CN103076392A - 利用超声对大材料厚度的测试对象无损检查的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用超声对具有大材料厚度的测试对象进行无损检查的方法和装置。该装置包括具有被分成多个可单独激活的换能器段的超声换能器的超声测试探头，其中该换能器段是同心圆或同心环或其部分。选择换能器段的第一组j(j＝1、2、3...)，该选择是以这些换能器段的并行激活得到超声换能器(22)的圆形活性表面Fj的方式进行的。采用换能器段的第一组j(j＝1、2、3...)执行该测试对象的超声检查，其中并行激活该换能器段的第一组j(j＝1、2、3...)。

Description

利用超声对大材料厚度的测试对象无损检查的方法和装置
技术领域
本发明的主题是利用超声对大材料厚度的测试对象无损检查的方法、用于执行该方法的本身已知的测试探头的用途、特别适合于执行该方法的超声测试探头、用于利用超声对大材料厚度的测试对象无损检查的超声测试探头的控制单元(尤其是其可以配置用于执行该方法)、以及利用超声对大材料厚度的测试对象无损检查的装置。
背景技术
在材料测试领域中，已知多种利用超声对测试对象无损检查的方法。在脉冲回声法中，用作发送器的超声换能器所生成的短超声脉冲适当地声穿透进测试对象，以便其在该测试对象中传播。如果脉冲碰撞到该测试对象中的缺陷，例如作为接收器操作或几何结构的不连续处，该脉冲被至少部分地反射。利用超声换能器检测反射脉冲。超声换能器经常被既用作发送器又用作接收器。可以从脉冲声透射进该测试对象和反射脉冲到达接收器之间的行进时间来推断出测试对象中不连续处的位置。反射脉冲的幅度可用于获得关于不连续处的尺寸的信息。
在标准化手动超声测试中，已经全球性地建立了用于评估不连续处尺寸的两种方法，即参考体法(也简称作DAC法，来自于“距离-幅度校正(distance-amplitude correction)”)和DGS法(来自于“距离-增益-(缺陷)尺寸(distance-gain-(flaw)size)”)。当考虑到应用时，两种方法是不同的，但是关于它们所基于的声音传播和声音反射的基本物理性质是相同的。在两种方法中，检验员确定模型反射体(DAC法中的圆柱形反射体，DGS法中的圆盘)的尺寸(直径)。在原理上，由此确定的尺寸不同于实际缺陷尺寸；因此其被称为等效圆盘或跨孔(cross hole)直径。在使用圆盘反射体的情况下，已经建立了更短的术语“等效反射体尺寸(equivalent reflector size)”(ERS)。由于由固有缺陷所反射的部分声音还受该缺陷的形状、取向和表面性质影响的事实，所以实际缺陷尺寸并不对应于等效反射体尺寸。由于在这方面进一步的检验是困难的并且在手动超声测试中不十分可行，因此在用于超声测试的大多数规范和方针中，用于记录缺陷的准则依赖于某一等效反射体尺寸。这意味着检验员实际上确定的是所检测的缺陷是否到达或超过作为文档中的阈值(记录阈值)所规定的等效反射体尺寸。除此之外，他一般将需要执行另外的检查，例如关于记录长度、回声动力学等，然而，这将不在此论述。
声音在物质中的传播的定律很早以前就已在理论上已知并且实践中通过许多实验得到验证。现代评估方法的发展存在以下方式：在DAC法中，在超声测试之前利用对参考体的校准测量来确定每种情况下的声场特性；与此相反，DGS法使用以所谓的DGS图的形式提供给测试探头的理论。DGS图示出作为距离的函数的不同直径的圆盘反射体和大的平坦反射体(背面)的回声幅度。
为了执行DAC法，必须为检查提供具有一个或多个对应于测试对象的参考反射体的参考体。利用存在于参考体中的钻孔来通过试验确定回声幅度对距离的依赖性，并且作为曲线转移到测试装置的显示器上。此曲线自动包含测试探头(声场)和材料的所有影响。此时可以采用超声测试探头来扫描该测试对象。如果回声到达或超过DAC曲线，则给出可记录指示。
执行DGS法的要求是必须为要用于该检查任务的超声测试探头提供对应的超声测试探头具体的DGS图。对于检测到的缺陷指示的最大回声，从DGS图确定等效反射体尺寸。因此有可能评估该指示是否是可记录的。
微处理器控制的超声设备的使用在两种评估方法中得到相当大的简化，其引起时间节省和更高的测试可靠性。尤其是，通过在装置中存储标准测试探头的DGS图，从而在现代超声装置中简化了DGS评估。优选地，可以选择平坦底孔(圆盘)、跨孔或背面作为参考反射体。可以为检测到的缺陷指示的立即评估提供评价程序。在该过程中，记录阈值超过数，即缺陷指示超过预定记录曲线的分贝(dB)值，可以直接显示在显示装置(例如集成屏幕)上。此评价形式对应于大多数测试标准的实践。这些标准包括，例如众所周知的DIN EN 583-2、DIN54 125和SEL 072，而且还包括将平坦底孔规定为参考反射体的所有其它规范。
即使多年来上面提到的脉冲回声法在材料测试领域已经是为良好建立的方法，但将它们应用于具有大材料厚度的测试对象(例如在厚壁压力或具有大壁厚的安全箱的情况下)的检查，现今仍需大量努力。在DGS法的情况下，此情况的原因在于超声换能器生成通常具有若干位于声轴上的局部声压最大值的声场。在这种情况下，声轴上的持续声压最大值的位置被称为“近场长度N”。对于具有直径D的圆形活性表面(active surface)的超声换能器(以下简称为“圆形超声换能器”)，由下式给出该近场长度N：
N = D 2 4 λ .
