CN102648408A - 用于超声波检测的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于超声波检测试样(6)的方法，该试样具有在轴向方向(L)上延伸的孔(26)，其中，探头(2)设置在孔(26)内部并且在轴向方向(L)上延伸。探头(2)具有多个在轴向方向(L)上依次设置的并且彼此间隔开的传感器环(81-88)，所述传感器环在垂直于轴向方向(L)的平面中延伸并且具有多个彼此间隔开的超声波换能器(10)。所述超声波换能器(10)设置在相应的传感器环(81-88)的一个扇形段(30)中，该扇形段在该相应的传感器环(81-88)的圆周方向上在该传感器环(81-88)的圆周的至少一个局部段上延伸。为了超声波检测试样(6)，将由一个传感器环(81-88)的扇形段(30)的超声波换能器(10)出发的超声波检测脉冲射入到试样(6)中。紧接着，借助在空间彼此间隔开的第一和第二超声波换能器(10)接收多个回波信号(20)。所述回波信号(20)通过射入到同一个存在于试样(6)中的缺陷(16)上的超声波检测脉冲的反射所引起。

Description

用于超声波检测的方法和装置

技术领域

用于超声波检测的方法和装置。

背景技术

借助超声波可检测构件或技术元件体积中和表面上的缺陷或不完善。在超声波检测中优选使用的脉冲回波技术的优势在于可非常好地检测出面的分离、如裂缝。可靠检测的前提是：存在于试样中的缺陷被声波适当地扫描到。超声波检测既可在制造中用作以保证质量为目的的集成检测也可在维修和保养以确保检测对象的继续使用适宜性的范畴中用作定期检测。

原则上，在脉冲回波方法的超声波检测中仅检测到其超声波回波被接收的缺陷。是否能借助所使用的检测装置检测到被缺陷反射的超声波回波的问题在很大程度上取决于传感器、接收器和存在于试样中的缺陷之间的几何布置以及该缺陷的反射特性。

为了得到待检测工件或试样的尽可能完整的损伤图像，将用于检测的声场在许多不同的点上从许多不同的入射方向上射入到待检测的体积中。

通过这种方式，可以在很大程度上测量到待检测的体积范围和表面。为此目的通常借助探头对检测对象的表面进行扫描，由此可移动过许多不同的入射点。此外，为了覆盖尽可能多的不同的入射方向，这种探头通常具有多个朝不同方向定向的超声波换能器。用于检测的超声波场通常垂直于试样的表面和与其呈45°角地被射入到试样中。

但上述扫描方法导致相对长的检测时间。如检测自动进行，则需要昂贵的用于实现这种扫描运动的操纵器。最后，在检测评估时始终存在一定的不确定性，因为不能这样覆盖或者说移动过所有可想到的入射点和所有可想到的入射方向，以致始终能够可靠地推导出缺陷类型和缺陷形状。检测结果评估的这种不确定性可导致制造中不必要的废品或技术安全性的降低。

原则上，根据所面临的检测任务来优化在检测系统中所使用的超声波传感器的类型和数量。在此，不仅要注意检测表面的可接近性也要注意检测在潜在的错误配置方面的效力。

超声波技术中的一种已知的技术进步是所谓的成组探头技术。在该技术中，成组探头执行多个超声波传感器的功能。借助成组探头可电子控制声场的入射角度和聚焦。但是，成组探头技术对于检测电子装置的要求很高，且检测时间仍旧较长。检测时间之所以长，是因为借助成组探头技术通过使用成组探头仅可减少所需的单个传感器的数量，而检测周期的数量却原则上保持不变。

当今的超声波检测的目标除了试样的损伤图像的定性评估外，也在于关于试样的损伤图像的定量评估。除了缺陷的位置外，缺陷类型以及其维数也是很重要的。根据定量检测的结果能够以更大的确定性来判断检测对象的继续使用适宜性。根据缺陷的严重程度，考虑不再继续使用、维修或继续使用检测对象。

