DE102013008570B4 - Verfahren für den Betrieb eines elektromagnetischen Ultraschallwandlers - Google Patents

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Abstract

Verfahren für den Betrieb eines elektromagnetischen Ultraschallwandlers, kurz EMUS-Wandler (1), der zur koppelmittelfreien Anregung von über wenigstens eine erste Spurwellenlänge (λS) verfügenden Ultraschallwellen innerhalb eines elektrisch leitendes Material aufweisenden Prüfkörpers (3) über eine Vielzahl HF-Spulensegmente (4) verfügt, die längs zumindest einer Raumrichtung (x) mit einem einheitlichen Abstand angeordnet sind und mit elektrischen Strömen separat angesteuert werden, dadurch gekennzeichnet, dass die HF-Spulensegmente (4) zur koppelmittelfreien Anregung der über die erste Spurwellenlänge (λS) verfügenden Ultraschallwellen in einzelne erste Gruppen unterteilt werden, von denen jede erste Gruppe eine erste Anzahl von längs der Raumrichtung (x) benachbarten HF-Spulensegmenten (4) umfasst, dass die in einer ersten Gruppe zusammengefassten HF-Spulensegmente (4) jeweils mit einheitlich orientierten elektrischen Strömen beaufschlagt werden, dass die HF-Spulensegmente (4) von jeweils längs der Raumrichtung (x) unmittelbar benachbarten ersten Gruppen mit zueinander entgegengesetzt orientierten elektrischen Strömen beaufschlagt werden, so dass von jeweils zwei benachbarten ersten Gruppen Ultraschallwellen mit der ersten Spurwellenlänge (λS) ausgehen, und dass die HF-Spulensegmente (4) zur koppelmittelfreien Anregung von über eine zweite Spurwellenlänge (λS) verfügenden Ultraschallwellen innerhalb des Prüfkörpers (3) in einzelne zweite Gruppen unterteilt werden, von denen jede zweite Gruppe eine zweite Anzahl von längs der Raumrichtung (x) benachbarten HF-Spulensegmenten (4) umfasst, dass die in einer zweiten Gruppe zusammengefassten HF-Spulensegmente (4) jeweils mit einheitlich orientierten elektrischen Strömen beaufschlagt werden, dass die HF-Spulensegmente (4) von jeweils längs der Raumrichtung (x) unmittelbar benachbarten zweiten Gruppen mit zueinander entgegengesetzt orientierten elektrischen Strömen beaufschlagt werden, so dass von jeweils zwei benachbarten zweiten Gruppen Ultraschallwellen mit der zweiten Spurwellenlänge (λS) ausgehen, und dass sich die erste und zweite Spurwellenlänge (λS) sowie die erste und zweite Anzahl von HF-Spulensegmenten (4) voneinander unterscheiden.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren für den Betrieb eines elektromagnetischen Ultraschallwandlers, kurz EMUS-Wandlers, der zur koppelmittelfreien Anregung von über wenigstens eine erste Spurwellenlänge verfügenden Ultraschallwellen innerhalb eines elektrisch leitendes Material aufweisenden Prüfkörpers über eine Vielzahl HF-Spulensegmente verfügt, die längs zumindest einer Raumrichtung mit einem einheitlichen Abstand angeordnet sind und mit elektrischen Strömen separat angesteuert werden.
  • Stand der Technik
  • Zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung können so genannte geführte Ultraschallwellenmoden genutzt werden. Diese geführten Wellenmoden haben die Eigenschaft, dass sie sich über größere Distanzen mit einer geringen Dämpfung bzw. Schwächung ausbreiten können.
  • Geführte Wellenmoden bilden sich immer dann aus, wenn durch die räumliche Begrenzung des Prüfkörpers nicht mehr von einem unendlich ausgedehnten Volumenkörper gesprochen werden kann. Hierzu zählt z. B. schon eine frei Oberfläche an der sich Oberflächenwellen, auch unter dem Begriff Rayleigh Wellen bekannt, ausbreiten können.