在这种情况下，λ是在测试对象材料中的声场的波长。实际上，可以发现仅在沿着声音路径(sound path)观察的欠缺离声透射位置的距离是所使用的测试探头的近场长度N的至少70％时，可靠的回声评价才是可能的。例如，如果所使用的超声测试探头具有圆形换能器，则为了评估接近表面的欠缺，圆形换能器必须因此具有小的直径D。
另一方面，当耦合位置与缺陷位置之间的距离加倍时，由于在测试对象材料中声场传播的发散，所以测试探头的灵敏度快速降低。在具有圆形换能器的超声测试探头的情况下，所观察到的发散大体上由换能器的直径D来确定，规律是大的换能器比小的换能器具有更小的发散。因为大多数用于缺陷尺寸评估的测试标准都规定了最小指示水平，所以在检查具有大材料厚度的测试对象时，在对离耦合位置具有大距离的部分的检查(即对于深的缺陷的检测)中，这导致使用具有大换能器直径D的测试探头的需要。然而，它们并不适合于检测接近表面的欠缺。实际上，因此，多个不同的测试探头通常用于具有大材料厚度的测试对象(例如厚壁铸件容器或长轴)的检查中。如果缺陷被识别，则特别地选择近场长度N近似处于耦合位置与缺陷位置之间的距离的范围内的超声测试探头用于定量缺陷确定，其中必须遵守上面提到的用于近场长度N的准则。此情况的结果是，一方面，必须在仓库中保持多个不同测试探头，这增加了技术上的开支，另一方面，测试探头的改变增加了检查开支，其导致成本劣势。
发明内容
这就是作出本发明的原因，本发明将自身的目标设置为详述一种利用超声对大材料厚度的测试对象无损检查的新颖方法、用于执行该新颖方法的本身已知的测试探头的用途、特别适合于执行该方法的新颖超声测试探头、配置为执行该新颖方法的用于利用超声对大材料厚度的测试对象无损检查的超声测试探头的新颖控制单元、以及利用超声对大材料厚度的测试对象无损检查的新颖装置。
通过具有权利要求1的特征的方法、根据权利要求15的超声测试探头、根据权利要求17的本身已知的超声测试探头的用途、根据权利要求18的用于超声测试探头的控制单元、以及根据权利要求20的利用超声对大材料厚度的测试对象无损检查的装置，从而达到此目标。
提供根据本发明的方法，用于利用超声对具有大材料厚度的测试对象进行无损检查。在其最简形式中，根据本发明的方法基于提供由现有技术基本上已知的超声测试探头，其包括超声换能器，该超声换能器又分成多个可单独激活的换能器段。在这种情况下，这些换能器段形成同心圆或者同心环，或者它们是同心圆或同心环的部分。在现有技术中，这样的换能器被称为“环形阵列(annular array)”或者“环阵列(ring array)”。关于另外的技术细节，参考标准DIN EN 16 018(2011)。
使用根据本发明的测试探头得到一些改进，其也在以下描述。
根据本发明，以得到可以起到超声发送器和接收器的作用的超声换能器的圆形活性表面Fj的方式并行激活超声换能器的第一组j(j＝1、2、3...)换能器段。然后，采用此圆形“有效(effective)”超声换能器来执行测试对象的超声检查。例如，可以根据由现有技术已知的脉冲回声法来执行该检查。
根据本发明的方法允许控制由具有环形阵列的超声测试探头所生成的声场，并且因此通过控制超声换能器的活性表面的直径来将其适应于具体检查任务。在本发明的情形中，活性表面被认为是超声换能器的这样的表面：当换能器被激活时其作为发送器参与生成超声，或者当换能器被激活时其作为接收器参与生成信号。
到目前为止，为了实现波束的成形，仅环形阵列的所有换能器段的相位精确激活是现有技术中已知的，例如聚焦/散焦。与此相反，根据本发明提出了仅对换能器元件的部分集合特定激活，其中以锁相方式进行激活，尤其是在换能器元件之间没有相移。因此，通过改变超声换能器的活性表面的直径来控制波束。因此，根据本发明的方法允许仅采用单个超声测试探头来执行标准化检查方法(例如根据EN DIN583-2)，其没有提供相控阵列测试探头的使用，甚至是对具有大材料厚度的测试对象，对于这些测试对象到目前为止必须使用多个不同的测试探头。
许多检查任务要求满足某一准则K以使得能够认为该超声检查的结果是可靠的。这些准则通常取决于具体检查任务、测试对象性质、所使用的超声测试探头、以及要检测的测试对象的性质或其中的缺陷。在根据本发明的方法的优选实施例中，并行激活的该组换能器段因此以对于具体检查任务由超声换能器的活性(圆形)表面所生成的超声场满足要遵守的准则K的方式被特定选择。
