingungen vorzusehen wie für den Fachmann zu erkennen ist. Das Referenzamplitudenspektrum bedient sich vorzugsweise genau desselben Erzeugungs- und Detektionsverfahrens, welches auf den Prüfgegenstand angewandt wird.
In Schritt 122 wird ein Verfahren angewandt, wie es oben beschrieben wurde, um ein Zeitfenster (d.h. einen Abschnitt des Interaktionssignals, der einem gewünschten Echo oder einer ähnlichen Manifestation des Breitbandultraschallimpulses entspricht) zu identifizieren. Daraufhin wird das Interaktionssignal innerhalb des Zeitfensters in die Frequenzdomäne transformiert (Schritt 124), um das Referenzamplitudenspektrum zu erzeugen. Wenn der Referenzgegenstand eine vernachlässigbare Ultraschalldämpfung aufweist, wird das Referenzamplitudenspektrum durch Anwenden der DFT oder FFT auf das Signal berechnet. Andernfalls wird die charakterisierte Dämpfung verwendet, um das erzeugte Amplitudenspektrum zu korrigieren und um das nichtgedämpfte Referenzamplitudenspektrum auf eine Weise zu erzeugen, die auf diesem Fachgebiet und in der Ultraschallwissenschaft versierten Fachleuten vertraut ist. Es ist zu erkennen, dass das Ausmaß der Dämpfungskorrektur durch Verwendung von Referenzmaterialien mit geringerer Dämpfung reduziert werden kann.
Auf eine Weise, die der oben für den Prüfgegenstand beschriebenen ähnlich ist, kann das Spektrum des Referenzgegenstandes durch mehrfache Messungen, die an einem oder mehreren Orten vorgenommen werden, gemittelt werden.
Beispiele
Es gibt zahlreiche Anwendungen des vorgeschlagenen Verfahrens und Systems.
Ein erstes Beispiel ist die Bestimmung der Korngröße von Stahl auf einer Produktionsanlage mittels einer Laserultraschalldämpfungsmessung. In vielen Fällen ist die austenitische Korngröße, die mit dem Austenitzerfall während des Abkühlens in Zusammenhang steht, der wichtigste metallurgische Parameter zum Bestimmen der mechanischen Eigenschaften von Stählen. Um kontrolliertes thermomechanisches Verarbeiten eines Stahlstücks korrekt zur Anwendung zu bringen, muss zunächst die austenitische Korngröße des Stahlstücks bestimmt werden. Die Fähigkeit, die austentische Korngröße in der Produktionsanlage zu bestimmen, ist demnach eine sehr gefragte Technologie.
Das oben beschriebene Verfahren wurde verwendet, um austenitische Korngrößen aus der Ultraschalldämpfung für einen breiten Bereich von Korngrößen (20 bis 300 µm) und für relativ dicke Materialien (bis 30 mm) in nahtlosen Stahlrohren quantitativ zu bestimmen. Das System bestand aus einem gütegeschalteten Neodym:Yttrium-Aluminium-Granat(Nd:YAG)-Laser zur Erzeugung des Ultraschallimpulses und einem Nd:YAG-LangpulsLaser zur Detektion in einer Pitch-Catch-Konfiguration. Das Detektionslicht, welches durch den Ultraschallimpuls moduliert wird, der an dem Detektionsort auftrifft, wird mittels eines Fabry-Perot-Interferometers demoduliert.
Zur Kalibrierung wurden Stahlproben unterschiedlicher Güte in einem thermomechanischen Gleeble-Simulator im Bereich von 900°C bis 1250°C erhitzt und etwa 10 Minuten gehalten, um das Kornwachstum zu sättigen. Während des gesamten thermischen Zyklus wurden Laserultraschallmessungen durchgeführt. Nach dem Abschrecken während eines geeigneten Zeitraums (je nach Stahlgüte) wurden die austenitischen Ausgangskörner mittels Ätzen freigelegt und durch Bildanalyse quantitativ charakterisiert. Eine Messung wurde auch an einer Referenzstahlprobe mit derselben Geometrie und Ultraschallausbreitungsgeschwindigkeit und einer niedrigen Dämpfung durchgeführt, um das Referenzamplitudenspektrum zu erhalten.