此外，在定量的非破坏性的检测的范畴中追求检测图像的三维化显示。借助成组探头技术已经可以以这种方式来显示检测结果，所产生的检测图像借助已知的层析X射线照相法通常以横截面或俯视图显示为B和C图。但是，目前尚不能进行真正的三维成像。取而代之，只是将二维图像组合成三维图像，在此，基于有限数量的入射方向而必须忍受这样的缺点，即，系统对于任意倾斜于测量平面定向的面的分离不敏感。

超声波检测的一个重要的组成部分是钻孔检测(Boresonicinspection)。此外，超声波检测还用于钻空心的涡轮轴或铁路轮组的轴。用于钻孔检测的超声波系统在市场上可以买到。

在这些已知的超声波系统中，将旋转的检测枪插入存在于试样中的腔中、通常是存在于试样中心的钻孔中。代替旋转检测枪，可使待检测的工件围绕检测枪进行旋转。这种超声波系统根据超声波多通道技术原理工作。多个位于探头系统中的超声波传感器从工件的内侧、即从钻孔的方向在不同的入射角度下将用于检测的超声波场入射到试样的材料中。通常，除了其超声波场垂直于试样的纵轴线定向的传感器外，还使用离散的传感器，其超声波场以45°角相对于纵轴线倾斜。借助后一种传感器可通过所谓的角镜面效果主要检测出在试样圆周方向上延伸的外部裂缝。例如DE19952407A1公开了一种方法，借助其可检测出在工件的纵向方向上延伸的外部裂缝。

借助参考反射体-已知其在工件中的位置-对所检测到的缺陷进行空间关联，且对其大小和维数进行评估。作为参考反射体或代替反射体例如使用位于与检测对象同种的试样外侧上的凹槽或嵌入试样体积中的圆盘反射体，其理想地相对于相应的入射方向定向。这种已知的检测方法的缺点在于相对长的检测时间，因为要对钻孔表面进行例如螺旋形的扫描。此外，经由代替反射体的状况检测导致：只能很弱地甚至不能检测到真正的具有其它反射特性的缺陷。该检测在其类型和范围方面的定量评估同样是也只在非常特定的条件下才是可能的。

发明内容

本发明的任务在于给出一种用于超声波检测的方法和装置，该方法/装置在所需的检测时间以及缺陷检测和缺陷评估方面相对于现有技术中已知的方法或装置得以改善。

根据本发明，该任务通过根据权利要求1的方法和具有权利要求13的特征的装置来解决。从属权利要求的技术方案构成有利的方案。

在根据本发明的用于超声波检测的方法中，在第一步骤中，将探头设置在位于试样中的、在轴向方向上延伸的孔中。探头在轴向方向上延伸并且具有多个在轴向方向上依次设置的并且彼此间隔开的传感器环。所述传感器环分别在一个垂直于轴向方向的平面中延伸并且分别具有多个彼此间隔开的超声波换能器。所述超声波换能器在相应的传感器环的一个扇形段中设置，该扇形段在该相应的传感器环的圆周方向上在该相应的传感器环的圆周的至少一个局部段上延伸。不同传感器环的超声波换能器在此-在轴向方向上观察-既可依次设置又可彼此稍微错置地设置。在下一个方法步骤中，将由一个传感器环的扇形段的超声波换能器出发的超声波检测脉冲射入到试样中，在此所述超声波换能器同步或顺序地被激发以发出同种类型的单个脉冲。同步在此是指：位于一个传感器环的扇形段中的多个、尤其是所有的超声波换能器同时被激发。单个脉冲的叠加形成超声波检测脉冲。在下一个方法步骤中，借助探头的第一超声波换能器接收第一回波信号并且借助探头的第二超声波换能器接收第二回波信号，这适用于整个探头的任意第一和第二超声波换能器。第一和第二回波信号都通过射入到同一个存在于试样中的缺陷上的超声波检测脉冲的反射所引起。第一和第二超声波换能器在空间上彼此间隔开。优选这样确定在此所使用的超声波换能器的大小，使得其在轴向方向上具有直至120°的声场张角，因此，该声场张角明显超出传统的超声波方法中所使用的超声波换能器的声场张角直至约20°。通过超声波换能器的这种设计，使得由超声波换能器所产生的超声波检测脉冲可检测更大的范围，且以更大的视界角范围探测存在于工件中的缺陷。此外，通过更大的声场张角可同时产生纵波或/和横波。

