DE102006012678A1

DE102006012678A1 - Verfahren zur akustischen Untersuchung eines Messobjektes sowie entsprechende Anordnung zur Durchführung des Verfahrens

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Publication number: DE102006012678A1
Application number: DE102006012678A
Authority: DE
Inventors: Hubert Dr. Mooshofer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-03-31
Filing date: 2006-03-20
Publication date: 2006-10-05

Abstract

Verfahren zur akustischen Untersuchung eines Messobjektes (30), bei welchem mittels einer mindestens einen Ultraschallwandler (50) aufweisenden Sende-/Empfangseinheit (S/E) für Ultraschallstrahlung mindestens ein Ultraschallpuls (10) in das Messobjekt (30) ausgesendet wird. Der mindestens eine Ultraschallpuls (10) wird dabei zumindest teilweise in Richtung Sende-/Empfangseinheit (S/E) reflektiert. Der reflektierte Anteil (11) des mindestens einen Ultraschallpulses (10) wird dann mittels der Sende-/Empfangseinheit (S/E) empfangen und in ein dem reflektierten Anteil (11) des mindestens einen Ultraschallpulses (10) entsprechendes elektrisches Signal U¶n¶(t) gewandelt. Mit einem Signalverarbeitungsmittel (71) wird das Signal U¶n¶(t) zu einem digitalen Signal S¶n¶(t) gewandelt und aus dem digitalen Signal S¶n¶(t) und einem digitalen Referenzsignal R¶n¶(t) wird ein digitales Differenzsignal D¶n¶(t) gebildet. Das digitale Referenzsignal R¶n¶(t) wird dabei aus einer Anzahl n nacheinander in entsprechender Weise an n verschiedenen Messorten (M¶n¶) des Messobjektes (30) gewonnener digitaler Signale S¶l¶(t) bis S¶n¶(t) durch Mittelung mittels des Signalverarbeitungsmittels (71) erzeugt, wobei n eine natürliche Zahl ist und n >= 2 gilt. Eine mit einer Abstandsänderung zwischen der Sende-/Empfangseinheit (S/E) und dem Messobjekt (30) korrelierte zeitliche Verschiebung des Signals S¶n¶(t) gegenüber dem Referenzsignal R¶n¶(t) wird mittels des Signalverarbeitungsmittels (71) zudem ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur akustischen Untersuchung eines Messobjektes mittels Ultraschallstrahlung. Ferner betrifft die Erfindung eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.
Ultraschallmessmethoden haben sich für die Untersuchung von Materialeigenschaften von Objekten, wie beispielsweise Eisenbahnschienen, Eisenbahnrädern oder Kontaktscheiben in Hochspannungsanlagen, als vorteilhaft erwiesen. Insbesondere Fehlstellen und anderer Anomalien lassen sich besonders genau und zuverlässig bestimmen. Dazu wird ein Ultraschallpuls von einem Schallwandler in das zu untersuchende Objekt gesendet, dort reflektiert und von demselben oder einem weiteren Schallwandler zur weiteren Auswertung erfasst. Auf dem Weg vom Ultraschallwandler in das zu untersuchende Messobjekt muss der Ultraschallpuls in der Regel durch mehrere Grenzflächen hindurch. Solche Grenzflächen liegen beispielsweise zwischen dem Ultraschallwandler und einem Koppelmittel und zwischen dem Koppelmittel und dem Messobjekt vor. An diesen Grenzflächen entstehen jedoch stets Reflexionen, die bei der Auswertung der von Messobjekt reflektierten Ultraschallpulsechos stören, indem sie den Anfang eines zur Messung interessanten Zeitbereiches des detektierten Ultraschallechosignals verdecken. Eine Detektion einer oberflächennahen Anomalie, beispielsweise in Form eines Defektes, wird damit erschwert oder gar verhindert, wenn die Amplitude des dem Defekt zugeordneten Ultraschallechos nicht ausreichend groß ist.
Mit der Reduktion der Zeitdauer des Grenzflächenechos lässt sich diese Problem im gewissen Maße abschwächen. Dabei kommen Ultraschallprüfköpfen mit hoher Bandbreite zum Einsatz, mit denen sich die Ultraschallpulsdauer verkürzt, so dass ein entsprechend kürzerer Bereich durch das Oberflächenecho ver deckt wird. Das grundsätzliche Problem bleibt jedoch bestehen, da die Ultraschallpulsdauer nicht beliebig verkürzbar ist.
Eine andere Möglichkeit ist die Reduktion der Amplitude des Oberflächenechos durch den Einsatz von Prüfköpfen mit getrenntem Sender und Empfänger. Bei der Verwendung eines solchen Prüfkopfes ergibt sich in einem bestimmten Bereich, dem so genannten optimaler Schallwegbereich, die größte Detektionsempfindlichkeit. In der Nähe des Schallwandlers hingegen ist die Empfindlichkeit bedeutend geringer. Bei direktem Aufsetzten des Prüfkopfs auf das Messobjekt bzw. bei Positionierung in unmittelbare Nähe des Messobjektes, kann somit die Amplitude des Grenzflächenechos reduziert sein. Das grundsätzliche Problem bleibt jedoch bestehen, da das Grenzflächenecho nicht vollständig eliminiert werden kann. Für den Einsatz von fokussierenden Prüfköpfen gilt Vergleichbares.