6 zeigt ein Interaktionssignal, welches einem detektierten Ultraschallimpuls auf einer Produktionsanlagenimplementierung für die Bestimmung der Korngröße entspricht. Die Konfiguration der Erzeugungs- und Detektionsausrüstung war die oben beschriebene Pitch-Catch-Konfiguration.
7a ist ein Schaubild eines Beispiels für eine Kalibrierungskurve zum Interpretieren der mittleren Korngröße mit Resultaten des Ultraschalldämpfungsparameters b, wobei b durch Anpassen des Dämpfungsspektrums an ein Modell ermittelt wird. Die Korngröße wird mittels standardmäßiger metallografischer Verfahren ermittelt.
Es gab zahlreiche Hemmnisse gegen exakte Online-Messungen für Anwendungen in industriellen Umgebungen mit echten Produkten. Da die Rohroberflächen das Detektionslaserlicht schlecht reflektierten, stellte das SRV ein signifikantes Problem dar. Um die Dämpfungsspektrumsqualität zu verbessern, wurden Amplitudenspektren durch Mitteln von Ultraschallinteraktionssignalen, die an vielen Positionen entlang dem Rohr erhalten wurden, berechnet, und auf diese Weise wurde die Korngröße über ein Segment des Rohres oder über das gesamte Rohr evaluiert. Das oben beschriebene Frequenzdomänen-Mittelungsverfahren, das sich komplexer Spektren bedient, wurde für adäquat befunden.
7b zeigt den Vergleich zwischen austenitischer Korngröße, die mittels des Laserultraschallsystems online gemessen und anhand der Kalibrierungskurve aus 7a interpretiert wurde, und jener, die mittels Metallografie nach geeignetem Abschrecken an denselben Rohren ermittelt wurde. In Folge der Produktionsanlagenbedingungen wurde erwartet, dass die Ultraschallmessungen weniger genau als jene sind, die in kontrollierten Laborbedingungen vorgenommen wurden. Die Genauigkeit der Korngrößenmessungen mittels Metallografie war auf Grund von Schwierigkeiten bei der Anwendung des geeigneten Kühlverfahrens in der Produktionsumgebung, das die ‚Dekoration‘ austenitischer Ausgangskorngrößen ermöglicht, reduziert. Mit einer geschätzten metallografischen Korngrößengenauigkeit zwischen 0,5 und 1 ASTM zeigt eine statistische Analyse, dass die Laserultraschall-Korngrößen, die online bestimmt wurden, mindestens dieselbe Genauigkeit wie die durch Metallografie ermittelten aufwiesen.
Eine zweite beispielhafte Anwendung des vorgeschlagenen Verfahrens und Systems ist auf dem Gebiet der Verbundmaterialprüfung. Ein Prüfmuster aus kohlefaserverstärktem Kunststoff (CFRP) mit einer ebenen, rechteckigen Oberfläche mit Abmessungen von 100 mm × 120 mm und einer Dicke von 6,3 mm wurde hergestellt. Eine dünne Farbschicht wurde auf die Oberfläche des Verbundwerkstoffs aufgetragen, um eine gute Ultraschallerzeugung in dem thermoelastischen System zu erzielen.
Der Erzeugungs- und Detektionsaufbau, der verwendet wurde, um die Anwendung zu verifizieren, umfasste einen Multimoden-CO₂-Laser zur Erzeugung von Ultraschall-Volumenwellen. Ein Neodym:Yttrium-Aluminium-Granat(Nd:YAG)-Laser, der mit einem Fabry-Perot-Interferometer zur Phasendemodulierung gekoppelt war, wurde zur Ultraschalldetektion verwendet. Die Laserpunktgröße für die Erzeugung betrug etwa 6,5 mm, und jene für die Detektion betrug etwa 5 mm. Der Erzeugungs- und der Detektionspunkt waren beinahe übereinander gelegt, entsprechend der Impuls-Echo-Konfiguration. Der Frequenzempfindlichkeitsbereich des Systems reichte von 1 bis 10 MHz. Laserultraschallmessungen wurden vorgenommen um Porositätsbereiche innerhalb des Prüfmusters zu lokalisieren. Ein zweidimensionaler Scan wurde in Bezug auf die Oberfläche durch Abfahren der Oberfläche in parallelen Linien durchgeführt. Jeder Messort war von den benachbarten Messorten 1,47 mm entfernt.