在下一个方法步骤中，评估第一和第二回波信号的测量值以便确定缺陷在试样中相对于第一和第二超声波换能器的方位和/或位置。探头中所使用的第一和第二超声波换能器越多，则该方位/位置确定就越精确。

探头在当前情况下并不是传统的仅具有一个向固定的发射方向进行发射的超声波换能器的探头。更多地，探头被看作是一个具有多个超声波换能器的探头系统。尽管如此，为了提高可读性，仍保留定义“探头”。

根据本发明的用于超声波检测的方法基于如下认识：

由于超声波场在工件中的叠加原则上涉及线性问题，因此，所提及的超声波检测脉冲是否通过超声波换能器的同步还是顺序的运行被射入到试样中无关紧要。如果超声波换能器顺序运行，则所接收的信号可随后通过纯粹的计算进行叠加。

在设置于相应的传感器环的扇形段中的超声波换能器用于将超声波检测脉冲射入到试样中时也是如此。在以该扇形段的大小定义的张角射入到试样内的超声波检测脉冲可通过纯粹的计算与另一个在探头转动后由该相应的扇形段发射出的检测脉冲叠加。

因此，根据第一种实施方式，在两个连续的超声波检测脉冲入射之间，将探头围绕轴向方向L转动。根据一种扩展方案，多个用于扫描试样的检测脉冲被射入到试样中，且探头沿在轴向方向上定向的检测路线运动。优选探头这样转动或运动，使得第一检测脉冲的声场和第二检测脉冲的声场彼此部分地重叠。

由于超声波场的叠加原则上涉及线性问题，所以用于检测的超声波场可随后通过纯粹的计算进行叠加。特别有利的是，将各单个在探头围绕轴向方向转动期间被发射出的检测脉冲通过纯粹的计算叠加，使得用于检测的超声波场形成环波。

优选超声波检测以这样的方式进行，即，首先超声波探头沿孔的轴向方向移动，且仅扫描试样的一个扇形段，例如在轴向方向上仅扫描试样的四分之一扇形段。紧接着，探头转动相应的角度并重新扫描试样，这次是在相邻的扇形段中进行扫描。在相应数量的扫描行程后，通过将各个彼此待关联的超声波检测脉冲叠加为一个环波来叠加结果并且评估回波信号。

根据一种替换的方法方案，超声波探头在发射出一个检测脉冲后转动相应的角度、例如45°，并且紧接着发射出另一检测脉冲。在完整转动一周后，可通过纯粹的计算由发射出的超声波检测脉冲重建一个环波。

根据另一种实施方式，探头这样转动，使得在一个垂直于轴向方向的平面中在发出第一超声波检测脉冲的第一位置和发出第二超声波检测脉冲的第二位置之间测得的转动角度小于同样在一个垂直于轴向方向的平面中测得的第一或第二超声波检测脉冲的声场的张角。换句话说，刚好这样选择在第一和第二超声波检测脉冲发射之间实现的转动角度，使得在相应的位置中所发射出的超声波检测脉冲彼此重叠。由于这种重叠，可确保计算叠加超声波检测脉冲。

代替传感器环在扇形段上设有超声波换能器的设计，根据另一种实施方式，可这样构造探头，使得至少一个传感器环的超声波换能器在相应的传感器环上沿整个圆周设置。特别优选超声波换能器均匀地沿相应的传感器环的圆周进行分布。现在，优选这样同步或顺序控制探头的超声波换能器，使得超声波检测脉冲形成垂直于轴向方向传播的环波的形式。在顺序的控制中，再次通过计算叠加单个脉冲来形成环波。

可将已经多次提到过的定义“环波”理解为一种从孔的表面出发的、垂直于轴向方向朝试样中传播的超声波。环波在轴向方向上是发散的。考虑在孔具有任意小的直径的极限情况下，这种环波的声源萎缩成沿轴向方向延伸的具有线孔径(Linienapertur)的声源，该孔径等于传感器元件在轴向方向上的孔径。即使在物理方面不理想的波也应被称为环波。这种不理想的环波例如通过使用多个这样的超声波换能器来形成，其孔径和在圆周方向上的间距大于通过采样定理所规定的。

