Die Ansteuerung von Ultraschall-Phased-Arrays basiert auf zwei Vereinfachungen. Zum einen wird davon ausgegangen, dass das Schwingungsverhalten aller Einzelelemente synchron und gleichmäßig ist. Zum anderen erfolgt die Berechnung der Ansteuerungszeiten, den sogenannten Focal Laws, auf dem Ansatz der geometrischen Akustik. Beide Aspekte werden in dieser Arbeit ausführlich analysiert und neue Vorschläge für eine optimale Ansteuerung ausgearbeitet und simulativ sowie messtechnisch bewertet. Das individuelle Schwingungsverhalten der Einzelelemente von Phased Arrays liegt in einer Vielzahl von Toleranzen der Einzelkomponenten und der Fertigungsschritte begründet. Für die quantitative Bewertung kann die mechanische Auslenkung mittels Laser-Doppler-Vibrometrie lokal erfasst und evaluiert werden. Die Kompensation individueller Latenzzeiten im Ansprechverhalten führt dann unmittelbar zu einem höheren Summensignal im anvisierten Fokuspunkt. Um den Einfluss der tatsächlichen Aperturgeometrie von Einzelelementen auf die Qualität des Summensignals des Phased Arrays zu untersuchen, wurde außerdem eine Simulationsumgebung (4D-CEFIT-PSS) entwickelt. Damit ist die Wellenausbreitung unter Berücksichtigung aller wellenphysikalischer Effekte im Halbraum möglich. Somit wurden verschiedene Aperturmodelle erstellt und sowohl im Zeit- als auch im Frequenzbereich analysiert. Die wellenphysikalische Simulation ermöglicht die Berechnung modifizierter Focal Laws, die immer zu einer Verbesserung des Summensignals im Vergleich zum Ansatz mit geometrischer Akustik führen. / Ultrasonic linear phased array probes consist of several single elements. By exciting each element at a certain time wave fronts can be tilted, focused or both combined. This is accomplished by a set of delays which is called "focal law". Hence, the shape and the quality of the resulting wave front depends significantly on focal law calculation. This state-of-the-art method is based on two simplifications: firstly on the assumption that each single element has identical vibration behaviour, and secondly on the simple geometrical approximation of the signal propagation time. In this work both aspects will be investigate in detail. For characterization of the individual vibration behaviour the most important transducer parts and theirs acoustical properties will be presented. The theoretical view on the inner structure is completed by two measuring methods: scanning acoustic microscopy as well as computed tomography. Furthermore, the effective mechanical displacement of the transducer interface will be analyzed by Laser Doppler vibrometry. Hence, the individual vibration behaviour of the single elements can be compensated which yields an optimized superposition. To investigate the second assumption the 4D-CEFIT-PSS simulation environment has been developed. The combination of CEFIT (cylindric elasto dynamic finite integration technique) and PSS (point source synthesis) considers all effects of wave physics. A comprehensive parametric study shows the effects of geometrical aperture size concerning resulting signals in decided focal points. The differences of wave propagation in the time and frequency domain will be pointed out. Concluding, focal laws were calculated with the geometrical and the simulation based approach. The resulting wave propagation is simulated for selected focal points. The results were compared both ways, qualitatively and quantitatively. Hereby the difference between both methods was distinguishable. The outcome is a method for modified focal law calculation. Both, the consideration of the individual vibration characteristics and the application of the new focal laws result in higher signal-to-noise ratios for linear phased arrays.