以示例的方式，这里提到了利用DGS法来对具有大材料厚度的测试对象进行超声检查。在DGS法的情形中使用具有圆形超声换能器的超声测试探头。如上面所解释的，它们具有取决于超声换能器的活性表面的直径D的近场长度N。当执行该检查方法时，如果要检查的部分R离沿测试对象中的声音路径的超声耦合位置的最小距离用d指代，则部分R的超声检查要求满足与近场长度N和最小距离d相关的预定准则K。
结合利用根据本发明的基于DGS法的方法的超声检查，特别优选满足以下准则K：
K：d≥0.7×N
其中d是要检查的部分R离沿测试对象中的声音路径进入测试对象的超声耦合位置的最小距离。
因此，如果根据DGS法执行该检查，则根据本发明的方法基于特定设置的换能器段的活性表面的直径，以满足用于具体任务的上面提到的准则的方式来并行激活多个换能器段。
当然，具体检查任务基本上也可以要求还满足其它的准则。例如，DIN EN 583-2需要超过背景信号的足够信号电平，然而，其暗示在不违反第一准则的情况下，超声换能器的活性表面的直径D应该尽可能的大。
在本发明的方法的另一优选发展中，在另一方法步骤中首先选择测试对象的要检查的部分Rj。然后，在另一步骤中，以这样的方式选择第一组j(j＝1、2、3...)换能器段，使得在并行激活这些换能器段的情况下，由该超声换能器的活性表面Fj所生成的超声场满足准则K。然后用所选择的组来执行测试对象的超声检查。
在该方法的备选实施例中，根据DAC法来执行该超声检查。
在根据本发明的方法的特别有利的实施例中，例如通过由用户输入而预设该测试对象的要检查的材料厚度S。然后将该测试对象的要检查的材料厚度S分为在该测试对象中在超声传播方向上一个接一个地放置的多个部分Ri(i＝1、2、3...)。优选地，这些部分Ri在声音传播方向上具有大体相同的广度s(以下称为“厚度”)。最后，从这些部分Ri中特别选择要检查的部分Rj。为此目的，首先，例如在该测试对象的定性初步检验的情形中可以根据实验提前识别该测试对象的一部分，然后该对象经受利用根据本发明的方法的更具体的检查，例如用于定量缺陷分析。
而且，也有可能对于不同部分Rj，k(j≠k)执行根据本发明的方法，即执行至少第一和第二超声检查。尤其是，可以假定从相同的耦合位置执行第一和第二超声检查。例如，可以使用电子屏幕来采集该测试对象的不同部分Rj，k。也在这种情况下，所检查的部分Rj，k在声音传播方向上具有大体上优选地相同的厚度sj＝sk。
在该方法的另一有利实施例中，假定所提供的超声测试探头的超声换能器的换能器段以由所选择的换能器段的组m形成的超声换能器的圆形声学活性表面Fm的直径Dm与m的平方根大体上成比例的方式定尺寸。此情况的结果是，一方面，随着直径Dm的平方而增加的具有活性表面Fm的换能器的近场长度Nm与换能器段的所选择的组的序号m成比例。因为必须遵守准则K：d≥0.7×N，所以这可以是有利地，尤其是结合所谓的DGS法。在那种情况下，为了形成线性增加的换能器表面，根据将超声换能器分为在连续序列中并行连接的换能器元件，然后有可能容易地将测试对象的要检查的材料厚度S分为相同厚度的部分Ri(i＝1、2、3...)。
而且，如果单独可激活的换能器段大体上具有相同的表面f，则可以实现与用于超声检查的超声场的性质相关的具体优点。如果这些换能器段被激励为具有相同幅度的并联发送器，则其结果是整个活性换能器表面上的同质声压分布。因此，形成具有直径D的声学活性表面的并行激活的换能器元件生成了与具有相同直径D的单部件圆形超声换能器相同的声场。
如果由单部件圆形超声换能器的一般DGS图计算出用于具有由所选择的换能器段的组j形成的圆形活性表面Fj的超声换能器的具体DGS图，则其进一步被证明是有利的。因为仅一般DGS图以及与转换为具有圆形活性表面Fj(j＝1、2、3...)的超声换能器的具体DGS图相关的指令必须存储在控制单元中，所以这使得在对该方法的情形中所使用的超声测试探头的控制单元进行编程特别容易。
根据本发明的用于利用超声对大材料厚度的测试对象无损检查的超声测试探头包括被分为多个可单独激活的换能器段的超声换能器。这些换能器段具有同心圆或者同心环的形状，或者同心圆或同心环的部分的形状。根据本发明，换能器段以这样的方式定尺寸，以使得由换能器段的组m(m＝1、2、3...)形成的超声换能器的圆形活性表面Fm的直径Dm大体上与m的平方根成比例。如已经结合根据本发明的方法所解释的，此情况的结果是具有活性表面Fm(其随着此换能器直径Dm的平方而增加)的换能器的近场长度Nm与所选择的换能器段的组的序号m成比例，这可以特别有利地与DGS法结合。参考对这方面的解释。