有利的是，借助规定的环波来均匀地扫描试样的体积。由此可提高检测到存在于试样体积中或表面上的缺陷的概率。此外，由于设置多个超声波接收器用于接收由缺陷发出的回波信号，可根据超声波层析X射线照相法(Ultraschalltomographie)的已知规则，在试样体积中进行反射体的位置和大小的三维重建。这种三维重建也可以是相位敏感方法，其提供在存在的缺陷的结构或几何形状方面特别精确的图像。

根据一种扩展实施方式，激活一个单个的传感器环的超声波换能器来发射出环波，且多个传感器环的超声波换能器设置用来接收回波信号。由于现在多个超声波换能器准备好接收回波信号，所以在发射位置确定的情况下也实际提高了借助至少一个超声波换能器接收附属的回波信号的概率。

根据一种扩展方案，为了超声波检测试样，使用多个超声波检测脉冲，且探头在两个超声波检测脉冲发射之间的时间中沿轴向方向移动。优选探头在此移动一个步宽，其等于用于检测的超声波检测脉冲的半个波长，该波长在试样材料中测得。通过使探头移动半个波长，可通过计算增大超声波换能器的有效孔径。

根据另一种方法方案，在轴向方向上依次激活设置用于发射环波的传感器环。在此，每次仅设置一个传感器环用于发射环波，而所有的传感器环(必要时也包括设置用于发射环波的传感器环)的超声波换能器均设置用于接收回波信号。换句话说，探头的传感器环如同移动光(Lauflicht)一样被依次激活。反射的接收始终借助所有的传感器环进行，所有传感器环的所有的超声波换能器的同步接收在检测速度方面带来特别的优点。

此外，在所述方法方案中特别有利的是：此外，在轴向方向上测量的传感器环之间的间距相当于双倍波长。在一个或多个传感器环、在极限情况下为探头所有的传感器环都被激发一次用于发射之后，探头在轴向方向上移动半个波长。在探头移动了若干数量的步距(其相当于传感器环间距)之后，根据采样定理，孔径被进一步填补并且测量数据集的合成孔径在轴向方向上测量时增大一个环分段、即增大一个传感器环的延伸长度。在接下来的步骤中，可建立几乎任意大的合成孔径，其包含足够数量的用于三维高分辨率图像构建的数据。有利的是，也可通过这种方式以高分辨率测量远离测量表面的缺陷，因为基于大的合成孔径，声场也可在长距离上合成聚焦。

另一优点在于可实现高的检测速度，同时存在以层析X射线照相法进行三维重建的可能性。优选可为重建使用由各单个超声波换能器接收的、不同定向的信号、A图像，其在数学公式中构成信息矩阵。该信息矩阵描述用于以层析X射线照相法进行重建的测量信息。具有n个既用于发射又用于接收的超声波换能器的探头最大构成具有n乘n个元素的信息矩阵，其中，基于互易定理，元素i，j具有和元素j，i相同的信息。有利的是，当一个传感器环的m个超声波换能器同时被激发且所有的超声波换能器分别进行接收时，则矩阵减小为(n/m)·n个元素，其分别包含在材料中通过声场叠加模拟产生的信息总和。

当仅一个传感器环在探头的一个位置中进行发射时，该系统可进一步被减小。于是，矩阵仅具有1·n个元素。在此极限情况下，有利的是可以以最大速度进行检测。

根据本发明的用于超声波检测具有在轴向方向上延伸的孔的试样的装置包括探头和用于实施根据权利要求1至12之一所述的方法的处理单元。所述探头和孔一样在轴向方向上延伸并且具有多个在轴向方向上依次设置的并且彼此间隔开的传感器环。设置在传感器环上的超声波换能器在此-在轴向方向上观察-既可依次设置又可彼此稍微错开地设置。传感器环在垂直于轴向方向的平面中延伸并且具有多个在传感器环圆周方向上设置的超声波换能器。

