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(jiǎn)單且保守的理論模型來(lái)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(cè)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(lái)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(guò)要檢查的區(qū)域和所選的聲學(xué)模式（例如TT，TTT，TLT等）來(lái)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(cè)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(cè)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(cè)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(xiě)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(cè)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(lái)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(wèn)題

正如簡(jiǎn)介中簡(jiǎn)要提到的那樣，TFM網(wǎng)格分辨率在確定檢測(cè)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(cè)量幅度來(lái)確定其寬度和高度。

圖1說(shuō)明了在脈沖回波TFM模式下檢測(cè)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(zhǎng)的術(shù)語(yǔ)還給出0 = C / F0）。

圖1 –使用常見(jiàn)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(zhǎng)λ而言0。

由于真實(shí)的大振幅（紅色區(qū)域）位于測(cè)量點(diǎn)之間，因此不會(huì)在TFM圖像中檢測(cè)到。相反，將測(cè)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(cè)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(cè)到實(shí)際大值。

幅度保真度要求定義為TFM網(wǎng)格測(cè)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(shuō)，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(cè)得的大峰值的幅度變化。因此，可以通過(guò)移動(dòng)TFM網(wǎng)格并在以檢測(cè)到的缺陷為中心的區(qū)域中記錄大幅度，來(lái)憑經(jīng)驗(yàn)測(cè)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(cè)量是可行的，但它有些復(fù)雜。因此，這里提出一種使用簡(jiǎn)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(lái)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(zhǎng)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(jiàn)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(cè)量的小大值（A min）對(duì)應(yīng)于從波形大峰值位置開(kāi)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(jiǎn)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(wú)量綱相對(duì)于探頭中心頻率波長(zhǎng)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(shuō)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(cè)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(shuō)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(cè)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(jiǎn)單起見(jiàn)，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(cè)量，我們需要在TFM圖像中以定義的分辨率測(cè)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(jiàn)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(xiě)為中心波長(zhǎng)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(cè)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(zhǎng)處測(cè)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(zhǎng)設(shè)置為網(wǎng)格分辨率的1/20。在所有測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量將是相當(dāng)?shù)偷模驗(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(cè)量。

實(shí)證和理論結(jié)果分析

圖7顯示了兩個(gè)測(cè)試案例的經(jīng)驗(yàn)幅度保真度和理論幅度保真度測(cè)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(cè)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(cè)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(jiàn)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(jiàn)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(lái)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(cè)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(lái)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(cè)量對(duì)缺陷方向的依賴性。在經(jīng)驗(yàn)測(cè)量的情況下，必須通過(guò)在所有四個(gè)選定方向上移動(dòng)網(wǎng)格來(lái)測(cè)量幅度變化。

在CIVA（EXTENDE）軟件中使用這種近似值來(lái)定義超聲探頭脈沖波形。

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