OLYMPUS奧林巴斯OmniScan MX3相控陣全聚焦TFM

奧林巴斯工業(yè)資源TFM振幅保真度讀取抽象

總聚焦方法（TFM）檢查技術(shù)要求操作員定義TFM網(wǎng)格的位置和分辨率。新的檢查代碼要求TFM網(wǎng)格分辨率足夠精細(xì)，以達(dá)到小于或等于2 dB的幅度保真度。幅度保真度對(duì)應(yīng)于由TFM網(wǎng)格分辨率參數(shù)引起的幅度變化（以dB標(biāo)度為單位）。這里提出使用簡單且保守的理論模型來近似設(shè)置的振幅保真度值。該模型使用探針，零件和TFM網(wǎng)格中的參數(shù)，計(jì)算壞情況下的幅度保真度。與兩個(gè)不同的TFM用例的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，理論模型為經(jīng)驗(yàn)測度提供了一個(gè)保守的近似值，總是稍微高估幅度保真度值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，網(wǎng)格分辨率約為λ0 / 5是足以達(dá)到規(guī)范要求（2 dB為單位），而理論模型計(jì)算在λ稍微更精細(xì)的網(wǎng)格0 /7。

介紹

總聚焦法（TFM）作為一種*的標(biāo)準(zhǔn)化相控陣（PA）檢查技術(shù)的引入帶來了新的概念和參數(shù)，需要操作員進(jìn)行定義。標(biāo)準(zhǔn)PA和TFM檢查之間的主要區(qū)別之一是感興趣區(qū)域（ROI）的概念。雖然在標(biāo)準(zhǔn)PA中，關(guān)注區(qū)域直接由聚焦法則方向（即折射角）定義，但TFM的關(guān)注區(qū)域可以獨(dú)立于聲傳播軸。感興趣的TFM區(qū)域通常由具有特定位置和分辨率的矩形框定義。雖然通常通過要檢查的區(qū)域和所選的聲學(xué)模式（例如TT，TTT，TLT等）來定義感興趣區(qū)域的定位，但要定義網(wǎng)格分辨率則比較棘手。

盡管非常精細(xì)的TFM網(wǎng)格（即高分辨率）可以提供更好的清晰度，并且可能更容易表征，但同時(shí)也增加了計(jì)算和存儲(chǔ)負(fù)擔(dān)，因此降低了總體檢查效率。相反，較粗的網(wǎng)格（即低分辨率）降低了檢測的可能性，并削弱了特征和尺寸調(diào)整能力?；诜鹊拇笮≌{(diào)整技術(shù)（例如-6 dB下降技術(shù)）高度依賴于缺陷的大幅度測量。因此，操作員在設(shè)置柵格分辨率時(shí)必須做出妥協(xié)，以確保測量真實(shí)峰值幅度的可能性足夠高而不影響檢查效率。

盡管操作員可以任意確定這種折衷辦法，但有關(guān)TFM檢查的新編寫的代碼和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，由網(wǎng)格分辨率引起的大幅度變化（也稱為幅度保真度）應(yīng)為2 dB。這為操作員提供了低限度的目標(biāo)。實(shí)際上，某些操作人員肯定會(huì)以小于2 dB的幅度保真度為目標(biāo)，但盡可能接近此極限，以實(shí)現(xiàn)更高的檢查率。

本文檔旨在描述TFM網(wǎng)格分辨率為何以及如何影響幅度測量。它還提供了一種理論方法，可用于根據(jù)聲學(xué)設(shè)置，零件檢查和網(wǎng)格分辨率來計(jì)算TFM網(wǎng)格的幅度保真度值。將理論方法與在兩種不同檢查設(shè)置下獲得的經(jīng)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。

問題

正如簡介中簡要提到的那樣，TFM網(wǎng)格分辨率在確定檢測概率和調(diào)整大小能力方面起著重要作用?；诜鹊拇笮≌{(diào)整技術(shù)依賴于指示的大測量幅度來確定其寬度和高度。

圖1說明了在脈沖回波TFM模式下檢測到的點(diǎn)散射器的典型整流幅度響應(yīng)。使用顏色圖顯示實(shí)際的散射體響應(yīng)，大振幅值對(duì)應(yīng)于紅色區(qū)域，零振幅為白色。每個(gè)彩色的橢圓對(duì)應(yīng)一個(gè)不同的振幅平穩(wěn)段，這是由于信號(hào)的校正（值）表示所致。每個(gè)灰色十字代表TFM網(wǎng)格的評(píng)估點(diǎn)；相鄰點(diǎn)之間的水平和垂直距離分別代表橫向和深度網(wǎng)格分辨率?；疑摼€箭頭表示聲傳播軸（即信號(hào)相位變化的方向）。（λ為這樣的散射體的典型尺寸在探針中心波長的術(shù)語還給出0 = C / F0）。

