murr Schunk

Použití metody TFM s funkcí obálky

Metoda TFM (Total Focusing Method) představuje nedávno zavedený a uznaný postup nedestruktivního hodnocení materiálů a struktur.

 

Určité předpisy a normy již nyní obsahují oddíly týkající se záznamu s dokonalou maticí (FMC) a metody TFM při nedestruktivním zkoušení. Následující text představuje postup při výpočtu obálky snímku získávaného metodou TFM a výhody používání této obálky jako součást řešení, které je ve shodě s příslušnými předpisy a normami.
Obálka TFM je získávána normalizovaným vypočítáváním dvou rozdílných snímků TFM – prvního vypočítávaného ze standardního záznamu s dokonalou maticí (FMC) a druhého vypočítávaného za použití záznamu FMC zpracovávaného Hilbertovou transformací. Výsledný snímek s obálkou TFM poskytuje lepší základ pro použití metody amplitudového určování velikostí, jelikož je odolnější proti kolísání amplitudy ve srovnání se standardním oscilačním snímkem TFM získaným při totožném rastrovém rozlišení. Oproti standardnímu oscilačnímu snímku TFM je proto pro obálku možné nastavovat hrubší rozlišení rastru, a tak snižovat celkovou náročnost výpočtu. V konečném důsledku lze zvyšovat výslednou rychlost pořizování snímku.
Některá zařízení pro NDT, jako např. detektor vad OmniScan X3, umožňují zobrazování za použití metody TFM v reálném čase. Tato metoda je založena na získávání součtu většího počtu hodnot amplitud měřených elementárním amplitudovým snímáním. Snímky jsou oscilačního typu, protože zvuková vlna má původ v základním amplitudovém snímání. Charakterizační schémata v aplikacích pro NDT naproti tomu představují amplitudové postupy, u nichž lze oscilační chování považovat za nadbytečný akustický artefakt. Běžný postup spočívá v usměrňování amplitudy tak, aby získávaný obraz měl přísně kladné hodnoty. I když může usnadnit interpretaci obrazu ve vztahu k jeho plně oscilačnímu protějšku, použití obálky signálu může dále zlepšit výsledky získávané charakterizací a reálně zvýšit rychlost pořizování záznamů oproti standardnímu oscilačnímu snímku TFM.
Použití takového oscilačního snímku TFM je však spojeno s několika nevýhodami. Rozlišení rastru (tj. vzdálenost mezi dvěma pixely ve snímku) musí činit přibližně λ/8, aby bylo ve shodě s předpisy. Hodnota λ je vlnová délka, která je ve vztahu s centrální frekvencí sondy a rychlostí šíření zvuku v součásti. Malé rozlišení rastru je spojeno s vysokou náročností výpočtů, což má za následek nižší rychlost pořizování snímků. U oscilačních snímků TFM je také nepříznivě ovlivňována odolnost proti kolísání amplitudy, nezbytná u metod amplitudového určování velikostí vad. Maximální amplituda měřeného odrazu zvuku je ve skutečnosti silně závislá na fázovém posunu získávaného signálu.

Všechny tyto problémy lze řešit použitím obálky TFM, která odstraňuje kmitání signálu v obrazu a umožňuje provádět odolnější měření maximální amplitudy (viz obr. 2). To vede k vyšší produktivitě při pořizování záznamů, jelikož vyžaduje snížené rozlišení rastru (tj. větší rozestup mezi dvěma sousedními pixely) při stejné odolnosti proti kolísání amplitudy ve srovnání se standardním snímkem TFM. Při použití obálky je např. postačující rozlišení rastru činící přibližně λ/4 k získání stejné stálosti amplitudy (2 dB) jako u standardního oscilačního snímku pořizovaného za použití rozlišení λ/8.

