Ultraschall-Gruppenstrahler-Prüfköpfe

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Ultraschall-Gruppenstrahler-Prüfköpfe

Allgemeines

Die sogenannte Gruppenstrahler- oder Phased-Array-Technik ist in der medizinischen Ultraschalldiagnostik ein seit ca. 1970 eingeführtes bildgebendes Verfahren, welches zur Darstellung innerer Organe in Ergänzung zur radiografischen Diagnostik oder MRT (Magnetresonanztomografie), die in der Technik als NMR (Kernspinresonanzspektroskopie) bezeichnet wird, erfolgreich eingesetzt wird [1–3]. Der Begriff Phased Array bedeutet dabei die phasenselektive Ansteuerung der Phased Array (PA)-Einzelelemente eines Prüfkopffelds (auch Sektor-Prüfkopf, oder Gruppe genannt) z. B. mit dem Ziel der Fokussierung und Beugung (Schwenken) des sich ergebenden Schallbündels im Prüfobjekt. In der Medizin ist diese Ultraschalldiagnostik-Methode, welche mit phasen- und zeitgesteuerten Schallstrahlen arbeitet und spezifische Schallbündel erzeugt, zur Darstellung von Schnittbildern menschlicher Organe geeignet.

Gruppenstrahler Prüf- und Auswertetechnik

Die praktische Nutzung der Gruppenstrahler-Technik in der zerstörungsfreien Prüfung ist noch relativ neu, was insbesondere in den stärkeren Impedanzunterschieden technischer Werkstoffe (Metalle mit Einschlüssen und Lunkern, Verbundwerkstoffe mit Füll- und Verstärkungsstoffen) und den sehr differierenden akustischen Eigenschaften dieser Komponenten begründet ist. Die Unterschiede des menschlichen Gewebes (Knochen, Knorpel oder Bindegewebe) sind sehr viel geringer, so dass die technischen Geräteparameter und Bedingungen der Bildanalytik vergleichsweise geringeren Anforderungen genügen müssen [4]. Die Einführung dieser Ultraschall-Prüftechnik wurde infolge der Miniaturisierung und Entwicklung tragbarer Prüfsysteme auf Basis der Mikroprozessortechnik ab ca. 2000 sehr stark vorangetrieben und eröffnet durch die Weiterentwicklung von Softwarelösungen immer neue und anspruchsvollere Applikationsfelder. Unabhängig davon stellt diese komplexe Prüf- und Auswertetechnik auch immer höhere Anforderungen an die Prüfer zur Anwendung der PA-Systeme und zur Beurteilung der Daten als auch der bildlichen Informationen von Prüfobjekten.

Technisch basiert die Phase-Array-Technik auf Composite- oder piezoelektrischen Verbundwerkstoffen und der aktiven Anwendung der Wellenphysik bzw. -akustik. Die hierfür notwendigen PA-Prüfköpfe bestehen in der Regel aus 16 bis zu 256 Einzelelementen, die Ultraschall im Bereich zwischen ca. 2 bis 10 MHz senden und empfangen können. Sind die Abmessungen der Schwingerelemente gegenüber der Wellenlänge λ hinreichend klein, dann stellt jedes Element eine einzelne Punktschallquelle mit kugelförmiger Abstrahlungscharakteristik dar. Während bei gleichzeitiger Anregung der Einzelelemente ein gleichförmiges Schallfeld im Prüfmedium entsteht, wird bei zeitverzögerter oder phasengesteuerter Aktivierung ein Interferenzfeld (konstruktive und destruktive Interferenz) im Prüfobjekt erzeugt, bei dem durch Auslöschung oder Verstärkung Maxima und Minima des Schalldrucks bzw. der -energie hervorgerufen werden. Mit der frei programmierbaren Zeitverzögerung mit einer im Prüfgerät integrierten Software können Laufzeitdifferenzen im Prüfmedium kompensiert werden und sogenannte synthetische Schallfelder aktiv generiert und gesteuert werden [4, 5], die spezielle akustische Eigenschaften besitzen.