8a ist ein Grauskalen-C-Scan-Bild der Amplitude des Rückwandechos. Deutlich sichtbar sind kreisförmige Punkte S1-S3 mit einer Größe von etwa 18 mm, welche als die Orte der Poren in dem Prüfmuster identifiziert wurden.
8b zeigt die Dämpfungsspektren innerhalb der Porositätsbereiche S1, S2 und S3, die in 8a dargestellt sind. Das Referenzspektrum, welches verwendet wird, um diese Dämpfungsspektren zu erhalten, wird aus einem Rückwandecho an einem Ort bezogen, wo das Material bekanntermaßen in Ordnung ist. Fachleute werden erkennen, dass die Ultraschalldämpfung in CFRP-Material an Orten, an denen weder Porosität noch ein anderer Defekt zu erkennen sind, vernachlässigbar ist. Bei einem Verbundmaterial wird erwartet, dass das Dämpfungsspektrum ein beinahe lineares Verhalten für einen bestimmten Frequenzbereich, in diesem Fall von 1 bis 8 MHz, aufweist. Wie in der Werkstoffkunde bestens bekannt ist, schwankt der Poren/Volumen-Anteil P_v direkt mit der ersten Ableitung (d.h. der Steilheit) des Dämpfungsspektrums innerhalb seines linearen Bereichs, wobei die Dämpfung in erster Linie durch einen Streuungseffekt verursacht wird. Demzufolge gilt: $P_{v} = c \frac{d α (f)}{d f}$
wobei c eine für das Material und die Porengeometrie spezifische Proportionalitätskonstante ist.
Es wird deutlich, dass die Verwendung dieses Modells zur Bestimmung des Porositätsgehalts die Korrektur für die Variation der Signalstärke ausschließt, da ein frequenzunabhängiger konstanter Faktor durch Verwendung der Ableitung eliminiert wird. Unter der Annahme, dass der Wert von c für diese Probe 7,5 Vol.-% mm MHz/dB beträgt, wird der geschätzte Porositätsinhalt in den Bereichen S1, S2 und S3 zu 1,0, 0,8 und 1,5% ermittelt. Diese Schätzwerte stimmen mit den Nominalwerten überein, die der Herstellung des Prüfmusters zugeordnet sind.
Natürlich können zahlreiche andere Anwendungen des oben angeführten Verfahrens in Betracht gezogen werden, ohne von Wesensart und Umfang der Erfindung abzuweichen. Neben der oben genannten Ausführungsform mit Laserultraschall kann das vorgeschlagene Verfahren durch Verwendung einer anderen Ultraschallmethode, beispielsweise mit piezoelektrischen Prüfköpfen oder EMATs, oder für jedwede Art von Wellen (Longitudinal-, Scher-, Oberflächenwellen usw.) und jedwede Konfiguration (Impuls-Echo, Durchschallung, Pitch-Catch usw.) angewandt werden. Für ein bestimmtes Verfahren, eine bestimmte Wellenart und eine bestimmte Konfiguration sollte die Prüfung auf das Prüfmaterial und auf ein Referenzmaterial, um ein Referenzspektrum mit niedriger Dämpfung zu erzeugen, angewandt werden.