  • Reduziert sich das Prüfkörpervolumen weiter zu einer Platte oder einem Stab mit einer Dicke bzw. einem Durchmesser in der Größenordnung der Ultraschallwellenlängen, so können bei geeigneter Wahl des Arbeitspunktes, d. h. bei aufeinander abgestimmter Wahl von Anregungsfrequenz und Spurwellenlänge der Ultraschallwellen sowie Prüfkörpergeometrie, Plattenwellenmoden oder Stabwellenmoden angeregt werden. In Platten spricht man dann von Lambwellenmoden und geführten SH-Wellenmoden und in Stäben von longitudinalen Stabwellenmoden, Torsionswellenmoden und Biegewellenmoden. In Rohren erhält man ganz ähnlich Moden wie in Platten, da sich die Rohrwand als aufgerollte Platte vorgestellt werden kann.
  • Alle geführten Wellenmoden, mit Ausnahme der niedrigsten, geführten SH-Wellenmode SS0 sowie der Rayleighwelle, unterliegen der Eigenschaft der Dispersion. Dies bedeutet, dass sowohl die Phasen- als auch die Gruppengeschwindigkeit vom Produkt f × d abhängig sind, wobei f die Arbeitsfrequenz, mit der Ultraschallwellen angeregt werden, und d die Plattendicke bzw. der Stabdurchmesser des jeweiligen Prüfkörpers betreffen.
  • Zur Anregung und zum Abgriff von geführten Ultraschallwellenmoden können in vorteilhafter Weise elektromagnetische Ultraschallprüfköpfe, kurz EMUS-Prüfköpfe verwendet werden. Diese Art der Ultraschallwandlung zeichnet sich im Allgemeinen dadurch aus, dass ohne Koppelmittel, also berührungsfrei gearbeitet werden kann und damit der Oberflächenkontakt und auch die Oberflächenbeschaffenheit sich nicht oder nur sehr geringfügig auf die Messergebnisse auswirken.
  • EMUS-Prüfköpfe, die in Form so genannter Gruppenstrahlprüfköpfe ausgebildet sind, bestehen aus einer Vielzahl einzeln ansteuerbarer, Ultraschallwellen erzeugender Ultraschallwellenwandlersegmente, von denen jedes Ultraschallwellenwandlersegment zumindest ein HF-Spulensegment vorsieht, das zur Erzeugung von Wirbelströmen innerhalb des Prüfkörpers mit elektrischen Strömen beaufschlagbar ist. Je nach Ausbildung des EMUS-Prüfkopfes ist pro Ultraschallwandlersegment eine elektrische oder permanente Magneteinheit angebracht oder eine entsprechend ausgebildete Magneteinheit für sämtliche Ultraschallwandlersegmente vorgesehen, durch die die im Prüfkörper einkoppelbaren elektrischen Wirbelströme mit einem Magnetfeld in Überlagerung treten. Hierdurch werden je nach magnetischen Eigenschaften des elektrisch leitenden Prüfkörpers auf das Atom-Gitter des Prüfkörpers elastisch verformend wirkende Kräfte erzeugt, die in Form der Lorentz-Kraft und/oder auf der Grundlage des magnetostriktiven Effektes in Erscheinung treten und die Ultraschallwellen direkt im Prüfkörper zu erzeugen in der Lage sind.
  • Die HF-Spulensegmente werden typischerweise mit einem Tonfrequenzburst mit sich veränderndem Strom und einer je nach Größe der HF-Spulensegmente angepaßten Burstlänge betrieben. Neben der Wahl der so genannten Arbeitsfrequenz, die durch eine entsprechende Einstellung am Frequenzbrustgenerator vorgebbar ist, lässt sich die Ultraschallwellenlänge durch die geometrische Anordnung und Ausbildung der HF-Spulensegmente vorgeben, nämlich durch den Abstand zwischen zwei mit derselben Stromrichtung stromdurchflossenen Spulenleiterabschnitten zweier nebeneinanderliegender HF-Spulensegmente. Dieser von der HF-Spulensegmentanordnung und -ausbildung herrührende Abstand wird auch als Spurwellenlänge λs bezeichnet.
  • Durch die separate Vorgabe von Arbeitsfrequenz und Spurwellenlänge von innerhalb des Prüfkörpers erzeugbaren Ultraschallwellen eröffnet sich die Möglichkeit einen wohl definierten Arbeitspunkt im Dispersionsdiagramm einzustellen und somit selektiv einen bestimmten, ausgewählten Ultraschallwellen-Mode anzuregen. So können die Arbeitsfrequenz und die Spurwellenlänge so gewählt werden, dass ein Ultraschallwellen-Mode angeregt wird, der bei einer gegebenen Prüfkörpergeometrie und gegebenen Materialeigenschaften besonders dispersionsarm ist.
