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Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Ansteuerung eines
Array-Prüfkopfs einer Vorrichtung zur zerstörungsfreien
Ultraschallprüfung eines Prüflings, sowie eine
Vorrichtung zur zerstörungsfreien Ultraschallprüfung
eines Prüflings, die zur Ausführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens geeignet ist. Die Erfindung bezieht sich insbesondere
auf den Bereich der Werkstoffprüfung mittels Ultraschall
und hier auf die Verbesserung des lateralen Auflösungsvermögens
eines Array-Prüfkopfs. Die Erfindung lässt sich
weiterhin im Bereich der Untersuchung belebter und unbelebter biologischer
Proben mittels Ultraschall einsetzen, insbesondere zu der medizinischen
Diagnostik. Nachfolgend wird die Erfindung aber am Beispiel der
Werkstoffprüfung mittels Ultraschall erläutert.
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Ein
Array-Prüfkopf ist im Prinzip ein Einzelschwinger, der
in viele einzelne Elemente unterteilt ist. Typische Elementbreiten
reichen von 0,5 mm bis ca. 2,5 mm, andere Abmessungen sind natürlich auch
möglich. Der Begriff Array umfasst auch so genannte Ring-Gruppenstrahler,
also runde Schwinger oder Elemente, die in konzentrisch geformte
Einzelelemente aufgeteilt sind.
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Die
Verwendung mehrerer kleiner Schwinger bewirkt, dass eine dynamische
Fokussierung und ein Schwenken des Schallbündels möglich
werden. Außerdem ergibt sich eine besonders wirksame Schallübertragung,
da kleinere Elemente weniger Anregungsenergie benötigen.
Als Empfänger sprechen sie wegen ihrer geringen anzuregenden
Masse äußerst effizient an. Ein großer
Schwinger liefert zwar eine große ebene Abtastung, seine
relativ geringe Auffächerung (die kleine Divergenz) begrenzt
aber die Fehlerauffindbarkeit. Kleine Schwinger hingegen haben einen
viel größeren Divergenzwinkel.
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Ein
weiterer Vorteil eines Array-Prüfkopfs ist dessen Fähigkeit,
ein dynamisch veränderbares Ultraschallbündel
zu erzeugen und so über einen „Virtuellen Prüfkopf"
zu verfügen. Hierzu wird eine Teilmenge der von einem Array-Prüfkopf
umfassten Einzelschwinger gemeinschaftlich angesteuert und auf diese
Weise zu einem „virtuellen Prüfkopf" zusammengefasst,
denn Position längs des Arrays durch Ansteuern verschiedener
Teilmengen verschoben werden kann.
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Sogenannte
Phased-Array-Prüfköpfe regen die einzelnen Elemente
zu unterschiedlichen Zeitpunkten an, wodurch eine Wellenfront erzeugt
wird, die durch gegeneinander verzögert einstrahlende Schallkeulen
charakterisiert ist. Diese Wellenfront sieht wie das Schallfeld
eines konventionellen Winkelprüfkopfs aus. Durch Variationen
der Verzögerungszeiten können verschiedene Schallfelder
erzeugt werden, insbesondere kann der Einschallwinkel des Schallfelds
innerhalb der Schallbündelcharakteristik des Einzelschwingers
praktisch beliebig eingestellt werden. Durch schrittweise Variation
der Verzögerungszeiten kann somit das gesamte Schallfeld „geschwenkt"
werden. Die Verwendung eines Phased-Array-Prüfkopfs macht
damit einen Winkelscan mit einem unbewegten Prüfkopf möglich.
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Neben
der Schallbündelschwenkung ist bei Phased-Array-Prüfköpfen
auch eine dynamische Fokussierung des Schallstrahls möglich.
Dies wird durch eine elektronische Einheit erreicht, die eine Ansteuerung
der Einzelelemente ermöglicht und gleichzeitig Impulsverzögerungen
bewirken kann. Im Prinzip wird ein Fokuspunkt durch den Prüfkörper
hindurch gefahren. Die Kombination aus dynamischer Fokussierung
und Schallbündelschwenkung bewirkt ein Schallbündel,
das gleichzeitig fokussiert ist und unter einem Winkel einfällt,
wobei die Tiefe des Fokuspunkts im Prüfling und der Einschallwinkel
gezielt eingestellt werden können.