圖1 –使用常見的大帶寬脈沖信號(hào)的假設(shè)點(diǎn)散射器的校正幅度TFM圖像的色標(biāo)表示。聲波傳播軸與近似散射尺寸一起示出在探針中心波長λ而言0。

由于真實(shí)的大振幅（紅色區(qū)域）位于測量點(diǎn)之間，因此不會(huì)在TFM圖像中檢測到。相反，將測量較低的大值（黃色）。如果使用基于幅度的大小調(diào)整技術(shù)（例如-6 dB技術(shù)），則由于較差的網(wǎng)格分辨率而導(dǎo)致的大幅度誤差將導(dǎo)致缺陷尺寸大大高估。盡管在當(dāng)前網(wǎng)格位置中未測量實(shí)際大值，但如果僅將網(wǎng)格移動(dòng)一小段距離，則TFM網(wǎng)格點(diǎn)之一將檢測到實(shí)際大值。

幅度保真度要求定義為TFM網(wǎng)格測得的實(shí)際大值（紅色區(qū)域）與小大幅度之間的大幅度變化（以dB標(biāo)度為單位）。換句話說，幅度保真度是如果具有恒定分辨率的TFM網(wǎng)格在所有方向上以非常小的增量移動(dòng)，則測得的大峰值的幅度變化。因此，可以通過移動(dòng)TFM網(wǎng)格并在以檢測到的缺陷為中心的區(qū)域中記錄大幅度，來憑經(jīng)驗(yàn)測量幅度變化。在某些位置，實(shí)際大值將直接在TFM網(wǎng)格評(píng)估點(diǎn)上（產(chǎn)生A max），在其他位置，它將直接位于兩個(gè)評(píng)估點(diǎn)的中間（產(chǎn)生A min））。下面給出了用于計(jì)算振幅保真度的公式。

AF = 20日志10 ?（A 分鐘 / A 大）

雖然對(duì)幅度保真度進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)測量是可行的，但它有些復(fù)雜。因此，這里提出一種使用簡單聲學(xué)模型的理論方法。

振幅保真度計(jì)算-理論基礎(chǔ)

如圖2所示，聲傳播軸（灰色箭頭）對(duì)應(yīng)于大幅度變化的方向?？梢允褂酶咚拐{(diào)制正弦波1（使用探頭和被檢零件參數(shù)）來估算沿該方向的信號(hào)分布（圖2）。振蕩信號(hào)將在此處用作幅度保真度讀數(shù)的典型散射響應(yīng)。

圖2 –高斯波形的表示。傳播軸（x軸）相對(duì)于所述探頭的中心頻率波長被表示（λ 0）。波形參數(shù)：f 0 = 7.5 MHz，c = 5890 m / s，BW = 1.0。

高斯波形使用以下公式計(jì)算：

克（ρ）= E （-ρ 2 /（2C 2 σ 2）） cos?（K 0 ρ+θ 0）

其中ρ表示沿著傳播軸的距離，c是在被檢查部的音速，σ是探針帶寬和中心角頻率之間的關(guān)系，（ω 0）中，k 0和θ對(duì)應(yīng)于中心頻率波數(shù)，0是介于0到2π之間的相位偏移。使用以下公式計(jì)算波數(shù)（k 0）和帶寬項(xiàng)（σ）。

? 0 =ω 0 / C

σ=√（8ln?2）/（BWω 0）

由于需要計(jì)算幅度保真度壞情況并確保它不會(huì)被低估，因此將帶寬設(shè)置為BW = 1.0并將相位偏移設(shè)置為θ0 =0。這允許沿著聲波更窄的波形傳播軸和在其包絡(luò)線內(nèi)居中的峰（請(qǐng)參見圖2中的示例）。由于始終對(duì)TFM圖像進(jìn)行校正（值），因此波形方程變?yōu)?/span>

g（ρ）= | ë （-ρ 2 /（2C 2 σ 2）） cos?（K 0 ρ）|

同樣，為了計(jì)算壞情況的幅度保真度值，必須在TFM網(wǎng)格上對(duì)角線選擇聲傳播軸ρ。因此，聲傳播軸分辨率是沿x軸和z軸的分辨率的函數(shù)。