Metoda FMC-TFM     
Typickým znakem ultrazvukového fázového pole je schopnost zaostřování v kterémkoli místě kontrolovaného dílu. Postup zaostřování fázového pole využívá jednotlivých zpoždění (jak při vysílání, tak i při příjmu) k synchronizaci časů průchodu krátkých impulzních signálů v oblasti zájmu. V ohniskové zóně vzorku se zmenšuje celková šířka generovaného akustického svazku a výrazně zvyšuje rozlišení při detekci.
Metoda TFM představuje přirozené rozšíření této schopnosti, jelikož vytváří zaostřený svazek prostřednictvím fokalizace fázového pole a jeho usměrňování v každém místě oblasti zájmu kontrolovaného dílu, přičemž operátor sleduje pouze sadu fokalizovaných datových bodů ve vysokém rozlišení. Oblast zájmu často tvoří stejnoměrný kartézský rastr obsahující všechny požadované cílové objekty postupu fokalizace. Dosahování fokalizace v každém místě rastru konvenčním postupem by bylo mimořádně časově náročné vzhledem k době fyzického šíření zvukových vln, potřebné k dosažení každého místa v oblasti zájmu.
Jelikož typické ultrazvukové vlny používané v NDT jsou lineární, fyzické utváření svazků, dané pro všechny zúčastněné prvky apertury výsledkem superpozice skutečných akustických polí, může být emulováno použitím následné akvizice datové sady získávané při provádění záznamu s dokonalou maticí (FMC). To vyžaduje zaznamenávání signálu pocházejícího od všech prvků tvořících přijímající aperturu v době, kdy jsou akustické emise vytvářeny každým jednotlivým prvkem tvořícím vysílající aperturu. Samotná datová sada FMC je pak tvořena velkým množstvím elementárních amplitudových snímků zahrnujícím všechny kombinace vysílajících i přijímajících prvků.
Stejně jako u konvenčního zaostřeného fázového pole vyžaduje získávání fokalizované amplitudy v daných místech splnění následujících předpokladů:

• vypočítávání doby průchodu potřebné k šíření zvukových vln pro dosahování polohy ohniska shodující se se zvolenou polohou oblasti zájmu v rastru i následné odesílání těchto vln zpět k přijímajícímu prvku (pro všechny dvojice vysílajících a přijímajících prvků příslušné apertury),

• výběr datového bodu amplitudy odpovídajícího příslušné době průchodu během vysílání i přijímání (rovněž pro všechny dvojice vysílajících a přijímajících prvků),

• vytváření součtu všech vybraných datových bodů amplitudy příslušejících všem zúčastněným prvkům tvořícím vysílající i přijímající apertury,

• umísťování výsledné součtové amplitudy v počáteční vybrané poloze uvnitř rastru.

Opakování těchto kroků pro všechna místa rastru v celé oblasti zájmu vytváří amplitudovou mapu pro všechny hodnoty amplitud odpovídající fokalizovanému svazku, a to jak při vysílání, tak i při příjmu. Tento způsob využívání dat FMC k vytváření mapy amplitud fokalizovaných v každém z míst celé oblasti zájmu (tj. v zóně TFM) je označován jako metoda FMC-TFM.

Výpočet obálky TFM
Při vypočítávání obálky TFM za použití stejných amplitudových snímků (FMC), jaké jsou získávány při použití standardní metody TFM, je nutno poukázat na skutečnost, že obálka má fyzickou podobu, a nepředstavuje tedy pouhý algoritmus vyhlazování obrazu. Obálka snímku TFM má svůj původ v jednotlivých amplitudových snímcích, ze kterých sestává. Pro schematické znázornění jejího chování bude koncepce obálky představena pomocí Gaussovy řady časových impulzů. Proces je aplikován také na empirický amplitudový snímek a na úplný snímek TFM.

Na obr. 3 je příklad jednoduchého impulzu a(t), modulovaného pomocí Gaussovy řady. Skutečný signál a(t) je znázorněn modře, jeho pomyslná část a(t) transformovaná Hilbertovou metodou červeně a přerušovanou čarou je výsledná obálka z(t), která není ovlivňována okamžitou fází θ(t) tohoto signálu, takže signály s rozdílnými fázovými posunutími ϕ mohou mít stejnou obálku.
Několik impulzů modulovaných pomocí Gaussovy řady s rozdílnými fázovými posuny ϕ, společně s jejich výslednou obálkou znázorňuje obr. 4. Měřená maximální amplituda signálu je tudíž při použití obálky signálu odolnější než absolutní hodnota skutečné složky analytického signálu.