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Größere
Array-Prüfköpfe können auch zu einer
so genannten linearen Abtastung genutzt werden, bei der zusammen
liegende Schwingergruppen nacheinander angesteuert werden. So wird
ein Abtasteffekt erzeugt. Die Breite der durch den Prüfkörper
hindurch wandernden Schallkeule und die Abtastschrittweite können
durch die Anzahl der gleichzeitig angesteuerten Einzelelemente und
durch den Versatz von Impuls zu Impuls festgelegt werden. Auf diese
Weise ist die erzielbare Auflösung des „virtuellen
Prüfkopfs" pinzipbedingt beschränkt auf einen
so genannten „Pitch" des Prüfkopfs, d. h. den
Mitte-Abstand zweier Einzelschwinger (= Breite Einzelschwinger +
Spalt zwischen Einzelschwinger).
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Für
weitere Details zur Technik der Ultraschallprüfung mittels
Array-Prüfköpfen wird beispielsweise auf die Veröffentlichung
Ultraschall-Array-Technik für industrielle Anwendungen
der Autoren Bill Waldron & Gerd
Kauth, ZfP-Zeitung 69, März 2000, S. 50–52,
verwiesen.
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Auch
bei der Verwendung von Array-Prüfköpfen für
die Materialprüfung bzw. in der Medizintechnik erfolgt
die Prüfung in den meisten Fällen mit der Impuls-Echo-Technik.
Der Prüfkopf gibt vorzugsweise periodisch Ultraschallimpulse
ab, die in den Prüfling eingekoppelt werden. Ein Empfänger
(z. B. der Prüfkopf selbst bei Senkrechtenschallung) empfängt
danach Echosignale der abgegebenen Ultraschallimpulse. Die Echosignale
stammen aus dem Prüfling und insbesondere von einer Rückwand
des Werkstücks. Insoweit ist das Prüfungsverfahren
für Werkstücke geeignet, deren Ankoppelfläche
im Wesentlichen parallel zur Rückwand verläuft,
so dass es zur Ausbildung mehrerer Hin- und Hergänge des
Ultraschallimpulses im Werkstück kommt. Bei Schrägeinschallung
hingegen rühren „Echos" im Wesentlichen nur von
Kanten oder Fehlstellen des Prüflings her.
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Zur
Technik der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung
mittels Ultraschall, insbesondere mittels Impuls-Echo-Verfahren
wird allgemein verwiesen auf das Buch Werkstoffprüfung
mit Ultraschall, Josef Krautkrämer & Herbert Krautkrämer,
Springer, 5. Auflage (Februar 1998).
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Grundsätzlich
gilt, dass bei Prüfungsverfahren, bei dem unter Verwendung
von unbewegten Phased-Array-Prüfköpfen Größen
von Fehlern in einem Prüfling bestimmt werden sollen, das
Auflösungsvermögen der Technik im Wesentlichen
auf die Größe der einzelnen Schwinger des Phased-Array-Prüfkopf
beschränkt ist. Hier setzt nun die Erfindung ein, die es
sich zur Aufgabe gemacht hat, ein Verfahren anzugeben, welches das
Verschieben eines von einem Phased-Array-Prüfkopfs in einen
belebten oder unbelebten Prüfling eingeschallten Schallfelds
bei fixiertem Prüfkopf um Bruchteile der Größe
der Einzelschwinger der verwendeten Phased-Array-Prüfkopf
erlaubt.
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Weiterhin
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Ultraschallprüfung
eines belebten oder unbelebten Prüflings mittels eines
Ultraschallprüfkopfs anzugeben, welcher die vorgenannte
elektronische Verschiebung des vom Phased-Array-Prüfkopfs
in den Prüfling eingeschallten Ultraschallfelds erlaubt.
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Gelöst
wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs
1 sowie durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 7.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren basiert auf der Erkenntnis,
dass neben der relativen Phasenlage der von den einzelnen Elementen
eines Phased-Array-Prüfkopfs erzeugten Ultraschallpulse auch
deren relative Amplitude einen Einfluss auf das sich insgesamt ergebende
Schallfeld aufweist.
