DE102010027250A1

DE102010027250A1 - Elektromagnetischer Ultraschallempfänger

Info

Publication number: DE102010027250A1
Application number: DE102010027250A
Authority: DE
Inventors: Frank Niese
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2010-07-15
Filing date: 2010-07-15
Publication date: 2012-01-19
Also published as: EP2407251A1; US20120014222A1; US8806949B2; EP2407251B1

Abstract

Beschrieben wird ein elektromagnetischer Ultraschallwandler, insbesondere zum Empfangen von linear polarisierten horizontalen Scherwellen, so genannten SH-Ultraschallwellen, aus einem elektrisch leitfähigen Werkstück, mit einer Magnetisierungseinheit, längs der in wenigstens zwei mittel- oder unmittelbar nebeneinander angeordneten Reihen jeweils eine Anzahl n Permanentmagnete derart angebracht ist, dass sich die der Seite zugewandten und den Permanentmagneten zuordenbaren magnetischen Polaritäten längs einer Reihe periodisch mit einer Periodenlänge abwechseln, die einer Spurwellenlänge λS entspricht, und einer HF-Spulenanordnung mit jeweils längs der wenigstens zwei Reihen zuordenbaren, zueinander parallel verlaufenden Leiterabschnitten, die einander in entgegengesetzter Richtung von Strom durchsetzbar sind. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass längs wenigstens zweier weiterer mittel- oder unmittelbar nebeneinander angeordneten Reihen jeweils eine Anzahl m Permanentmagnete derart angebracht ist, dass sich die der Seite zugewandten und den weiteren Permanentmagneten zuordenbaren magnetischen Polaritäten längs einer Reihe periodisch mit einer der Spurwellenlänge λS entsprechenden Periodenlänge abwechseln, und dass jeweils längs der wenigstens zwei weiteren Reihen zueinander parallel verlaufende Leiterabschnitte einer weiteren HF-Spulenanordnung angeordnet sind, die einander in entgegengesetzter Richtung von Strom durchsetzbar sind, und dass die m Permanentmagnete relativ zu den n Permanentmagneten um eine halbe Spurwellenlänge λS versetzt angeordnet sind.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf einen elektromagnetischen Ultraschallwandler, insbesondere zum Empfangen von linear polarisierten Scherwellen, so genannten SH-Ultraschallwellen, aus einem elektrisch leitfähigen Werkstück, mit einer Magnetisierungseinheit, die eine dem Werkstück zugewandte Seite vorsieht, längs der in wenigstens zwei mittel- oder unmittelbar nebeneinander angeordneten Reihen jeweils eine Anzahl n Permanentmagnete derart angebracht ist, dass sich die der Seite zugewandten und den Permanentmagneten zuordenbaren magnetischen Polaritäten längs einer Reihe periodisch mit einer Periodenlänge abwechseln, die einer Spurwellenlänge λ_S entspricht, sowie mit einer HF-Spulenanordnung mit jeweils längs der wenigstens zwei Reihen zuordenbaren, zueinander parallel verlaufenden Leiterabschnitten, die einander in entgegen gesetzter Richtung von Strom durchsetzbar sind.
Stand der Technik
Elektromagnetische Ultraschallwandler dienen der koppelmittelfreien Ein- und Auskopplung von Ultraschallwellen in bzw. aus Werkstücken, bspw. zur zerstörungsfreien Dickenmessung oder Materialuntersuchung, um Material-Inhomogenitäten in Form von Rissen oder Materialungänzen zu ermitteln.
Das den elektromagnetischen Ultraschallwandlern zugrunde liegende Anregungs- sowie auch Empfangsprinzip basiert auf der Wechselwirkung zwischen einem oberflächennah innerhalb des Werkstückes vorherrschenden elektromagnetischen Hochfrequenzfeldes und einem diesen überlagerten, statischen oder quasi statischen Magnetfeld. Mit Hilfe einer oberflächennah am Werkstück angeordneten elektrischen Spule vorgegebener Geometrie- und Windungszahl, die mit einem HF-Strom-Impuls/-Burst-Signal beaufschlagt wird, werden innerhalb der so genannten Skintiefe des elektrisch leitfähigen Werkstückes dicht zur Werkstückoberfläche Wirbelströme induziert, deren flächige Verteilung spiegelbildlich zur Geometrie der elektrischen Spulenanordnung ist. Werden die innerhalb der Skintiefe des Werkstückes sich ausbildenden Wirbelströme mit einem statisch oder quasi statischen Magnetfeld parallel oder senkrecht zur Materialoberfläche überlagert, so ergeben sich aufgrund von innerhalb des Werkstückes wirkenden Lorenzkräften räumliche und zeitlich periodische elastische Materialverschiebungen, die ursächlich für die Abschallung von Ultraschallwellen innerhalb des Werkstückes sind.