In der WO 03/016898 A2 sind ein Ultraschall-Messverfahren und eine Ultraschall-Messvorrichtung zur Untersuchung von Mehrschichtstrukturen angegeben. Hierbei werden mehrer Ultraschallpulse nacheinander in das zu untersuchende Objekt ausgesandt, wieder empfangen und ausgewertet. Bei der Auswertung wird das an einem bestimmten Ort erhaltene Signal mit einem Referenzsignal verglichen, so dass eine Aussage über den Materialzustand des Objektes am Messort gemacht werden kann. Das Referenzsignal wird durch Mittelung einer Vielzahl zuvor aufgenommener Signale bestimmt.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und eine Anordnung anzugeben, mit welchen eine exaktere akustische Untersuchung eines Messobjektes mittels Ultraschallstrahlung, als im Standes der Technik angegeben, vorgenommen werden kann.

Die das Verfahren betreffende Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale in Patentanspruch 1 gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren handelt es sich um ein Verfahren zur akustischen Untersuchung eines Messobjektes, bei welchem Verfahren

– mittels einer mindestens einen Ultraschallwandler aufweisenden Sende-/Empfangseinheit für Ultraschallstrahlung mindestens ein Ultraschallpuls in das Messobjekt ausgesendet wird
– der mindestens eine Ultraschallpuls zumindest teilweise in Richtung Sende-/Empfangseinheit reflektiert wird, und
– der reflektierte Anteil des mindestens einen Ultraschallpulses mittels der Sende-/Empfangseinheit
– empfangen und
– in ein dem reflektierten Anteil des mindestens einen Ultraschallpulses entsprechendes elektrisches Signal U_n(t) gewandelt wird.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird weiter

– mit einem Signalverarbeitungsmittel
– das Signal U_n(t) zu einem digitalen Signal S_n(t) gewandelt, und
– aus dem digitalen Signal S_n(t) und einem digitalen Referenzsignal R_n(t) ein digitales Differenzsignal D_n(t) gebildet, wobei
– das digitale Referenzsignal R_n(t) aus einer Anzahl n nacheinander in entsprechender weise an n verschiedenen Messorten des Messobjektes gewonnener digitaler Signale S₁(t) bis S_n(t) durch Mittelung mittels des Signalverarbeitungsmittels erzeugt wird, wobei n eine natürliche Zahl ist und n ≥ 2 gilt, und
– eine mit einer Abstandsänderung zwischen der Sende-/Empfangseinheit und dem Messobjekt korrelierte zeitliche Verschiebung des Signals S_n(t) gegenüber dem Referenzsignal R_n(t) mittels des Signalverarbeitungsmittels kompensiert wird, und
– mit einem Auswertemittel aus dem eine maximale Signalamplitude und eine Signalenergie aufweisenden Differenzsignal D_n(t) die Materialbeschaffenheit des Messobjektes ermittelt.

