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Patent Searching and Data


Title:
METHOD AND DEVICE FOR EVALUATING DEFECT VARIABLES BY MEANS OF A SAFT (SYNTHETIC APERTURE FOCUSING TECHNIQUE) METHOD
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2014/202275
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method and a device for evaluating defect variables in an object to be tested during an ultrasonic test. In the process, the invention also allows a controlled detection of defect variables on the basis of the SAFT method in particular. For this purpose, defects in an object to be tested are simulated on the basis of a specified test scenario, and the simulations are compared with real detected measurement values.

Inventors:
BÖHM, Rainer (Görziger Straße 43a, Rietz-Neuendorf, 15848, DE)
FENDT, Karl (Vogelweideplatz 1, München, 81677, DE)
HEINRICH, Werner (Am Wiesenweg 17, Oberkrämer OT Bärenklau, 16727, DE)
MOOSHOFER, Hubert (Thierschstraße 44, München, 80538, DE)
Application Number:
EP2014/059318
Publication Date:
December 24, 2014
Filing Date:
May 07, 2014
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (Wittelsbacherplatz 2, München, 80333, DE)
International Classes:
G01N29/04; G01N29/06; G01S15/89
Foreign References:
EP2120045A12009-11-18
EP2147300A12010-01-27
Other References:
LANGENBERG K J ET AL: "IMAGING AND INVERSE SCATTERING IN NONDESTRUCTIVE EVALUATION WITH ACOUSTIC AND ELASTIC WAVES", ACOUSTICAL IMAGING. NANJING, SEPT. 12 - 14, 1992; [PROCEEDINGS OF THE INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON ACOUSTICAL IMAGING], NEW YORK, PLENUM PRESS, US, vol. 20, 12 September 1992 (1992-09-12), pages 165 - 172, XP000448545
MCGARRITY J P ET AL: "A facet ensemble approach for evaluation of array performance in ultrasonic NDE", IEEE TRANSACTIONS ON ULTRASONICS, FERROELECTRICS AND FREQUENCY CONTROL, IEEE, US, vol. 41, no. 1, 1 January 1994 (1994-01-01), pages 19 - 25, XP011439033, ISSN: 0885-3010, DOI: 10.1109/58.265816
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Claims:
Patentansprüche

1. Verfahren zur Defektgrößenbewertung von einem Defekt (10) innerhalb eines Prüfobjektes (1), mit den Schritten:

- Ermitteln (Sl) eines Messdatensatzes des Prüfobjekts (1);

- Durchführen (S2) einer SAFT-Auswertung des ermittelten

Messdatensatz ;

- Berechnen (S3) von Ultraschall-Echosignalen für eine Mehrzahl von Defektgrößen in dem PrüfObjekt (1);

- Durchführen (S4) einer SAFT-Auswertung für die berechneten Ultraschall-Echosignale jeder der Mehrzahl von Defektgrö¬ ßen;

- Bewertung (S5) einer Defektgröße in der SAFT-Auswertung des ermittelten Messdatensatzes unter Verwendung der SAFT- 201310195 Auswertungen der berechneten Ultraschall-

Echosignale .

2. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Schritt zum Ermitteln einer Defektposition in dem Prüfobjekt (1) aus der SAFT-Auswertung des ermittelten Messdatensatzes; wobei der Schritt (S3) zum Berechnen von Ultraschall-Echosignalen die Ultraschall-Echosignale für einen Defekt (10) an der er¬ mittelten Defektposition im Prüfobjekt (1) berechnet. 3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt (S3) zum Berechnen von Ultraschall-Echosignalen die Ultraschall-Echosignale für Defekte (10) an einer Mehrzahl von Positionen innerhalb des Prüfobjekts (1) berechnet; und für jede berechne¬ te Defektposition eine SAFT-Auswertung der berechneten Ultra- schall-Echosignale durchgeführt wird.

4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 3, wobei der Schritt (S3) zum Berechnen von Ultraschall-Echosig¬ nalen die Ultraschall-Echosignale für ein Prüfobjekt (1) mit einer Mehrzahl von Defekten (10) innerhalb des Prüfobjekts (1) berechnet.

5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 3, wobei der Schritt (S3) zum Berechnen von Ultraschall- Echosignalen die Ultraschall-Echosignale für eine Mehrzahl von Prüfobjekten (1) mit jeweils mindestens einem Defekt (10) berechnet.

6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 5, wobei die SAFT-Auswertungen (S4) der berechneten Ultraschall- Echosignale für mehrere Prüfobjekte (1) mit jeweils mindes- tens einem Defekt (10) durchgeführt werden.

7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 6, wobei der Schritt zur Bewertung (S5) eine Ortsinterpolation und/oder eine Defektgrößeninterpolation der SAFT-Auswertungen der berechneten Ultraschall-Echosignale umfasst.

8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 7, ferner umfassend einen Schritt zum Bereitstellen von Parametern eines PrüfSzenarios ; wobei der Schritt zum Berechnen (S3) von Ultraschall-Echosignalen für eine Mehrzahl von Defektgrößen in dem Prüfobjekt (1) unter Verwendung der bereitgestellten Parameter des PrüfSzenarios durchgeführt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die bereitgestellten Pa- rameter des PrüfSzenarios mindestens Angaben über Prüfkopfpa¬ rameter, ein Prüfraster, Material und/oder Geometrie des Prüfobjekts (1) umfassen.

10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 9, ferner umfassend einen Schritt zum Bereitstellen von externen Zusatzinformationen über einen Defekt (10) innerhalb des Prüfobj ekts ; wobei der Schritt (S5) zur Bewertung einer De¬ fektgröße die Defektgröße unter Verwendung der bereitgestell¬ ten externen Zusatzinformationen bewertet.

11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die bereitgestellten externen Zusatzinformationen mindestens Angaben über eine Orientierung des Defekts (11) in dem Prüfobjekt (1) umfassen.

12. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 11, wobei eine Mehrzahl von Messdatensätzen ermittelt werden; und die SAFT-Auswertung (S2) der unter Verwendung der Mehrzahl von ermittelten Messdatensätzen durchgeführt wird.

13. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 12, wobei zur Ermittlung der Mehrzahl von Messdatensätzen jeweils ein Ultraschallsignal an verschiedenen Messpunkten in das Prüfobjekt (1) mit einem Einschallwinkel eingeschallt wird, welcher zur Ermittlung der Messdatensätze für jeden Messdatensatz verändert wird.

14. Vorrichtung zur Defektgrößenbewertung von einem Defekt (10) innerhalb eines Prüfobjektes (1), mit

- einem Prüfkopf (2) zum Einschallen eines Ultraschallsignals an verschiedenen Messpunkten (Mi) in das Prüfobjekt (1) zur Ermittlung mindestens eines Messdatensatzes, und

- einer Auswerteeinheit (3) , die dazu ausgelegt ist, eine

SAFT-Auswertung des ermittelten Messdatensatzes durchzuführen, Ultraschall-Echosignale für eine Mehrzahl von Defekt¬ größen in dem Prüfobjekt (1) zu berechnen, eine SAFT- Auswertung für die berechneten Ultraschall-Echosignale je¬ der der Mehrzahl von Defektgrößen durchzuführen, und eine Defektgröße in der SAFT-Auswertung des ermittelten Messdatensatzes unter Verwendung der SAFT-Auswertungen der berechneten Ultraschall-Echosignale zu bewerten.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei die Auswerteeinheit (3) ferner eine Speichervorrichtung (34) umfasst, die dazu ausgelegt ist, Amplitudensummen aus der SAFT-Auswertung für die berechneten Ultraschall-Echosignale zu speichern, und wo¬ bei die Auswerteeinheit (3) dazu ausgelegt ist, eine gespei¬ cherten Amplitudensummen für die berechneten Ultraschall- Echosignale aus der Speichereinheit auszulesen und die ausge¬ lesenen Amplitudensummen für die Bewertung der Defektgröße in der SAFT-Auswertung des ermittelten Messdatensatzes anzupassen .

Description:
Beschreibung

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR DEFEKTGRÖSSENBEWERTUNG MITTELS SAFT (SYNTHETIC APERTURE FOCUSSING TECHNIQUE)

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Defektgrößenbewertung von einem Defekt innerhalb eines Prüfobjekts und insbesondere zur Defektgrößenbewertung von einem Defekt mittels Ultraschall.

Prüfobjekte wie beispielsweise maschinelle Bauteile oder ähn ¬ liches werden nach ihrer Herstellung dahingehend geprüft, ob sie Defekte, wie zum Beispiel kleine Hohlräume oder Risse aufweisen. Eine solche Prüfung erfolgt dabei vorzugsweise mittels Ultraschall. Für eine solche Ultraschallprüfung ist das sogenannte SAFT (Synthetic Aperture Focussing Technique) - Verfahren bekannt, um auch sehr kleine Defekte innerhalb des Prüfobjektes zu detektieren und von anderen Defekten abzugrenzen. Das SAFT-Verfahren ermöglicht eine Verbesserung der lateralen Defektauflösung, der Defekttrennung und des SNR (Signal-Rausch-Verhältnis) bei der Ultraschallprüfung.

Von zentraler Bedeutung für die Beurteilung der Prüfergebnis- se ist dabei die Bewertung der Größe von Defekten, anhand de ¬ ren Zulässigkeit bestimmt wird. Bei Defekten, die im Ver ¬ gleich zu der verwendeten Ultraschall-Wellenlänge groß sind, kann dabei das Ergebnis der SAFT-Auswertung direkt ausgemes ¬ sen werden. Dagegen ist eine Bewertung von kleinen Defekten bei Einsatz des SAFT-Verfahrens nur eingeschränkt möglich.

Zur Größenbewertung kleiner Defekte sind bei der klassischen Ultraschallprüfung beispielsweise die sogenannte Vergleichs ¬ körpermethode und das AVG (Abstand-Verstärkung-Größe) -Ver ¬ fahren bekannt. Dabei wird aus der maximalen Echoamplitude eine sogenannte Ersatzfehlergröße bestimmt, die ein ideali ¬ sierter Reflektor dieser Größe verursachen würde. Bei der Vergleichskörpermethode werden in einem Vergleichskörper mit den gleichen Ultraschalleigenschaften wie das Prüfobjekt gezielt Testfehler in unterschiedlichem Abstand zur Messfläche eingebracht und daraus eine Echoamplitude in Abhängigkeit vom Schallweg bestimmt. Alternativ hierzu kann bei der AVG-Metho- de die Echoamplitude in Abhängigkeit vom Schallweg aus einem vom Prüfköpfhersteiler gelieferten AVG-Diagramm abgeleitet werden.

Im Gegensatz zu der klassischen Ultraschallprüfung sind die Ergebnisse des SAFT-Verfahrens Amplitudensummen, also Summen von Amplitudenwerten der Ultraschallechos. Abhängig von Prüf- Objekt, Prüfraster (d.h. der Anordnung der Messpunkte auf dem Prüfobjekt) und Prüfköpf bestehen diese Amplitudensummen aus unterschiedlich vielen Beiträgen, die sowohl Echos von Hauptstrahlen als auch von Nebenstrahlen des Prüfköpf-Schallbündels umfassen können. Daher lassen sich die konventionellen Methoden zur Größenbewertung kleiner Defekte nicht auf das SAFT-Verfahren übertragen.