  • Die Spurwellenlänge wird durch den konstruktiven Aufbau der Ultraschallwandler konstruktiv vorgegeben und wird üblicherweise an die Geometrie des zu untersuchenden Prüfkörpers angepasst, beispielsweise bei einem stabförmigen Körper an dessen Durchmesser. Ferner ist der Grad der Dispersion einer Ultraschallwelle in einem Körper abhängig von der Geometrie des Körpers, insbesondere von dessen Durchmesser bei stabförmigen oder von dessen Wanddicke bei plattenförmigen Körpern. Das bedeutet, dass bei einem ersten Prüfkörper mit einem ersten Durchmesser eine erste Kombination von Arbeitsfrequenz und einer Spurwellenlänge zu einer besonderes dispersionsarmen Ultraschallwelle führt, während bei einem zweiten Prüfkörper mit einem zweiten Durchmesser eine zweite Kombination aus Arbeitsfrequenz und Wellenlänge zu einer besonderes dispersionsarmen Ultraschallwelle führt.
  • Sollen für eine Prüfaufgabe mehrere unterschiedliche Spurwellenlängen erzeugt werden, so wird üblicherweise ein Austausch der EMUS-Prüfköpfe vorgenommen, die jeweils über eine unterschiedliche Anordnung und Ausbildung von HF-Spulensegmenten besitzen. Hierdurch entstehen zusätzliche Einrichtarbeiten, die eine erneute exakte Positionierung des EMUS-Prüfkopfes gegenüber dem zu untersuchenden Prüfkörper erfordern, insbesondere in den Fällen, in denen exakte Laufzeitmessungen vorgenommen werden.
  • Zur Vermeidung der Bevorratung von unterschiedlich ausgebildeten EMUS-Prüfköpfen, die Ultraschallwellen mit jeweils einer unterschiedlichen Spurwellenlänge erzeugen vermögen, wird in dem Beitrag von Jens Prager und Karsten Hoever, „Untersuchung zur Anregung geführter Wellen in Platten mittels Gruppenstrahlertechnik”, Poster 41, DGZfP-Jahrestagung 2010, vorgeschlagen, einen Gruppenstrahlerprüfkopf über einen Vorsatzkeil an die Oberfläche eines Prüfkörpers aufzusetzen, wobei die einzelnen Ultraschallwellenwandlersegmente des Gruppenstrahlerprüfkopfes mit entsprechenden Verzögerungszeiten aktiviert werden, um auf diese Weise einen veränderlichen Einfallswinkel zu erzeugen, unter dem die Ultraschallwellenfront durch den Vorratskeil auf die Prüfkörperoberfläche trifft. Unterschiedliche Spurwellenlängen können so durch unterschiedliche Wahl der Verzögerungszeiten zur Ansteuerung der einzelnen Ultraschallwandlersegmente und einer hierdurch bedingten Änderung des Einfallswinkels hervorgerufen werden.
  • Aus der Druckschrift DE 10 2008 061 849 A1 sind ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Prüfung eines stab- oder bandförmigen, elektrisch leitfähigen Körpers zu entnehmen. Hierbei werden wenigstens zwei Erzeugerwicklungen um den zu prüfenden länglichen Körper in Ausbreitungsrichtung der Ultraschallwellen hintereinander angeordnet, die über eine Ansteuerelektronik derart aktiviert werden, so dass sich durch konstruktive Interferenz lediglich jene Ultraschallwellen überlagern, deren Frequenz und Wellenlänge bestimmt vorgegeben sind. Der Aufbau sowie die Ansteuerung der für die Erzeugung ausbreitungsfähiger Ultraschallwellen erscheint aufwendig und ist lediglich auf die Untersuchung stab- oder bandförmiger Prüfkörper beschränkt.
  • Aus DE 26 55 804 A1 ist ein elektrodynamischer Ultraschallwandler für die Prüfung von Metallkörpern bekannt, bei dem Sender- und Empfängerwandler bei der Schallfrequenz auf Resonanz dadurch abgestimmt werden, dass die Reaktanz LS des Sendewandlers und die Reaktanz LE des Empfangswandlers durch Zuschalten von Kapazitäten kompensiert werden.