Durch die Bildung des Differenzsignals aus dem Signal S_n(t) und dem Referenzsignal R_n(t) erhält man mit dem Differenzsignal D_n(t) ein Signal, das als Information nur den Signalunterschied beider Signale S_n(t) und R_n(t) aufweist. Das Referenzsignal R_n(t) kann dabei mit einem Echosignal verglichen werden, das an einem beliebigen, fehlerfreien Messort erzeugt wurde. Signalmerkmale, die von örtlich unveränderten Merkmalen des Prüfobjektes herrühren, wie beispielsweise Grenzflächen- oder Oberflächenechos, werden durch die Differenzbildung eliminiert. Ein wegen einer Anomalie im Messobjekt, beispielsweise in Form eines Defektes, auftretender Signalunterschied hingegen wird im Differenzsignal deutlich sichtbar. Damit ist es beispielsweise möglich auch bei senkrechter Einschallung oberflächennahe Defekte zu detektieren, selbst wenn sie parallel zur Oberfläche orientierten sind. Auch eine zuverlässige Ultraschallinspektion dünner Platten bzw. dünner Schichten mittels Senkrechteinschallung ist hiermit möglich, genauso wie eine robuste Geometrieprüfung, indem beispielsweise bei einer Störung der Kompensation von Oberflächen- und Rückwandechos auf eine Dickenänderung des Messobjektes geschlossen werden kann.

Mit der Kompensation der Abstandsänderung wird die gesamte Messanordnung in Betrieb unempfindlicher und genauer, da nicht auf eine exakte Einhaltung des Abstandes zwischen Sende-/Empfangseinheit und Messobjektoberfläche geachtet werden muss. Somit kann die Geschwindigkeit der Relativbewegung von Sende-/Empfangseinheit und Messobjektoberfläche höher als im Stand der Technik gewählt werden. Mit einer höheren Geschwindigkeit der Relativbewegung von Sende-/Empfangseinheit und Messobjektoberfläche kann insgesamt eine höhere Untersuchungsgeschwindigkeit erreicht werden.

Die die Anordnung betreffende Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale in Patentanspruch 6 gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung handelt es sich um eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend mindestens

– eine mindestens einen Ultraschallwandler aufweisende Sende-/Empfangseinheit für Ultraschallstrahlung, wobei mittels der Sende-/Empfangseinheit
– mindestens ein Ultraschallpuls in das Messobjekt aussendbar ist, und
– ein vom Messobjekt reflektierter Anteil des mindestens einen Ultraschallpulses
– empfangbar und
– in ein dem reflektierten Anteil des mindestens einen Ultraschallpulses entsprechendes elektrisches Signal U_n(t) wandelbar ist.

Die erfindungsgemäße Anordnung umfasst weiter

– ein Signalverarbeitungsmittel mit
– einem Analog/Digital-Wandler, mittels welchem das Signal U_n(t) zu einem digitalen Signal S_n(t) wandelbar ist und
– einer digitalen Signalprozessoreinheit, mittels welcher aus dem digitalen Signal S_n(t) und einem digitalen Referenzsignal R_n(t) ein digitales Differenzsignal D_n(t) bildbar ist, wobei
– das digitale Referenzsignal R_n(t) aus einer Anzahl n nacheinander in entsprechender Weise an n verschiedenen Messorten des Messobjektes gewonnener digitaler Signale S₁(t) bis S_n(t) durch Mittelung mittels des Signalverarbeitungsmittels erzeugbar ist, wobei n eine natürliche Zahl ist und n ≥ 2 gilt, und
– eine mit einer Abstandsänderung zwischen der Sende-/Empfangseinheit und dem Messobjekt korrelierte zeitliche Verschiebung des Signals S_n(t) gegenüber dem Referenzsignal R_n(t) kompensierbar ist, und
– ein eine digitale Signalprozessoreinheit aufweisendes Auswertemittel, mittels welchem aus dem eine maximale Signalamplitude und eine Signalenergie aufweisenden digitalen Differenzsignal D_n(t) die Materialbeschaffenheit des Messobjektes ermittelbar ist.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung ergeben sich die gleichen Vorteile wie beim erfindungsgemäßen Verfahren.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und der Anordnung gemäß der Erfindung ergeben sich aus den von Anspruch 1 bzw. Anspruch 6 abhängigen Ansprüchen.