还参考对涉及方法的有利实施例的方法权利要求13的解释，该方法基于换能器段具有大体相同的表面f的超声换能器。
结合本发明进一步发现，为了执行根据本发明的方法，尤其是可以有利地使用现有技术中自身已知的环形阵列，由此可以减少引入该方法的技术上的开支。
提供有利地用于执行本发明的用于利用超声对大材料厚度的测试对象无损检查的超声测试探头的控制单元，用于激活包括被分成多个可单独激活的换能器段的超声测试探头。在这种情况下，该换能器段是同心圆或同心环，或其部分。根据本发明，控制单元配置为以总结果是超声换能器的圆形活性表面Fj的方式并行激活超声换能器的第一组j(j＝1、2、3...)换能器段。
在特定优选实施例中，控制单元进一步配置为执行超声检查方法，在其执行期间必须满足其取决于由超声换能器的声学活性表面Fj所生成的超声场的预定准则K。为此目的，考虑到准则K，该控制单元配置为选择换能器段的第一组j(j＝1，2，3，...)，持续其并行激活以得到超声换能器的圆形活性表面Fj，并且由超声换能器的活性表面Fj所生成的超声场满足准则K。
最后，在另外的有利实施例中，控制单元可以配置为能够执行结合根据本发明的方法所论述的方法的有利实施例，特别是可选的另外的方法步骤。如果该方法的这些有利实施例基于具有现有技术中已知的环形阵列的测试探头的有利发展的使用，则这也特别地适用。
本发明还包括用于利用超声对测试对象无损检查的有利装置。一方面，此装置包括具有分成多个可单独激活的换能器段的超声换能器的超声测试探头，其中该换能器段是同心圆或同心环，或其部分，即该超声换能器配置为环形阵列。另一方面，该装置包括根据本发明的控制单元。因此，该装置适合于使用本身已知的环形阵列来执行根据本发明的方法，由此可以实现已经在上面描述过的与在其各实施例中的方法相结合的优点。
根据本发明的方法、现有技术中本身已知的测试探头的根据本发明的用途、根据本发明的测试探头、根据本发明的控制单元、以及根据本发明的装置的另外的特征和优点，从下面解释的从属权利要求和示范性实施例中变得明显。应注意，从属权利要求的主题的特征以及示范性实施例的特征可在技术可能和可行的情形中彼此自由组合。而且，应当注意到，这些示范性实施例不应理解为是限制，而是用作说明本发明。
附图说明
在图中：
图1示出包括要检查的测试对象的截面图的根据本发明的装置的示意表示，
图2示出根据第一优选实施例的超声测试探头的超声换能器的顶视图，
图3示出图1的放大细节，
图4示出具有图2中所示的超声换能器的超声测试探头的DGS图，用于具有10mm的直径的参考缺陷，
图5示出用于具有图2中所示的超声换能器的超声测试探头的“有效”DGS图，用于具有10mm直径的参考缺陷，
图6示出根据本发明的超声测试探头的第二优选示范性实施例的超声换能器的顶视图，
图7示出与图3的图示类似但是用于根据第二示范性实施例的超声测试探头的放大细节，以及
图8示出根据本发明的超声测试探头的第三优选示范性实施例的超声换能器的顶视图。
具体实施方式
在图1中示意性示出的装置1用作利用超声对测试对象的无损检查，其中该测试对象10可以特别地具有要检查的大材料厚度S。装置1包括电连接到超声测试探头20的控制单元30。超声测试探头20又包括位于合适的引导体(leading body)26上的超声换能器22，提供该引导体26以位于测试对象10的表面上，该表面在下文中被称为耦合表面12。该引导体26用作对抗磨损的保护以及用于将超声换能器22声学上耦合到测试对象10；例如，其可以由
Figure BSA00000809992200101
组成。在这种情况下，可以以由检验员在测试对象10的耦合表面12上手动引导超声测试探头20的方式配置超声测试探头20，从而在该过程中获得关于测试对象10的材料中的结构的信息。超声换能器22被分成多个可单独激活的换能器段24，其是圆形或环形，或者是圆形或者环形换能器元件的组成部分。