  • Die DE 33 31 727 A1 zeigt einen elektromagnetischen Wandler für die koppelmittelfreie Prüfung metallischer Werkstücke in Gestalt eines oder mehrerer Segmente mit mehreren, parallel zueinander verlaufenden Leiterbahnen, bei dem für eine Wellenlängenspektroskopie der empfangenen Ultraschallwellen für das oder die Segmente Frequenzen und Wellenlängen in einer Matrix-Verknüpfung mit kurzer Taktfolge vorgebbar sind, wobei die Leiterbahnen derart durch Ansteuerung mittels Schaltelementen verbindbare Windungsteile aufweisen, dass sich je Frequenz in mehreren Schaltzuständen Wellenlängen im Verhältnis kleiner, ganzer, teilerfremder Zahlen ergeben.
  • Darstellung der Erfindung
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren für den Betrieb eines elektromagnetischen Ultraschallwandlers, kurz EMUS-Wandlers, der zur koppelmittelfreien Anregung von über wenigstens eine erste Spurwellenlänge verfügenden Ultraschallwellen in einem elektrisch leitendes Material aufweisenden Prüfkörper über eine Vielzahl HF-Spulensegmente verfügt, die längs zumindest einer Raumrichtung mit einem einheitlichen Abstand angeordnet sind und mit elektrischen Strömen separat angesteuert werden, derart weiterzubilden, so dass ohne aufwendigen aparativen sowie auch verfahrenstechnischen Aufwand die Möglichkeit geschaffen wird, mit demselben EMUS-Wandler Ultraschallwellen wenigstens einer zweiten Spurwellenlänge, vorzugsweise beliebig vieler Spurwellenlängen zu erzeugen.
  • Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Das lösungsgemäße Verfahren in vorteilhafter Weise weiterbildende Merkmale sind in den Unteransprüchen sowie der weiteren Beschreibung insbesondere unter Bezugnahme auf ein Ausführungsbeispiel zu entnehmen.
  • Zur Realisierung des lösungsgemäßen Verfahrens eignet sich ein an sich bekannter EMUS-Wandler, bspw. in Form eines Gruppenstrahlprüfkopfes, der eine Vielzahl längs wenigstens einer Raumrichtung mit einheitlichem Abstand zueinander angeordnete HF-Spulensegmente besitzt, die separat mit elektrischen Strömen beaufschlagt werden können. Ein Beispiel eines derartigen bekannten EMUS-Wandlers ist in der DE 35 11 768 A1 erläutert. Der bekannte EMUS-Wandler besitzt eine arrayförmige Anordnung einzelner Basiselemente, von denen einige längs einer Raumrichtung mit einheitlichem Abstand zueinander angeordnet sind. Jedes der Basiselemente besteht aus einem magnetischen oder magnetisierbaren Stabelement, um das jeweils wenigstens eine HF-Spule gewickelt ist, die jeweils separat mit Hilfe eines Burstgenerators mit elektrischem Strom beaufschlagbar ist.
  • Das lösungsgemäße Verfahren sieht nun zur koppelmittelfreien Einkopplung von Ultraschallwellen innerhalb eines elektrisch leitenden Material aufweisenden Prüfkörpers mit variabler Spurwellenlänge eine Segmentierung bzw. Unterteilung der längs einer Raumrichtung angeordneten HF-Spulensegmente in einzelne Gruppen vor, von denen jede Gruppe eine bestimmte jeweils gleiche Anzahl von längs der Raumrichtung benachbarten HF-Spulenelemente umfasst. Soll bspw. eine bestimmte erste Spurwellenlänge mit Hilfe des elektromagnetischen Ultraschallwandlers erzeugt werden, so werden die längs der Raumrichtung angeordneten HF-Spulensegmente in jeweils erste Gruppen unterteilt, in denen jede erste Gruppe eine erste Anzahl von längs der Raumrichtung unmittelbar benachbarten HF-Spulensegmente umfasst. Zur Erzeugung von Ultraschallwellen mit der ersten Spurwellenlänge werden die in einer ersten Gruppe zusammengefassten HF-Spulensegmente jeweils mit einheitlich orientierten elektrischen Strömen beaufschlagt, wobei die HF-Spulensegmente von jeweils längs der Raumrichtung unmittelbar benachbarten ersten Gruppen mit zueinander entgegengesetzt orientierten elektrischen Strömen beaufschlagt werden, so dass von jeweils zwei benachbarten ersten Gruppen Ultraschallwellen mit der ersten Spurwellenlängen ausgehen.