Claims

Verfahren zum Verwenden einer Messung einer Ultraschalldämpfung, um eine Materialeigenschaft eines Prüfgegenstandes zu bestimmen, welches Verfahren im Effekt einen einzelnen detektierten, gedämpften Breitbandultraschallimpuls durch Vergleich mit einem Referenz-Breitbandultraschallimpuls, der eine Kompensation für Diffraktions- und Geometrieparameter des Prüfgegenstandes bedingt, normiert, umfassend: (a) Empfangen eines Interaktionssignals von einem Ultraschalldetektor an einem Detektionsort auf dem Prüfgegenstand als Reaktion auf das Auftreffen eines Breitbandultraschallimpulses auf den Detektionsort, wobei der Breitbandultraschallimpuls beim Durchlaufen des Prüfgegenstands gedämpft wurde, um so einen gedämpften Breitbandultraschallimpuls zu detektieren; (b) Transformieren eines Abschnitts des Interaktionssignals, der dem gedämpften Breitbandultraschallimpuls entspricht, von der Zeitdomäne in die Frequenzdomäne, um ein Amplitudenspektrum zu erhalten; c) Erhalten eines Referenz-Breitbandultraschallimpulses durch Anwenden von a) auf eine Referenzprobe mit hinsichtlich des gedämpften Breitbandultraschallimpulses äquivalenten Diffraktionseigenschaften; d) Anwenden von b) auf den Referenz-Breitbandultraschallimpuls, um ein Referenzamplitudenspektrum zu erhalten, welches dämpfungsfrei ist; (e) Vergleichen des Amplitudenspektrums des gedämpften Breitbandultraschallimpulses mit dem Referenzamplitudenspektrum des Referenz-Breitbandultraschallimpulses, um ein Dämpfungsspektrum zu erhalten; (f) Bestimmen eines „Best Fit“ des Dämpfungsspektrums gemäß einem Modell der frequenzabhängigen Dämpfung, um einen Dämpfungsparameter zu erhalten, wobei das Bestimmen eines „Best Fit“ des Dämpfungsspektrums ein Identifizieren eines „Best Fit“ gemäß einem Modell umfasst, welches frequenzunabhängigen Variationen der Signalstärke zwischen dem Prüfmaterial und dem Referenzmaterial Rechnung trägt; und (g) Verwenden des Dämpfungsparameters, um eine Materialeigenschaft des Prüfgegenstandes, die von der Dämpfung abhängt, zu berechnen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Anwendung von (a) und (b) auf die Referenzprobe ein Auswählen einer Referenzprobe mit bekannten Dämpfungsparametern und ein Verwenden der bekannten Dämpfungsparameter, um eine Korrektur für die Dämpfung im Amplitudenspektrum der Referenzprobe durchzuführen, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Anwendung von (a) und (b) auf die Referenzprobe ein Auswählen einer Referenzprobe mit keiner Dämpfung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei das Auswählen der Referenzprobe ein Auswählen einer Referenzprobe umfasst, welche eine Gestalt aufweist, die mit der des Prüfgegenstandes übereinstimmt, und welche aus einem Material hergestellt ist, das eine Ultraschallausbreitungsgeschwindigkeit aufweist, welche der des Prüfgegenstandes entspricht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend das Bestimmen des Abschnitts des Interaktionssignals durch Identifizieren eines Teils des Interaktionssignals, welcher einer einzigen Manifestation des Auftreffens des Breitbandultraschallimpulses auf den Detektionsort entspricht.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Bestimmen des Abschnitts ferner ein Anwenden einer Fensterauswahlfunktion zum Auswählen eines Teils des Interaktionssignals, welcher der einzigen Manifestation des Auftreffens des Breitbandultraschallimpulses auf den Detektionsort entspricht, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Anwenden der Fensterauswahlfunktion ferner ein Verwenden einer Kreuzkorrelation eines Referenzprofils eines Ultraschallimpulses mit dem Interaktionssignal umfasst, um die Manifestation innerhalb des Fensters zu zentrieren.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei das Bestimmen des Abschnittes ein Verwenden von Vorkenntnissen bezüglich des Prüfgegenstandes umfasst, um ein Zeitfenster des Interaktionssignals zu bestimmen, welches ein einziges Echo des Breitbandultraschallimpulses umfasst, um eine Suche nach dem Abschnitt innerhalb des Interaktionssignals einzugrenzen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Empfangen und das Transformieren wiederholt auf eine Mehrzahl von Interaktionssignalen von dem Prüfgegenstand angewandt werden und das Verfahren ferner ein Berechnen eines Mittelwerts der Mehrzahl von Interaktionssignalen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 9, ferner umfassend ein Validieren jedes der Interaktionssignale und Amplitudenspektren durch Verwenden von Ausschlusskriterien in sowohl der Zeit- als auch Frequenzdomäne.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Identifizieren des „Best Fit“ ein Vergleichen von Maßen einer Anpassung des Dämpfungsspektrums an Kurven mit der Form: $α (f) = α_{0} + α f^{m} + b f^{n}$
umfasst, wobei α₀ ein beliebiger Amplitudenversatz ist, der Variationen der Signalstärke Rechnung trägt, m und n Frequenzpotenzen sind, die entsprechenden zu Grunde liegenden Mechanismen der Dämpfung zugeordnet sind, und die Parameter a und b für Beiträge durch beteiligte Mechanismen stehen, die mit Materialeigenschaften in Relation stehen.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Parameter a Null ist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Anpassen des Dämpfungsspektrums ein Variieren der Dämpfungsparameter umfasst, wobei m und n fix gehalten werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bestimmen eines „Best Fit“ des Dämpfungsspektrums gemäß einem Modell eine Ableitung des Dämpfungsspektrums verwendet, um den Dämpfungsparameter zu erhalten.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend ein Verwenden einer Kalibrierungskurve, um den Dämpfungsparameter mit einer Eigenschaft des Prüfgegenstandes in Relation zu setzen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Materialeigenschaft die Korngröße in einem polykristallinen Feststoff ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Materialeigenschaft die Porosität eines Verbundmaterials ist.