关于方法所提到的优点同样适用于该装置。

根据第一种实施方式，至少一个传感器环的超声波换能器在该传感器环上沿整个圆周设置。优选超声波换能器在该传感器环上均匀地沿整个圆周设置。有利的是，这种装置能够发射环波。

根据另一种实施方式，所述发射元件在该传感器环的圆周方向上彼此间隔开这样的间距，其大于由这些发射元件可发射的检测脉冲的半个波长，该波长在试样的材料中测得。换句话说，发射元件的在传感器环的圆周方向上观察的间距的值可以大于通过采样定理确定的值。通过利用适合的过滤算法，可在评估所获得的测量数据时补偿由此引起的图像干扰。

根据一种扩展方案，在轴向方向上依次相继的各传感器环的超声波换能器-从探头的轴向方向的投影中看-在探头的一个共同的圆周方向上彼此错开布置。优选，依次相继的各传感器环的发射元件在圆周方向上分别以一个相同的转动角度彼此错开布置。

附图说明

接下来参考附图进一步解释本发明。相同部件在此使用相同的附图标记。附图如下：

图1为试样局部以及探头的纵向剖面图；

图2为图1中已知的试样和探头的横截面图；

图3a-f为检测脉冲在试样中在不同的时间点上的模拟传播；

图4为试样的圆柱形区段的三维重建；

图5-7分别为图4所示的三维重建在xy平面、yz平面或xz平面中的2D投影。

具体实施方式

图1以纵向剖面图示出位于孔26中的探头2。借助检测枪的杆4将探头2插入孔26中。作为替换方案，借助推/拉装置在使用柔性轴的情况下将探头2插入孔26中。检测对象例如应为空心轴6，其具有轴向中心孔26。探头2具有八个在轴向方向L上依次设置的传感器环81至88。在所示实施例中，孔的轴向方向L与探头2的中心纵轴线重合。每个传感器环81至88具有八个既用作超声波发射器又用作超声波接收器的超声波换能器10。超声波换能器10在传感器环81至88圆周方向上的位置从一个传感器环81至88到下一个传感器环进行变化。这导致在图1所示的横截面中仅能看到传感器环82、85和88的超声波换能器10。传感器环81至88、更准确地说其超声波换能器10这样彼此错置地设置，使得一个传感器环81至88通过围绕轴向方向L旋转15°即可转移到在轴向方向L上接下来的传感器环81至88。例如，传感器环82在三次15°旋转后转移到传感器环85。

位于传感器环81至88中的超声波换能器10例如在弹簧加载下被压到空心轴6的内侧12上。为了引入超声波场，一种适合的耦合介质、如油附加地位于探头2和空心轴6内侧12之间的空隙14中。

为了检测空心轴6上的示例示出的一处缺陷16，环波形式的超声波检测脉冲被射入到试样、即空心轴6中。射入借助于其中一个传感器环81至88的同步工作的超声波换能器10来进行，例如传感器环85用来发射通过超声波换能器10的同步运行产生的环波。也可顺序运行各超声波换能器10，且可随后通过计算叠加所获取的测量信号。

在一个传感器环81至88的超声波换能器10的顺序控制方案的进一步发展中，代替图1中所示的实施例，可将这样的传感器环81至88集成到探头2中，即，这些传感器环81至88分别仅沿其圆周的一个局部段设有超声波换能器10。在此情况下所述超声波换能器10组成一个扇形段。

图2示出空心轴6和探头2在传感器环85高度上的横截面图。沿传感器环85的圆周设置8个超声波换能器10，其可同步或顺序地运行。作为替换方案，可这样构造探头2的传感器环85，使得其仅在扇形段30中具有三个超声波换能器10。在该实施例中，其它的传感器环81至84、86至88的相应的扇形段具有相同数量的超声波换能器。但数量也可不相同。借助于根据这样的实施例的探头2(其仅在各个传感器环81至88的相应的在圆周上设置的扇形段上配备超声波换能器10)，可根据下述方法方案对空心轴6进行检测：