In reziproker Weise erfolgt die Detektion bzw. der Empfang von Ultraschallwellen. So erzeugt eine sich innerhalb des Werkstückes oberflächennah ausbreitende elastische Welle in Gegenwart eines in diesem Werkstückbereich vorherrschenden Magnetfeldes ein zur Verschiebungsgeschwindigkeit der elastischen Welle proportionales elektrisches Feld, das im Wege induktiver Kopplung mit einer auf der Werkstückoberfläche aufliegenden elektrischen Spule in diese eine proportionale elektrische Spannung induziert, die als Nachweissignal für die Ultraschallwelle innerhalb des Werkstückes dient. Die hierbei auftretenden Spannungssignalpegel liegen typischerweise im Bereich von einigen μV, so dass es für eine zuverlässige Signalaus- und -bewertung einer starken und rauscharmen Vorverstärkung der elektrischen Spannungssignale bedarf, die zudem einer möglichst schmalbandigen elektrischen Filterung zu unterziehen sind, um auswertbare Ultraschallwellensignale zu generieren.
Typischerweise wird die Impedanz der elektrischen Spule eines EMUS-Wandlers, der insbesondere für den Empfang von Ultraschallwellen geeignet ist, hochohmig ausgeführt, um möglichst große Pegel der induzierten Spannungssignale von den Ultraschallsignalen zu generieren. Jedoch eignet sich die eingesetzte elektrische Spule aufgrund ihrer elektrischen Induktivität auch andere elektromagnetische Signale zu empfangen, die von extern induktiv einwirkenden elektromagnetischen Signalquellen herrühren und als solche den Empfang und Nachweis von Ultraschallwellen in störender Weise beeinflussen. Sämtliche, von der elektrischen Spule induktiv in elektrische Spannungssignale umgesetzte Empfangssignale, d. h. sowohl Nutz- als auch Störsignale, durchlaufen die gleiche Verstärkungs- und Filterkette, so dass eine Unterscheidung zwischen Stör- und Nutzsignalen nicht ohne weiteres möglich ist.
Aus der DE 42 23 470 C2 ist ein auf dem vorstehend beschriebenen Prinzip der koppelmittelfreien Ein- und Auskopplung von Ultraschallwellen in bzw. aus einem Werkstück basierender Ultraschall-Prüfkopf zu entnehmen, mit dem es möglich ist, linear polarisierte sowohl horizontal als auch vertikal polarisierte Transversalwellen zu erzeugen. Hierbei bedient man sich einer Permanentmagnetanordnung, die in den oberflächennahen Bereich eines Werkstückes ein inhomogenes Magnetfeld mit einer senkrecht zur Werkstückoberfläche orientierten Raumrichtung erzeugt. Die Permanentmagnetanordnung besteht aus einzelnen, nebeneinander liegenden Permanentmagnetstreifen mit jeweils der Werkstückoberfläche zugewandten sich periodisch abwechselnden, magnetischen Polaritäten.
Eine weitere Anordnung zur koppelmittelfreien Einschallung und Detektion von Ultraschallwellen in ferromagnetische Werkstücke, wie beispielsweise Rohrleitungen, ist der DE 195 43 481 C2 zu entnehmen. Um horizontal polarisierte Transversalwellen innerhalb eines zu prüfenden Werkstückes mit einer räumlich vorgegebenen Richtcharakteristik abschallen zu können, sieht eine in 3 illustrierte Ausführungsform für einen Ultraschallwandler eine Permanentmagnetanordnung mit einer Vielzahl jeweils in Reihen angeordnete und in Form und Größe identisch ausgebildete Einzelpermanentmagneten vor, deren magnetische Polaritäten sich jeweils längs einer Reihe periodisch abwechseln. Um eine räumlich gerichtete Abstrahlcharakteristik zu erhalten sind die jeweils in einer Reihe angeordneten Einzelpermanentmagnete, zu denen in der unmittelbar benachbarten Reihe um die halbe Breite eines einzelnen Permanentmagneten zueinander versetzt angeordnet. Dies entspricht einem Viertel der so genannten Spurwellenlänge λ_S. Zudem sind längs der einzelnen Einzelpermanentmagnetreihen Leiterabschnitte zweier HF-Spulenanordnungen angebracht, die jeweils in entgegengesetzter Richtung von Strom durchflossen werden. Weitere Einzelheiten können der vorstehend genannten Druckschrift entnommen werden.