以示例的方式，图2示出超声测试探头20的分段的超声换能器22，其从现有技术中是基本已知的，但是其被证明是特别适合在根据本文所提出的本发明的方法的情形中使用。在这种情况下，根据图2的超声换能器22的换能器段24配置为除了圆形的中心换能器段2以外都是环形。在这种情况下，中心换能器段24的半径r与随后的换能器段24、24′、24″和24′″的环宽度S相匹配。所有的换能器段24、24′、24″和24′″彼此电绝缘并且可单独激活。在根据本发明方法的情形中，不同组的换能器段被共同激活，使得在每种情况下的结果是具有直径Dj的圆形活性换能器表面的超声换能器22。在这种情况下，配置位于不同换能器段24之间的彼此电绝缘的换能器段24、24′、24″、24′″之间的圆形绝缘区域的表面，使得与个体换能器段24、24′、24″、24′″的表面的相关小到可忽略不计。
然而，例如，超声换能器22可以由在其顶部和底部配备有金属性电极的板状压电材料组成。为了形成可独立激活的换能器段，此电极可构图在板状换能器材料的两个覆盖面的至少一个上以形成彼此电绝缘的电极区域。
图1中示出的电连接到超声测试探头20的控制单元30被配置为执行根据本发明的方法。参照在图2中可见的超声换能器22，控制单元30因此被配置为从换能器段24、24′、24″、24′″的集合中选择一组j(j＝1、2、3、4)其并行激活得到超声换能器22的圆形活性表面(F1、F2、F3、F4)。在此处示出的示范性实施例中，由换能器段24组成第一组(j＝1)，由换能器段24和24′组成第二组(j＝2)，由换能器段24、24′和24″组成第三组(j＝3)，以及由换能器段24、24′、24″和24′″组成第四组(j＝4)。如果具有表面F1：D1＝2×r的中心换能器段24的直径D1，则活性圆形表面F2：D2＝4×r的直径D2，活性表面F3：D3＝6×r的直径D3，以及活性圆形表面F4：D4＝8×r的直径D4。
根据图2的超声换能器22，对于2MHz的超声频率和测试对象中5920m/s的声速，获得了新兴的“有效超声换能器”的近场长度N的以下示范性值。
Figure BSA00000809992200121
在控制单元30选择第一组j(例如由单个换能器段24组成的组j＝1)之后，控制单元30排他地激活此单个换能器段24。然后此换能器段24生成通过引导体26传播并且经由耦合表面12进入测试对象10的材料的短超声脉冲序列。在测试对象10的材料中，超声脉冲沿图1中所指示的超声轴A传播。如果测试对象10的材料中的超声脉冲碰到例如图1中的16所指代的测试对象的不连续处或背面，则它们背向反射并且返回测试探头20。其超声换能器22然后用作接收器，记录作为脉冲回声的反射脉冲，将它们转换为电信号并且将它们发送到控制单元30。在控制单元30中，处理所接收到的回声信号，例如放大和滤波，并且显示在显示装置32上，在示范性实施例中示出该显示装置32集成到控制单元30的壳体中。图1示出了在显示装置32上的所谓A型扫描，在其中随时间绘制所记录的回声幅度。在控制单元30上所提供的操作元件34用于用户的控制单元30的操作，例如利用菜单。
如果假定例如通过圆形超声换能器所生成的是旋转对称的超声场，并且如果确定了垂直暴露于声音的平面圆盘形状中的参考缺陷的回声幅度，则在图中绘制作为离声透射位置的参考缺陷距离的函数的最大回声幅度(或者等效地，将所接收到的回声幅度放大到预定信号电平所要求的增益因子)，以及如果对不同直径的参考缺陷重复此过程，则获得所谓的DGS图。这是所使用的超声测试探头的特性，在这种情况下特别是超声换能器的声学活性面积的直径，以及测试对象材料的声学性质。以示例的方式，图4示出了用于使用图2中示出的超声换能器22的测试探头20的参考缺陷(具有10mm的直径的圆盘)的DGS图，在这种情况下仅激活中心换能器元件24。可以清楚地看出，清楚地定义的回声幅度的最大值实质上是所有缺陷尺寸的结果。这大体上与所使用的超声测试探头的近场长度N一致。
如已经在本介绍中所解释的，由声轴上的持续声压最大值的位置确定近场长度N。如果此时根据所谓的DGS法执行测量，则发现如果遵守以下准则K则利用DGS法得出的检查结果具有高的可靠性程度和可再现性：
K：d≥0.7×N
