DE102013010824A1

DE102013010824A1 - Apparatus for generating and / or detecting ultrasonic waves in the form of longitudinally polarized bulk waves

Info

Publication number: DE102013010824A1
Application number: DE102013010824.1A
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: 2013-06-28
Filing date: 2013-06-28
Publication date: 2014-12-31

Abstract

Beschrieben wird eine Vorrichtung zum Erzeugen und/oder Nachweisen von Ultraschallwellen in Form von longitudinal polarisierten Volumenwellen innerhalb eines ferromagnetisches Material aufweisenden Prüfobjektes, das über wenigstens eine Prüfobjektoberfläche verfügt, mit einem elektromagnetischen Ultraschallwandler, kurz EMUS-Wandler, der über eine Magnetisierungseinheit zum Erzeugen von senkrecht zur Prüfobjektoberfläche orientierten, in das Prüfobjekt eindringenden Magnetfeldlinien eines stationären oder quasistationären Magnetfeldes (Bo) sowie über wenigstens eine HF-Spulenanordnung verfügt, die derart ausgebildet und angeordnet ist, dass durch Versorgen der HF-Spulenanordnung mit Wechselstrom ein magnetisches Wechselfeld (BHF) erzeugbar oder durch Abgreifen eines HF-Spannungssignals von der HF-Spulenanordnung ein magnetisches Wechselfeld (BHF) nachweisbar ist, dessen Magnetfeldlinien zumindest bereichsweise parallel zu den senkrecht zur Prüfobjektoberfläche orientieren Feldlinien des stationären oder quasistationären Magnetfeldes (Bo) orientiert sind und mit diesen in räumliche Überlagerung innerhalb des Prüfobjektes treten. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die HF-Spulenanordnung wenigstens eine um einen länglichen, ferromagnetischen Spulenkern gewickelte Spulenwicklung aufweist, und dass der längliche, ferromagnetische Spulenkern über eine Sättigungsmagnetisierung von größer oder gleich 1 Tesla verfügt.A device is described for generating and / or detecting ultrasonic waves in the form of longitudinally polarized volume waves within a test object which has ferromagnetic material and has at least one test object surface, with an electromagnetic ultrasonic transducer, EMUS transducer for short, which has a magnetization unit for generating perpendicular Magnetic field lines of a stationary or quasi-stationary magnetic field (Bo) oriented towards the test object surface and penetrating into the test object, as well as at least one HF coil arrangement which is designed and arranged in such a way that an alternating magnetic field (BHF) can be generated or by supplying the HF coil arrangement with alternating current by tapping an HF voltage signal from the HF coil arrangement, an alternating magnetic field (BHF) can be detected, the magnetic field lines of which are at least partially parallel to the field lines oriented perpendicular to the test object surface s are oriented towards a stationary or quasi-stationary magnetic field (Bo) and are spatially superimposed with these within the test object. The invention is characterized in that the RF coil arrangement has at least one coil winding wound around an elongated, ferromagnetic coil core, and that the elongated, ferromagnetic coil core has a saturation magnetization of greater than or equal to 1 Tesla.

Description

Technisches GebietTechnical area

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Erzeugen und/oder Nachweisen von Ultraschallwellen in Form longitudinal polarisierter Volumenwellen innerhalb eines ferromagnetisches Material aufweisenden Prüfobjektes, das über wenigstens eine Prüfobjektoberfläche verfügt, mit einem elektromagnetischen Ultraschallwandler, kurz EMUS-Wandler bezeichnet, der über eine Magnetisierungseinheit zum Erzeugen von senkrecht zur Prüfobjektoberfläche orientierten, in das Prüfobjekt eindringenden Magnetfeldlinien eines stationären oder quasistationären Magnetfeldes (Bo) sowie über wenigstens eine HF-Spulenanordnung verfügt, die derart ausgebildet und angeordnet ist, dass durch Versorgen der HF-Spulenanordnung mit Wechselstrom ein magnetisches Wechselfeld (B_HF) erzeugbar oder durch Abgreifen eines HF-Spannungssignals von der HF-Spulenanordnung ein magnetisches Wechselfeld (B_HF) nachweisbar ist, dessen Magnetfeldlinien zumindest bereichsweise parallel zu den senkrecht zur Prüfobjektoberfläche orientieren Feldlinien des stationären oder quasistationären Magnetfeldes (Bo) orientiert sind und mit diesen in räumliche Überlagerung innerhalb des Prüfobjektes treten.The invention relates to a device for generating and / or detecting ultrasonic waves in the form of longitudinally polarized bulk waves within a ferromagnetic material having test object, which has at least one Prüfobjektoberfläche having an electromagnetic ultrasonic transducer, short EMU transducer referred to, via a magnetization unit for Generating magnetic field lines of a stationary or quasi stationary magnetic field (Bo) oriented perpendicularly to the test object surface and having at least one RF coil arrangement which is designed and arranged in such a way that by supplying the alternating current to the RF coil arrangement an alternating magnetic field (B _HF ) can be generated or detected by tapping an RF voltage signal from the RF coil assembly, an alternating magnetic field (B _HF ) whose magnetic field lines at least partially parallel to the perpendicular to the Prüfobj ectoberorientieren field lines of the stationary or quasistationary magnetic field (Bo) are oriented and occur with these in spatial superposition within the test object.