  • Ohne Änderung der geometrischen Anordnung der HF-Spulensegmente werden diese zur koppelmittelfreien Anregung von über eine zweite Spurwellenlänge verfügenden Ultraschallwellen innerhalb des Prüfkörpers in einzelne zweite Gruppen unterteilt, von denen jede zweite Gruppe eine zweite Anzahl, die ungleich der ersten Anzahl ist, von längs der Raumrichtung benachbarten HF-Spulensegmente umfasst. Alle in einer zweiten Gruppe zusammengefassten HF-Spulensegmente werden gleichsam, wie im vorstehend beschriebenen Fall, jeweils mit einheitlich orientierten elektrischen Strömen beaufschlagt, wobei die HF-Spulensegmente von jeweils längs der Raumrichtung unmittelbar benachbarten zweiten Gruppen mit zueinander entgegengesetzt orientierten elektrischen Strömen beaufschlagt werden, so dass in diesem Fall von jeweils zwei benachbarten zweiten Gruppen Ultraschallwellen mit der zweiten Spurwellenlänge ausgehen. Wesentlich ist, dass sich die erste und zweite Spurwellenlänge sowie auch die erste und zweite Anzahl von HF-Spulensegmenten voneinander unterscheiden.
  • Das lösungsgemäße Verfahren ermöglicht die Erzeugung von Ultraschallwellen mit unterschiedlich groß dimensionierten Spurwellenlängen, deren Längenvarianz grundsätzlich durch die Gesamtanzahl der längs einer Raumrichtung vorgesehenen HF-Spulensegmente sowie deren einheitlicher Abstand zwischen jeweils zwei benachbart angeordneter HF-Spulensegmente bestimmt ist. Ultraschallwellen mit der kleinstmöglichen Spurwellenlänge können mit Hilfe des EMUS-Wandlers erzeugt werden, indem die längs der in der Raumrichtung benachbart zueinander angeordneten HF-Spulensegmente in serieller Abfolge jeweils mit zueinander entgegengesetzt orientierten elektrischen Strömen beaufschlagt werden. In diesem Fall umfasst jede einzelne Gruppe der in jeweils erste Gruppen unterteilte HF-Spulensegmente ein einziges HF-Spulensegment.
  • Zur Erzeugung von Ultraschallwellen mit einer zweiten Spurwellenlänge, die sich von der ersten Spurwellenlänge geringst möglich unterscheidet, werden die längs der Raumrichtung angeordneten HF-Spulensegmente in ihrer räumlichen Abfolge jeweils paarweise zusammengefasst, so dass zwei in unmittelbarer Abfolge benachbarte HF-Spulensegment mit einheitlich orientierten elektrischen Strömen beaufschlagt werden, wobei längs der Raumrichtung benachbarte HF-Spulensegment-Paare mit zueinander entgegengesetzt orientierten elektrischen Strömen beaufschlagt werden. In diesem Fall werden Ultraschallwellen mit einer zweiten Spurwellenlänge erzeugt, die dem Abstand zweier HF-Spulensegment-Paare entspricht, die jeweils mit einheitlich orientierten elektrischen Strömen beaufschlagt werden. Die Spurwellenlänge entspricht in diesem Fall dem Abstand zwischen der geometrischen Mitte eines HF-Spulensegment-Paares und der geometrischen Mitte des in der Raumrichtung abfolgenden übernächsten HF-Spulensegment-Paares.
  • Die lösungsgemäße elektrische Verschaltung aller HF-Spulensegmente zur Erzeugung von Ultraschallwellen mit jeweils unterschiedlichen Spurwellenlängen richtet sich demzufolge nach der Anzahl n der in jeweils einer Gruppe zusammengefassten HF-Spulensegmenten. Durch die geometrische Gegebenheit der längs der einen Raumrichtung mit jeweils äquidistanten Abständen angeordneten HF-Spulensegmente lassen sich mit dem lösungsgemäßen Verfahren Spurwellenlängen λS mit einer Längenrasterung erzeugen, die dem nachstehenden Zusammenhang entspricht: λS = 2·n·Δx, wobei Δx dem einheitlichen Abstand zwischen zwei unmittelbar nebeneinander in der Raumrichtung benachbart angeordneten HF-Spulensegmenten entspricht und n die Anzahl der pro Gruppe zugeteilten HF-Spulensegmente.