Damit ist es möglich mit einer geeigneten Verzögerung, also der Anregung der Einzelelemente zu differierenden Zeiten mit einer Verschiebung im Nanosekunden-Bereich, die Abstrahlrichtung des Ultraschalls zu beeinflussen (Bild 1). Damit kann der Ultraschallstrahl im Prüfobjekt geschwenkt (Bild 1a), fokussiert (Bild 1b) oder gleichzeitig geschwenkt und fokussiert werden (Bild 1c), wodurch vergleichbare Effekte wie bei einem veränderlichen Winkel-Prüfkopf oder bei einem Sende (S)-Empfänger (E)-Prüfkopf registriert werden.

Bild 1:

Beeinflussung der Abstrahlcharakteristik des Ultraschalls durch gezielte Zeitverzögerung (a) zum Schwenken, (b) zur Fokussierung und (c) zum Fokussieren als auch Schwenken

Bild 2:

Anregung von Einzelelementen als Gruppe (PA) zur (a) Fokussierung und (b) Scannen

Prüfköpfe und Anwendungsbeispiele

In der Prüfpraxis werden die Einzelelemente des Prüfkopfs in der Regel als Gruppen zu 4, 8, 16 oder 32 Elementen angeregt, um einerseits die Empfindlichkeit und andererseits des Fokussierungsgrad zu erhöhen (Bild 2), wobei diese Maßnahmen durch die Applizierung geometrisch variierender Vorlaufstrecken (Krümmung und Dicke) unterstützt bzw. verstärkt werden. Wird nach dem zeitverzögertem Einschallen der Gruppe um ein Feldelement weitergeschaltet, dann entsteht ein fokussierte Scan (Bild 2a) oder ein Normalscan (Bild 2b), obwohl sich der Prüfkopf auf der Oberfläche des Prüfobjekts nicht bewegt hat. In analoger Weise können Eigenschaften des sich bewegenden Winkel-Prüfkopfs bzw. eines Tandems aus zwei Winkel-Prüfköpfen simuliert werden. Da jedes Element zum Senden und Empfangen von Ultraschall befähigt ist, wird die an der Rückwand, Rissen oder anderen Ungänzen reflektierte Wellenfront ebenfalls individuell zeitverzögert von den Einzelelementen registriert und summiert (Bild 3). Damit kann das Phase-Array-System zeitlich nach der Ankunftszeit und räumlich nach der Amplitude zuordnen, wodurch die Reflexionen hinsichtlich des Winkels, eines Punktes oder einer definierten Fokustiefe demoduliert und bildlich aufbereitet werden können. Im Fall eines Linien-Scanner, wie in Bild 3 dargestellt, wird die Intensität der Reflexion erfasst und es entsteht hieraus ein B-Bild des Prüfobjekts an der gescannten Position.

Bild 3:

Detektion von Ungänzen in einem Prüfstück mit einem Gruppenstrahler

Gruppenstrahler-Prüfköpfe werden in unterschiedlichsten Varianten als Linien-Arrays (1d-PA), 2d-Matrix-, Ring- oder SE-Feldern für verschiedenste Applikationen gefertigt, wobei in vielen Fällen der Vorteil einer fixierten Prüfposition besteht (Bild 4). Diese Prüfköpfe können wie Winkel- oder Normal-Prüfköpfe mit Vorlauf- oder Fokussierstrecken versehen werden sowie für Direktankopplung oder Tauchbad-Technik konzipiert sowie für die dynamische Fokussierung eingesetzt werden. Beispiele für derartige Phased-Array-Prüfköpfe sind in Bild 5 dargestellt.

Bild 4:

Bauarten von Gruppenstrahlern: (a) 1d-Sensor, (b) 2d-Matrix, (c) Konvex-Sensor, (d) Ring-Sensor, (e) Winkel-Sensor und (f) linearer SE-Sensor

Bild 5:

Gruppenstrahler für verschiedene Anwendungen: (a) der Fa. R/D-Tech, Quebec, Kanada und (b) der Fa. Olympus Deutschland GmbH, Hamburg

Zur Erzeugung und Verarbeitung der anspruchsvollen Fehlerdarstellungen (z. B. C-Bilder) werden leistungsfähige Prüfsysteme benötigt, die auch den robusten Vorort-Bedingungen genügen müssen, mit einem hochauflösenden Monitor ausgestattet und tragbar sind (Bild 6). Die vielen Vorteile der Gruppenstrahler-Technik, die der zerstörungsfreien Prüfung völlig neue Anwendungsfelder eröffnet, zeigen sich schon im derzeitigen Entwicklungsstand.