Die Druckschrift EP 2 147 300 AI beschreibt ein modifiziertes SAFT-Verfahren, bei dem die SAFT-Amplitudensummen so berech- net werden, dass sie mit der klassischen Echoamplitude ver ¬ gleichbar sind. Die zu untersuchenden Defekte dürfen dabei einerseits jedoch nicht zu klein sein, damit eine klassische Amplitudenbewertung zulässig ist. Andererseits müssen die De ¬ fekte jedoch klein genug sein, damit die Reflektion rich- tungsunabhängig ist. Andernfalls würde eine Unterbewertung der Defekte erfolgen.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Defektgrößenbewertung von einem Defekt innerhalb eines Prüfobjekts zu schaffen, das die oben genannten Nachteile und Einschränkungen vermeidet und eine breit einsetzbare Defektgrößenbewertung in der Größenordnung der Wellenlänge und darunter ermöglicht. Gemäß einem Aspekt schafft die Erfindung ein Verfahren zur

Defektgrößenbewertung von einem Defekt innerhalb eines Prüfobjekts mit den Schritten des Ermitteins eines Messdatensat ¬ zes des Prüfobj ekts ; des Durchführens einer SAFT (Synthetic Aperture Focussing Technique) -Auswertung des ermittelten Messdatensatzes; des Berechnens von Ultraschall-Echosignalen für eine Mehrzahl von Defektgrößen in dem Prüfobjekt; des Durchführens einer SAFT-Auswertung für die berechneten Ultra- schall-Echosignale jeder der Mehrzahl von Defektgrößen; und des Bewertens einer Defektgröße in der SAFT-Auswertung des ermittelten Messdatensatzes unter Verwendung der SAFT-Auswertung der berechneten Ultraschall-Echosignale. Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung eine Vor ¬ richtung zur Defektgrößenbewertung von einem Defekt innerhalb eines Prüfobjekts mit einem Prüfkopf zum Einschallen eines Ultraschallsignals an verschiedenen Messpunkten in das Prüfobjekt zur Ermittlung mindestens eines Messdatensatzes; und einer Auswerteeinheit, die dazu ausgelegt ist, eine SAFT- Auswertung des ermittelten Messdatensatzes durchzuführen, Ultraschall-Echosignale für eine Mehrzahl von Defektgrößen in dem Prüfobjekt zu berechnen, eine SAFT-Auswertung für die berechneten Ultraschall-Echosignale jeder der Mehrzahl von De- fektgrößen durchzuführen, und eine Defektgröße in der SAFT- Auswertung des ermittelten Messdatensatzes unter Verwendung der SAFT-Auswertung der berechneten Ultraschall-Echosignale zu bewerten. Es ist eine Idee der vorliegenden Erfindung, Amplitudensummen für Defekte abgestufter Größen an repräsentativen Defektpositionen durch SAFT-Auswertung simulierter Ultraschall-Echosignale zu berechnen und durch einen Vergleich mit den Amplitudensummen, die aus der SAFT-Auswertung der Prüfdaten hervor- gehen, die Größe von solchen Defekten zu bewerten, die im

Vergleich zu der eingesetzten Ultraschall-Wellenlänge klein sind oder in derselben Größenordnung liegen.

Die erfindungsgemäße Defektgrößenbewertung bietet den Vor- teil, dass auch Defekte, die bei einer klassischen Ultra ¬ schallprüfung im Rauschen untergehen würden, nun detektiert und bewertet werden können. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass nahe benachbarte De ¬ fekte als einzelne Defekte bewertet werden können, bei denen bisher nur eine gemeinsame Bewertung möglich war. Eine Materialprüfung mit einer erfindungsgemäßen Defektgrößenbewertung liefert somit mehr Informationen über die Materialqualität und ermöglicht eine Prüfung bzw. Selektion von Bauteilen, die für besonders hohe Belastungen ausgelegt sein müssen, wie dies beispielsweise im Energiemaschinenbau, der Luftfahrt oder in der Eisenbahn der Fall ist.

Eine mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst ferner einen Schritt zum Ermitteln einer Defektposition in dem Prüfobjekt aus der SAFT-Auswertung des ermittelten Messdatensatzes, wobei der Schritt zum Berechnen von Ultraschall-Echosignalen die Ultraschall-Echosignale für ei ¬ nen Defekt an der ermittelten Defektposition im Prüfobjekt berechnet .

Dies bietet den Vorteil, dass die Berechnung von simulierten Ultraschall-Echosignalen und die nachgeschaltete SAFT-Auswertung auf Positionen beschränkt werden, bei denen sich im PrüfObjekt tatsächlich ein Defekt befindet.

Bei einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens berechnet der Schritt zum Berechnen von Ultra ¬ schall-Echosignalen die Ultraschall-Echosignale für Defekte an einer Mehrzahl von Positionen innerhalb des Prüfobjekts und führt für jede berechnete Defektposition eine SAFT- Auswertung der berechneten Ultraschall-Echosignale durch.

Werden diese Simulationen der Defekte im Prüfobjekt bereits vor der tatsächlichen Untersuchung des Prüfobjektes durchgeführt, kann der Rechenaufwand während der Objektprüfung minimiert werden.

Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in dem Schritt zum Berechnen von Ultraschall-Echosignalen die Ultraschall-Echosignale für ein Prüfobjekt mit einer Mehrzahl von Defekten innerhalb des PrüfObjekts berechnet.

Die hat den Vorteil, dass die Durchführung der SAFT-Aus- wertung für die berechneten Ultraschallsignale innerhalb eines Schrittes erfolgt.

Bei einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in dem Schritt zum Berechnen von Ultraschall- Echosignalen die Ultraschall-Echosignale für eine Mehrzahl von Prüfobjekten mit jeweils mindestens einem Defekt berechnet .

Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungs- gemäßen Verfahrens wird zur Bewertung der Defektgröße eine

Ortsinterpolation und/oder eine Defektgrößeninterpolation der SAFT-Auswertungen der berechneten Ultraschall-Echosignale durchgeführt . Dies bietet den Vorteil, dass auf Basis einer relativ gerin ¬ gen Anzahl von simulierten Defekten in dem Prüfobjekt eine sehr genaue Aussage über die Defektgröße und/oder Defektposi ¬ tion getroffen werden kann. Eine mögliche weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen

Verfahrens umfasst ferner einen Schritt zum Bereitstellen von Parametern eines PrüfSzenarios, wobei der Schritt zum Berech ¬ nen von Ultraschall-Echosignalen für eine Mehrzahl von Defektgrößen in dem Prüfobjekt unter Verwendung der bereitge- stellten Parameter des PrüfSzenarios durchgeführt wird.