  • Das lösungsgemäße Verfahren unterscheidet sich ausdrücklich von der an sich bekannten Betriebsweise gattungsgemäßer EMUS-Wandler, die auf der Grundlage der sog. Phased-Array-Technik beruht, bei der sämtliche HF-Spulensegmente zu Zwecken eines räumlichen Schwenkens der Einschallrichtung eines in den Prüfkörper abgeschalteten Ultraschallwellenfeldes, mit phasenverzögerter Amplitudenbelegung aktiviert werden. Im Gegensatz dazu besteht die lösungsgemäße Grundidee zum Betreiben eines EMUS-Wandlers mit variabler Spurwellenlänge darin, die HF-Spulensegmente zu segmentieren und über einfaches elektrisches Verschalten derart zusammenzuschließen, dass eine räumliche Krafteinprägung im Prüfkörper mit unterschiedlich groß dimensionierter Spurwellenlänge möglich wird. Hierzu werden in einer bevorzugten Betriebsweise sämtliche vorhandenen HF-Spulensegmente gleichzeitig mit elektrischen Strömen beaufschlagt, wobei das lösungsgemäße Kriterium der simultanen Bestromung sämtlicher HF-Spulensegmente in der räumlichen Verteilung der elektrischen Stromrichtungen zu sehen ist.
  • Selbstverständlich ist es jedoch auch möglich das Prinzip der Phased-Array-Technik auf die lösungsgemäße Betriebsweise eines EMUS-Wandlers anzuwenden. Hierbei werden die jeweils in gleiche Gruppen unterteilten HF-Spulensegmente mittels Phased-Array-Technik derart betrieben, so dass alle jeweils zu einer Gruppe zusammengefassten HF-Spulensegmente simultan und jeweils die HF-Spulensegmente, die unterschiedlichen Gruppen angehören, jeweils phasenverschoben mit elektrischen Strömen beaufschlagt werden. Auf diese Weise können Ultraschallwellenfelder mit unterschiedlichen Einschallrichtungen in den Prüfkörper abgeschallt werden, wobei je nach Wahl der Gruppierung der HF-Spulensegmente unterschiedliche Spurwellenlängen eingestellt werden können, ohne dabei die geometrische Anordnung des EMUS-Wandlers verändern zu müssen.
  • 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, c schematischer EMUS-Wandleraufbau mit Permanentmagnetisierung und Spulenträger auf ferromagnetischer Kammstruktur, dargestellt mit jeweils unterschiedlicher elektrischer Verschaltung.
  • Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit Die 1a bis c zeigen jeweils in schematischer Darstellung einen EMUS-Wandler 1, der über einen Permanentmagnet 2 verfügt, der körperlich mit einer ferromagnetischen Kammstruktur 21 verbunden ist, die eine durch die Magnetisierung des Permanentmagneten 2 vorgegebene Magnetisierung annimmt. Die einzelnen Kammelemente 22 sind steg- oder säulenartig ausgebildet und längs der als x-Richtung bezeichneten Raumrichtung mit einem äquidistanten Abstand Δx zueinander angeordnet. Hierbei bemisst sich Δx als Abstand zwischen zwei in der Raumrichtung x unmittelbar aufeinander folgenden Kammelementmitten, wie dies aus 1a zu entnehmen ist.
  • Die einseitig frei endenden Stirnseiten der Kammelemente 22 bilden eine gemeinsame Ebene E, die der Auflageebene des EMUS-Wandlers 1 entspricht, an der der EMUS-Wandler 1 an der Oberfläche 3' eines Prüfkörpers 3 aufgelegt wird. Durch den unmittelbaren Kontakt der vormagnetisierten Kammstruktur 21 über die stirnseitigen Enden der Kammelemente 22 mit der Oberfläche des Prüfkörpers 3 treten an den stirnseitigen Kontaktflächen Magnetfeldlinien, nicht dargestellt, senkrecht in den bzw. aus dem aus elektrisch leitendem Material bestehenden Prüfkörpers 3 ein bzw. aus.
  • Zusätzlich ist jedes Kammelement 22 mit einem HF-Spulensegment 4 umwickelt, das jeweils separat mit einer nicht dargestellten Stromquelle verbunden sind.