Besonders zum Empfang von SH-Ultraschallwellen aus einem elektrisch leitfähigen Werkstück eignen sich EMUS-Wandler, von denen zwei Ausführungsvarianten in den 2a, b schematisch dargestellt sind, die jeweils die dem Werkstück zugewandte Seite der Magnetanordnung M und der HF-Spulenanordnung HF zeigen.
In dem Ausführungsbeispiel in 2a sind längs zweier Reihen R₁ und R₂ Permanentmagnete 1 derart angeordnet, dass sich die dem Werkstück zugewandten magnetischen Polaritäten in Abfolge längs der Reihen R₁, R₂ periodisch abwechseln (siehe N für magnetisch Nord und S für magnetisch Süd). Eine in 2a illustrierte Magnetanordnung M prägt somit in ein Werkstück ein inhomogenes statisches Magnetfeld mit einer Spurwellenlänge λ_S ein, die durch die Periodenlänge, d. h. die Ausdehnung zweier Permanentmagneten längs einer Reihe bestimmt ist.
Ferner ist an der in 2a dargestellten dem Werkstück zugewandten Seite der Magnetisierungseinheit M eine HF-Spulenanordnung HF angeordnet, jeweils mit längs der wenigstens zwei Reihen R₁ und R₂ und zueinander parallel verlaufenden Leiterabschnitten L₁, L₂, die jeweils einander in entgegen gesetzter Richtung von Strom durchsetzbar sind (siehe Strompfeile).
In analoger Weiterbildung zu der in 2a illustrierten Ausführungsform sieht eine in 2b illustrierte Ausführungsform die Anordnung von Permanentmagneten 1 in jeweils vier unterteilbare und nebeneinander liegend angeordnete Reihen R₁ bis R₄ vor. Auch in diesem Fall ist die HF-Spulenanordnung HF derart ausgebildet, dass die Leiterabschnitte L₁ bis L₄ jeweils längs der Reihen R₁ bis R₄ einander in entgegen gesetzter Richtung von Strom durchsetzbar sind. Die HF-Spulenanordnung ist in diesem Fall in zwei miteinander verbundene Teilspulen T1 und T2 aufgeteilt.
Um dem eingangs erläuterten Problem des überlagerten Empfangs von Ultraschallsignalen und Störsignalen entgegen zu treten und ein verbessertes Signal zu Rauschverhältnis zu erhalten, könnte ausgehend von der in 2b illustrierten Variante der Einsatz eines Differenzverstärkers zur Signalverstärkung erwogen werden. In dem Zusammenhang ist der Versuch unternommen worden, die zwei in 2b illustrierte linke und rechte Teilspule T1, T2 aufzutrennen und mit einem Differenzverstärker zu kombinieren. Aus 2c ist ein derartiger Aufbau zu entnehmen. Die Anschlüsse E₁ und E₂ der Teilspulen sind an den jeweils invertierenden und nicht invertierenden Eingang eines Differenzverstärkers (nicht dargestellt) angeschlossen. Die beiden anderen Anschlüsse der Teilspulen T₁ und T₂ sind im dargestellten Beispiel auf Masse zusammengelegt. Ein derartiger Ansatz führt jedoch nicht zum erwünschten Ziel einer effektiven Rausch- bzw. Störunterdrückung. Zwar weisen die Spannungssignale, die von empfangenen Ultraschallimpulsen herrühren, bei entsprechender Polung der Spulen T₁ und T₂ in der in 2c angegebenen Empfangssituation eine relative Phase von 180° auf, doch gilt dies auch für die Störsignale, die über eine gleiche Phasenverschiebung von 180° verfügen. Der einzige mit der in 2c illustrierten Ausführungsvariante verbundene Vorteil liegt darin, dass durch die Addition der beiden Empfangssignale im Rahmen des Differenzverstärkers die Spannungsamplitude nahezu verdoppelt wird, wodurch die weitere Signalauswertung mittels Digitalisierung der Signalpegel verbessert werden kann. Dennoch werden die Signalpegel der Störsignale in gleicher Weise verstärkt, so dass keine Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses erzielt werden kann.