Es ist insbesondere vorteilhaft, wenn bei Überschreiten eines Schwellwertes der maximalen Signalamplitude und/oder der Signalenergie eine Anomalie der Materialbeschaffenheit des Messobjektes ermittelt werden kann. Dabei kann sich die entsprechende Überschreitung auf die gesamte Dauer des Differenzsignals oder aber auch nur auf einen bestimmten Zeitbereich beziehen. Die damit einfach zu detektierende Anomalie kann dabei in Form eines Materialdefektes, einer Materialänderung oder einer Geometrieänderung vorliegen. Mit einer zusätzlichen zeitlichen Lagebestimmung des Maximums auf, kann außerdem auf einfache Weise die Tiefenlage der Anomalie bestimmt werden.

Es ist günstig, wenn die Mittelung der n elektrischen Signale S₁(t) bis S_n(t) mit einer arithmetische Mittelung gemäß der Gleichung

oder mit einer Medianbildung erfolgt. Die Implementierung dieser Mittelungsmethoden ist hierbei einfach durchzuführen.

Besonders vorteilhaft kann die Anordnung als Teil eines Messsystems zur Untersuchung von Kontaktscheiben oder Eisenbahn schienen und/oder Eisenbahnrädern vorgesehen sein. Gerade bei der Inspektion von Kontaktscheiben, wie sie in Hochspannungsanlagen verwendet werden, als auch bei der Inspektion von Eisenbahnschienen und/oder Eisenbahnrädern ist die Prüfung auf oberflächennahe Defekte wichtig, da Materialdefekte und Materialänderungen in diesen Bereichen aus Sicherheitsgründen besonders kritisch sind. Gerade oberflächennahe Defekte, die mit den herkömmlichen Methoden kaum zu detektieren sind, können hier weittragende Folgen haben. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Anordnung ist die zuverlässige Detektion solcher Defekte möglich.