Stand der TechnikState of the art

Für die zerstörungsfreie Prüfung bzw. Werkstoffcharakterisierung eines Prüfobjektes werden in an sich bekannter Weise Ultraschallwellen eingesetzt. Dabei kommen üblicherweise piezoelektrische Ultraschallprüfköpfe zum Einsatz, bei denen die Ultraschallwellen im Prüfkopf selbst erzeugt bzw. beim Empfang in elektrische Signale umgesetzt werden. Zur Ein- bzw. Auskopplung der Ultraschallwellen in das bzw. aus dem Prüfobjekt bedarf es eines Koppelmittels, üblicherweise Wasser oder Öl, das zwischen dem Prüfobjekt und dem Ultraschallprüfkopf einzubringen ist.For the non-destructive testing or material characterization of a test object ultrasonic waves are used in a conventional manner. In this case, usually piezoelectric ultrasonic probes are used, in which the ultrasonic waves generated in the probe itself or are converted into electrical signals upon receipt. For coupling or decoupling the ultrasonic waves into or out of the test object, a coupling agent is required, usually water or oil, which is to be introduced between the test object and the ultrasonic test head.

Werden hingegen elektromagnetische Ultraschallwandler, kurz EMUS-Wandler verwendet, kann auf einen direkten Kontakt zwischen dem EMUS-Prüfkopf und dem Prüfobjekt verzichtet und auf diese Weise eine berührungsfreie Prüfobjektuntersuchung durchgeführt werden. Hierdurch wird die Handhabung bei der Prüfung besonders von heißen oder kalten Oberflächen am Prüfobjekt erheblich vereinfacht. Nachteilig ist jedoch bei dieser Technik, dass herkömmliche EMUS-Wandler insbesondere für die Erzeugung und den Nachweis von longitudinal polarisierten Volumenwellen, kurz Longitudinalwellen, nur eine unzureichende Effizienz erreichen und damit für viele Anwendungen nicht oder nur in ungenügendem Maße einsetzbar sind.On the other hand, if electromagnetic ultrasonic transducers, in short EMUS transducers, are used, a direct contact between the EMUS probe and the test object can be dispensed with and a non-contact test object examination can be carried out in this way. This considerably simplifies the handling during the test, especially of hot or cold surfaces on the test object. A disadvantage of this technique, however, that conventional EMUS converters, especially for the generation and detection of longitudinally polarized bulk waves, short longitudinal waves, achieve only insufficient efficiency and thus are not or only insufficiently suitable for many applications.

Die Anregung von Ultraschallwellen innerhalb eines Prüfobjektes ist auf das Auftreten von Magnetorestriktion sowie von Lorenzkräften innerhalb des Prüfobjektmaterials zurückzuführen, wobei im Falle der Nutzung von Lorenzkräften zur Erzeugung von Longitudinalwellen innerhalb ferromagnetischer Prüfobjekte die magnetische Kraft der Lorenzkraft entgegenwirkt und somit die Effektivität zur Erzeugung von Longitudinalwellen mindert.The excitation of ultrasonic waves within a test object is due to the occurrence of magnetorestriction and Lorenzkräfte within the test object material, wherein in the case of using Lorenzkräften to generate longitudinal waves within ferromagnetic test objects, the magnetic force counteracts the Lorenz force and thus reduces the effectiveness for generating longitudinal waves ,

In der DE 10 2004 053 584 B4 ist ein EMUS-Wandler zur Erzeugung und zum Nachweis bzw. Empfang von orthogonal zu einer Prüfkörperoberfläche orientierten, und sich innerhalb eines Prüfkörper als freie Volumenwellen ausbreitende Longitudinalwellen beschrieben. Der EMUS-Wandler besitzt eine Permanentmagnetanordnung mit wenigstens zwei der Prüfkörperoberfläche zugewandt angeordneten Magnetpolen mit jeweils unterschiedlicher magnetischer Polarität, zwischen denen sich ein in das Prüfobjekt eindringendes, stationäres oder quasistationäres Magnetfeld mit parallel zur Prüfobjektoberfläche orientierten Magnetfeldlinien ausbildet. Ferner ist eine Wirbelstromspule zwischen beiden Magnetpolen mittel- oder unmittelbar relativ zur Prüfobjektoberfläche platziert, wobei einzelne Leiterbahnabschnitte der Wirbelstromspule parallel zur Prüfobjektoberfläche und orthogonal zu den Magnetfeldlinien des statischen Magnetisierungsfeldes verlaufen. Werden die Leiterbahnabschnitte mit Wechselstrom und einheitlicher Stromrichtung beaufschlagt, so bilden sich senkrecht zur Prüfobjektoberfläche orientierte Lorenzkräfte aus, die innerhalb des Prüfobjektes zu Druckwirkungen führen, durch die freie, sich senkrecht zur Prüfobjektoberfläche innerhalb des Prüfobjektes ausbreitende longitudinale Volumenwellen ausbilden. In diesem Zusammenhang sei erwähnt, dass der Begriff „quasistationäres” Magnetfeld als Alternative zu einem stationären Magnetfeld ein sich zeitlich langsam gegenüber der Wechselstromfrequenz änderndes Magnetfeld ist.In the DE 10 2004 053 584 B4 is an EMUS transducer for generating and detecting orthogonal oriented to a specimen surface, and propagating within a specimen as free bulk waves propagating longitudinal waves. The EMUS converter has a permanent magnet arrangement with at least two magnet poles arranged facing the test body surface, each having a different magnetic polarity, between which a stationary or quasi-stationary magnetic field penetrating into the test object is formed with magnetic field lines oriented parallel to the test object surface. Further, an eddy current coil is placed between the two magnetic poles directly or indirectly relative to the specimen surface, with individual trace portions of the eddy current coil extending parallel to the specimen surface and orthogonal to the magnetic field lines of the static magnetization field. If the conductor track sections are subjected to alternating current and a uniform current direction, perpendicular Lorentz forces are formed perpendicular to the test object surface, which lead to pressure effects within the test object through which free longitudinal volume waves propagating perpendicular to the test object surface within the test object form. In this connection, it should be mentioned that the term "quasi-stationary" magnetic field as an alternative to a stationary magnetic field is a magnetic field which changes slowly in time relative to the AC frequency.