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektromagnetischen Ultraschallwandler, insbesondere zum Empfang von linear polarisierten horizontalen Schwerwellen, so genannten SH- unter Ultraschallwellen, aus einem elektrisch leitfähigen Werkstück mit einer Magnetisierungseinheit, die eine dem Werkstück zugewandte Seite vorsieht, längs der in wenigstens zwei mittel- oder unmittelbar nebeneinander angeordneten Reihen jeweils eine Anzahl n Permanentmagnete derart angebracht ist, dass sich die der Seite zugewandten und den Permanentmagneten zuordenbaren magnetischen Polaritäten längs einer Reihe periodisch mit einer Periodenlänge abwechseln, die einer Spurwellenlänge λ_S entspricht und einer HF-Spulenanordnung mit jeweils längs der wenigstens zwei Reihen zuordenbaren, zueinander parallel verlaufenden Leiterabschnitten, die einander in entgegen gesetzter Richtung von Strom durchsetzbar sind, derart weiterzubilden, dass eine effektive Unterdrückung von Störsignalanteilen möglich wird, ohne dabei den konstruktiven Aufwand zur Realisierung des Ultraschallwandlers erheblich zu steigern sowie zu verkomplizieren.
Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Den Erfindungsgedanken weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der weiteren Beschreibung unter Bezugnahme auf das Ausführungsbeispiel zu entnehmen.
Ein ausgebildeter elektromagnetischer Ultraschallwandler, insbesondere zum Empfangen von linear polarisierten horizontalen Scherwellen, so genannten SH-Ultraschallwellen aus einem elektrisch leitfähigen Werkstück, mit einer Magnetisierungseinheit, die eine dem Werkstück zugewandte Seite vorsieht, längs der in wenigstens zwei mittel- oder unmittelbar nebeneinander angeordneten Reihen jeweils eine Anzahl n Permanentmagnete derart angebracht ist, dass sich die dem Werkstück zugewandten und den Permanentmagneten zuordenbaren magnetischen Polaritäten längs einer Reihe periodisch mit einer Periodenlänge abwechseln, die einer Spurwellenlänge λ_S entspricht, und einer HF-Spulenanordnung mit jeweils längs der wenigstens zwei Reihen zuordenbaren, zueinander parallel verlaufenden Leiterabschnitten, die einander in entgegen gesetzter Richtung von Strom durchsetzbar sind, zeichnet sich lösungsgemäß dadurch aus, dass längs wenigstens zweier weiterer mittel- oder unmittelbar nebeneinander angeordneter Reihen jeweils eine Anzahl m Permanentmagnete derart angebracht ist, dass sich die der Seite zugewandten und den weiteren Permanentmagneten zuordenbaren magnetischen Polaritäten längs einer Reihe periodisch mit einer der Spurwellenlänge λ_S entsprechenden Periodenlänge abwechseln, und dass jeweils längs der wenigstens zwei weiteren Reihen zueinander parallel verlaufende Leiterabschnitte einer weiteren HF-Spulenanordnung angeordnet sind, die einander in entgegen gesetzter Richtung von Strom durchsetzbar sind, und dass die m Permanentmagnete relativ zu den n Permanentmagneten um eine halbe Spurwellenlänge λ_S in Schallausbreitungsrichtung versetzt angeordnet sind.