Bevorzugte, jedoch keinesfalls einschränkende Ausführungsbeispiele des Verfahrens und der Anordnung werden nunmehr anhand der Zeichnung näher erläutert. Zur Veranschaulichung ist die Zeichnung nicht maßstäblich ausgeführt und gewisse Merkmale sind schematisiert dargestellt. Im Einzelnen zeigen
1 ein Ausführungsbeispiel für eine Anordnung zur akustischen Untersuchung eines Messobjektes,
2 ein Ausführungsbeispiel für den schematischen Aufbau eines Signalverarbeitungsmittels und
3 eine schematische Übersicht über die Wirkweise eines digitalen Signalprozessors des Signalverarbeitungsmittels.
Einander entsprechende Teile sind in den 1 bis 3 mit denselben Bezugszeichen versehen.
In 1 ist als Beispiel eine Anordnung zur akustischen Untersuchung eines Messobjektes schematisch dargestellt. Es wird eine einen Ultraschallwandler 50 aufweisende Sende-/Empfangseinheit S/E gezeigt. Der Ultraschallwandler 50 ist hier als kombinierter Sender und Empfänger ausgeführt. Mindestens ein Ultraschallpuls 10, wird senkrecht bzw. in einem kleinen Winkel vom Ultraschallwandler 50 in Richtung Messobjekt 30 ausgesandt und von diesem reflektiert. Ein Teil des reflektierten mindestens einen Ultraschallpulses, der sog. Echopuls 11, gelangt dann zurück in denselben Ultraschallwandler 50 („Impuls-Echo"-Verfahren). Im Ultraschallwandler 50 wird der empfangene mindestens eine Echopuls 11 in ein elektrisches Echosignal U_n(t) umgewandelt. Der Index n steht dabei für einen Messort M_n, dem ein Signal, hier des Analogsignals U_n(t), zugeordnet wird und die Abhängigkeit ein Signals von t, hier des Analogsignals U_n(t), soll lediglich angeben, dass das Signal ein zeitabhängiges Signal ist.
Es ist auch denkbar, dass die Sende-/Empfangseinheit S/E beispielsweise zwei Ultraschallwandler 50 aufweist, wobei einer zum Senden und der andere zum Empfangen von Ultraschallpulsen 10 und 11 vorgesehen sein kann („Pitch-Catch"-Verfahren).
Zur Untersuchung des gesamten Messobjektes 30, wird entlang eines verschiedenen Messorten M_n zugeordneten ein- oder zweidimensionalen Punktrasters, das die Messobjektoberfläche 31 hinreichend abdeckt, jeweils mindestens ein Ultraschallpuls 10 pro Messort M_n in das Messobjekt 30 eingestrahlt. In 1 sind beispielhaft n = 3 verschiedene Messorte M_n angegeben. Es wird dabei eine Bewegung der Sende-/Empfangseinheit S/E entlang der Messobjektoberfläche 31 in mit einem Pfeil 51 angegebener Richtung angedeutet. Der vorherige Messort M_n ist mit n = 1, der gegenwärtige Messort M_n mit n = 2 und der folgende Messort M_n mit n = 3 bezeichnet. Die Sende-/Empfangseinheit S/E und die Ultraschallstrahlung 10 und 11 sind an den Messorten M₁ und M₃ der Übersicht wegen gestrichelt angedeutet.
1 zeigt weiter, dass über einen Leiter 6 die Sende-/Empfangseinheit S/E mit einem Schalter 72 verbunden ist, der den Schallwandler 50 in einen Sende- oder Empfangsmodus schaltet. Der Schalter 72, der alternativ auch durch eine Sende-/Empfangsweiche ersetzt sein kann, wird über einen weiteren Leiter 7 von einem Steuermittel 70 gesteuert. Das Steuermittel 70 umfasst dabei einen Sendepulser und einen Sendeverstärker. Ist die Anordnung im Sendemodus geschaltet, wird über den Sendepulser, der mit dem Sendeverstärker verbunden ist, die Sende-/Empfangseinheit S/E mit verstärkten Sendepulsen versorgt. Ist die Anordnung, wie in 1 als Beispiel