其中d指代沿声轴A在该测试对象材料中所检测到的缺陷的深度。因此，如果希望能够检测接近表面的缺陷，则在DGS法的情况下必须使用具有短的近场长度的测试探头，即其圆形超声换能器具有小的直径D的测试探头。然而，从根据图4的DGS图中也明显看出，在近场长度N附近一旦超过最大值，则随着耦合位置和缺陷之间的距离的增加最大回声幅度显著下降。因此，如果在根据DGS法的测量中使用具有小的近场长度的超声测试探头，则对于位于测试对象的材料的深处的缺陷仅获得小的回声幅度。然而，许多检查标准规定了用于有效超声检查的缺陷检测的最小记录限制的超过数，由于用来检查的超声场的潜在的物理性质，所以其不再可能作为具有小的近场长度的超声测试探头的原理问题。为了检查测试对象的更深部分，检验员到现在必须切换到其近场长度实际上大于第一超声测试探头的近场长度的超声测试探头。由于下面的公式现在应用于近场长度：
N = D 2 4 λ ′
其中λ是测试对象材料中的声场的波长以及D是测试探头的圆形超声换能器的直径，所以此第二测试探头的超声换能器必须具有比第一测试探头的超声换能器更大的直径。如果要检查测试对象的更加深的部分，则必须使用第三、第四、第五等超声测试探头，其中所使用的超声测试探头的直径D必须连续增加。一方面，测试探头的此强制改变是耗时的并且因此蒙受成本劣势，另一方面，测试探头的改变总是伴随着系统性的测量误差，这也是不利的。
根据第一示范性实施例的其超声换能器在图2中示出的测试探头20的根据本发明所提出的用途正是要避免这些缺点。以示例的方式，图3指示在测试对象10中形成的超声场28，其在控制单元30排他地激励中心换能器段24以发射超声脉冲时由测试探头20生成。图3中描绘了该第一“有效超声测试探头”的近场长度N1，其位于测试对象10的材料内的耦合表面12的正下。也描绘了对于此第一有效超声测试探头20，声轴A上的满足上面提到的准则K1：d1≥0.7×N1的位置d1。在满足上述准则的测试对象10的部分R1内采用此第一有效超声测试探头20来进行有效的超声检查是可能的。
而且，图3指示超声场28′″，其在超声换能器22的所有换能器段24、24′、24″和24′″并行激活时获得。形成的近场长度N4位于测试对象10的材料的深处；对于显著地更深的部分R4也满足上述准则K4：d4≥0.7×N4。
而且，如果并行激活换能器段24和24′(N2)或换能器段24、24′和24″(N3)，则获得在图3中所描绘的那些有效超声测试探头20的近场长度N2和N3。也描绘了对于有效超声测试探头20″、20′″满足相应准则K2和K3的位置d2和d3。
实际上，现在可以发现，对于超声检查，如果测试对象10的材料沿着声轴被分为虚拟的部分R1、R2、R3、R4，其中部分R1从深度d1＝0.7×N1延伸到深度d2＝0.7×N2，部分R2从深度d2＝0.7×N2延伸到深度d3＝0.7×N3等，则获得超声检查的最大缺陷幅度和最高可靠度或可再现度的最好组合。因此所获得的部分R1、R2、R3和R4在图3中用阴影图案指示。
通过超声换能器22的声学活性表面的直径D的具体变化，由此本发明允许超声测试探头20的近场长度N变化，以使得可以在最佳条件下利用DGS法对测试对象10的不同部分R进行特定检查。由具有它们相应的有效换能器直径的不同有效超声测试探头20的DGS图的叠加得到具有可变换能器直径D的这样的超声测试探头20的DGS图。通过图5以示例的方式示出了根据基于根据图2的超声换能器22的第一示范性实施例的超声测试探头20的这样的DGS图。这里，示出了对于具有2毫米的直径的参考缺陷所获得的背面回声和回声幅度。出于图示的目的，示出了用于大深度范围的具有最小换能器直径D1的第一有效测试探头20的所选择的参考缺陷的回声幅度曲线。可以清楚地看出，如果仅使用有效的小换能器直径D1，则在离耦合位置14的更大距离d上灵敏度急剧下降。而且，可以通过激活第二有效超声测试探头20′(其换能器22′由换能器段24和24′形成)并且满足准则K2：d2≥0.7×N2而获得的信号幅度的显著改进变得可观。对于第三和第四有效超声测试探头20″、20′″也同样如此。在这种方式下，与第一有效超声测试探头20比较可以实现多达20分贝的信号幅度增加，若不这样其仅可能通过改变超声测试探头来实现。
在这种情况下，具有图2中所示的连续环宽度r的环形换能器段24的换能器结构实质上用作说明本发明。然而，当利用DGS法执行检查任务时有利地要遵守的另一准则是：由并行激活的若干换能器段24、24′、24″、24′″等形成的分段的超声换能器22所生成的声场必须大体上等于将由具有相同直径D和表面的单部件圆形超声换能器22所生成的声场。在分段的超声换能器22的情况下，这可以通过在声音生成期间所有换能器段24以相同幅度振荡来实现。现在可以发现，如果所有换能器段24具有大体上相同的电容，则满足上述条件。作为规律，换能器段24形成具有某一电容C的电容器。在超声换能器22的板状配置中，如果不同换能器段24、24′、24″等具有相同的表面，则通常满足上面提到的条件。