Der bekannte EMUS-Wandler weist zur Erzeugung der parallel zur Prüfobjektoberfläche orientierten und sich innerhalb eines Prüfobjektes ausbildenden Vormagnetisierung eine relativ voluminöse und schwergewichtige Permanentmagnetanordnung auf, die sich zudem aufgrund der sehr hohen magnetischen Anziehungskräften, die zwischen der Permanentmagnetanordnung und dem aus ferromagnetischen Material bestehenden Prüfobjekt wirken, nicht oder nur mit hohem Kraftaufwand bewegen lässt.The known EMUS converter has a relatively voluminous and heavy-weight permanent magnet arrangement for generating the parallel to Prüfobjektoberfläche oriented and forming within a test object biasing, which also act due to the very high magnetic attraction forces between the permanent magnet assembly and the test object consisting of ferromagnetic material , can not move or only with great effort.

Aus der DE 35 11 768 A1 geht ferner eine EMUS-Wandleranordnung in Form eines Gruppenstrahlprüfkopfes hervor, der eine Vielzahl, jeweils als Punktstrahler ausgebildete, sog. Basiselemente vorsieht, die arrayförmig angeordnet sind und jeweils aus einem stabförmigen Ferritkern und wenigstens einer um den Ferritkern gewickelten HF-Spule besteht. Die HF-Spulen aller Basiselemente werden jeweils separat mit Hilfe eines Burstgenerators mit elektrischem Strom beaufschlagt. Unter Anwendung der sog. „Phased-Array-Technik”, bei der die arrayförmig angeordneten Basiselemente phasengesteuert aktiviert werden, lassen sich räumlich gerichtete Ultraschallwellenfelder erzeugen, so beispielsweise eine räumlich schwenkbare Ultraschallhauptausbreitungskeule, die von sämtlichen Basiselement abgestrahlt wird. Die Wellenlänge der mittels Phased-Array-Technik in das Prüfobjekt eingeschalteten Ultraschallwellen bestimmt sich durch den gegenseitigen Abstand jeweils zweier Basiselemente.From the DE 35 11 768 A1 Furthermore, an EMUS transducer assembly in the form of a Gruppenstrahlprüfkopfes forth, which provides a plurality, each formed as a spotlight, so-called. Basic elements, which are arrayed and each consisting of a rod-shaped ferrite core and at least one wound around the ferrite RF coil consists. The RF coils of all base elements are each supplied separately with the aid of a burst generator with electric current. Using the so-called "phased array technique", in which the array-like arranged base elements are activated phased, spatially directed ultrasonic wave fields can be generated, such as a spatially pivotable ultrasonic main propagation lobe, which is radiated from all base element. The wavelength of the ultrasound waves, which are switched into the test object by means of phased array technology, is determined by the mutual distance of two base elements in each case.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Erzeugen und/oder Nachweisen von Ultraschallwellen in Form von longitudinal polarisierten Volumenwellen innerhalb eines ferromagnetisches Material aufweisenden Prüfobjektes derart auszubilden, so dass die Erzeugung sowie der Nachweis derartiger Longitudinalwellen mit erhöhter Effizienz erfolgen kann, wobei insbesondere konkurrierende Effekte zwischen Lorenzkräften sowie der Magnetostriktion vermieden werden sollen. Darüber hinaus soll der betreffende EMUS-Wandler möglichst kompakt und leichtgewichtig ausgebildet sein, so dass eine komfortable manuelle oder maschinengeführte Handhabung des Wandlers relativ zu einem zu untersuchenden Prüfobjekt möglich wird.The invention has for its object to form a device for generating and / or detecting ultrasonic waves in the form of longitudinally polarized bulk waves within a ferromagnetic material having test object such that the generation and detection of such longitudinal waves can be done with increased efficiency, in particular competing Effects between Lorenzkräfte and magnetostriction should be avoided. In addition, the relevant EMD converter should be made as compact and lightweight as possible so that comfortable manual or machine-guided handling of the transducer relative to a test object to be examined becomes possible.