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So
konnte im Rahmen aufwendiger theoretischer und experimenteller Untersuchungen
festgestellt werden, dass das Schallfeld, welches von einer Gesamtheit
von beispielsweise acht Einzelschwingern eines linearen Arrays in
einen Prüfkopf eingeschallt wird, gezielt um Bruchteile
der Abmessungen eines Einzelschwingers entlang des Arrays elektronisch
verschoben werden kann, indem die Gesamtheit der acht Einzelschwinger
aufgeteilt wird in Gruppen von jeweils vier aneinander angrenzenden
Einzelschwingern und eine gezielte Absenkung bzw. Anhebung der Amplitude
der von den Einzelschwingern der einzelnen Gruppen ausgesandten
Ultraschallpulse. In einer einfachen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird beispielsweise die Amplitude der Ultraschallpulse,
welche von der ersten Gruppe von Einzelschwingern ausgesandt werden, um
einen im Wesentlichen gleichen Betrag, beispielsweise 10%, gegenüber
der mittleren Amplitude der von allen Einzelschwingern ausgesandten
Ultraschallpulse erhöht. Die Amplitude der zweiten Gruppe
wird hingegen um einen im Wesentlichen gleichen Betrag gegenüber
dem Mittelwert abgesenkt. Hieraus resultiert eine Verschiebung des
Maximums des sich in der Überlagerung der von den Einzelschwingern
des Arrays ausgesandten Ultraschallpulse ergebenen Schallfelds um
einen Betrag, der einem Bruchteil der Strukturgröße
eines Einzelschwingers entspricht. Gleichzeitig tritt eine geringfügige
Deformierung des aus der Überlagerung der Einzelimpulse
resultierenden Schallfelds auf, die aber in der Praxis in der Regel
nicht von Relevanz ist.
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Allgemeiner
bezieht sich das erfindungsgemäße Verfahren auf
die Ansteuerung eines Array-Prüfkopfs einer Vorrichtung
zur Ultraschallprüfung eines belebten oder unbelebten Prüflings,
worüber der Array-Prüfkopf eine Mehrzahl N einzeln
ansteuerbarer Ultraschallsender umfasst. Das Verfahren umfasst dabei
die folgenden Verfahrensschritte:
- a) Auswählen
einer Teilmenge M der Mehrzahl N einzeln ansteuerbarer Ultraschallsender
des Array-Prüfkopfs,
- b) Aufteilen der Teilmenge M in zumindest zwei Untermengen U1
und U2,
- c) Ansteuern der von der Untermenge U1 umfassten Ultraschallsender
mit einer Amplitude A1, die gegenüber dem Amplitudenmittelwert ⌀ A über alle
in der Teilmenge M enthaltenen Ultraschallsender erhöht
ist, und
- d) Ansteuern der von der Untermenge U2 umfassten Ultraschallsender
mit einer Amplitude A2, die gegenüber dem Amplitudenmittelwert ⌀ A über alle
in der Teilmenge M enthaltenen Ultraschallsender vermindert ist.
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Dabei
kann die Teilmenge M insbesondere sämtliche einzeln ansteuerbare
Ultraschallsender des Array-Prüfkopfs umfassen, oder auch
nur eine Untermenge dieser Gesamtzahl. Vorteilhaft umfasst die Teilmenge
M eine gerade Anzahl einzeln ansteuerbarer Ultraschallsender, dies
ist aber nicht zwingend erforderlich. Grundsätzlich kann
eine Teilmenge M auch nur zwei einzeln ansteuerbare Ultraschallsender
umfassen.
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Weiterhin
wird darauf hingewiesen, dass die Teilmenge M auch in mehr als nur
zwei Untermengen unterteilt werden kann. Insbesondere kann die Teilmenge
M in so viele Untermengen U unterteilt werden, dass jede Untermenge
U nur einen einzelnen ansteuerbaren Ultraschallsender umfasst.
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Im
Rahmen des Ausführungsbeispiels werden Nachweise dafür
vorgelegt, dass das erfindungsgemäße Verfahren
es erlaubt, ein von einer Mehrzahl von einzeln ansteuerbaren Ultraschallsendern
erzeugtes Schallfeld kontrolliert elektronisch um einen Betrag zu
verschieben, der kleiner ist als die Abmessungen eines einzelnen
ansteuerbaren Ultraschallsenders, der ein Einzelelement eines Array-Prüfkopfs
sein kann, wobei die Verschiebung im Wesentlichen unabhängig
von der Tiefe des Schallfelds im Prüfling ist. Im Folgenden
werden die Prüfkopfelemente als Ultraschallsender bezeichnet.