dargestellt, im Empfangsmodus geschaltet, wird das im Ultraschallwandler 50 erzeugte analoge elektrische Echosignal U_n(t) von der Sende-/Empfangseinheit S/E an das Signalverarbeitungsmittel 71 übermittelt. Hier wird das Echosignal U_n(t) analog aufgearbeitet, digitalisiert und weiterverarbeitet. Die analoge Aufarbeitung des Echosignals U_n(t) kann beispielsweise bereits eine zeitliche Verschiebung des Signals U_n(t) umfassen. Das vom Signalverarbeitungsmittel 71 ausgegeben digitale Signal D_n(t) wird in einem eine digitale Signalprozessoreinheit 731 aufweisendes Auswertemittel 73 mit einer Software ausgewertet, insbesondere mit dem Ziel, Anomalien im Messobjekt 30, wie beispielsweise Materialdefekte, Materialänderungen oder Geometrieänderungen, zu registrieren und zu bestimmen. So kann beispielsweise bei Überschreiten eines vorbestimmten Schwellwertes der maximalen Signalamplitude und/oder der Signalenergie des digitalen Signals D_n(t) eine solche Anomalie der Materialbeschaffenheit des Messobjektes 30 ermittelt werden. Mit einer zusätzlichen Lagebestimmung des Maximums, kann außerdem auf einfache Weise die Tiefenlage der Anomalie bestimmt werden. Zur Reduzierung der Datenrate werden diese gewonnenen Daten wiederum mittels digitaler Kompression reduziert. Mit Hilfe eines Übertragers beispielsweise können dann die Auswerteergebnisse an eine entfernt befindliche Empfangseinheit, beispielsweise mittels einer elektrischen Verbindung oder auch berührungslos mittels Infrarot oder Funk, gesendet werden.
In 2 ist ein Beispiel für den schematischen Aufbau des Signalverarbeitungsmittels 71 dargestellt. Das mit einem Eingang 711 und einem Ausgang 716 versehene Signalverarbeitungsmittel 71 umfasst dabei einen Empfangsverstärker 712 mit zeitlich gesteuertem Verstärkungsfaktor (TGC: „Time-Gain-Correction"), einen Analogfilter 713, einen Analog/Digitalwandler 714 mit vorgeschalteter Antialiasing-Einheit und eine digitale Signalprozessoreinheit 715. Im Empfangsverstärker 712 wird das von der Sende-/Empfangseinheit S/E kommenden analoge Echosignal U_n(t) verstärkt, normalisiert und vom Analogfilter 713 gefiltert, womit eine Störreduktion erreicht wird. Denkbar ist zudem, dass mittels einer in 2 nicht dargestellten Einheit bereits eine zeitliche Verschiebung des Echosignals U_n(t) vorgenommen wird. Das so aufgearbeitete analoge Echosignal U_n(t) gelangt dann zum Digitalisieren in den Analog/Digitalwandler 714 mit vorgeschalteter Antialiasing-Einheit und weiter in die digitale Signalprozessoreinheit 715. von der digitalen Signalprozessoreinheit aus wird das digitale Signal D_n(t) über den Ausgang 716 an das Auswertemittel 73 übermittelt. Denkbar ist auch, dass mittels einer in 2 nicht dargestellten Einheit noch vor dem Digitalisieren des analogen Echosignals U_n(t) bereits eine zeitliche Verschiebung des Echosignals U_n(t) vorgenommen wird.
In 3 ist eine schematische Übersicht über die Wirkweise der digitalen Signalprozessoreinheit 715 des Signalverarbeitungsmittels 71 in einem Ablaufdiagramm 8 aufgezeigt. Der digitalen Signalprozessoreinheit 715 wird über einen Signaleingang das vom Analog/Digitalwandler 714 digitalisierte Echosignal S_n(t) zugeführt. Dies entspricht dem ersten Schritt S1 gemäß dem Ablaufdiagramm 8, und zwar der Eingabe von S_n(t).