借助上述探头2首先仅对一个局部区域、在所示实施例中为空心轴6沿轴向方向L的大约四分之一进行扫描。在该检测行程后，探头2围绕轴向方向L转动例如90°且扫描空心轴6的相邻的四分之一扇形段。在四个检测行程后，由探头2的扇形段30在彼此对应的轴向位置上发射出的超声波检测脉冲通过计算被叠加为一个环波。由此借助通过计算叠加产生的环波完成对空心轴6的完整扫描。

作为替换方案，在扇形段30的超声波换能器10被激发从而发射出超声波检测脉冲之后-这与上述实施例相同，探头2可旋转90°，以便可将另一超声波检测脉冲发射到空心轴6的相邻的四分之一扇形段中。在借助探头2的完整旋转一周来扫描空心轴6之后(这允许将发射的检测脉冲计算叠加为环波)，探头2才在轴向方向L上移动。

为了进一步进行说明，现在重新参考图1，重新从一个包含多个传感器环的探头2出发，所述传感器环沿其整个圆周设有超声波换能器10。探头2的传感器环81至88尤其应沿其整个圆周均匀地设有超声波换能器10。此外，出发点还在于：环波形式的超声波检测脉冲通过同步或顺序地激活这种传感器环81至88的超声波换能器10实现。

仅其中一个传感器环81至88用于发射环波，而所有的传感器环81至88、包括进行发射的传感器环85均用于接收回波信号。图1中仅示出由传感器环85的超声波换能器10发出的检测脉冲的发射方向E。从传感器环85的超声波换能器10出发，环波形式的检测脉冲在作为试样的空心轴6中传播。在此，该环波基于超声波换能器10在轴向方向L上的小的尺寸而在该方向上强烈发散。通过超声波检测脉冲碰撞到缺陷16上，产生回波信号20，其被彼此间隔开的超声波换能器10接收，在所示实施例中是指传感器环82、85和88的超声波换能器10。与公知的脉冲回波技术相似，可确定空心轴6中的缺陷16相对于超声波接收器、即传感器环82、85和88的超声波换能器10的位置及方位，与公知的脉冲回波技术的区别仅在于：对多个回波信号20而不是对仅一个回波信号进行处理。

借助处理单元28来激活探头2的超声波换能器10，所述处理单元通过适合的电线与超声波换能器10连接。处理单元28激活超声波场向空心轴6中的射入并且还用于评估由超声波换能器10接收的回波信号20。

图2示出结合图1所描述的位置的横截面图，示出空心轴6和探头2在传感器环85高度上的横截面图。现在，例如由此出发：这样同步运行传感器环85的八个超声波换能器10，使得其发射环波，该环波在径向上在发射方向E上传播到作为试样的空心轴6中。图2中示意性示出该环波的两个波面18。超声波检测脉冲被位于空心轴6中的缺陷16反射，回波信号20被传感器环85的在空间上间隔开的各超声波换能器10检测到。借助这些回波信号20可确定缺陷16在图2所示的剖面、即垂直于轴向方向L的平面中的位置。

由于现在既可确定缺陷16在平行于轴向方向L的平面(参见图1)中的位置又可确定其在垂直于该轴向方向L的平面中的位置，因此可唯一地确定缺陷16相对于探头2的空间位置。

接下来拟说明另一具体的实施例。为此目的，例如由此出发：待检测的空心轴6由钢制成并且以4MHz检测频率被检测。空心轴6的内孔的直径也例如应为30mm。从传感器环81至88的圆周方向上观察，图1和2中所示的超声波换能器10的孔径应为两个波长。该值为可根据具体的技术检测任务优化的参数，其决定检测通道的数量和检测图像的质量。由于在钢中在4MHz检测频率下纵向波的波长约为1.5mm，所以超声波换能器10在圆周方向上的孔径约为3mm。

传感器环81至88的两个超声波换能器10在圆周方向上的间距A约为9mm(参见图2)。每个传感器环81至88分别具有八个超声波换能器10，其均匀地分布在相应的传感器环81至88的圆周上。间距A的大小与两个波长的振动器孔径的结合违反采样定理。但由此产生的失真可通过利用适合的过滤算法在很大程度上从测量结果中消除。

