OLYMPUS奧林巴斯OmniScan MX3相控陣全聚焦TFM

奧林巴斯工業資源TFM振幅保真度讀取抽象

總聚焦方法（TFM）檢查技術要求操作員定義TFM網格的位置和分辨率。新的檢查代碼要求TFM網格分辨率足夠精細，以達到小于或等于2 dB的幅度保真度。幅度保真度對應于由TFM網格分辨率參數引起的幅度變化（以dB標度為單位）。這里提出使用簡單且保守的理論模型來近似設置的振幅保真度值。該模型使用探針，零件和TFM網格中的參數，計算壞情況下的幅度保真度。與兩個不同的TFM用例的經驗數據進行了比較。結果表明，理論模型為經驗測度提供了一個保守的近似值，總是稍微高估幅度保真度值。實驗結果表明，網格分辨率約為λ0 / 5是足以達到規范要求（2 dB為單位），而理論模型計算在λ稍微更精細的網格0 /7。

介紹

總聚焦法（TFM）作為一種*的標準化相控陣（PA）檢查技術的引入帶來了新的概念和參數，需要操作員進行定義。標準PA和TFM檢查之間的主要區別之一是感興趣區域（ROI）的概念。雖然在標準PA中，關注區域直接由聚焦法則方向（即折射角）定義，但TFM的關注區域可以獨立于聲傳播軸。感興趣的TFM區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域和所選的聲學模式（例如TT，TTT，TLT等）來定義感興趣區域的定位，但要定義網格分辨率則比較棘手。

盡管非常精細的TFM網格（即高分辨率）可以提供更好的清晰度，并且可能更容易表征，但同時也增加了計算和存儲負擔，因此降低了總體檢查效率。相反，較粗的網格（即低分辨率）降低了檢測的可能性，并削弱了特征和尺寸調整能力。基于幅度的大小調整技術（例如-6 dB下降技術）高度依賴于缺陷的大幅度測量。因此，操作員在設置柵格分辨率時必須做出妥協，以確保測量真實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TFM檢查的新編寫的代碼和標準規定，由網格分辨率引起的大幅度變化（也稱為幅度保真度）應為2 dB。這為操作員提供了低限度的目標。實際上，某些操作人員肯定會以小于2 dB的幅度保真度為目標，但盡可能接近此極限，以實現更高的檢查率。

本文檔旨在描述TFM網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，可用于根據聲學設置，零件檢查和網格分辨率來計算TFM網格的幅度保真度值。將理論方法與在兩種不同檢查設置下獲得的經驗結果進行比較。

問題

正如簡介中簡要提到的那樣，TFM網格分辨率在確定檢測概率和調整大小能力方面起著重要作用。基于幅度的大小調整技術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模式下檢測到的點散射器的典型整流幅度響應。使用顏色圖顯示實際的散射體響應，大振幅值對應于紅色區域，零振幅為白色。每個彩色的橢圓對應一個不同的振幅平穩段，這是由于信號的校正（值）表示所致。每個灰色十字代表TFM網格的評估點；相鄰點之間的水平和垂直距離分別代表橫向和深度網格分辨率。灰色虛線箭頭表示聲傳播軸（即信號相位變化的方向）。（λ為這樣的散射體的典型尺寸在探針中心波長的術語還給出0 = C / F0）。

圖1 –使用常見的大帶寬脈沖信號的假設點散射器的校正幅度TFM圖像的色標表示。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。

由于真實的大振幅（紅色區域）位于測量點之間，因此不會在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整技術（例如-6 dB技術），則由于較差的網格分辨率而導致的大幅度誤差將導致缺陷尺寸大大高估。盡管在當前網格位置中未測量實際大值，但如果僅將網格移動一小段距離，則TFM網格點之一將檢測到實際大值。

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

AF = 20日志10 ?（A 分鐘 / A 大）

雖然對幅度保真度進行經驗測量是可行的，但它有些復雜。因此，這里提出一種使用簡單聲學模型的理論方法。

振幅保真度計算-理論基礎

如圖2所示，聲傳播軸（灰色箭頭）對應于大幅度變化的方向。可以使用高斯調制正弦波1（使用探頭和被檢零件參數）來估算沿該方向的信號分布（圖2）。振蕩信號將在此處用作幅度保真度讀數的典型散射響應。

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

高斯波形使用以下公式計算：

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系，（ω 0）中，k 0和θ對應于中心頻率波數，0是介于0到2π之間的相位偏移。使用以下公式計算波數（k 0）和帶寬項（σ）。