Die der Lösung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Den Lösungsgedanken in vorteilhafter Weise weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der weiteren Beschreibung insbesondere unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen.The problem underlying the solution is specified in claim 1. The solution ideas advantageously further-forming features are the subject of the dependent claims and the further description in particular with reference to the exemplary embodiments.

Lösungsgemäß ist eine Vorrichtung zum Erzeugen und/oder Nachweisen von Ultraschallwellen in Form von longitudinal polarisierten Volumenwellen innerhalb eines ferromagnetisches Material aufweisenden Prüföbjektes, das über wenigstens eine Prüfobjektoberfläche verfügt, mit einem elektromagnetischen Ultraschallwandler, kurz EMUS-Wandler, der über eine Magnetisierungseinheit zum Erzeugen von senkrecht zur Prüfobjektoberfläche orientierten, in das Prüfobjekt eindringenden Magnetfeldlinien eines stationären oder quasistationären Magnetfeldes sowie wenigstens einer HF-Spulenanordnung, die derart ausgebildet und angeordnet ist, dass durch Versorgen der HF-Spulenanordnung mit Wechselstrom ein magnetisches Wechselfeld erzeugbar oder durch Abgreifen eines HF-Spannungssignals von der Spulenanordnung ein magnetisches Wechselfeld nachweisbar ist, dessen Magnetfeldlinien zumindest Bereichsweise parallel zu den senkrecht zur Prüfobjektoberfläche orientierten Feldlinien des stationären oder quasistationären Magnetfeldes orientiert sind und mit diesen in räumliche Überlagerung innerhalb des Prüfobjekts treten, dadurch weitergebildet, dass die HF-Spulenanordnung wenigstens eine um einen länglichen, ferromagnetischen Spulenkern gewickelte Spulenwicklung aufweist, und dass der längliche, ferromagnetische Spulenkern über eine Sättigungsmagnetisierung von größer oder gleich 1 Tesla verfügt.According to the invention, an apparatus for generating and / or detecting ultrasonic waves in the form of longitudinally polarized bulk waves within a ferromagnetic material test object having at least one test object surface is provided with an electromagnetic ultrasound transducer, in short, an EMUS transducer, which is perpendicular to a magnetization unit for generating oriented toward Prüfobjektoberfläche, penetrating into the test object magnetic field lines of a stationary or quasistationären magnetic field and at least one RF coil assembly which is designed and arranged such that by supplying the RF coil assembly with AC an alternating magnetic field generated or by tapping an RF voltage signal from the Coil arrangement, an alternating magnetic field is detectable whose magnetic field lines at least in regions parallel to the oriented perpendicular to the Prüfobjektoberfläche field lines of the stationary or quasi-stationary magnetic field oriented and with these in spatial interference within the test object, further developed in that the RF coil assembly has at least one wound around an elongated, ferromagnetic coil core coil winding, and that the elongated, ferromagnetic coil core via a saturation magnetization of greater than or equal 1 Tesla has.

Die lösungsgemäße Vorrichtung macht sich ausschließlich das Prinzip der Magnetostriktion zu Nutze, d. h. infolge eines magnetischen Feldes und insbesondere eines sich zeitlich ändernden magnetischen Feldes unterliegt ein ferromagnetisches Objekt einer Deformation, wobei das Objekt bei konstantem Volumen eine elastische Formänderung, bspw. in Form einer elastischen Längenänderung, ausübt. Eben diese Magnetfeld-induzierte Formänderung wird für eine effiziente elektromagnetische Ultraschallwandlung genutzt.The solution according to the device makes use of only the principle of magnetostriction, d. H. As a result of a magnetic field and in particular of a time-varying magnetic field, a ferromagnetic object is subject to deformation, the object exerting an elastic change in shape, for example in the form of an elastic change in length, at a constant volume. It is this magnetic field-induced change in shape that is used for efficient electromagnetic ultrasound conversion.

Zur Anregung von Longitudinalwellen, die sich senkrecht zu einer Prüfobjektoberfläche ausbreiten, gilt es über die Prüfobjektoberfläche Normalkräfte zu induzieren, die zu hochfrequenten, senkrecht zur Prüfobjektoberfläche orientierten Druckwirkungen innerhalb des Prüfobjektes führen, aus denen sich senkrecht zur Prüfobjektoberfläche ausbreitende Longitudinalwellen ausbilden, mit einer durch die zeitliche Dynamik der Druckwirkung vorbestimmten Frequenz und einer von der Dichte sowie den Elastizitätseigenschaften des Prüfobjektes abhängigen Wellenlänge.For the excitation of longitudinal waves, which propagate perpendicular to a test object surface, it is necessary to induce normal forces on the test object surface, which lead to high-frequency pressure effects within the test object oriented perpendicular to the test object surface, from which longitudinal waves propagating perpendicular to the test object surface are formed temporal dynamics of the pressure effect predetermined frequency and dependent on the density and the elasticity properties of the test object wavelength.