在轴向方向L上依次相继的各传感器环81至88的超声波换能器10在圆周方向上分别相对偏移1.5mm。这相当于相应的传感器环81至88转动约5.6°(与图1、2所示的实施方式不同)。换句话说，传感器环81至88这样相对偏移，使得在假设的第九个传感器环时，其超声波换能器10再次位于与第一个传感器环中的超声波换能器相同的位置上。由于超声波换能器的孔径为3mm且超声波换能器之间的间距A为9mm，所以在12mm之后出现下一个振动器。因此，传感器环81至88分别彼此转动1.5mm(1.5mm×8＝12mm)。

当元件孔径在轴向方向上为半个波长时，传感器环81至88的间距AS(参见图1)为三个半波长，即，每六毫米设置一个传感器环81至88。

为了超声波检测空心轴6，依次激发所有的传感器环81至88来发射环波，从缺陷16出发的回波信号20分别被所有的传感器环81至88所接收。在依次接通探头2的传感器环81至88后(该过程应被称为检测周期)，将探头2在轴向方向L上移动半个波长。在八个这样的检测周期之后，可得到探头2整个长度上的完整的接收孔径，传感器环81至88在该探头中延伸。

当以1kHz脉冲重复频率运行超声波系统且探头2在一个发射过程后已经在轴向方向L上移动时，那么这相应于每秒750mm的检测速度。如果全部八个传感器环81至88都用于发射，则检测速度减小8倍，且因此在每秒100mm的范围中。借助该检测速度可在约20s内检测2m长的空心轴6。通过较低的检测速度可在传感器位置重叠时记录稳定的冗余数据集。

图3a-f示出一种以常见的用于环波在声学各向同性的固体中的传播的弹性动力学(elasto-dynamisch)代码为基础的模型计算。环波22从声波24出发传播到固体中(参见图3a和b)。当环波到达缺陷16时，产生回波信号20(参见图3c)。环波22经过缺陷16，而被散射的回波信号20则根据缺陷16的几何形状或多或少地在相反的方向上在固体中传播。围绕在此为简单起见仅以点来表示的声波的方位，还设有用于接收回波信号20的超声波接收器，由此根据回波信号的行进时间且借助多个彼此间隔开的接收器可确定缺陷16在固体中的位置(参见图3d-f)。

通过利用常见的层析X射线照相法的重建算法可在试样的真正的三维图像中显示出所检测到的缺陷16的位置和形状。由此为用户提供了三维的损伤图像，如图4中所示。

图4示出作为试样的空心轴6的圆柱形区段的示意性透视图。除了作为腔的中心孔26外可见存在于体积中的缺陷161至165。

除了图4中所示的损伤图像的三维视图外，可显示如图5至7所示的各种投影。

图5示出图4中已知的三维重建在xy平面中的投影。图6和7示出该三维重建在yz或xz平面中的其它投影。

Claims (16)

1.用于超声波检测试样(6)的方法，该试样具有在轴向方向(L)上延伸的孔(26)，所述方法包括下述步骤：

a)将具有下述特征的探头(2)设置在孔(26)内部：

a1)所述探头(2)在轴向方向(L)上延伸并且具有多个在轴向方向(L)上依次设置的并且彼此间隔开的传感器环(81-88)，

a2)所述传感器环(81-88)在垂直于轴向方向(L)的平面中延伸并且具有多个彼此间隔开的超声波换能器(10)，

a3)所述超声波换能器(10)设置在相应的传感器环(81-88)的一个扇形段(30)中，该扇形段在该相应的传感器环(81-88)的圆周方向上在该传感器环(81-88)的圆周的至少一个局部段上延伸，

b)将一个从一个传感器环(81-88)的一个扇形段(30)的多个超声波换能器(10)出发的超声波检测脉冲射入到试样(6)中，各超声波换能器(10)被同步地或顺序地激发以发出同种类型的各单个脉冲，这些单个脉冲叠加形成所述超声波检测脉冲，