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In
einer besonders bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen
Verfahrens werden alle von der Untermenge U1 umfassten Ultraschallsender
mit derselben Amplitude A1 und alle von der Untermenge U2 umfassten
Ultraschallsender mit derselben Amplitude A2 angesteuert. Diese
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
erlaubt eine besonders einfache Ausführung der Ansteuerelektronik
für den Array-Prüfkopf.
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In
einer alternativen Ausgestaltung werden die in einer Untermenge
U1 umfassten Ultraschallsender nicht mit einer im Wesentlichen konstanten Amplitude
an gesteuert, vielmehr werden sie mit unterschiedlichen Amplituden
angesteuert. Dabei ist erfindungsgemäß vorgesehen,
dass in der zweiten Untermenge U2 zu jedem Ultraschallsender der
ersten Untermenge ein komplementärer Ultraschallsender in
der zweiten Untermenge U2 vorgesehen ist, wobei bei jeder Paarung
der Ultraschallsender gilt, dass der Mittelwert der Amplitude des
Ultraschallsenders aus der Untermenge U1 und der Amplitude des komplementären
Ultraschallsenders aus der Untermenge U2 gerade gleich dem Mittelwert
der Amplituden aller in der Teilmenge U enthaltenen Ultraschallsender ⌀ A ist..
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Um
das erfindungsgemäße Verfahren tatsächlich
zum lateralen Verschieben des von dem Phased-Array-Prüfkopfs
erzeugten Schallfelds zu verwenden, werden die Verfahrensschritte
c) und d) bevorzugt wiederholt durchlaufen, wobei zwischen den einzelnen
Durchläufen die Amplituden A1 und A2 geändert
werden. Durch gezielte Variation der Amplituden A1 und A2 kann das
Maximum des Schallfelds kontrolliert entlang der Längsachse
des Phased-Array-Prüfkopfs verschoben werden.
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Die
Auswertung der resultierenden Ultraschall-Echosignale gestaltet
sich hierbei besonders einfach, wenn während der einzelnen
Durchläufe der Amplitudenmittelwert ⌀ A über
alle in der Teilmenge M enthaltenen Ultraschallsender im Wesentlichen konstant
gehalten wird.
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Selbstverständlich
lässt sich das erfindungsgemäß Verfahren
auch mit den aus dem Bereich der Phased-Array-Ultraschall-Prüfköpfe
etablierten Verfahren zur dynamischen Fokussierung, zum schrittweisen
Verschieben des Schallfelds über die Breite eines einzeln
ansteuerbaren Ultraschallsenders sowie zum Verschwen ken des Schallbündels
kombinieren. Um eine möglichst gute Ortsauflösung
bei der Vermessung von Fehlern im Prüfling zu erzielen,
wird daher in der Regel dem Schallfeld, welches von den Ultraschallsendern
der Schallmenge M erzeugt wird, durch phasenverschobene Ansteuerung
der einzeln ansteuerbaren Ultraschallsendern ein Fokus aufgeprägt
werden. Auch hier kann die genaue Lage des Fokus im Prüfling
durch Variation der Phasenverschiebung zwischen den einzeln angesteuerten
Ultraschallsendern gezielt eingestellt werden.
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Um
das erfindungsgemäße Verfahren beispielsweise
zur genauen Bestimmung der Fehlergröße eines Fehlers
in einem Prüfling zu verwenden, wird man in der Regel die
aus dem Stand der Technik vorbekannten Prüfverfahren, die
auf der Verwendung eines Phased-Array-Prüfkopfs basieren,
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kombinieren.
Insbesondere wird man zum Auffinden eines Fehlers in einem Prüfling
ein fokussiertes Ultraschallfeld schrittweise längs des
Arrays verschieben, bis die Intensität des aufgefundenen
Fehlers maximal ist. Nachdem der Fehler auf diese Weise grob lokalisiert
ist, wird dann das erfindungsgemäße Scanverfahren
zur hochgenauen Bestimmung der Größe des Fehlers
angewendet. Neben dem linearen Verschieben des fokussierten Ultraschallbündels
entlang des Arrays ist selbstverständlich auch ein Verschwenken
des fokussierten Ultraschallbündels möglich, um
bei Fehlern, deren Hauptreflektionsrichtung nicht senkrecht zur
Einkoppelfläche des Prüflings ist, eine Maximierung
des Fehlersignals durch Aufsuchen desjenigen Einschallwinkels zu
ermöglichen, unter dem die Reflektivität des Fehlers
maximal ist.