Solche Parameter für das Prüfszenario können beispielsweise das Material oder die Geometrie des Prüfobjekts, ein Prüfras ¬ ter oder Prüfköpfparameter sein. Solche Parameter für das Prüfszenario können beispielsweise Prüfköpfparameter, Angaben über ein Prüfraster, das Material und/oder die Geometrie des Prüfobjekts sein. Hierdurch wird vorteilhafterweise eine genaue Berechnung der Ultraschall-Echosignale für die jeweiligen Defekte ermög ¬ licht . Eine weitere mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst ferner einen Schritt zum Bereitstellen von externen Zusatzinformationen über einen Defekt innerhalb des Prüfobjekts, wobei der Schritt zur Bewertung einer Defektgrö ¬ ße die Defektgröße unter Verwendung der bereitgestellten ex- fernen Zusatzinformationen bewertet.

Liegen beispielsweise weitere Daten über das Prüfobjekt und/oder den konkreten Messaufbau vor, so können diese vorteilhafterweise mit in den Prüfprozess, insbesondere in die Defektgrößenbewertung miteinfließen.

In einer speziellen Ausführungsform sind die Zusatzinformationen Informationen über die Orientierung des Defekts in dem Prüfobj ekt .

In einer möglichen weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Mehrzahl von Messdatensätzen ermittelt, und die SAFT-Auswertung unter Verwendung der Mehrzahl von ermittelten Messdatensätzen durchgeführt.

Auf diese Weise kann durch diese Prüfung des Prüfobjekts mit mehreren einzelnen Messdatensätzen die Genauigkeit der Prüfung noch weiter verbessert werden. Beispielsweise können mehrere Messdatensätze mit unterschiedlichen Einschallwinkeln durchgeführt werden.

Bei einer möglichen weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst die Auswerteeinheit ferner eine Speichervorrichtung, die dazu ausgelegt ist, Amplitudensummen aus der SAFT-Auswertung für die berechneten Ultraschall-Echosignale zu speichern, wobei die Auswerteeinheit dazu ausge ¬ legt ist, die gespeicherten Amplitudensummen für die berechneten Ultraschall-Echosignale aus der Speichereinheit auszu- lesen und die ausgelesenen Amplitudensummen für die Bewertung der Defektgröße in der SAFT-Auswertung des ermittelten Messdatensatzes anzupassen.

Dies hat den Vorteil, dass auch bereits die Simulationsergeb ¬ nisse von Defekten aus vorherigen Simulationen weiter verwendet und gegebenenfalls angepasst werden können.

Im Folgenden werden mögliche Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Defektgrößenbewertung von einem Defekt innerhalb eines Prüfobjekts unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren nä ¬ her erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: ein Diagramm zur Erläuterung der Funktionsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Defektgrößenbewertung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden

Erfindung; ein Blockschaltbild zur Darstellung eines Ausfüh rungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Defektgrößenbewertung; und

Fig. 3: ein Ablaufdiagramm zur Darstellung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Defektgrößenbewertung.

Figur 1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Defektgrößenbewertung von einem Defekt 10 innerhalb eines Prüfobjekts 1. In dem dargestellten Beispiel ist das Prüfobjekt 1 zylinderförmig bzw. rotations ¬ symmetrisch ausgebildet. PrüfObjekte 1 mit einer hiervon ab ¬ weichenden Geometrie sind jedoch ebenso möglich. Der Prüfkopf 2 kann in seiner Lage relativ zu dem Prüfobjekt 1 verändert werden. Hierzu kann beispielsweise der Prüfkopf 2 an der Oberfläche des Prüfobjekts 1 entlang bewegt werden. Alterna ¬ tiv kann das Prüfobjekt 1 relativ zu dem Prüfkopf 2 bewegt werden. Auf diese Weise gelangt der Prüfköpf 2 zu verschiede ¬ nen Messpunkten Mi. Der Prüfköpf 2 dient dabei zum Ein- schallen eines Ultraschallsignals an den verschiedenen Mess ¬ punkten Mi des Prüfobjekts 1. Dabei wird zur Ermittlung eines Messdatensatzes jeweils das Ultraschallsignal mit einem be ¬ stimmten Einschallwinkel in das PrüfObjekt 1 eingeschallt. Der Einschallwinkel kann dabei zur Ermittlung verschiedener Messdatensätze für jeden Messdatensatz variiert werden. Der Einschallwinkel des Prüfkopfs 2 kann beispielsweise mittels Keilen, die zwischen dem Prüfkopf 2 und dem Prüfobjekt 1 an ¬ gebracht werden, variiert werden. Ferner kann der Einschallwinkel auch durch zeitversetzte Ansteuerung des Prüfkopfs 2 verändert werden, wenn es sich bei dem Prüfkopf 2 um einen

Gruppenstrahler oder ähnliches handelt. Grundsätzlich ist es dabei auch möglich, dass anstelle eines Prüfkopfes 2, der gleichzeitig als Sender und Empfänger der Ultraschallsignale dient, für das Aussenden der Ultraschallsignale und den Emp- fang der Echosignale separate Komponenten verwendet werden können. Die aufgenommenen Zeitsignale werden über eine Signalleitung zu einer Auswerteeinheit 3 übertragen. An diese Auswerteeinheit 3 ist beispielsweise eine Anzeigeeinheit 4 für einen Prüfer 5 angeschlossen.

Die Auswerteeinheit 3 führt für jeden ermittelten Messdatensatz eine SAFT (Synthetic Aperture Focussing Technique) - Auswertung durch. Die Ergebnisse dieser SAFT-Auswertung können daraufhin nach einer geeigneten Aufbereitung an der An- Zeigevorrichtung 4 dargestellt werden. Diese Aufbereitung der SAFT-Auswertung umfasst dabei beispielsweise die Defektgrö ¬ ßenbewertung, wie sie nachfolgend näher erläutert wird. Dabei können auch mehrere Messdatensätze für ein Prüfobjekt 1 er- fasst und ausgewertet werden. Vorzugsweise werden dabei alle SAFT-Auswerteergebnisse der einzelnen Messdatensätze basie ¬ rend auf einem gemeinsamen Rekonstruktionsgitter aufbereitet. Weist das Prüfobjekt 1 dabei einen im Vergleich zur verwende ¬ ten Wellenlänge relativ großen Defekt 10 auf, so kann die Größe dieses Defekts 10 direkt ausgemessen werden. Beispiels ¬ weise kann hierzu mittels Halbwertmethode eine Größenbewer- tung durchgeführt werden.