Zur Erzeugung der Longitudinalwellen innerhalb des Prüfobjektes wird einem stationären bzw. quasistationären Magnetfeld mit orthogonal zur Prüfkörperoberfläche orientierten Magnetfeldlinien, ein hochfrequentes magnetisches Wechselfeld überlagert, dessen hochfrequente Magnetfeldlinien parallel zu den Magnetfeldlinien des stationären bzw. quasistationären Magnetfeldes orientiert sind. Hierdurch erfährt die innerhalb des Prüfobjektes vorherrschende, von dem durch das stationäre bzw. quasistationäre Magnetfeld herrührende konstante Magnetfeldstärke B₀ eine zeitliche Modulation, die der Frequenz des Hochfrequenzmagnetfeldes entspricht. Je nach Orientierung der Magnetfeldlinien des HF-Magnetfeldes addiert sich der Betrag der HF-Magnetfeldstärke B_HF zur Magnetfeldstärke B₀ des statischen bzw. quasistatischen Magnetfeldes oder wird von der Magnetfeldstärke B₀ des statischen oder quasistatischen Magnetfeldes abgezogen. Durch die damit verbundene zeitliche Variation der Amplitude des innerhalb des Prüfobjektes wirksamen Magnetfeldes B_res = B₀ ± B_HF, treten Formänderungen im Magnetfelddurchflossenen Oberflächenbereich des Prüfobjektes bedingt durch den Effekt der Magnetostriktion auf. Die damit verbundenen im Prüfobjektvolumen wirksamen mechanischen Dehnungen und Stauchungen wirken als Quelle für longitudinal polarisierte Ultraschallwellen, die sich mit der Frequenz des HF-Magnetfeldes senkrecht zur Prüfkörperoberfläche in das Prüfkörpervolumen hinein ausbreiten.To generate the longitudinal waves within the test object, a stationary or quasi-stationary magnetic field with magnetic field lines oriented orthogonally to the test body surface is superimposed by a high-frequency alternating magnetic field whose high-frequency magnetic field lines are oriented parallel to the magnetic field lines of the stationary or quasi-stationary magnetic field. As a result, the constant magnetic field strength B ₀ prevailing within the test object, which is due to the constant magnetic field strength B ₀ resulting from the stationary or quasi-stationary magnetic field, experiences a temporal modulation which corresponds to the frequency of the high-frequency magnetic field. Depending on the orientation of the magnetic field lines of the RF magnetic field, the amount of the RF magnetic field strength B _HF adds to the magnetic field strength B _{0 of} the static or quasi-static magnetic field or is subtracted from the magnetic field strength B _{0 of} the static or quasi-static magnetic field. As a result of the temporal variation of the amplitude of the magnetic field B _res = B ₀ ± B _HF which is effective within the test object, shape changes in the surface area of the test object through which the magnetic field passes occur due to the effect of the magnetostriction. The associated in the test object volume effective mechanical strains and compressions act as a source of longitudinally polarized ultrasonic waves that propagate into the specimen volume at the frequency of the RF magnetic field perpendicular to the specimen surface.

Die lösungsgemäße Vorrichtung beschränkt sich somit lediglich auf zwei Magneteinheiten, von denen eine ein zeitlich konstantes bzw. quasikonstantes Magnetfeld und die andere ein HF-Magnetfeld zu erzeugen in der Lage sind, wobei beide Magnetfelder zumindest in einem räumlich begrenzten Bereich parallel zueinander orientiert sind. Beide Magnetanordnungen gilt es dabei derart auszubilden und gegenüber dem zu untersuchenden Prüfobjekt anzuordnen, so dass sich der räumlich begrenzte Bereich, innerhalb dem beide Magnetfelder parallel orientiert sind, von der Prüfobjektoberfläche in das Prüfobjekt hinein erstreckt.The device according to the invention is thus limited to two magnet units, one of which is capable of generating a temporally constant or quasi-constant magnetic field and the other an RF magnetic field, both magnetic fields being oriented parallel to one another at least in a spatially limited area. Both magnet arrangements should be designed in this way and arranged opposite the test object to be examined, so that the spatially limited area within which both magnetic fields are oriented in parallel extends from the test object surface into the test object.

Die lösungsgemäße Vorrichtung verfügt zur Ausbildung des stationären oder quasistationären Magnetfeldes über eine als Permanentmagnet- oder Elektromagnetanordnung ausgebildete Magnetisierungseinheit. Ferner ist eine HF-Spulenanordnung vorgesehen, deren zugeordneter Spulenkern aus einem ferromagnetischem Material mit einer Sättigungsmagnetisierung von größer oder gleich 1 Tesla besteht, um auf diese Weise zu gewährleisten, dass der ferromagnetische Spulenkern in Gegenwart des stationärem oder quasistationärem Magnetfeldes nicht in Sättigung übergeht. So beträgt die Magnetfeldstärke B₀ des stationären oder quasistationären Magnetfeldes typischerweise Feldstärken von weniger als 1 T, insbesondere kleiner 0,7 T, besonders bevorzugt zwischen 0,3 T und 0,5 T.The device according to the invention has, for the purpose of forming the stationary or quasi-stationary magnetic field, a magnetization unit designed as a permanent magnet or electromagnet arrangement. Furthermore, an RF coil arrangement is provided whose associated coil core consists of a ferromagnetic material having a saturation magnetization of greater than or equal to 1 Tesla, in order to ensure in this way that the ferromagnetic coil core does not become saturated in the presence of the stationary or quasi-stationary magnetic field. Thus, the magnetic field strength B _{0 of} the stationary or quasi-stationary magnetic field is typically field strengths of less than 1 T, in particular less than 0.7 T, particularly preferably between 0.3 T and 0.5 T.