图6示出超声换能器22的第二示范性实施例，其个体换能器段24、24′、24″等具有在向外的方向上逐渐减小的环厚度Si，以使得换能器段24、24′、24″、24″′...的表面F1、F2、F3...大体上相同。此具体环配置由作为“波带片”的光学器件已知并且具有如果并行激活则所有换能器段以相同幅度发送的特殊优点。
在另一方面，如果旨在实现可以采用根据本发明的方法检查的部分Ri的厚度si，则必须确保当从由换能器段24的组i形成的任何有效超声换能器22i向由换能器段24的组(i+1)形成的有效超声换能器22(i+1)转变时，近场长度N随着i以线性的方式增加。因为相互关系
N = D 2 4 λ ′ ,
所以如果在从超声换能器22i向超声换能器22(i+1)转变期间，直径大体上与i的平方根成比例，则这完全满足。在图中未示出的超声测试探头的另一优选实施例中从此情况可以直接确定连续换能器段24、24′、24″、24′″...的环厚度S、S′、S″、S′″...。
然而，在上面提到的条件下所确定的环形换能器段24、24′、24″、24′″...不具有相同表面F、F′、F″、F′″...。因此，在这种情况下并不满足个体换能器段24的电容应该大体上相同的另外的准则。然而，可以通过将个体圆形或者环形换能器段24再次细分为更小的、可单独激活的换能器元件25来满足此准则，在那种情况下所有的换能器元件25具有大体上相同的表面以及因此相同的电容。在图7中示意性示出了根据此第三优选示范性实施例的这样的超声换能器22。实际上，为了能够满足具有足够准确度的换能器元件24的相同表面的附加准则，个体换能器段24细分成非常小的换能器元件25是必要的。
在图8中以示例的方式指示了如果使用这样的超声换能器22而引起的将测试对象10的体积分为部分R1、R2、R3...。明显的是，大体上所有的个体部分R1、R2...具有相同的厚度。因此，可以在测试对象10的整个厚度S上实现实质上一致的分辨率。同时，由换能器组i、j...所生成的超声场大体上等于由具有分别相同直径的圆形超声换能器所生成的超声场。

Claims (19)

1.一种利用超声对具有大材料厚度的测试对象(10)进行无损检查的方法，包括以下方法步骤：
a.提供具有被分成多个可单独激活的换能器段(24)的超声换能器(22)的超声测试探头(20)，其中所述换能器段(24)是同心圆或同心环，或者同心圆或同心环的部分，
b.选择换能器段(24)的第一组j(j＝1、2、3...)，所述选择是以这些换能器段(24)的并行激活得到超声换能器(22)的圆形活性表面Fj的方式进行的，以及
c.采用所述换能器段(24)的第一组j(j＝1、2、3...)执行所述测试对象(10)的超声检查，其中并行所述激活换能器段(24)的第一组j(j＝1、2、3...)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当执行所述方法时，必须满足取决于由所述超声换能器(22)的活性表面Fj所生成的超声场的预定准则K，包括以下另外的方法步骤：
a.以所述超声换能器(22)的活性表面Fj所生成的超声场满足所述准则K的方式选择并行激活的所述换能器段的第一组j(j＝1、2、3...)。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于以下另外的方法步骤：
a.选择所述测试对象(10)的要检查的部分Rj，
b.以由所述超声换能器(22)的活性表面Fj在部分Rj中所生成的超声场满足所述准则K的方式选择并行激活的所述换能器段的第一组j(j＝1、2、3...)。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据DGS法来执行所述超声检查。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，如果适用
dj≥0.7×Nj，