Bei relativ kleinen Defekten ist eine solche direkte Größenbestimmung nicht möglich. Der Übergang, bei dem eine direkte Defektgrößenbewertung nicht mehr möglich ist, ist dabei flie- ßend. Insbesondere wird jedoch ist bei Defekten deren Größe kleiner oder gleich der Wellenlänge der verwendeten Ultraschallfrequenz ist als schwierig bis nicht mehr möglich. Eine Defektgrößenbewertung von solch kleinen Defekten erfolgt daher durch Gegenüberstellung von Simulationsergebnissen mit Messwerten. Hierzu führt die Auswerteeinheit 3 für verschie ¬ dene Defekte abgestufter Größe und für verschiedene Defektpo ¬ sitionen im Prüfobjekt 1 eine Simulation von Echosignalen für das auszuwertende Prüfszenario durch. Als Eingangsparameter erhält die Auswerteeinheit 3 hierzu eine möglichst detail- lierte Beschreibung des PrüfSzenarios . Diese Beschreibung des PrüfSzenarios umfasst beispielsweise Parameter wie Material und/oder Geometrie des Prüfobjekts 1, das Prüfraster, das dieser Messung zugrunde liegt, sowie die bekannten Prüfkopf ¬ parameter des Prüfköpfs 2. Weitere verfügbare Informationen und auch gegebenenfalls weitere zusätzliche Informationen über das Prüfobjekt 1 sowie die Rahmenbedingungen der PrüfUmgebung können ebenfalls in den Simulationsprozess mit ein ¬ fließen . Basierend auf den zur Verfügung gestellten Informationen über das Prüfszenario führt die Auswerteeinheit 3 eine Simulation der Echosignale aus. Dabei berechnet die Auswerteeinheit 3 die möglichen Ultraschall-Echosignale für verschiedene Größen und/oder verschiedene Positionen eines Defekts 10 innerhalb des Prüfobjekts 1. Die Simulationen der Ultraschall-Echosig ¬ nale können dabei mittels bekannter konventioneller Simulationsverfahren berechnet werden, die dazu geeignet sind, die Schallausbreitung in dem Material des Prüfobjekts 1, die Eigenschaft des Prüfkopfs 2 sowie die Ultraschallreflektion in dem Material in geeigneter Weise zu simulieren. Solche Simulationsverfahren können beispielsweise strahlen- oder gitterbasierte Verfahren, wie zum Beispiel Punktquellensynthese, Elastodynamische Finite Integrationstechnik (EFIT) oder Fini- te Elemente (FE) -Methode sein. Andere Simulationsverfahren, die dazu geeignet sind, die Ultraschall-Echosignale für einen Defekt 10 innerhalb des Prüfobjekts 1 in geeigneter Weise zu berechnen, sind jedoch ebenso möglich.

Die Auswerteeinheit 3 berechnet dabei für mögliche Defekte innerhalb des Prüfobjekts 1 die Ultraschall-Echosignale für verschieden große Defekte 10. Die Defekte 10, wie sie dieser Berechnung zugrunde liegen, können dabei beispielsweise ober- flächenparallel ausgerichtet sein. Alternative Orientierungen der Defekte 10 sind jedoch ebenso möglich. Weiterhin kann auch die Geometrie des für die Berechnung zugrunde liegenden Defekts 10 in geeigneter Weise gewählt werden. So ist es bei ¬ spielsweise möglich, die angenommenen Defekte als Kreisschei- ben oder sphärische Defekte anzunehmen. Solche kreis- oder kugelförmigen Defekte als Grundlage für die Simulation haben den Vorteil, dass bei der später folgenden Bewertung der Defektgrößen die jeweilige Defektgröße auf solche standardi ¬ sierten Formen wie einen Kreis oder eine Kugel bezogen werden kann. Darüber hinaus ist jedoch ebenso auch eine beliebige andere Geometrie für die Defekte möglich, die der Simulation zugrunde gelegt werden kann.

Ist die Position eines Defekts 10 innerhalb des Prüfobjekts 1 bereits vorab bekannt, so kann die Berechnung der simulierten Ultraschall-Echosignale auch diese bereits bekannten Defekt ¬ position begrenzt werden. Somit kann der erforderliche Re ¬ chenaufwand minimiert werden. Die Bestimmung der Defektposi ¬ tion innerhalb des Prüfobjekts 1 kann bereits durch eine vor- gelagerte Auswertung eines oder mehrerer Messdatensätze er ¬ folgen . Nach der Simulation der Ultraschall-Echosignale für verschie ¬ dene Defektgrößen erfolgt eine SAFT-Auswertung der berechneten Simulationsergebnisse in der Umgebung der Defektpositio ¬ nen. Anschließend werden die Maxima der Amplitudensummen der SAFT-Auswertung in der Umgebung der Defektpositionen bestimmt. Diese Amplitudensummen der Simulationsergebnisse für unterschiedliche Defektgrößen und gegebenenfalls unterschied ¬ liche Defektpositionen werden anschließend in einer Bewertungsmatrix zusammengestellt. Zur Verringerung des Rechenauf- wands und des erforderlichen Speicherbedarfs, kann dabei die Abstufung der Defektgrößen und/oder der Defektpositionen während der Simulation in einem relativ groben Raster erfolgen. Das heißt, es ist während der Berechnung der Simulationsergebnisse nicht erforderlich, für jede mögliche Defektgröße und/oder jede mögliche Gitterposition innerhalb des Prüfob ¬ jekts 1 eine separate Simulation der Ultraschall-Echosignale und nachgeschalteten SAFT-Auswertung durchzuführen. Vielmehr ist es durch geeignete Interpolation möglich, nachträglich eine feinere Abstufung zu erreichen. Hierzu ist grundsätzlich jedes mögliche Interpolationverfahren möglich.