Durch die lösungsgemäße Ausbildung der elektromagnetischen Ultraschallwandleranordnung mit zwei getrennt zueinander ausgebildeten HF-Spulenanordnungen, die jeweils einer in zwei Reihen unterteilbaren Permanentmagnetanordnung zuordenbar sind, wobei die benachbart angeordneten Permanentmagnetanordnungen in Reihenlängserstreckung jeweils um eine halbe Spurwellenlänge λ_S relativ zueinander versetzt angeordnet sind, ist es möglich, die Phasenbedingung für die Ultraschallsignale, nämlich relative Phase von 180°, sowie für die Störsignale, nämlich relative Phase von 0°, zu erfüllen. So heben sich im Rahmen der Differenzverstärkung die Störsignale mit einer relativen Phasenlage von 0° gegenseitig auf, wohingegen die Ultraschallsignale mit jeweils einer relativen Phasenlage von 180° aufaddiert werden, wodurch ihre zugehörige Spannungsamplitude verdoppelt werden kann. Alternativ zur Verwendung eines Differenzverstärkers kann die vorstehende Signalauswertung auch numerisch im Rahmen einer rechnerbasierten Auswerteeinheit erfolgen, indem die empfangenen Ultraschall- und Störsignale digitalisiert und mit einem numerischen Addierer invers addiert werden.
Zur Realisierung des lösungsgemäßen elektromagnetischen Ultraschallwandlers werden zwei konkrete Ausführungsformen vorgeschlagen, die zur weiteren Beschreibung in den 1a und b abgebildet sind.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
1a, b lösungsgemäß ausgebildete Ultraschallempfänger sowie
2a bis c elektromagnetische Ultraschallwandler nach Stand der Technik.
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
1 zeigt in schematisierter Weise die untere Seitenansicht einer Magnetisierungseinheit M mit einer entsprechenden HF-Spulenanordnung HF, die auf die Oberfläche eines zu untersuchenden, aus elektrisch leitendem Material bestehenden Werkstückes (nicht dargestellt) aufsetzbar ist. Die Magnetisierungseinheit M setzt sich aus einer Vielzahl in Form und Größe identisch ausgebildeter Einzelpermanentmagnete 1 zusammen, deren Stirnseiten in 1a mit den angegebenen magnetischen Polaritäten N, S dargestellt sind.
Die Magnetisierungseinheit M lässt sich in dem in 1a illustrierten Ausführungsbeispiel in zwei Permanentmagnetanordnungen P₁ und P₂ unterteilen. Die Permanentmagnetanordnung P₁ weist zwei Reihen R₁ und R₂ auf, längs derer jeweils eine Anzahl n Einzelpermanentmagnete 1 angeordnet sind. Jeweils längs der Reihen R₁, R₂ wechseln sich die magnetischen Polaritäten der stirnseitig endenden Einzelpermanentmagnete 1 periodisch ab (siehe hierzu N für magnetisch Nord und S für magnetisch Süd). Die jeweils unmittelbar aneinander grenzenden Einzelpermanentmagnete 1 in den Reihen R₁ und R₂, d. h. die zeilenweise nebeneinander liegenden Einzelpermanentmagnete, weisen hierbei ebenfalls eine entgegen gesetzte magnetische Polarität auf.
Ferner ist der Permanentmagnetanordnung P₁ eine Empfangsspule ET₁ zugeordnet, die in Reihenlängserstreckung zwei zueinander parallel verlaufende Leiterabschnitte L₁ und L₂ vorsieht, die in der aus 1a entnehmbaren zueinander entgegen gesetzter Stromrichtung (siehe Stromrichtungspfeile) durchflossen werden.
Unmittelbar angrenzend an die Permanentmagnetanordnung P₁ ist eine zweite Permanentmagnetanordnung P₂ vorgesehen, die ebenfalls längs zweier Reihen R₃ und R₄ eine Anzahl m Permanentmagnete 1 vorsieht. Vorzugsweise ist m = n gewählt, wobei die Permanentmagnetanordnung P₂ relativ zur Permanentmagnetanordnung P₁ um die Breite eines Permanentmagneten 1, d. h. um die halbe Periodenlänge bzw. um die halbe Spurwellenlänge λ_S versetzt angeordnet ist.
Die Ausbildung und Anordnung der der Permanentmagnetanordnung P₂ zugeordneten Empfangsspule ET₂ ist entsprechend der Empfangsspulenanordnung ET₁ nachgebildet. Die elektrischen Anschlüsse E₁ und E₂ der jeweiligen Empfangsspulen ET₁ und ET₂ sind an den invertierenden bzw. nicht-invertierenden Eingang eines nicht weiter dargestellten Differenzverstärkers angeschlossen. Die übrigen beiden Anschlüsse der Empfangsspulen ET₁ und ET₂ befinden sich auf einem gemeinsamen elektrischen Potential, dem Massepotential.