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Eine
erfindungsgemäße Vorrichtung zur zerstörungsfreien
Ultraschallprüfung eines belebten oder unbelebten Prüflings
umfasst einen Array-Prüfkopf, der eine Mehrzahl N einzeln
ansteuerbarer Ultraschallsender umfasst. Weiterhin umfasst die Vorrichtung
eine Ansteuerelektronik für den Array-Prüfkopf,
wobei die Ansteuerelektronik dazu eingerichtet ist, die einzeln
ansteuerbaren Ultraschallsender einzeln oder gruppenweise sowie
insbesondere bezüglich ihrer Phasenlage und ihrer jeweiligen
Sendeamplitude kontrolliert anzusteuern. Dabei ist die Ansteuerelektronik
insbesondere dazu eingerichtet, den Array-Prüfkopf gemäß des
erfindungsgemäßen Verfahren anzusteuern. In der
Regel sind für die erfindungsgemäße Vorrichtung
die aus dem Stand der Technik vorbekannten Array-Prüfköpfe
geeignet, die eine Mehrzahl N einzeln ansteuerbarer Ultraschallsender
umfassen. Insbesondere sind hier sowohl lineare als auch flächenhaft
ausge dehnte Array-Prüfköpfe geeignet. Die entsprechende
Ausgestaltung der Ansteuerelektronik für den Array-Prüfkopf
kann dabei hardwareimplementiert sein. In der Mehrzahl der Applikationen
wird jedoch die Ansteuerelektronik des Array-Prüfkopfs
digital arbeiten und das erfindungsgemäße Verfahren
durch Ausführung eines Softwareprogramms auf der digitalen
Ansteuerelektronik implementiert werden.
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Weitere
Vorteile und Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens
sowie der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben
sich aus den Unteransprüchen sowie den Ausführungsbeispiel,
welches nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert wird.
In dieser zeigen:
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1:
eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung zur zerstörungsfreien Ultraschallprüfung
eines Prüflings mit einem Array-Prüfkopf,
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2:
eine grafische Darstellung des Verlaufs der ersten Ableitung des
Schalldruck-Amplitudensignals entlang der Längsachse X
des Prüfkopf-Arrays, um die Lage des Schalldruckmaximums anzuzeigen.
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3:
die sich ergebende Verschiebung des Amplitudenmaximums in Abhängigkeit
von der Amplitudendifferenz ΔA zwischen der ersten Untermenge U1
und der zweiten Untermenge U2, und
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4:
die Lage des Amplitudenmaximums für eine vorgegebene Amplitudendifferenz ΔA
als Funktion der Tiefe Z im Prüfling.
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1 zeigt
schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung
zur zerstörungsfreien Ultraschallprüfung eines
Prüflings. Die Vorrichtung umfasst einen Array-Prüfkopf 10,
der in der Darstellung der 1 auf eine
Prüffläche eines Prüflings 100 aufgesetzt
ist. Der Array-Prüfkopf 10 umfasst eine Mehrzahl
N = 16 von einzeln ansteuerbaren Ultraschallsenden 15,
die in ihren Abmessungen und ihren Ultraschallende und Empfangseigenschaften
im Wesentlichen identisch sind und die äquidistant angeordnet
sind. Zur Ansteuerung des Array-Prüfkopf 10, insbesondere
zur individuellen Ansteuerung der im Array-Prüfkopfs 10 vorgesehenen
Ultraschallsender 15, ist der Array-Prüfkopf 10 mit
einer Ansteuerelektronik 20 verbunden, die im gezeigten
Ausführungsbeispiel als „stand alone" Ultraschallprüfgerät
ausgebildet ist. Die Ansteuerelektronik 20 umfasst dabei
u. a. ein Display 25 zur grafischen Darstellung der mittels
des Array-Prüfkopf 10 aufgenommenen Ultraschallsignale
sowie verschiedene Bedienelemente 30 für eine
Bedienung des Ultraschallprüfgeräts.