则满足所述准则K，其中dj是从沿着所述测试对象(10)中的声音路径进入所述测试对象的超声耦合位置(14)与要检查的部分Rj的最小距离，以及Nj是由所述换能器段(24)的第一组j(j＝1、2、3...)所形成的所述超声换能器(22)的活性表面Fj的近场长度。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据DAC法来执行所述超声检查。
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于以下另外的方法步骤：
a.预设所述测试对象(10)的要检查的材料厚度S，
b.将所述测试对象(10)的要检查的材料厚度S分为在所述测试对象(10)中在超声传播方向上一个接一个地放置的多个部分Ri(i＝1、2、3...)，
c.从这些部分Ri中选择要检查的部分Rj。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对于不同的部分Rj，k执行所述方法。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，部分Rj，k在声音传播方向上具有大体上相同的广度。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，使用电子屏幕来采集所述测试对象(10)的不同部分Ri，j。
11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，从相同的耦合位置(14)执行第一超声检查和第二超声检查。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所提供的所述超声测试探头(20)的超声换能器(22)的换能器段(24)以这样的方式定尺寸，以使得由所选择的换能器段(24)的组m形成的所述超声换能器(22)的圆形活性表面Fm的直径Dm与m的平方根大体上成比例。
13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述换能器段(24)具有大体上相同的表面f。
14.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，从一般DGS图(34)计算出用于所述超声换能器(22)的具体DGS图(34j)，所述超声换能器(22)具有由所选择的换能器段(24)的组j形成的圆形活性表面Fj。
15.一种利用超声对测试对象(10)进行无损检查的超声测试探头(20)，所述超声测试探头(20)具有被分成多个可单独激活的换能器段(24)的超声换能器(22)，其中所述换能器段(24)是同心圆或同心环或者同心圆或同心环的部分，其特征在于，所述换能器段(24)以这样的方式定尺寸，使得由换能器段(24)的组m(m＝1、2、3...)所形成的超声换能器(22)的圆形活性表面Fm的直径Dm与m的平方根大体上成比例。
16.根据权利要求15所述的超声测试探头(20)，其特征在于，所述换能器段(24)具有大体上相同的表面f。
17.一种用于利用超声对具有大材料厚度的测试对象(10)进行无损检查的超声测试探头(20)的控制单元(30)，其中所述超声测试探头(20)包括被分成多个可单独激活的换能器段(24)的超声换能器(22)，其中所述换能器段(24)是同心圆或同心环或者同心圆或同心环的部分，其特征在于，所述控制单元(30)配置为以得到所述超声换能器(22)的圆形活性表面Fj的方式并行激活换能器段(24)的第一组j(j＝1、2、3...)。
18.根据权利要求17所述的控制单元(30)，其特征在于，所述控制单元：
a.配置为执行超声检查方法，在所述方法的执行期间必须满足取决于由所述超声换能器(22)的活性表面Fj所生成的超声场的预定准则K，以及
b.配置为选择换能器段(24)的第一组j(j＝1、2、3...)，其并行激活得到所述超声换能器(22)的圆形活性表面Fj，其中由所述超声换能器(22)的活性表面Fj所生成的超声场满足所述准则K。
19.一种利用超声对测试对象(10)进行无损检查的装置(1)，其特征在于，所述装置(1)包括以下：
a.具有被分成多个可单独激活的换能器段(24)的超声换能器(22)的超声测试探头(20)，其中所述换能器段(24)是同心圆或同心环，或者同心圆或同心环的部分，以及
b.根据权利要求18所述的控制单元(30)。
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