? 0 =ω 0 / C

σ=√（8ln?2）/（BWω 0）

由于需要計算幅度保真度壞情況并確保它不會被低估，因此將帶寬設置為BW = 1.0并將相位偏移設置為θ0 =0。這允許沿著聲波更窄的波形傳播軸和在其包絡線內居中的峰（請參見圖2中的示例）。由于始終對TFM圖像進行校正（值），因此波形方程變為

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

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

ΔD= +√（ΔX 2 +ΔZ 2）

由于網格分辨率而可以測量的小大值（A min）對應于從波形大峰值位置開始的ρ=±Δd/ 2處的信號幅度。由于建模波形沿傳播軸居中（在ρ= 0處為峰值），并且大值A max = 1，因此理論幅度保真度計算非常簡單。圖3顯示了一個以ρ= 0為中心的整流波形的示例，其網格分辨率（藍點）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）。藍點代表點在ρ/λ 0 =±0.1，其對應于AF =2分貝的振幅保真度值。波形參數：f 0 = 7.5 MHz，c = 5890 m / s，BW = 1.0。

實驗驗證

本節說明的是，上述的理論模型可以用于計算振幅保真度值。如前所述，理論模型使用了壞情況的方案，與經驗數據相比，它可以高估幅度保真度。

使用兩個不同設置上的兩個回波進行比較。一部分介紹了使用的實驗設置以及如何進行經驗幅度保真度測量，而第二部分介紹了理論和經驗結果并提供了完整的分析。

實證檢驗說明

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

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

圖4 -高分辨率（λ 0 /100）的所有四個SDHs useds用于實驗驗證的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驗數據進行比較，必須針對一系列不同的TFM網格分辨率測量幅度保真度。因此，所有四個SDHs計算五個不同的網格分辨率，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 max的實際大值和小的A min。高分辨率TFM圖像（參見圖5）用于獲得實際大值A max。確定小的大值A min會比較麻煩。實際上，TFM圖像必須使用寫為中心波長的一小部分所定義的網格分辨率（計算λ 0/ x），并且必須測量大值。然后，將網格位置沿不同方向稍微移動，并在每個增量步長處測量大值。由于各種可能的缺陷方向，在圖6所示的所有點組合中移動網格非常重要。在此圖中，藍網格表示具有定義分辨率的初始TFM網格。較細的灰網格表示需要逐步評估的所有網格點。紅點代表特定增量的評估體素。在當前研究中，增量步長設置為網格分辨率的1/20。在所有測得的大值中，取小的一個以計算幅度保真度值。

圖5 –經驗振幅保真度測量的TFM網格位置增量的方向示意圖。藍網格代表初始TFM網格，而精細的灰網格代表所有TFM網格的增量移動以獲得幅度變化。

同樣，在所有方向上移動TFM網格以測量可靠的幅度保真度值非常重要。例如，如果，對于一次使用的情況下，網格只沿x軸，測量將是相當低的，因為聲傳播方向是垂直于x軸的振幅的保真度移動。相反，由于傳播軸沿垂直軸，因此沿z軸移動網格將提供更可靠的測量。

實證和理論結果分析

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

對于每種網格分辨率，經驗曲線（虛線）表示在所有軸上獲得的大振幅保真度。除了經驗和理論結果外，紅色虛線還表示了TFM碼要求（2 dB）。

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

查看一個用例的結果（左圖7），兩個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，經驗曲線幾乎相同。需要注意的是，在這種情況下，以符合所需的網格分辨率與代碼要求達到在約λ 0 /5使用經驗數據時并在約λ 0使用理論模型（壞情況）時/ 7。

在第二個用例（右圖7）上獲得的結果表明，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），因為一個SDH在TFM網格上對角地取向，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，沿對角軸（橙色曲線）的理論結果仍然可以提供幅度值的保守估計。在這種情況下，λ的網格分辨率0需要/ 6使用經驗數據，以及λ當滿足規范要求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，可以根據其分辨率，零件速度和探針參數來近似估算TFM網格的振幅保真度。

結論

TFM檢查技術要求用戶正確選擇網格參數，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到的聲區，柵格分辨率定義應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可幫助用戶確定必要的網格分辨率。該讀數可測量由網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）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。此處顯示的另一個重要方面是幅度保真度測量對缺陷方向的依賴性。在經驗測量的情況下，必須通過在所有四個選定方向上移動網格來測量幅度變化。

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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