Besonders geeignete Materialien zur Realisierung des länglich ausgebildeten, ferromagnetischen Spulenkerns stellen sog. Transformatorbleche dar, kurz Trafobleche, die aus einer Vielzahl zusammengefügter und gegenseitig elektrisch isolierter Blechlagen bestehen. In besonders vorteilhafter Weise eignet sich eine Silizium-Eisen-Legierung, die eine Sättigungsmagnetisierung von 1,5 bis 2 Tesla aufweist. Auch sind Nickel-Eisen-Legierungen geeignet, mit Sättigungsmagnetisierungen von 1,2 bis 1,5 Tesla. Auch eignet sich eine Kobalt-Eisen-Legierung mit einer Sättigungsmagnetisierung von bis zu 2,35.Particularly suitable materials for the realization of the elongated ferromagnetic coil core are so-called transformer plates, in short transformer plates, which consist of a large number of interconnected and mutually electrically insulated sheet metal layers. In a particularly advantageous manner, a silicon-iron alloy having a saturation magnetization of 1.5 to 2 Tesla is suitable. Nickel-iron alloys are also suitable, with saturation magnetizations of 1.2 to 1.5 Tesla. Also suitable is a cobalt-iron alloy with a saturation magnetization of up to 2.35.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der längliche, ferromagnetische Spulenkern, um den wenigstens eine Spulenwicklung einer HF-Spule gewickelt ist, als gerader Vollzylinder oder in Art eines Vollzylinders ausgebildet, der längs der dem Spulenkern zuordenbaren Längsachse zwei sich gegenüberliegende Stirnseiten aufweist. Vorzugsweise sind die Stirnseiten plan und zueinander parallel ausgebildet, so dass die aus dem ferromagnetische Spulenkern austretenden bzw. in diesen eintretenden Magnetfeldlinien beide Stirnseiten jeweils senkrecht schneiden. Mit der Formulierung „in Art eines Vollzylinders” sind auch von der geraden Kreiszylinderform abweichende Zylinderformen umfasst, wie beispielsweise schräge Zylinderformen und/oder mit von der Kreisform abweichenden Zylinderquerschnitten.In a preferred embodiment, the elongated, ferromagnetic coil core, around which at least one coil winding of an RF coil is wound, is designed as a straight solid cylinder or in the form of a solid cylinder which has two opposite end faces along the longitudinal axis assignable to the coil core. Preferably, the end faces are flat and parallel to each other, so that the emerging from the ferromagnetic coil core or entering these magnetic field lines intersect both end faces each perpendicular. The wording "in the manner of a solid cylinder" also includes cylinder shapes deviating from the straight circular cylindrical shape, such as, for example, oblique cylindrical shapes and / or with cylinder cross sections deviating from the circular shape.

In gleicher Weise weist die Magnetisierungseinheit der Permanent- oder Elektromagnetanordnung ebenfalls einen Magnetisierungskern auf, der vorzugsweise als Vollzylinder ausgebildet ist und zwei sich längs der Zylinderachse gegenüberliegende Stirnseiten vorsieht, die den Magnetpolen der Magnetisierungseinheit entspricht. Zur unmittelbaren magnetischen Kopplung der HF-Spulenanordnung und der Magnetisierungseinheit grenzt eine Stirnseite des Spulenkerns vorzugsweise unmittelbar zur Vermeidung magnetischer Verluste an eine Stirnseite des Magnetisierungskern derart an, so dass die jeweils als Vollzylinder ausgebildeten Kernkörper koaxial mit jeweils zusammenfallenden Zylinderachsen in axiale Deckung gebracht sind. Die frei zugängliche Stirnseite des Spulenkerns der HF-Spulenanordnung, aus der sowohl die Magnetfeldlinien der Magnetisierungseinheit als auch die mit diesen in Überlagerung tretenden Magnetfeldlinien der HF-Spulenanordnung aus- bzw. eintreten, ist der Prüfobjektoberfläche unmittelbar zuwendbar.In the same way, the magnetization unit of the permanent magnet or electromagnet arrangement likewise has a magnetizing core, which is preferably designed as a solid cylinder and provides two end faces which are opposite to the cylinder axis and correspond to the magnetic poles of the magnetizing unit. For direct magnetic coupling of the RF coil arrangement and the magnetization unit, one end face of the coil core preferably directly adjoins an end face of the magnetization core so as to avoid magnetic losses, so that the respective core bodies formed as solid cylinders are brought into axial coincidence with coincident cylinder axes. The freely accessible end face of the coil core of the RF coil arrangement, from which both the magnetic field lines of the magnetization unit and the magnetic field lines of the RF coil arrangement passing in superimposition thereof, emerge or enter the test object surface.