Insbesondere bietet es sich für die Ortsinterpolation von Defekten 10 innerhalb des Prüfobjekts 1 an, eine lineare Inter ¬ polation zwischen den einzelnen Defektpositionen anzuwenden. Für die Interpolation der Amplitudensummen in Bezug auf unterschiedliche Defektgrößen sind dabei besonders lineare In ¬ terpolationen im doppellogarithmischen Maßstab bzw. quadratische Interpolationen besonders vorteilhaft, da diese die ty ¬ pischen Abhängigkeiten zwischen Ersatzfehlergröße und Ampli- tudensummen im Falle flächiger Ersatzfehler besonders gut berücksichtigen. Aber auch hier sind grundsätzlich andere

Interpolationsarten möglich. Die Amplitudensummen, die aus der SAFT-Auswertung des ermittelten Messdatensatzes hervorgehen, werden daraufhin unter Verwendung der SAFT-Auswertungen der berechneten Ultraschall-Echosignale, beispielsweise unter Verwendung der erstellten Bewertungsmatrix analysiert. Dabei kann für die SAFT-Auswertung eines ermittelten Messdatensatzes die Defektgröße und die Defektposition bestimmt werden, die den Werten der Bewertungsmatrix am Nächsten kommen. Zur weiteren Präzisierung kann dabei eine geeignete Interpolation erfolgen . Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Defektgrößenbewertung von einem Defekt 10 innerhalb eines Prüfobjekts 1. Zur Ermittlung eines Messdaten ¬ satzes des Prüfobjekts 1 mittels eines Prüfkopfs 2 wird ein Ultraschallsignal bei den Messpunkten Mi in das Prüfobjekt 1 eingeschallt. Die an den verschiedenen Messpunkten Mi von dem Prüfobjekt 1 zurückreflektierten Ultraschall-Echosignale wer ¬ den durch den Prüfkopf 2 erfasst und als Zeitsignal für den jeweiligen Messpunkt Mi an die Auswerteeinheit 3 übertragen. Das empfangene Ultraschall-Echosignal für den jeweiligen Messpunkt Mi wird durch einen Signalverstärker 31 verstärkt und durch einen Analog-Digital-Wandler 32 der Auswerteeinheit 3 zu Messpunkt-Echodaten digitalisiert, die den Messdatensatz des Prüfobjekts 1 bilden. Der Messdatensatz kann anschließend in einer Datenverarbeitungseinheit 33, beispielsweise in ei- nem Prozessor oder ähnlichem, ausgewertet und verarbeitet werden. Die Datenverarbeitungseinheit 33 führt für jeden Messdatensatz eine SAFT-Auswertung durch. Weiterhin erfolgt in der Datenverarbeitungseinheit 33 eine Berechnung der Ult ¬ raschall-Echosignale innerhalb des Prüfobjekts, wobei ver- schiedene Defektgrößen und gegebenenfalls auch verschiedene

Defektpositionen simuliert werden. Basierend auf diesen simulierten Ultraschall-Echosignalen wird ebenfalls in der Datenverarbeitungseinheit 33 eine SAFT-Auswertung der berechneten Ultraschall-Echosignale durchgeführt. Die so gewonnenen Amp- litudensummen der SAFT-Auswertung der berechneten Ultraschall-Echosignale werden in einer Bewertungsmatix zusammen- gefasst .

Anschließend werden detektierte kleinere Defekte 10 innerhalb des Prüfobjekts 1 beispielsweise basierend auf einer zuvor beschriebenen Bewertungsmatrix durch die Datenverarbeitungseinheit 33 bewertet. Die SAFT-Auswertung und insbesondere die Defektgrößenbewertung können anschließend auf einer Anzeigevorrichtung 4 für einen Benutzer 5 dargestellt werden.

Wie zuvor beschrieben, kann dabei die Berechnung des Simula- tionsergebnisses bereits eine Defektposition aus der SAFT- Auswertung der Messdaten mit einbeziehen. Um die Wartezeit aufgrund des hohen Simulationsaufwandes während der Auswer ¬ tung zu reduzieren, können die Simulation und die Erstellung der Bewertungsmatrix auch bereits vorab erfolgen. Zu diesem Zeitpunkt ist jedoch noch keine konkrete Defektposition be ¬ kannt. Es muss in diesem Fall daher auch die Defektposition innerhalb des Prüfobjektes während der Simulation variiert werden und eine Simulation für die verschiedenen Defektpositionen durchgeführt werden, da die Vergleichsgröße zur der Bewertung der Defektgröße positionsabhängig ist.

Der Rechenaufwand kann dabei reduziert werden, indem eine be ¬ reits zuvor berechnete Bewertungsmatrix in einer Speichervorrichtung 34 abgespeichert wird, und diese zuvor abgespeicher- te Bewertungsmatrix für nachfolgende Auswertungen und Bewertungen von Defektgrößen mehrfach verwendet werden.

Sollte sich bei einer nachfolgenden Prüfung das Prüfszenario leicht ändern, so kann dennoch ausgehend von einer zuvor er- stellten Bewertungsmatrix durch geeignete Interpolation und/oder durch Rechenoperationen auf Basis der zuvor gespeicherten Bewertungsmatrix eine neue verfeinerte oder angepass- te Bewertungsmatrix mit reduziertem Rechenaufwand erstellt werden. Insbesondere wenn ein Formelzusammenhang zwischen verschiedenen unterschiedlichen PrüfSzenarien bekannt ist, so kann aus zuvor erstellten Bewertungsmatrizen mit reduziertem Rechenaufwand eine neue Bewertungsmatrix für ein angepasstes Prüfszenario abgeleitet werden. Beispielsweise bewirkt eine Verfeinerung des Prüfrasters eine entsprechende Vervielfa- chung der Amplitudensummen.

