Optimising ultrasonic beamforming through solid plates

Abstract

Ultrasoniske verktøy gir en ikke-destruktiv måte å teste integriteten av borehull og sementen som ligger rundt røret. Dagens verktøy tar ikke i bruk dynamisk fokusering, og visse begrensninger på grunn av dette. Å fokusere ultralydstråler på varierende dybder i materialet kan gi bedre avbildning av hele volumet rundt borehullet. En stor utfordring ligger i vanskeligheten ved å oppnå god fokusering gjennom stålrøret, som introduserer mye støy på grunn av interne refleksjoner i stålet, i tillegg til å store impedanseforskjeller mellom vannet og stålet.

En numerisk metode for å raskt teste og karakterisere ulike fokuseringsmetoder er utviklet, ved å ta i bruk superposisjonsprinsippet for bølger. Prosedyren er delt opp i en simuleringsfase og en etterbehandlingsfase. I den første fasen blir bølgefeltet fra ett enkelt transducerelement simulert numerisk i programvaren SimSonic, som løser 2D elastodynamiske ligninger. Dette bølgefeltet er lagret som en funksjon av posisjon og tid, og kan superposisjoneres på seg selv med ulike tidsforskyvelser for å bygge opp en fullstending og kontrollerbar transducer. Dette tillater hurtig testing av ulike parametere for stråleforming. Flere teknikker utprøves for å undersøke hvilke av disse som er best egnet for å fokusere gjennom stålplater. Effekten av et apodiseringsvindu undersøkes. Fordelen ved å bruke en skjærbølge-basert fokusering oppdages, og god fokusering med lite støy oppnås ved azimut mellom 24 mm og 40 mm for dette oppsettet.

Ultrasonic tools provide a non-destructive way of to test the integrity of the cement sheath surrounding boreholes. Commonly used tools do not make use of dynamic focusing, and are therefore limited in the information they can give. Focusing the ultrasound beam at varying depths in the material can provide better imaging of the volume surrounding the borehole. A major challenge lies in the difficulty of achieving good focusing through the steel and transmitting enough energy, as the impedance differences are high.

A numerical method of rapidly testing and characterizing different beamforming methods is developed, by making use of the superposition principle of waves. The procedure is split into a simulation stage and a post-processing stage. In the first stage, the wave field emitted from a single transducer element is computed numerically by the 2D finite-difference time-domain (FDTD) simulation software SimSonic. In the post-processing stage, this wave field can be shifted both in time and space, and then superimposed onto itself to build up a fully controllable transducer array. This allows for rapid testing of a wide range of beamforming parameters. Several techniques of focusing are tested in search of the most suitable method of focusing through solid plates. The effect of an apodisation window on the transducer is explored. A benefit in using shear-wave based focusing methods is found, at an azimuth between 24 mm and 40 mm for this setup.