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In 1 ist
die Mehrzahl N = 16 einzeln ansteuerbarer Ultraschallsender 15 dargestellt,
von denen eine Teilmenge M = 8 von Ultraschallsendern 15 ausgewählt
wurde, die eine zusammenhängende Gruppe bilden. Dabei erstreckt
sich diese Gruppe entlang der Längsachse des Array-Prüfkopf 10,
deren Richtung in 1 mit X gekennzeichnet ist.
In den Prüfling 100 hinein erstreckt sich die
Richtung Z, entlang derer die Tiefe beispielsweise des Fokus oder
Fehlers im Prüfling 100 angegeben werden kann.
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Die
Teilmenge M ihrerseits ist nun unterteilt in zwei gleich große
Untermengen U1 und U2, wobei die Ultraschallsender 15,
die einer Untergruppe U1 bzw. U2 zugeordnet sind, jeweils unmittelbar
aneinander angrenzen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind
die Ultraschallsender 15 der Untergruppen U1 und U2 symmetrisch
um die Z-Achse angeordnet.
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Die
Ansteuerelektronik 20 der Vorrichtung gemäß 1 ist
nun dazu eingerichtet, das erfindungsgemäße Verfahren
in einer bevorzugten Ausgestaltung auszuführen. Im Rahmen
des erfindungsgemäßen Verfahrens wird aus der
Mehrzahl N = 16 einzeln ansteuerbarer Ultraschallsender 15 des
Array-Prüfkopfs 10 die gekennzeichnete Teilmenge
M mit 8 Elementen ausgewählt. Diese wird nun im Rahmen
des Verfahrens in die beiden ebenfalls gekennzeichneten Untergruppen
U1 und U2 mit je 4 Elementen zerlegt. Nachfolgend werden die Ultraschallsender 15 der
ersten Untergruppe U1 mit einer ersten einheitlichen Amplitude A1
angesteuert und die Ultraschallsender 15 der zweiten Untergruppe
U2 mit einer zweiten einheitlichen Amplitude A2. Dabei ist die mittlere
Amplitude über alle Ultraschallsender 15 der Teilmenge
M durch ⌀A gegeben. Die Amplitude A1 ist um einen Betrag ΔA/2
gegenüber ⌀A abgesenkt, die Amplitude A2 ist gegenüber ⌀A
um den Betrag ΔA/2 erhöht. Insgesamt ergibt sich
somit eine Amplitudendifferenz von ΔA zwischen den Ultraschallsendern 15 der
ersten Untergruppe U1 und den Ultraschallsendern 15 der
zweiten Untergruppe U2.
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Ausgangspunkt
der Strahlverschiebung ist eine Ansteuerung von U1 und U2 jeweils
mit ⌀A. Dieses über dem geometrischen Zentrum
der Teilmenge der M Ultraschallsender 15 zentrierte Schallbündel wird
durch das erfindungsgemäße Verfahren verschoben.
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Durch
geeignete Steuerung der relativen Phasenlage der von den Ultraschallsendern 15 der Teilmenge
M erzeugten Ultraschallpulse bildet sich ein Maximum des Schallfelds
aus, welches von der Teilmenge M der Ultraschallsender erzeugt wird.
Die Lage des Maximums dieses Schallfelds korrespondiert mit dem
Nulldurchgang der ersten Ableitung des Schalldrucks des Schallfelds
entlang der Längsachse X des Array-Prüfkopfs 10.
In 2 ist nun der Verlauf der ersten Ableitung des
Amplitudensignals des sich ergebende Schallfelds entlang der Längsachse X
des Prüfkopf-Arrays 10 dargestellt für
verschiedene Amplitudendifferenzen ΔA. Dabei wurden Werte für ΔA
zwischen 0% und 80% der mittleren Amplitude ⌀A gewählt.
Aus der sich ergebenden Kurvenschar ist deutlich zu erkennen, dass
sich der Nulldurchgang mit zunehmender Amplitudendifferenz ΔA
monoton verschiebt. Dabei ist als Einheit für die Abszisse
1/10 der Breite eines einzeln ansteuerbaren Ultraschallsenders 15 gewählt
(„Dot-Pitch").