Weiterhin ist es auch möglich, bei der SAFT-Auswertung die Beiträge verschiedener Messpunkte unterschiedlich zu gewich- ten. Beispielsweise kann eine unterschiedliche Gewichtung in Abhängigkeit von der Richtung vom Messpunkt zum auszuwertenden Punkt erfolgen. In diesem Fall werden die Beiträge der SAFT-Auswertung im Rahmen der Simulation in gleicher Weise gewichtet, wie dies bei der Auswertung der Messdaten der Fall ist .

Es ist beispielsweise möglich, mehrere Simulationen Ultra ¬ schall-Echosignale für Prüfobjekte mit jeweils einem Defekt durchzuführen und diese Simulationen anschließend auszuwerten. Alternativ ist es jedoch ebenso möglich, ein Prüfobjekt mit mehreren Defekten 10 zu simulieren. In diesem Fall muss jedoch ein ausreichender Abstand zwischen den einzelnen Defekten 10 sichergestellt sein, um eine gegenseitige Beein- flussung dieser Defekte 10 zu vermeiden. Ferner ist es auch möglich, die zuvor genannten beiden Verfahren zu kombinieren. In diesem Fall können jeweils separat mehrere Prüfobjekte mit einer vorgegebenen Anzahl von Defekten simuliert werden und ausgewertet werden.

Figur 3 zeigt ein Ablaufdiagramm zur Darstellung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zur De ¬ fektgrößenbewertung von einem Defekt 10 innerhalb eines Prüf ¬ objekts 1.

In einem Schritt Sl wird zunächst mindestens ein Messdaten ¬ satz eines Prüfobjekts 10 ermittelt.

In einem weiteren Schritt S2 wird für jeden ermittelten Mess- datensatz eine SAFT-Auswertung durchgeführt.

Weiterhin wird in Schritt S3 eine Berechnung von Ultraschall- Echosignalen für eine Mehrzahl von Defektgrößen in dem Prüfobjekt 1 durchgeführt. Die Defektgröße wird dabei innerhalb eines vorgegebenen Wertebereiches in Stufen variiert. Vor ¬ zugsweise handelt es sich dabei um Defektgrößen, die im Ver ¬ gleich zu der verwendeten Wellenlänge der Ultraschallsignale klein oder zumindest nicht wesentlich größer sind und daher auf konventionelle Weise keine direkte Größenbestimmung mög ¬ lich ist. Für die in Schritt S3 berechneten Ultraschall- Echosignale erfolgt daraufhin in Schritt S4 eine SAFT-Aus- wertung für alle berechneten Ultraschall-Echosignale der ein- zelnen Defektgrößen.

In Schritt S5 erfolgt eine Bewertung der Defektgröße in der SAFT-Auswertung des ermittelten Messdatensatzes unter Verwendung der SAFT-Auswertung der berechneten Ultraschall-Echosignale. Diese Bewertung der Defektgrößen kann zum Beispiel durch Vergleich der SAFT-Auswertung des ermittelten Messdatensatzes mit einer in einer Bewertungsmatrix tabellierten Amplitudensumme der einzelnen SAFT-Auswertungen der berechneten Ultraschall-Echosignale erfolgen. Basierend auf dieser Bewertung ist eine Bestimmung der Ersatzfehlergröße möglich. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kommen die Vorteile der SAFT-Auswertung auch bei sehr kleinen Defektgrößen zum Tragen, da nun auch eine qualitative Bewertung kleinerer Defekte 10 möglich ist. Die erfindungsgemäße Defektgrößenbewertung von einem Defekt 10 innerhalb eines Prüfobjekts 1 ist glei ¬ chermaßen zur Bewertung von Defekten mit gerichteter oder mit ungerichteter Reflexion möglich. Weiterhin ist die erfindungsgemäße Defektgrößenbewertung in gleichem Maß für Prüfköpfe mit kleinem oder auch mit großem Öffnungswinkel des Schallfelds möglich.

Ein exemplarischer Ablaufs einer Ultraschallprüfung mit einer erfindungsgemäßen Defektgrößenbewertung kann dabei wie folgt ablaufen: Ein Prüfobjekt 1, beispielsweise ein sicherheitsre- levantes Bauteil des Energiemaschinenbaues, eines Flugzeugs oder einer Eisenbahn, wird mittels eines Prüfkopfs 2 einer Ultraschallprüfung unterzogen. Hierzu werden über den Prüf- kopf 2 in das Prüfobjekt 1 an verschiedenen Messpunkten Mi Ultraschallwellen in das Prüfobjekt eingeschallt und die Ult- raschall-Echosignale aus dem Prüfobjekt 1 von dem Prüfkopf 2 erfasst. Als Frequenzen für die Ultraschallprüfung sind beispielsweise 500 kHz bis 20 MHz, vorzugsweise 2MHz möglich. Dies entspricht in Stahl einer Wellenlänge von ca. 3 mm bzw. ca . 1,6 mm.

Die Ultraschall-Echosignale werden dabei von der Auswerteein- heit 3 mittels SAFT-Verfahren ausgewertet und auf der Anzei ¬ gevorrichtung 4 dargestellt. Befindet sich innerhalb des Prüfobjekts 1 ein Defekt 10, so kann dieser Defekt von der Auswerteeinheit 3 erkannt und auf der Anzeigevorrichtung 4 visualisiert werden.