Bild 6:

Gruppenstrahler-Technik: (a) der Fa. R/D-Tech, Quebec, Kanada und (b) der Fa. GE Inspections Technologies GmbH, Hürth

Prüffelder im Bereich der Rohrcharakterisierung, der Schweißverbindungen von Rohrnähten [6, 7] oder der Defektoskopie an metallischen und polymeren Werkstoffen [5, 8], wie Rotorblätter von Windkraftanlagen [9], belegen die erfolgreiche Anwendung dieses modernen Prüfverfahren insbesondere durch die hervorragende bildlich Auswertung und Dokumentation der Prüfergebnisse. Das Potenzial der Phased-Array-Prüftechnik wird der Prüfmethodik weitere Anwendungsfelder eröffnen [10, 11], deren Umfang zum derzeitigen Stand nicht realistisch abschätzbar ist. Ungeachtet dessen ist zur Lösung dieser Prüfaufgaben eine wesentlich höhere Qualifikation des prüftechnischen Personals erforderlich.

Literaturhinweise

[1]	Dössel, O.: Bildgebende Verfahren in der Medizin – Von der Technik zur medizinischen Anwendung. Springer Verlag, Berlin (2016), 2. Auflage, (ISBN 978-3-642-54406-4)
[2]	Jenderka, K.-V.: Ausbreitung von Ultraschall im Gewebe und Verfahren der Ultraschallbildgebung. Der Radiologe 53 (2013) 12, S. 1137–1150
[3]	Sohn, C., Holzgreve, W.: Ultraschall in Gynäkologie und Geburtshilfe. Georg Thieme Verlag, Stuttgart (2012), 3. Auflage, (ISBN 978-3-131-58633-9)
[4]	Kass, D., Moles, M., Nelligan,T.: Olympus – Phased-Array-Prüfung – Grundlagen für industrielle Anwendungen. Olympus DMTA-20003-01DE, (2014)
[5]	Deutsch, V., Platte, M., Vogt, M.: Ultraschallprüfung – Grundlagen und industrielle Anwendungen. Springer Verlag, Berlin (2012), (ISBN 978-3-642-63864-0)
[6]	Deutsch, W., Joswig, M., Maxam, K., Nitsche, S., Vahe, M., Noël, A., Pichard, P., Deutsch, S.: Phased Array Ultrasonic Testing of Heavy-Wall Seamless Tubes by Means of a Testing Portal. WCNDT World Conference for Nondestructive Testing, Moscow, Russia, (2010)
[7]	Bulavinov, A., Schenkel, J., Pinchuk, R., Schröder, H. C.: Von der Phased Array zur Sampling Phased Array – Prüftechnik von Rohrnähten. 27. FDBR-Fachtagung Rohrleitungstechnik, Magdeburg (2012)
[8]	Splitt, G., Kauth, G.: Phased Array – eine zeitgemäße Lösung von Prüfaufgaben in der ZfP. DGZfP-Jahrestagung 2001, Berlin, Berichtsband 75-CD
[9]	Bruch, T., Oberdörfer, Y.: Prüfung von GFK Windkraft Rotorblättern mittels 500 kHz Phased-Array Technologie. DGZfP-Jahrestagung 2015, Salzburg, Berichtsband B.3
[10]	Deutsch, W. A., Kierspel, G.: Manuelle Schweißnahtprüfung mit Ultraschall – Konventionell oder mit Phased Array ?. DGZfP-Jahrestagung 2011, Bremen, Berichtsband A.1
[11]	Ernst, H., Algernon, D., Dressler, K.: Charakterisierung und Größenbestimmung sicherheitstechnisch relevanter Fehler mit Ultraschall, Einsatz von Phased Array Technik und Rekonstruktionsalgorithmen. Seminar FA Ultraschallprüfung (2016)