System zum Messen einer Ultraschalldämpfung, um Materialeigenschaften eines Prüfgegenstandes zu bestimmen, umfassend: (a) einen Ultraschallimpulseerzeugungs- und -detektionsaufbau zum Abgeben eines Breitbandultraschallimpulses in den Prüfgegenstand und zum Detektieren eines gedämpften Breitbandultraschallimpulses nach Fortpflanzung durch den Prüfgegenstand; (b) einen Empfänger zum Digitalisieren eines Interaktionssignals, das dem detektierten Ultraschallimpuls entspricht; und (c) einen Signalprozessor ausgebildet zum: i Transformieren eines Abschnitts des Interaktionssignals, der dem gedämpften Breitbandultraschallimpuls entspricht, von der Zeitdomäne in die Frequenzdomäne, um ein Amplitudenspektrum zu erhalten; ii Berechnen eines Dämpfungsspektrums durch Vergleichen des Amplitudenspektrums mit einem Referenzamplitudenspektrum, wobei das Referenzamplitudenspektrum von einer Referenzprobe mit zu jenen des Prüfgegenstandes äquivalenten Diffraktionseigenschaften abgeleitet wird, wobei das Referenzamplitudenspektrum eine bekannte Dämpfung aufweist; und iii Anpassen des Dämpfungsspektrums gemäß einem Modell, um einen Dämpfungsparameter zu bestimmen, der zum Bestimmen einer Materialeigenschaft des Prüfgegenstandes verwendet wird.
System nach Anspruch 18, wobei der Signalprozessor ferner ausgebildet ist, um einen Mittelwert aus einer Mehrzahl von Interaktionssignalen von dem Prüfgegenstand an einem oder mehreren Orten zu berechnen, um das Amplitudenspektrum zu erzeugen.
System nach Anspruch 19, wobei der Signalprozessor ferner ausgebildet ist, um einen Zeit- oder Frequenzdomänen-Mittelwertbildungsprozess mit der Mehrzahl von Interaktionssignalen durchzuführen, um das Amplitudenspektrum zu erzeugen.
System nach einem der Ansprüche 18 bis 20, wobei der Ultraschallimpulserzeugungs- und - detektionsaufbau einen Erzeugungslaser zum Erzeugen des Breitbandultraschallimpulses und einen Detektionslaser, der mit einem optischen Detektionssystem gekoppelt ist, zum Detektieren einer Manifestation des Breitbandultraschallimpulses umfasst.
System nach Anspruch 21, wobei der Erzeugungslaser und der Detektionslaser auf die selbe Seite des Prüfgegenstandes gerichtet sind.
System nach einem der Ansprüche 18 bis 22, ferner umfassend ein System für eine gesteuerte Bewegung zum Abtasten einer Oberfläche des Prüfgegenstandes, um Dämpfungsspektren zu erhalten, welche der Dämpfung entlang verschiedenen Strecken durch den Prüfgegenstand entsprechen.
System nach Anspruch 23, wobei die Dämpfungsspektren verwendet werden, um ein Bild der Materialeigenschaft des Prüfgegenstandes zu erzeugen.