Die mit Hilfe einer derartigen EMUS-Wandleranordnung empfangenen Ultraschallsignale werden konstruktionsbedingt mit einer Phasenverschiebung von 180° in den Empfangsspulen T₁ und T₂ empfangen, wohingegen die Störsignale in beiden Empfangsspulen T₁ und T₂ keinen Phasenunterschied, d. h. relative Phase von 0°, aufweisen. Nach Addition der Empfangssignale mit einem Differenzverstärker mitteln sich somit die Störsignale vollständig weg, übrig bleiben ausschließlich Ultraschallsignalanteile. Hierdurch kann das Signal-Rausch-Verhältnis erheblich verbessert werden, ohne dabei einen messtechnisch bedeutsamen Zusatzaufwand leisten zu müssen.
In 1b ist eine alternative Ausbildungsform für einen lösungsgemäß ausgebildeten EMUS-Empfangswandler dargestellt, der eine Verschachtelung der vorstehend beschriebenen Permanentmagnetanordnungen P₁ und P₂ mit den dazu gehörigen Empfangsspulen ET₁ und ET₂ vorsieht. So befindet sich zwischen den Reihen R₁ und R₂ der ersten Permanentmagnetanordnung P₁ die Reihe R₄ der zweiten Permanentmagnetanordnung P₂, gemäß der in 1a illustrierten und beschriebenen Ausbildung. Unmittelbar rechts neben der Reihe R₂ schließt sich die Reihe R₃ der Permanentmagnetanordnung P₂ an. Die zu den Permanentmagnetanordnungen P₁ und P₂ zugehörigen Empfangsspulen ET₁ und ET₂ sind gleichsam verschachtelt bzw. überlappend angeordnet und ausgebildet, so dass ihre zugehörigen Leiterabschnitte L₁ bis L₄ zu den jeweiligen Reihen R₁ bis R₄ zugeordnet sind.
Auch in diesem Fall werden die Anschlüsse E1, E2 der Empfangsspulen ET₁ und ET₂ an den invertierenden bzw. nicht-invertierenden Anschluss eines Differenzverstärkers angeschlossen. Die beiden übrigen Anschlüsse werden auf gleiches Potenzial, dem Massepotential gelegt.
Die in 1b illustrierte Ausführungsform weist gegenüber der in 1a gezeigten Ausführungsform Vorteile auf, so beispielsweise der räumlich kompaktere Aufbau und insbesondere die weitgehende Überlappung der Empfangsspulen ET₁ und ET₂, durch die lokal begrenzte Störsignale in beiden Empfangsspulen ET₁ und ET₂ annähernd mit gleicher Amplitude und Phase empfangen werden können. Hinzu kommt, dass die Grundempfindlichkeit durch eine mögliche Zusammenfassung der Permanentmagnetkörper in den Reihen R₄ und R₂ verbessert werden kann, zumal besonders bei kleinen Magnetabmessungen die magnetische Feldstärke sehr stark mit dem Magnetvolumen zunimmt und die Empfangsamplitude direkt proportional zur magnetischen Feldstärke ist. In diesem Fall ist die strichliert eingetragene Trennlinie wegzudenken. Wichtig für die Ausführung gemäß der in 1b gezeigten Ausführungsform ist jedoch, dass sowohl beide Empfangsspulen ET₁ und ET₂ in Form, Ausführung und Wickelsinn sowie die periodische Magnetanordnung für beide Permanentmagnetanordnungen P₁ und P₂ identisch bzw. symmetrisch aufgebaut sind.