c)借助探头(2)的第一超声波换能器(10)接收第一回波信号(20)并且借助探头的第二超声波换能器(10)接收第二回波信号(20)，所述第一超声波换能器和第二超声波换能器(10)在空间上彼此间隔开，并且所述第一回波信号和第二回波信号(20)通过射入到同一个存在于试样(6)中的缺陷(16)上的超声波检测脉冲的反射所引起，

d)评估第一回波信号和第二回波信号(20)的测量值以便确定缺陷(16)在试样(6)中相对于第一超声波换能器和第二超声波换能器(10)的位置的方位和/或位置。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，在射入两个依次相继的超声波检测脉冲之间，将所述探头(2)围绕轴向方向(L)转动。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，将多个用于扫描试样(6)的检测脉冲射入到该试样中，并且在射入两个依次相继的超声波检测脉冲之间，将探头(2)沿一个在轴向方向(L)上定向的检测路线运动。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其中，将所述探头(2)这样转动或运动，使得第一检测脉冲的声场和第二检测脉冲的声场彼此部分地重叠。

5.根据权利要求2至4之一所述的方法，其中，将所述探头(2)这样转动，使得在一个垂直于轴向方向(L)的平面中在发出第一超声波检测脉冲的第一位置和发出第二超声波检测脉冲的第二位置之间测得的转动角度小于同样在一个垂直于轴向方向(L)的平面中测得的第一超声波检测脉冲的第一声场的张角。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，至少一个传感器环(81-88)的超声波换能器(10)在相应的传感器环(81-88)上沿整个圆周设置，并且这样激活探头(2)的超声波换能器(10)，使得超声波检测脉冲形成垂直于轴向方向(L)传播的环波的形式。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，激活一个单个的传感器环(81-88)的超声波换能器(10)以发射环波，并且多个传感器环(81-88)的超声波换能器(10)设置用来于接收回波信号(20)。

8.根据权利要求6或7所述的方法，其中，为了超声波检测试样(2)，发射出多个超声波检测脉冲，并且将探头(2)在两个超声波检测脉冲发射之间的时间内沿一个在轴向方向(L)上定向的检测路线运动。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述探头(2)沿所述检测路线移动一个这样的步宽，其大小相当于用于检测的超声波检测脉冲的半个波长，该波长在试样(6)的材料中测得。

10.根据权利要求8或9所述的方法，其中，为了评估测量值，考虑通过多个不同的超声波检测脉冲所引起的回波信号(20)。

11.根据权利要求9和10所述的方法，其中，在评估多个不同的超声波检测脉冲时考虑所述步宽。

12.根据上述权利要求之一所述的方法，其中，基于所接收的回波信号(20)，计算试样(6)的三维的层析X射线图像。

13.用于超声波检测试样(6)的装置，该试样具有在轴向方向(L)上延伸的孔(26)，所述装置包括：

a)探头(2)，该探头具有多个在轴向方向(L)上依次设置的并且彼此间隔开的传感器环(81-88)，所述传感器环在垂直于轴向方向(L)的平面中延伸并且具有多个在传感器环(81-88)的圆周方向上彼此间隔开地设置的超声波换能器(10)，所述超声波换能器(10)设置在相应的传感器环(81-88)的一个扇形段(30)中，该扇形段在该相应的传感器环(81-88)的圆周方向上在该相应的传感器环(81-88)的圆周的至少一个局部段上延伸，

b)用于实施根据上述权利要求1至12之一所述的方法的处理单元(28)。

14.根据权利要求13所述的装置，其中，至少一个传感器环(81-88)的超声波换能器(10)在该传感器环(81-88)上沿整个圆周设置。

15.根据权利要求14所述的装置，其中，所述超声波换能器(10)在传感器环(81-88)的圆周方向上彼此间隔开这样的间距(A)，该间距大于能由这些发射元件(10)发射的检测脉冲的半个波长，该波长在试样(6)的材料中测得。

16.根据权利要求14或15所述的装置，其中，在探头(2)的轴向方向的投影中观察，在纵向方向(L)上依次相继的各传感器环(81-88)的超声波换能器(10)在探头(2)的一个共同的圆周方向上分别彼此相对偏移一个恒定的转动角度。

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