Die um den länglichen ferromagnetischen Spulenkern gewickelte, wenigstens eine Spulenwicklung aufweisende HF-Spule wird zur Erzeugung eines hochfrequenten Magnetfeldes B_HF mit einem oszillierenden Wechselstrom beaufschlagt, das das ebenfalls den ferromagnetischen Spulenkern axial durchdringende statische bzw. quasistatische Magnetfeld B₀ moduliert. Zur Vermeidung mechanischer Beschädigungen an der äußerlich um den länglichen, ferromagnetischen Spulenkern angebrachten Spulenwicklung, bedingt durch Handhabung des EMUS-Wandlers relativ zu einem zu untersuchenden Prüfobjektes, ist die wenigstens eine Spulenwicklung mit einem Abstand zu der der Prüfobjektoberfläche zuwendbaren Stirnseite angeordnet, der 0,1 bis 5 mm, vorzugsweise von 0,3 bis 1,5 mm misst. Durch die beabstandete Anbringung der HF-Spule von der frei zugänglichen Stirnseite des Spulenkerns kann sowohl ein mechanischer Verschleiß als auch eine mechanische Beschädigung der Spulenwicklungen vermieden werden.The wound around the elongated ferromagnetic coil core, at least one coil winding having RF coil is applied to generate a high-frequency magnetic field B _HF with an oscillating alternating current, which also modulates the ferromagnetic coil core axially penetrating static or quasi-static magnetic field B ₀ . To avoid mechanical damage to the outside of the elongated ferromagnetic coil core mounted coil winding caused by handling of the EMUS transducer relative to a test object to be examined, the at least one coil winding is arranged at a distance to the Prüfobjektoberfläche zuwendbaren front side, the 0.1 to 5 mm, preferably from 0.3 to 1.5 mm. By the spaced attachment of the RF coil of the freely accessible end side of the spool core both a mechanical wear and a mechanical damage to the coil windings can be avoided.

Für den Empfang bzw. Nachweis von longitudinal polarisierten Ultraschallwellen wird an der wenigstens einen Spulenwicklung ein elektrischer Spannungsabgriff vorgenommen. So vermag eine von der Ultraschallelle herrührende Druckwellenbedingte Deformation im oberflächennahen Bereich der Prüfobjektoberfläche, in dem das stationäre bzw. quasistationäre Magnetfeld B₀ vorherrscht, vermittels elektrischer Induktion in der um den länglich ferromagnetischen Spulenkern gewickelten HF-Spule einen elektrischen Strom zu induzieren, der in Form eines Spannungsabgriffes nachweisbar ist. Der Spannungsabgriff erfolgt mittels eins Spannungsmessgerätes, dessen erfasste Spannungssignale den Amplituden der empfangenen Ultraschallsignale entsprechen.For the reception or detection of longitudinally polarized ultrasonic waves, an electrical voltage tap is made at the at least one coil winding. Thus, a deformation caused by the ultrasonic wave in the near-surface region of the test object surface in which the stationary or quasi-stationary magnetic field B ₀ prevails, by means of electrical induction in the wound around the elongated ferromagnetic coil core RF coil one to induce electrical current, which is detectable in the form of a voltage tap. The voltage is tapped by means of a voltage measuring device whose detected voltage signals correspond to the amplitudes of the received ultrasonic signals.

In einer kombinierten Ausführung sowohl zur Anregung als auch dem Empfang von Ultraschallwellen kann die wenigstens eine Spulenwicklung der HF-Spule durch eine entsprechende elektrische Beschaltung sowohl mit einer Wechselstromquelle als auch mit einem Spannungsmessgerät verbunden sein.In a combined embodiment for both the excitation and the reception of ultrasonic waves, the at least one coil winding of the RF coil can be connected by a corresponding electrical circuit both with an AC power source and with a voltage measuring device.

Eine vorteilhafte Ausführungsform sieht jedoch für die Erzeugung bzw. das Aussenden von longitudinal polarisierten Volumenwellen sowie für den Empfang entsprechender Longitudinalwellen zwei getrennte HF-Spulen vor, wobei eine als Sende- und die zweite als Empfangsspule dienen bzw. ausgeführt sind. So sind die Sendespule mit einem entsprechenden Wechselstromgenerator und die Empfangsspule mit einem entsprechenden Spannungsmessgerät verbunden. Beide HF-Spulen sind längs des länglichen ferromagnetischen Spulenkerns angeordnet.However, an advantageous embodiment provides for the generation or emission of longitudinally polarized bulk waves and for the reception of corresponding longitudinal waves, two separate RF coils, one serving as a transmitting and the second as a receiving coil or are executed. Thus, the transmitting coil with a corresponding alternator and the receiving coil with a corresponding voltmeter are connected. Both RF coils are arranged along the elongated ferromagnetic coil core.