  • Durch die separate Verschaltung jedes einzelnen HF-Spulensegmentes 4 mit einer Stromquelle, vorzugsweise in Form eines Burstgenerators, ist es möglich die Bestromung jedes einzelnen HF-Spulensegments 4 separat vorzunehmen. Im Falle des in 1a dargestellten EMUS-Wandlers 1 werden die HF-Spulensegmente 4 zweier in der Raumrichtung x unmittelbar benachbarter Kammelemente 22 mit jeweils entgegengesetzt orientierten Stromrichtungen, siehe Pfeilrichtungen längs der Spulendrähte der HF-Spulensegmente 4, beaufschlagt. So wird das erste HF-Spulensegment 4 von links in 1a mit einer entgegengesetzt zum Uhrzeigersinn orientierten Stromrichtung und das zweite HF-Spulensegment von links mit einer im Uhrzeigersinn orientierten Stromrichtung beaufschlagt, usw.
  • Auf diese Weise erfährt der Prüfkörper 4 längs der räumlichen Abfolge x der an der Prüfkörperoberfläche 3' aufsitzenden Kammelemente 22 eine alternierende Krafteinprägung F, die durch die Pfeildarstellung innerhalb des Prüfkörpers 1 illustriert ist und durch die die Spurwellenlänge λS der innerhalb des Prüfkörpers 1 erzeugten Ultraschallwellen festgelegt ist.
  • Im Falle der in 1a illustrierten Betriebsweise des EMUS-Wandlers sind die HF-Spulensegmente 4 jeweils in erste Gruppen unterteilt, wobei jede erste Gruppe ein einziges HF-Spulenelement 4 umfasst. Im Unterschied dazu zeigt 1b eine Betriebsweise des ansonsten unveränderten EMUS-Wandlers, bei der die HF-Spulensegmente 4 in zweite Gruppen G2 unterteilt sind, die jeweils zwei HF-Spulensegmente 4 umfassen. Die HF-Spulensegmente 4 innerhalb der zweiten Gruppe G2 werden jeweils mit gleich orientierten elektrischen Strömen beaufschlagt, wohingegen die HF-Spulenelemente 4 in zwei in x-Richtung unmittelbar benachbarten Gruppen G2 jeweils mit entgegengesetzt orientierten Stromrichtungen beaufschlagt werden. Dies führt zur Einschallung von Ultraschallwellen in den Prüfkörper 1 mit einer Spurwellenlänge λS, die doppelt so groß ist, wie die Spurwellenlänge λS, die mit Hilfe der Betriebsweise gemäß 1a erzeugt worden ist.
  • Schließlich ist in 1c eine Unterteilung der HF-Spulensegmente in dritte Gruppen G3 illustriert, von denen jede dritte Gruppe G3 jeweils drei in x-Richtung unmittelbar benachbarte HF-Spulensegmente 4 umfasst, die jeweils mit einheitlich orientiertem elektrischen Strom beaufschlagt werden. Die mit dieser Betriebsweise erzeugbaren Ultraschallwellen innerhalb des Prüfkörpers 1 weisen eine Spurwellenlänge λS auf, die gegenüber der Betriebsweise gemäß 1a die dreifache Länge aufweist.