Bezugszeichenliste

1: Permanentmagnete
R₁, R₂, R₃, R₄: Reihen
M: Magnetisierungseinheit
T₁, T₂: Teilspulen,
L₁, L₂, L₃, L₄: Leiterabschnitte
HF: HF-Spulenanordnung
ET₁, ET₂: Empfangsspulen
P1, P2: Permanentmagnetanordnung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4223470 C2 [0006]
DE 19543481 C2 [0007]

Claims

Elektromagnetischer Ultraschallwandler, insbesondere zum Empfangen von linear polarisierten horizontalen Scherwellen, so genannten SH-Ultraschallwellen, aus einem elektrisch leitfähigen Werkstück, mit einer Magnetisierungseinheit, die eine dem Werkstück zugewandte Seite vorsieht, längs der in wenigstens zwei mittel- oder unmittelbar nebeneinander angeordneten Reihen jeweils eine Anzahl n Permanentmagnete derart angebracht ist, dass sich die der Seite zugewandten und den Permanentmagneten zuordenbaren magnetischen Polaritäten längs einer Reihe periodisch mit einer Periodenlänge abwechseln, die einer Spurwellenlänge λ_S entspricht, und einer HF-Spulenanordnung mit jeweils längs der wenigstens zwei Reihen zuordenbaren, zueinander parallel verlaufenden Leiterabschnitten, die einander in entgegengesetzter Richtung von Strom durchsetzbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass längs wenigstens zweier weiterer mittel- oder unmittelbar nebeneinander angeordneten Reihen jeweils eine Anzahl m Permanentmagnete derart angebracht ist, dass sich die der Seite zugewandten und den weiteren Permanentmagneten zuordenbaren magnetischen Polaritäten längs einer Reihe periodisch mit einer der Spurwellenlänge λ_S entsprechenden Periodenlänge abwechseln, und dass jeweils längs der wenigstens zwei weiteren Reihen zueinander parallel verlaufende Leiterabschnitte einer weiteren HF-Spulenanordnung angeordnet sind, die einander in entgegengesetzter Richtung von Strom durchsetzbar sind, und dass die m Permanentmagnete relativ zu den n Permanentmagneten um eine halbe Spurwellenlänge λ_S versetzt angeordnet sind.
Elektromagnetischer Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in jeweils zwei Reihen angeordneten n und m Permanentmagnete jeweils in Form und Größe identisch ausgebildet sind.
Elektromagnetischer Ultraschallwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Reihen der jeweils n Permanentmagnete unmittelbar nebeneinander angeordnet sind, und dass die zwei Reihen der jeweils m Permanentmagnete unmittelbar nebeneinander angeordnet sind und unmittelbar an einer der zwei Reihen der jeweils n Permanentmagnete angrenzen.
Elektromagnetischer Ultraschallwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils zwei Reihen der n und m Permanentmagnete jeweils verschachtelt, d. h. mit abwechselnder Reihenabfolge, jeweils unmittelbar aneinander angrenzend angeordnet sind.
Elektromagnetischer Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die den n und m Permanentmagneten zuordenbaren HF-Spulenanordnungen jeweils wenigstens eine durchgängige Spulenwicklung mit den jeweils zwei parallel zueinander verlaufenden Leiterabschnitten vorsehen und jeweils in Form, Wicklungsanzahl und Wicklungssinn identisch ausgebildet sind, und dass n gleich m ist.
Elektromagnetischer Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Differenzverstärker mit einem invertierenden und einem nicht invertierenden Anschluss vorgesehen ist, dass die HF-Spulenanordnungen über jeweils zwei Leitungsanschlüsse verfügen, dass ein Leitungsanschluss der einen HF-Spulenanordnung an den invertierenden und ein Leitungsanschluss der anderen HF-Spulenanordnung an den nicht-invertierenden Anschluss angeschlossen sind, und dass die jeweils anderen Leitungsanschlüsse beider HF-Spulenanordnungen miteinander verbunden sind oder auf gleichem elektrischem Potenzial liegen.
Elektromagnetischer Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die HF-Spulenanordnungen über jeweils zwei Leitungsanschlüsse verfügen, dass ein Leitungsanschluss der einen HF-Spulenanordnung und ein Leitungsanschluss der anderen HF-Spulenanordnung an einen AD-Wandler angeschlossen sind, der mit einer Numerischen Auswerteeinheit angeschlossen ist, die die Signalanteile beider Leitungsanschlüsse jeweils invers addiert, und dass die jeweils anderen Leitungsanschlüsse beider HF-Spulenanordnungen miteinander verbunden sind oder auf gleichem elektrischem Potenzial liegen.
Elektromagnetischer Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallwandler als Ultraschallempfänger dient und die HF-Spulenanordnungen jeweils Empfangsspulen darstellen, deren parallel zueinander ausgerichteten Leiterabschnitten in Schallausbreitungsrichtung orientiert sind.