In einem folgenden Schritt S2 gemäß dem Ablaufdiagramm 8 in 3 wird das eingegebene Echosignal S_n(t) für die Bestimmung eines Referenzsignals R_n(t) verwendet. Das Referenzsignal R_n(t) ist dabei als ein „typisches" Echosignal anzusehen, das an einem beliebigen, fehlerfreien Messort M_n erzeugt wird. Die Bestimmung des Referenzsignals R_n(t) erfolgt durch Mittelung über an verschiedenen Messorten M_n gewonnene Signale S_n(t). Der hier verwendete Begriff der Mittelung soll nicht einschränkend nur als mathematische Mittelwertbildung verstanden werden, sondern vielmehr im Allgemeinen die Bildung eines „typischen" Signals ausdrücken. Bei einer Abstandsänderung zwischen der Sende-/Empfangseinheit S/E bzw. dem Ultraschallwandler 50 und der Messobjektoberfläche 31 des zu untersuchenden Messobjekts 30 während der Untersuchung ge mäß des vorgegebene Rasters entsteht eine zeitliche Verschiebung Δt von Echosignal S_n(t) zu Echosignal S_m(t) (m ≠ n).
In einem weiteren Schritt S3 gemäß dem Ablaufdiagramm 8 in 3 wird diese zeitlichen Verschiebung Δt bestimmt und kompensiert. Die Bestimmung der zeitlichen Verschiebung Δt kann beispielsweise mittels Korrelation des gemessene Echosignals S_n(t) mit dem Referenzsignal R_n(t) bzw. eines entsprechenden Ausschnittes des jeweiligen Signals S_n(t) und R_n(t) erfolgen. Eine andere Möglichkeit zur Bestimmung der zeitlichen Verschiebung Δt ist durch die Ermittlung der zeitlichen Position des ersten, zweiten oder eines weiteren definierten Nulldurchgangs bei ausgeprägtem Ultraschallpulsecho, wie beispielsweise dem Oberflächenecho oder dem Echo zwischen zwei Grenzflächen, gegeben. Die Kompensation der zeitlichen Verschiebung Δt erfolgt dann entweder vorteilhafter Weise durch zeitliche Verschiebung Δt des gemessenen Signals S_n(t), so dass die Position des Oberflächen- bzw. Grenzflächenechos an einem festen Zeitpunkt zu liegen kommt, oder durch zeitliche Verschiebung Δt des Referenzsignals R_n(t) gegenüber dem gemessenen Signal S_n(t) oder beider Signale S_n(t) und R_n(t) zueinander, so dass die Zeitpunkte, zu denen der Ultraschallpuls 10 in beiden Fällen die Oberfläche 31 bzw. Grenzfläche erreicht, zur Deckung kommen. Dabei ist es wichtig auch eine zeitliche Verschiebung Δt um ein nicht ganzzahliges Vielfaches der Abtastrate beispielsweise durch rechnerische Erhöhung der Abtastrate insbesondere beruhend auf der Annahme einer maximalen im Signal enthaltenen Frequenz oder durch Upsampling-Filter zuzulassen. Alternativ kann eine zeitliche Verschiebung Δt um ein nicht ganzzahliges Vielfaches der Abtastrate beispielsweise durch zeitliche Interpolation des verschobenen Signals zugelassen werden.
In einem nächsten Schritt S4 gemäß dem Ablaufdiagramm 8 in 3 wird ein Differenzsignal Dn(t) = Sn(t + Δt) – Rn(t) (I) aus dem zeitlich kompensierten Echosignal Sn(t + Δt) und dem Referenzsignal R_n(t) gebildet. Anschließend wird in einem letzten Schritt S5, der Ausgabe des Differenzsignals D_n(t), über einen Signalausgang der digitalen Signalprozessoreinheit 715 das Differenzsignal D_n(t) zur Auswertung an das Auswertemittel 73 ausgegeben.
Mittels der digitalen Signalprozessoreinheit 715 des Signalverarbeitungsmittels 71 kann das Referenzsignal R_n(t) insbesondere mit Mittelungsmethoden, wie beispielsweise dem arithmetischen Mittel gemäß der Gleichung:
oder der Medianbildung, über eine bestimmte Anzahl n vorangehender Signale S₁(t) bis S_n(t) bestimmt werden.