  • Mit der lösungsgemäßen Betriebsweise ist es möglich Ultraschallwellen mit Spurwellenlängen λS zu erzeugen, deren Größe mit dem Faktor n skalierbar ist, der die Anzahl der pro Gruppe enthaltenen HF-Spulensegmente angibt. Grundsätzlich lässt sich die Spurwellenlänge λS in der vorstehenden Weise beliebig skalieren und dies durch einfache elektrische Verschaltung der HF-Spulensegmente mit einer entsprechenden Stromquelle. Je kleiner der Abstand Δx gewählt wird, umso kontinuierlicher und feiner abgestimmt kann die Einstellung der Spurwellenlänge vorgenommen werden
  • Eine Änderung der Spurwellenlänge λS am gleichen Prüfkörper 1 ist stets auch mit einer Änderung der Arbeitsfrequenz verbunden. Aus Gründen einer günstigen elektrischen Impedanzanpassung der einzelnen HF-Spulensegmente an eine die HF-Spulenelemente mit elektrischem Strom versorgende Stromquelle kann es überdies vorteilhaft sein, die einzelnen HF-Spulensegmente teilweise in Reihe oder teilweise parallel zusammenzuschalten. Auch sind Fälle denkbar, bei denen einzelne Spulensegmente komplett stromlos geschaltet werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    EMUS-Wandler
    2
    Permanentmagnet
    21
    Kammstruktur
    22
    Kammelement
    3
    Prüfkörper
    3'
    Prüfkörperoberfläche
    4
    HF-Spulensegment

Claims (5)

  1. Verfahren für den Betrieb eines elektromagnetischen Ultraschallwandlers, kurz EMUS-Wandler (1), der zur koppelmittelfreien Anregung von über wenigstens eine erste Spurwellenlänge (λS) verfügenden Ultraschallwellen innerhalb eines elektrisch leitendes Material aufweisenden Prüfkörpers (3) über eine Vielzahl HF-Spulensegmente (4) verfügt, die längs zumindest einer Raumrichtung (x) mit einem einheitlichen Abstand angeordnet sind und mit elektrischen Strömen separat angesteuert werden, dadurch gekennzeichnet, dass die HF-Spulensegmente (4) zur koppelmittelfreien Anregung der über die erste Spurwellenlänge (λS) verfügenden Ultraschallwellen in einzelne erste Gruppen unterteilt werden, von denen jede erste Gruppe eine erste Anzahl von längs der Raumrichtung (x) benachbarten HF-Spulensegmenten (4) umfasst, dass die in einer ersten Gruppe zusammengefassten HF-Spulensegmente (4) jeweils mit einheitlich orientierten elektrischen Strömen beaufschlagt werden, dass die HF-Spulensegmente (4) von jeweils längs der Raumrichtung (x) unmittelbar benachbarten ersten Gruppen mit zueinander entgegengesetzt orientierten elektrischen Strömen beaufschlagt werden, so dass von jeweils zwei benachbarten ersten Gruppen Ultraschallwellen mit der ersten Spurwellenlänge (λS) ausgehen, und dass die HF-Spulensegmente (4) zur koppelmittelfreien Anregung von über eine zweite Spurwellenlänge (λS) verfügenden Ultraschallwellen innerhalb des Prüfkörpers (3) in einzelne zweite Gruppen unterteilt werden, von denen jede zweite Gruppe eine zweite Anzahl von längs der Raumrichtung (x) benachbarten HF-Spulensegmenten (4) umfasst, dass die in einer zweiten Gruppe zusammengefassten HF-Spulensegmente (4) jeweils mit einheitlich orientierten elektrischen Strömen beaufschlagt werden, dass die HF-Spulensegmente (4) von jeweils längs der Raumrichtung (x) unmittelbar benachbarten zweiten Gruppen mit zueinander entgegengesetzt orientierten elektrischen Strömen beaufschlagt werden, so dass von jeweils zwei benachbarten zweiten Gruppen Ultraschallwellen mit der zweiten Spurwellenlänge (λS) ausgehen, und dass sich die erste und zweite Spurwellenlänge (λS) sowie die erste und zweite Anzahl von HF-Spulensegmenten (4) voneinander unterscheiden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl wenigstens vier HF-Spulensegmente (4) umfasst, und dass die HF-Spulensegmente (4) identisch ausgebildet sind.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wahl der ersten und zweiten Anzahl von in erste und zweite Gruppen zusammengefassten HF-Spulensegmenten (4) ausschließlich durch eine elektrische Verschaltung der HF-Spulensegmente (4) mit einer Stromquelle vorgenommen wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die in die jeweils ersten oder zweiten Gruppen unterteilten HF-Spulensegmente (4) mittels Phased-Array-Technik betrieben werden, indem sämtliche jeweils zu einer Gruppe zusammengefasste HF-Spulensegmente (4) simultan und die HF-Spulensegmente (4) in unterschiedlichen ersten oder zweiten Gruppen jeweils phasenverschoben mit elektrischen Strömen beaufschlagt werden.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallwellen mit Spurwellenlängen λS erzeugt werden, für die gilt: λS = 2·n·Δx, mit n ≥ 1 und n:= Anzahl der jeweils einer Gruppe zugehöriger HF-Spulensegmente, und Δx:= Mitten-Abstand zwischen zwei längs der Raumrichtung benachbarten HF-Spulensegmenten (4).
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