Stejný postup lze použít k získání obálky empirického amplitudového snímku. Na obr. 5 je elementární amplitudový snímek pořízený prostřednictvím FMC a na obr. 6 je tentýž amplitudový snímek (modrý) společně s jeho Hilbertovou transformací (červená) a vypočítanou obálkou (přerušovaná čára). Všechny znázorněné signály jsou normalizovány podle maxima amplitudové obálky.
Obraz s obálkou TFM je výsledkem kombinace dvou obrazů (viz obr. 7): jednoho z reálné složky tvořené elementárními amplitudovými snímky a druhého z vypočítané pomyslné složky elementárních amplitudových snímků. I když tento postup zvyšuje náročnost výpočtu a snižuje rychlost pořizování záznamu nedestruktivním zkušebním přístrojem, potřebné rozlišení rastru lze významně snížit i bez nepříznivého ovlivnění stálosti amplitudy, což umožňuje opětovně zvýšit rychlost pořizování záznamu, která je pak vyšší než při použití standardních snímků TFM.

Výhody použití obálky TFM
Výhody názorně demonstruje vzájemné porovnání několika snímků s rozdílnými poměry rozlišení rastru, které se pohybují v rozsahu od λ/9,3 do λ/4, a sledování prováděného za použití různé kritické kontrolní metriky. Výsledky byly získány za použití sondy 5L32-A31 a optického klínu SA31-N55S-IHC při pozorování ocelového bloku opatřeného postranním vrtaným otvorem (SDH) o průměru 1 mm (viz obr. 8). Mezi optickým klínem a ocelovým blokem byl použit vazební gel (Sonotech Ultragel II).

Data byla pořízena detektorem vad Olympus OmniScan X3. Byla vybrána akustická dráha typu impulz–ozvěna (T-T), velikost oblasti činila (20 x 20 mm). Vlnová délka přiřazená dílu a vybrané akustické dráze činila λ = 0,648 mm. Rozlišení rastru bylo zaznamenáváno v jednotkách představujících zlomky vlnové délky.
Tabulka na obr. 9 zobrazuje výsledné snímky TFM pro rozdílné hodnoty rozlišení rastru v rozsahu od λ/9,3 do λ/4, a to jak pro standardní snímky TFM, tak i pro snímky TFM s obálkou. V každém ze snímků je vyznačena vypočítaná hodnota stálosti amplitudy i výsledná rychlost pořizování záznamu.

Nově vydané předpisy a normy požadují, aby stálost amplitudy činila 2 dB nebo méně. U standardní metody TFM jsou proto ve shodě s těmito předpisy pouze první dvě hodnoty rozlišení rastru (λ/9,3, λ/8,1). Obálka TFM však umožňuje použití hrubšího rozlišení rastru (λ/4) při zachování stálosti amplitudy, která je ve shodě s předpisy. Použití obálky TFM s hrubším rastrem pak umožňuje zvýšit rychlost pořizování záznamu o přibližně 37 % oproti nejvyšší rychlosti dosažitelné s použitím standardní metody TFM, splňující požadavky předpisů a norem (57,9 Hz při λ/8,1).
Obálka signálu je nezávislá na jeho okamžité fázi, a poskytuje tak spolehlivější základ pro postupy amplitudového měření velikostí (např. pro metodu využívající pokles o 6 dB). Neslouží pouze k vyhlazování obrazu, a neměla by tedy být považována za filtr, který může způsobovat vznik ztrát dat. Třebaže je k získání výsledné obálky TFM nutno vypočítávat dva snímky použitím hrubšího rozlišení rastru, lze významně snížit náročnost zpracování při zachování shody zbývajících hodnot s požadavky předpisů a norem. To je dosaženo díky odolnosti obálky proti kolísání amplitudy. Výsledkem je snímek, který je lépe uzpůsoben amplitudovému určování velikosti, přestože je získáván vyšší rychlostí než ekvivalentní snímek standardní metodou TFM.

Nicolas Badeau, Olympus

 
Publikováno: 19. 11. 2020 | Počet zobrazení: 26 | Počet přeposlání: 0 článek mě zaujal 3
Zaujal Vás tento článek?
Ano