Claims

Verfahren zur akustischen Untersuchung eines Messobjektes (30), bei welchem Verfahren – mittels einer mindestens einen Ultraschallwandler (50) aufweisenden Sende-/Empfangseinheit (S/E) für Ultraschallstrahlung mindestens ein Ultraschallpuls (10) in das Messobjekt (30) ausgesendet wird – der mindestens eine Ultraschallpuls (10) zumindest teilweise in Richtung Sende-/Empfangseinheit (S/E) reflektiert wird, und – der reflektierte Anteil (11) des mindestens einen Ultraschallpulses (10) mittels der Sende-/Empfangseinheit (S/E) – empfangen und – in ein dem reflektierten Anteil (11) des mindestens einen Ultraschallpulses (10) entsprechendes elektrisches Signal U_n(t) gewandelt wird, wobei – mit einem Signalverarbeitungsmittel (71) – das Signal U_n(t) zu einem digitalen Signal S_n(t) gewandelt wird, und – aus dem digitalen Signal S_n(t) und einem digitalen Referenzsignal R_n(t) ein digitales Differenzsignal D_n(t) gebildet wird, wobei – das digitale Referenzsignal R_n(t) aus einer Anzahl n nacheinander in entsprechender Weise an n verschiedenen Messorten (M_n) des Messobjektes (30) gewonnener digitaler Signale S₁(t) bis S_n(t) durch Mittelung mittels des Signalverarbeitungsmittels (71) erzeugt wird, wobei n eine natürliche Zahl ist und n ≥ 2 gilt, und – eine mit einer Abstandsänderung zwischen der Sende-/Empfangseinheit (S/E) und dem Messobjekt (30) korrelierte zeitliche Verschiebung des Signals S_n(t) gegenüber dem Referenzsignal R_n(t) mittels des Signalverarbeitungsmittels (71) kompensiert wird, und – mit einem Auswertemittel (73) aus dem eine maximale Signalamplitude und eine Signalenergie aufweisenden Differenzsignal D_n(t) die Materialbeschaffenheit des Messobjektes (30) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Überschreiten eines Schwellwertes der maximalen Signalamplitude eine Anomalie der Materialbeschaffenheit des Messobjektes (30) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei Überschreiten eines Schwellwertes der Signalenergie eine Anomalie der Materialbeschaffenheit des Messobjektes (30) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelung der n elektrischen Signale S₁(t) bis S_n(t) mit einer arithmetische Mittelung gemäß der Gleichung
erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelung der n elektrischen Signale S₁(t) bis S_n(t) mit einer Medianbildung erfolgt.
Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend mindestens – eine mindestens einen Ultraschallwandler (50) aufweisende Sende-/Empfangseinheit (S/E) für Ultraschallstrahlung, wobei mittels der Sende-/Empfangseinheit (S/E) – mindestens ein Ultraschallpuls (10) in das Messobjekt (30) aussendbar ist, und – ein vom Messobjekt (30) reflektierter Anteil (11) des mindestens einen Ultraschallpulses (10) – empfangbar und – in ein dem reflektierten Anteil (11) des mindestens einen Ultraschallpulses (10) entsprechendes elektrisches Signal U_n(t) wandelbar ist, – ein Signalverarbeitungsmittel (71) mit – einem Analog/Digital-Wandler (714), mittels welchem das Signal U_n(t) zu einem digitalen Signal S_n(t) wandelbar ist, und – einer digitalen Signalprozessoreinheit (715), mittels welcher aus dem digitalen Signal S_n(t) und einem digitalen Referenzsignal R_n(t) ein digitales Differenzsignal D_n(t) bildbar ist, wobei – das digitale Referenzsignal R_n(t) aus einer Anzahl n nacheinander in entsprechender Weise an n verschiedenen Messorten (M_n) des Messobjektes (30) gewonnener digitaler Signale S₁(t) bis S_n(t) durch Mittelung mittels des Signalverarbeitungsmittels (71) erzeugbar ist, wobei n eine natürliche Zahl ist und n ≥ 2 gilt, und – eine mit einer Abstandsänderung zwischen der Sende-/Empfangseinheit (S/E) und dem Messobjekt (30) korrelierte zeitliche Verschiebung des Signals S_n(t) gegenüber dem Referenzsignal R_n(t) kompensierbar ist, und – ein eine digitale Signalprozessoreinheit (731) aufweisendes Auswertemittel (73), mittels welchem aus dem eine maximale Signalamplitude und eine Signalenergie aufweisenden digitalen Differenzsignal D_n(t) die Materialbeschaffenheit des Messobjektes (30) ermittelbar ist.
Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der digitalen Signalprozessoreinheit (731) des Auswertemittels (73) bei Überschreiten eines Schwellwertes der maximalen Signalamplitude eine Anomalie der Materialbeschaffenheit des Messobjektes (30) ermittelbar ist.
Anordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der digitalen Signalprozessoreinheit (731) des Auswertemittels (73) bei Überschreiten eines Schwellwertes der Signalenergie eine Anomalie der Materialbeschaffenheit des Messobjektes (30) ermittelbar ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der digitalen Signalprozessoreinheit (715) des Signalverarbeitungsmittels (71) die Mittelung der n elektrischen Signale S₁(t) bis S_n(t) mit einer arithmetische Mittelung gemäß der Gleichung
mit n > b > 0 bestimmbar ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der digitalen Signalprozessoreinheit (715) des Signalverarbeitungsmittels (71) die Mittelung der n elektrischen Signale S₁(t) bis S_n(t) mit einer Medianbildung bestimmbar ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung als Teil eines Messsystems zur Untersuchung von – Kontaktscheiben oder – Eisenbahnschienen und/oder Eisenbahnrädern vorgesehen ist.