A new algorithm for detection of longitudinal crack-like indications in radiographic images is developed in this work. Conventional local detection techniques give unsatisfactory results for this task due to the low signal to noise ratio (SNR ~ 1) of crack-like indications in radiographic images. The usage of global features of crack-like indications provides the necessary noise resistance, but this is connected with prohibitive computational complexities of detection and difficulties in a formal description of the indication shape. Conventionally, the excessive computational complexity of the solution is reduced by usage of heuristics. The heuristics to be used, are selected on a trial and error basis, are problem dependent and do not guarantee the optimal solution. Not following this way is a distinctive feature of the algorithm developed here. Instead, a global characteristic of crack-like indication (the estimation function) is used, whose maximum in the space of all possible positions, lengths and shapes can be found exactly, i.e. without any heuristics. The proposed estimation function is defined as a sum of a posteriori information gains about hypothesis of indication presence in each point along the whole hypothetical indication. The gain in the information about hypothesis of indication presence results from the analysis of the underlying image in the local area. Such an estimation function is theoretically justified and exhibits a desirable behaviour on changing signals. The developed algorithm is implemented in the C++ programming language and testet on synthetic as well as on real images. It delivers good results (high correct detection rate by given false alarm rate) which are comparable to the performance of trained human inspectors. / In dieser Arbeit wurde ein neuer Algorithmus zur Detektion rissartiger Anzeigen in der digitalen Radiographie entwickelt. Klassische lokale Detektionsmethoden versagen wegen des geringen Signal-Rausch-Verhältnisses (von ca. 1) der Rissanzeigen in den Radiographien. Die notwendige Resistenz gegen Rauschen wird durch die Benutzung von globalen Merkmalen dieser Anzeigen erzielt. Das ist aber mit einem undurchführbaren Rechenaufwand sowie Problemen bei der formalen Beschreibung der Rissform verbunden. Üblicherweise wird ein übermäßiger Rechenaufwand bei der Lösung vergleichbarer Probleme durch Anwendung von Heuristisken reduziert. Dazu benuzte Heuristiken werden mit der Versuchs-und-Irrtums-Methode ermittelt, sind stark problemangepasst und können die optimale Lösung nicht garantieren. Das Besondere dieser Arbeit ist anderer Lösungsansatz, der jegliche Heuristik bei der Suche nach Rissanzeigen vermeidet. Ein globales wahrscheinlichkeitstheoretisches Merkmal, hier Schätzfunktion genannt, wird konstruiert, dessen Maximum unter allen möglichen Formen, Längen und Positionen der Rissanzeige exakt (d.h. ohne Einsatz jeglicher Heuristik) gefunden werden kann. Diese Schätzfunktion wird als die Summe des a posteriori Informationsgewinns bezüglich des Vorhandenseins eines Risses im jeden Punkt entlang der hypothetischen Rissanzeige definiert. Der Informationsgewinn entsteht durch die Überprüfung der Hypothese der Rissanwesenheit anhand der vorhandenen Bildinformation. Eine so definierte Schätzfunktion ist theoretisch gerechtfertigt und besitzt die gewünschten Eigenschaften bei wechselnder Anzeigenintensität. Der Algorithmus wurde in der Programmiersprache C++ implementiert. Seine Detektionseigenschaften wurden sowohl mit simulierten als auch mit realen Bildern untersucht. Der Algorithmus liefert gute Ergenbise (hohe Detektionsrate bei einer vorgegebenen Fehlalarmrate), die jeweils vergleichbar mit den Ergebnissen trainierter menschlicher Auswerter sind.

Das Ziel der Arbeit bestand darin, die aus der Literatur bekannten Zusammenhänge zwischen Korrosionsaktivität von Stahl im Beton und einer galvanostatischen Pulsmessung, welche unter Laborbedingungen gute Ergebnisse liefern, auf Messungen an realen Bauwerken anzuwenden. Dazu wurden zunächst Untersuchungen an 13 Jahre alten Prüfkörpern durchgeführt und ausgewertet. Die abgeleiteten Zusammenhänge konnten anschließend an realen Bauteilen verifiziert werden. Somit stellt die galvanostatische Pulsmessung eine hilfreiche zerstörungsfreie Prüfmethode zur Interpretation des Korrosionszustandes dar. Die neuen Erkenntnisse lassen eine bessere Einschätzung des Korrosionsverhaltens in Stahlbetonbauwerken zu, als es die Potentialmessung erlaubt.