ΔD= +√（ΔX 2 +ΔZ 2）

由于網(wǎng)格分辨率而可以測量的小大值（A min）對(duì)應(yīng)于從波形大峰值位置開始的ρ=±Δd/ 2處的信號(hào)幅度。由于建模波形沿傳播軸居中（在ρ= 0處為峰值），并且大值A(chǔ) max = 1，因此理論幅度保真度計(jì)算非常簡單。圖3顯示了一個(gè)以ρ= 0為中心的整流波形的示例，其網(wǎng)格分辨率（藍(lán)點(diǎn)）允許振幅保真度為2 dB。

AF = -20日志10 ?（（G（ρ=ΔD/ 2））/ A 大）= -20日志10 ?（克（ρ=ΔD/ 2））

圖3 -無量綱相對(duì)于探頭中心頻率波長λ的傳播軸的整流（值）波形的插圖0。大峰沿傳播軸居中（ρ= 0）。藍(lán)點(diǎn)代表點(diǎn)在ρ/λ 0 =±0.1，其對(duì)應(yīng)于AF =2分貝的振幅保真度值。波形參數(shù)：f 0 = 7.5 MHz，c = 5890 m / s，BW = 1.0。

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本節(jié)說明的是，上述的理論模型可以用于計(jì)算振幅保真度值。如前所述，理論模型使用了壞情況的方案，與經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)相比，它可以高估幅度保真度。

使用兩個(gè)不同設(shè)置上的兩個(gè)回波進(jìn)行比較。一部分介紹了使用的實(shí)驗(yàn)設(shè)置以及如何進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)幅度保真度測量，而第二部分介紹了理論和經(jīng)驗(yàn)結(jié)果并提供了完整的分析。

實(shí)證檢驗(yàn)說明

驗(yàn)證使用了兩個(gè)不同的TFM用例（如下圖所示）。一種設(shè)置使用7.5 MHz探頭，該探頭直接與包含一系列側(cè)面鉆孔（SDH）的零件接觸。第二種設(shè)置使用5 MHz探頭，該探頭在也包含SDH的碳鋼塊上帶有傾斜的楔形。一種設(shè)置使用直接LL傳播模式（使用縱波），而第二種設(shè)置使用直接TT模式（剪切波）。

使用這兩種設(shè)置，選擇了兩個(gè)不同的SDH，總共四個(gè)。圖5顯示了圖像TFM -高分辨率（λ 0 /100） -所選擇的SDHs。注意聲學(xué)傳播方向的差異。對(duì)于一種使用情況（頂行），聲傳播大部分是垂直的，而在第二種情況下，聲傳播對(duì)角線（左下）而幾乎水平（右下）位于網(wǎng)格上。

圖4 -高分辨率（λ 0 /100）的所有四個(gè)SDHs useds用于實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的TFM圖像。頂行：一種情況下（λ 0 =0.785毫米），底排：第二殼體（λ 0 =0.648毫米）。

為了將理論模型與經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，必須針對(duì)一系列不同的TFM網(wǎng)格分辨率測量幅度保真度。因此，所有四個(gè)SDHs計(jì)算五個(gè)不同的網(wǎng)格分辨率，即（λ 0/20，λ 0 /10，λ 0 /5，λ 0 /4，λ 0 /3）。為了簡單起見，TFM圖像的x軸和z軸都具有相同的分辨率（方形TFM網(wǎng)格分辨率）。

為了獲得振幅保真度測量，我們需要在TFM圖像中以定義的分辨率測得的峰值A(chǔ) max的實(shí)際大值和小的A min。高分辨率TFM圖像（參見圖5）用于獲得實(shí)際大值A(chǔ) max。確定小的大值A(chǔ) min會(huì)比較麻煩。實(shí)際上，TFM圖像必須使用寫為中心波長的一小部分所定義的網(wǎng)格分辨率（計(jì)算λ 0/ x），并且必須測量大值。然后，將網(wǎng)格位置沿不同方向稍微移動(dòng)，并在每個(gè)增量步長處測量大值。由于各種可能的缺陷方向，在圖6所示的所有點(diǎn)組合中移動(dòng)網(wǎng)格非常重要。在此圖中，藍(lán)網(wǎng)格表示具有定義分辨率的初始TFM網(wǎng)格。較細(xì)的灰網(wǎng)格表示需要逐步評(píng)估的所有網(wǎng)格點(diǎn)。紅點(diǎn)代表特定增量的評(píng)估體素。在當(dāng)前研究中，增量步長設(shè)置為網(wǎng)格分辨率的1/20。在所有測得的大值中，取小的一個(gè)以計(jì)算幅度保真度值。