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In 3 ist
die sich ergebende Verschiebung des Amplitudenmaximums in Abhängigkeit
von der Amplitudendifferenz ΔA dargestellt. Auch an der
Darstellung in 3 ist die streng monotone Abhängigkeit
der sich ergebenden Verschiebung des Amplitudenmaximums als Funktion
der Amplitudendifferenz ΔA abzulesen. Wie auch aus 2 kann 3 entnommen
werden, dass die sich ergebende Verschiebung des Amplitudenmaximums
bei durchaus bereits relativ hohen Amplitudendifferenzen ΔA
immer noch nur im Bereich von Bruchteilen der Breite eines einzeln
ansteuerbaren Ultraschallsenders 15 beträgt. Durch
Variation der Amplitudendifferenz ΔA ist es dabei insbesondere
möglich, das Maximum des sich ergebenden Schallfelds kontrolliert
entlang oder entgegen der Längsachse X des Array-Prüfkopfs 10 um zumindest
jeweils eine halbe Breite eines Ultraschallsenders 15 zu
verschieben.
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4 zeigt
schließlich für eine vorgegebene feste Amplitudendifferenz ΔA,
die Lage des sich ergebenden Amplitudenmaximums des Schallfelds
aller Ultraschallsender 15 der Teilmenge M als Funktion
der Tiefe Z im Prüfling 100. Im Rahmen der Genauigkeit
der experimentellen Überprüfung kann aus 4 abgelesen werden,
dass die Lage des Amplitudenmaximums praktisch unabhängig
von der Tiefe Z im Prüfling 100 ist. Dies bedeutet,
dass das erfindungsgemäße Verfahren tatsächlich
im Wesentlichen nur eine Verschiebung des Schallfelds um Bruchteile
einer Ultraschallsenderbreite bewirkt (neben der bereits erwähnten
geringförmigen Deformierung des Ultraschallfelds) und praktisch
keine Verkippung des Ultraschallfelds gegen die Z-Achse bewirkt.
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Selbstverständlich
kann dieser kontrollierte Shift des Ultraschallfelds mittels des
erfindungsgemäßen Verfahrens entlang der Längsachse
X des Ultraschall-Arrays 10 kombiniert werden mit einer
Verschwenkung des Ultraschallfelds um einen kontrollierten Winkel,
indem die relative Phasenlage der Ultraschallsender 15 der
Teilmenge M gezielt angesteuert wird. Auch die konkrete Form des
von der Teilmenge M der Ultraschallsender 15 erzeugten Schallfelds,
insbesondere die Lage und die Größe eines sich
ausbildenden Fokus können durch geeignete Phasenansteuerung
der Ultraschallsender 15 der Teilmenge M kontrolliert werden.
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Abschließend
sei darauf hingewiesen, dass die Auswahl einer Teilmenge M aus der
Gesamtheit N der Ultraschallsender 15 des Array-Prüfkopfs 10 nicht
zwingend im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens
erforderlich ist. Vielmehr kann das Verfahren auch so ausgeführt
werden, dass stets sämtliche Ultraschallsender 15 des
Array-Prüfkopfs 10 für das erfindungsgemäße
Verfahren verwendet werden. Auch die Aufteilung der Gesamtheit N
der Ultraschallsender 15 des Array-Prüfkopfs 10 kann
im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens fest
vorgegeben werden, wenn beispielsweise stets eine Hälfte der
Ultraschallsender 15 zu einer Untergruppe U1 zusammengefasst
wird und die zweite Hälfte Ultraschallsender 15 zur
zweiten Untergruppe U2. In dieser Ausprägung des erfindungsgemäßen
Verfahrens hat somit die Auswahl der Teilmenge M aus der Gesamtheit
N sowie deren Aufteilung in zwei Untermengen U1 und U2 bereits bei
der erfindungsgemäßen Einrichtung der Ansteuerelektronik 25 stattgefunden und
wird nicht jedes Mal von neuem bei der Durchführung einer
Prüfaufgabe durchlaufen. Dennoch ist auch diese Ausprägung
des erfindungsgemäßen Verfahrens als wortsinngemäße
Verwirklichung des Verfahrens gemäß des Hauptanspruchs
anzusehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Bill Waldron & Gerd Kauth, ZfP-Zeitung
69, März 2000, S. 50–52 [0008]
- - Josef Krautkrämer & Herbert
Krautkrämer, Springer, 5. Auflage (Februar 1998) [0010]