Die zerstörungsfreie Ultraschallprüfung von akustisch anisotropen Werkstoffen stellt auch heute noch eine Herausforderung dar. Die Gefügestruktur in solchen Materialien beeinflusst die Wellenausbreitung derart, dass es zum einen zu starken Streuungen durch die großflächigen Korngrenzen und zum anderen, aufgrund der akustischen Anisotropie, zu einer Richtungsabhängigkeit der Schallgeschwindigkeiten kommt. In den vergangenen Jahren wurden bereits Lösungsansätze zur mathematischen Modellierung der Schallausbreitung in anisotropen Materialien vorgestellt. Diese basieren in der Regel auf FEM- bzw. FIT- Algorithmen, die durch die Diskretisierung des gesamten Volumens einen hohen Rechenaufwand erfordern und in der täglichen Prüfpraxis aufgrund ihrer Komplexität bei der Parametrierung nur bedingt einsetzbar sind. Aus diesem Grund wird hier ein Ansatz zur Schallfeldberechnung gewählt, der auf die praktische Anwendung von Gruppenstrahler-Prüfköpfen zugeschnitten ist. Während sich andere Verfahren auf einzelne Wellenanteile und monofrequente Lösungen beschränken, um den Rechenaufwand zu reduzieren, können mit diesem Ansatz die reale Signalform des Prüfkopfes sowie alle auftretenden Wellenanteile in homogenen transversalisotropen Medien berücksichtigt werden. Durch entsprechende Optimierungen im Berechnungsalgorithmus lässt sich das gesamte vierdimensionale Schallfeld eines Gruppenstrahler-Prüfkopfes im Halbraum in kürzester Zeit berechnen. Die analytische Lösung der Wellengleichung für den Halbraum in Form einer Greenschen Funktion wird dabei in eine Gleichung umgeformt, die hier als vierdimensionale Punktrichtwirkung bezeichnet wird. Dieser Modellansatz ermöglicht es, die Parameter eines Gruppenstrahlersystems in der praktischen Anwendung zu überprüfen und durch iterative Rechnungen zu optimieren. Mit Hilfe einer einfach zu handhabenden Visualisierungstechnik ist es möglich diesen Modellansatz mit realen Schallfeldmessungen zu vergleichen. Dazu werden mit elektrodynamischen Sonden die einzelnen Komponenten des dreidimensionalen Vektors der Teilchenverschiebung an der Oberfläche von Festkörpern abgetastet. Die an den Messpunkten ermittelten Zeitfunktionen des Verschiebungsvektors werden dann dem berechneten Zeitverlauf der Wellenausbreitung gegenübergestellt. Die berechneten und gemessenen Schallfelder stimmen in der Phasenlage und im Amplitudenverlauf gut überein. Die Ergebnisse zeigen, dass mit dem verwendeten Rechenmodell alle in der Realität auftretenden Wellenanteile vollständig berücksichtigt werden und dreidimensionale Problemstellungen aus der Praxis mit diesem Modell korrekt berechnet werden können. / The non-destructive ultrasonic testing of acoustic anisotropic materials is an important challenge. The texture of these materials causes a strong scattering of the sound wave by the extensive grain boundaries and a direction dependent sound velocity by the acoustic anisotropy. Several approaches for the modelling of the sound propagation in anisotropic materials were presented in the last years. These approaches are normally based on FEM or FIT algorithms using a discretisation of the complete volume. Their calculation needs extensive time and a very complex parameterisation. Thus these algorithms are not suitable in practice of ultrasonic testing. In this work an approach is presented that is optimised for the application of phased array transducers. The new approach considers the real frequency spectrum of the transducer as well as all occurring wave modes in homogeneous transversely isotropic media, whereas other approaches are limited to solutions for single wave modes and single frequencies to reduce the calculation effort. The appropriate optimisations of the mathematical algorithm allow the fast calculation of the complete four-dimensional transient wave field of a phased array transducer in the half-space. The Green’s functions are derived by an analytical solution of the elastodynamic wave equation for the half-space. These functions will be transformed into an equation which will be referred to in this work as four-dimensional directivity pattern. This approach allows the verification of the parameters of a phased array system and their optimisation by iterative calculations in the practical application. To get accurate results in these calculations, the experimental verification of the applied mathematical model for the wave propagation is an essential task. The technique presented in this work applies electrodynamic probes, which provides a simple use. The probes can detect the particle displacement at a solid surface in all three spatial directions. The measured time-functions of the wave field will be compared with the calculated time-functions. They show a good accordance in the phase and the amplitude. This confirms that the applied mathematical model considers completely all in practice occurring wave modes. The results further show that three-dimensional problems in practice can be calculated correctly with this model.