圖5 –經(jīng)驗(yàn)振幅保真度測量的TFM網(wǎng)格位置增量的方向示意圖。藍(lán)網(wǎng)格代表初始TFM網(wǎng)格，而精細(xì)的灰網(wǎng)格代表所有TFM網(wǎng)格的增量移動(dòng)以獲得幅度變化。

同樣，在所有方向上移動(dòng)TFM網(wǎng)格以測量可靠的幅度保真度值非常重要。例如，如果，對(duì)于一次使用的情況下，網(wǎng)格只沿x軸，測量將是相當(dāng)?shù)偷?，因?yàn)槁晜鞑シ较蚴谴怪庇趚軸的振幅的保真度移動(dòng)。相反，由于傳播軸沿垂直軸，因此沿z軸移動(dòng)網(wǎng)格將提供更可靠的測量。

實(shí)證和理論結(jié)果分析

圖7顯示了兩個(gè)測試案例的經(jīng)驗(yàn)幅度保真度和理論幅度保真度測量之間的比較。使用前述方法計(jì)算理論曲線（純曲線）。計(jì)算了兩條不同的曲線，一條曲線直接使用網(wǎng)格分辨率（Δx或Δz），第二條曲線使用對(duì)角軸分辨率（Δd）。

對(duì)于每種網(wǎng)格分辨率，經(jīng)驗(yàn)曲線（虛線）表示在所有軸上獲得的大振幅保真度。除了經(jīng)驗(yàn)和理論結(jié)果外，紅色虛線還表示了TFM碼要求（2 dB）。

圖6 –兩個(gè)TFM用例的實(shí)驗(yàn)和理論幅度保真度測量比較。左側(cè)：聯(lián)系用例（LL模式）。右側(cè)：傾斜楔形用例（TT模式）。紅色虛線表示2 dB代碼要求。

查看一個(gè)用例的結(jié)果（左圖7），兩個(gè)SDH的幅度保真度測量都類似于使用x軸分辨率（Δx）的理論曲線。實(shí)際上，由于SDH沿垂直（聲傳播）軸的方向（見圖5），這才有意義。同樣，由于SDH的相似性，經(jīng)驗(yàn)曲線幾乎相同。需要注意的是，在這種情況下，以符合所需的網(wǎng)格分辨率與代碼要求達(dá)到在約λ 0 /5使用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)并在約λ 0使用理論模型（壞情況）時(shí)/ 7。

在第二個(gè)用例（右圖7）上獲得的結(jié)果表明，SDH的幅度保真度之間存在差異。這主要是由于它們的方向（參見圖5），因?yàn)橐粋€(gè)SDH在TFM網(wǎng)格上對(duì)角地取向，在該位置分辨率較差，因此提供了高的幅度保真度值。但是，即使在這種情況下，沿對(duì)角軸（橙色曲線）的理論結(jié)果仍然可以提供幅度值的保守估計(jì)。在這種情況下，λ的網(wǎng)格分辨率0需要/ 6使用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以及λ當(dāng)滿足規(guī)范要求0 /7，如果使用的理論模型。

在這兩種使用案例中，理論模型都提供了一種保守的方法，可以根據(jù)其分辨率，零件速度和探針參數(shù)來近似估算TFM網(wǎng)格的振幅保真度。

結(jié)論

TFM檢查技術(shù)要求用戶正確選擇網(wǎng)格參數(shù)，例如其位置和分辨率。柵格位置取決于被檢零件的幾何形狀和可達(dá)到的聲區(qū)，柵格分辨率定義應(yīng)取決于所使用的探頭頻率和聲模。本文所述的幅度保真度讀數(shù)可幫助用戶確定必要的網(wǎng)格分辨率。該讀數(shù)可測量由網(wǎng)格分辨率引起的幅度變化，該值將包括在新檢查代碼（例如ASME第V節(jié)）的要求中。

本文證明了所描述的理論模型提供了一種保守的方法來近似振幅保真度值。此處顯示的另一個(gè)重要方面是幅度保真度測量對(duì)缺陷方向的依賴性。在經(jīng)驗(yàn)測量的情況下，必須通過在所有四個(gè)選定方向上移動(dòng)網(wǎng)格來測量幅度變化。

在CIVA（EXTENDE）軟件中使用這種近似值來定義超聲探頭脈沖波形。

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