Um auch für kleine Defekte 10, die aufgrund des begrenzten räumlichen Auflösungsvermögens nicht mehr direkt vermessen werden können, noch eine zuverlässige Abschätzung der Größe treffen zu können, erfolgt die Größenbewertung durch Ver- gleich mit Simulationswerten. Die Datenverarbeitungseinheit

33 der Auswerteeinheit 3 simuliert hierzu für das vorgegebene Prüfszenario (Prüfobjekt, Prüfkopf, Prüfraster, etc.) für mehrere Defektgrößen. Kann das System beispielsweise Defekte von weniger als 3mm nicht direkt auflösen, so werden für ver- schiedene Defektgrößen kleiner als 3mm Berechnungen durchgeführt, die die Ultraschall-Echosignale entsprechend kleiner Defekte simulieren. Dabei kann die Abstufung der angenommenen Defekte 10 in dem Prüfobjekt 1 beispielsweise linear in

Schritten von 0,5 mm oder 0,2 mm erfolgen. Anschließend führt die Datenverarbeitungseinheit 33 eine SAFT-Auswertung der be ¬ rechneten Simulationswerte durch. Ist zum Zeitpunkt der Be ¬ rechnung des simulierten Defekts die Position des Defekts nicht bekannt, so muss während der Simulation der Defekte 10 auch die Position innerhalb des Prüfobjekts variiert werden und für verschiedene Defektpositionen jeweils die Defektgröße wie oben beschrieben variiert werden, da die Vergleichsgröße zur Defektgrößenbewertung positionsabhängig ist.

Eine schematische Darstellung einer beispielhaften Bewer- tungsmatrix für ein Prüfobjekt 1 mit einer zylinderförmigen

Geometrie ist in der nachfolgenden Tabelle 1 dargestellt. Da ¬ bei entsprechen die Zeilen unterschiedlichen Defektpositionen und die Spalten unterschiedlichen Defektgrößen. In den Fei- dern der Bewertungsmatrix sind jeweils die Amplitudensummen aus der berechneten SAFT-Auswertung enthalten.

Tabelle 1: Beispiel einer Bewertungsmatrix

Die Defektpositionen können dabei für alle möglichen Gitterpunkte in der Bildebene der SAFT-Auswertung variiert werden. Zur Verringerung des Rechenaufwands können jedoch auch nur für bestimmte, ausgewählte Defektpositionen eine Simulation durchgeführt werden. Die genaue Defektposition kann in diesem Fall beispielsweise durch Interpolation später noch präzisiert werden. Anschließend erstellt die Datenverarbeitungseinheit 33 eine Bewertungsmatrix, in der die Amplitudensummen der SAFT-Aus- wertungen mehrerer Defektgrößen und gegebenenfalls auch für verschieden Positionen zusammengefasst werden. Die Simulation der Defektpositionen, also die Berechnung der Ultraschall-Echosignale, die SAFT-Auswertung der berechneten Ultraschall-Echosignale und die Erstellung der Bewertungsmat ¬ rix kann dabei bereits vor der eigentlichen Vermessung des Prüfobjekts 1 erfolgen. Somit ist während des Prüfvorgangs nur eine geringere Rechenleistung erforderlich. Da in diesem Fall während der Simulation die Defektposition noch nicht bekannt ist, müssen zwingend auch Simulationen für verschieden Defektpositionen durchgeführt werden. Alternativ kann die Berechnung der Ultraschall-Echosignale, die SAFT-Auswertung der berechneten Ultraschall-Echosignale und die Erstellung der Bewertungsmatrix auch erst erfolgen, nachdem ein Defekt 10 in dem PrüfObjekt detektiert wurde. In diesem Fall kann die Simulation der Defekte auf die detek- tierte Defektposition begrenzt werden. Auch können in diesem Fall die bereits vorhandenen Messwerte als erste Abschätzung für eine Defektgröße herangezogen werden. Die Simulation der Defektgröße kann in diesem Fall auf Größen im Bereich des Schätzwerts begrenzt werden. Legt z.B. das Messergebnis nahe, dass der Defekt etwa eine Größe im Bereich von 1mm hat, so kann die Simulation auf Defektgrößen im Bereich von 0,5 mm bis 2mm eingeschränkt werden, wodurch sich eine weitere Re ¬ duktion der erforderlichen Rechenleistung ergibt.

Liegen SAFT-Auswertung der Messwerte und Bewertungsmatrix vor, erfolgt anschließend ein Vergleich. Dabei wird derjenige Wert der Bewertungsmatrix bestimmt, der den Messwerten an nächsten kommt. Hieraus kann dann auf die tatsächliche De- fektgröße und ggf. Defektposition geschlossen werden.

Durch eine Interpolation benachbarter Werte der Bewertungsmatrix kann darüber hinaus die abgeschätzte Defektgröße und - Position noch weiter angenähert werden.

Nachdem die Größe und ggf. die Position eines Defekts 10 auf die oben beschriebene Weise ermittelt wurde, werden die er ¬ mittelten Werte auf der Anzeigevorrichtung 4 dem Benutzer angezeigt .

Durch eine erfindungsgemäße Defektgrößenbewertung ist nun auch ein direkter Vergleich zwischen konventionellen Ultraschall-Analyseverfahren und SAFT-basierten Ultraschall- Verfahren möglich. Beliebige Fehler lassen sich mit dem Er- satzfehlertyp Kreisscheibe vergleichen. Auf diese Weise kann zum Beispiel ein differenzierter Vergleich mit den Belastungen bei der Konstruktion gezogen werden. Bei der Simulation der Ultraschall-Echosignale kann darüber hinaus berücksich- tigt werden, dass bei sehr kleinen Kreisscheiben die Echohöhe nicht mehr proportional zu d 2 ist, wobei d der Durchmesser der Ersatzfehlergröße darstellt. Somit können auch diese Fäl ¬ le richtig bewertet werden. Darüber hinaus lässt das erfin ¬ dungsgemäße Verfahren auch die Einbeziehung weiterer Zusatzinformationen über einen Defekt 10 zu. So können beispielsweise Orientierungen von Defekten berücksichtigt werden, indem eine Serie von Defekten abgestufter Größe mit der bekannten Orientierung zur Bewertung herangezogen wird.

Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung eine De ¬ fektgrößenbewertung von Defekten 10 in einem Prüfobjekt 1 bei einer Ultraschallprüfung. Dabei ermöglicht die vorliegende Erfindung insbesondere auch eine gezielte Bestimmung von De ¬ fektgrößen basierend auf der SAFT-Methode . Hierzu werden ba ¬ sierend auf einem vorgegebenen Prüfszenario Defekte 10 in ei ¬ nem Prüfobjekt 1 simuliert und diese Simulationen mit real erfassten Messwerten verglichen.