Auch ist es möglich auf der Grundlage der vorstehend erläuterten, lösungsgemäßen EMUS-Wandlers einen Differenzempfänger für den Nachweis von longitudinal polarisierten Volumenwellen aufzubauen. Hierzu bedarf es jeweils zwei lösungsgemäß ausgebildete EMUS-Wandler der vorstehenden Art, einen ersten und einen zweiten Wandler, wobei der Wicklungssinn der wenigstens einen HF-Spulen um den länglich ausgebildeten Spulenkern des ersten Wandlers entgegengesetzt orientiert ist zum Wicklungssinn der wenigstens einen Spulenwicklung um den länglich ausgebildeten Spulenkern des zweiten Wandlers. Ferner ist die Magnetisierungsrichtung der Magnetisierungseinheit des ersten Wandlers umgekehrt orientiert zur Magnetisierungsrichtung der Magnetisierungseinheit des zweiten Wandlers. Eine mögliche konkrete Ausführungsform ist im Weiteren unter Bezugnahme auf die nachstehenden Figuren erläutert.It is also possible to construct a differential receiver for the detection of longitudinally polarized bulk waves on the basis of the above-described, inventive EMUS converter. For this purpose, it requires in each case two EMUS converter according to the above type, a first and a second converter, wherein the winding sense of the at least one RF coils is oriented opposite to the elongated coil core of the first transducer opposite to the winding sense of at least one coil winding around the elongated formed spool core of the second transducer. Further, the magnetization direction of the magnetization unit of the first transducer is inversely oriented to the magnetization direction of the magnetization unit of the second transducer. A possible concrete embodiment is explained below with reference to the following figures.

Kurze Beschreibung der ErfindungBrief description of the invention

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:The invention will now be described by way of example without limitation of the general inventive idea by means of embodiments with reference to the drawings. Show it:

1 schematisierte Darstellung eines lösungsgemäß ausgebildeten EMUS-Wandlers zur Erzeugung longitudinal polarisierter Volumenwellen, 1 Schematic representation of a solution according to EMUS transducer for generating longitudinally polarized bulk waves,

2a, b, c Skizzen zur Erläuterung hochfrequenter Druckwirkungen auf ein Prüfobjekt zur Erzeugung longitudinal polarisierter Volumenwellen sowie 2a , b, c Sketches explaining high-frequency pressure effects on a test object for generating longitudinally polarized bulk waves and

3 Ausführungsbeispiel für einen Differenzempfänger. 3 Embodiment for a differential receiver.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche VerwendbarkeitWays to carry out the invention, industrial usability

1 zeigt in schematischer Darstellung einen lösungsgemäß ausgebildeten EMUS-Wandler 1 zur Erzeugung bzw. zum Nachweis horizontal polarisierter Volumenwellen, kurz Longitudinalwellen 2, innerhalb eines Prüfobjektes 3, das teilweise oder vollständig aus ferromagnetischem Material besteht. Der EMUS-Wandler 1 weist eine Magnetisierungseinheit 4 sowie eine HF-Spulenanordnung 5 auf. Die Magnetisierungseinheit 4 ist als Permanentmagnet oder Elektromagnet ausgebildet und erzeugt ein stationäres bzw. quasistationäres magnetisches Feld B₀. Die HF-Spulenanordnung 5 besteht aus einem länglichen, ferromagnetischen Spulenkern 6, um den wenigstens eine Spulenwicklung 7 einer HF-Spule gewickelt ist, die zum Aussenden von Longitudinalwellen mit einem Wechselstromgenerator 8 sowie für den Nachweis bzw. Empfang von Longitudinalwellen 2 mit einem elektrischen Spannungsmessgerät 9 verbunden ist. 1 shows a schematic representation of a solution according trained EMUS converter 1 for generating or detecting horizontally polarized bulk waves, in short longitudinal waves 2 , within a test object 3 partially or wholly made of ferromagnetic material. The EMUS converter 1 has a magnetization unit 4 and an RF coil arrangement 5 on. The magnetization unit 4 is designed as a permanent magnet or electromagnet and generates a stationary or quasi-stationary magnetic field B ₀ . The RF coil arrangement 5 consists of an elongated, ferromagnetic coil core 6 to the at least one coil winding 7 an RF coil is wound, which is used to send longitudinal waves with an alternator 8th as well as for the detection or reception of longitudinal waves 2 with an electric voltmeter 9 connected is.

Die Magnetisierungseinheit 4 weist einen Magnetisierungskern, vorzugsweise in Form eines zylinderförmig ausgebildeten Permanentmagneten auf, dessen in der Bilddarstellung gemäß 1 obere Stirnseite 41 den magnetischen Südpol S und dessen untere Stirnseite dem magnetischen Nordpol N entspricht. Die Magnetfeldlinien des stationären Magnetfeldes B₀ sind jeweils orthogonal zu den Magnetpolstirnseiten 41, 42 orientiert. Selbstverständlich ist auch eine umgekehrte Magnetisierung der Magnetisierungseinheit 4 möglich.The magnetization unit 4 has a magnetization core, preferably in the form of a cylindrical permanent magnet, whose in the image representation according to 1 upper end side 41 the magnetic south pole S and the lower end side corresponds to the magnetic north pole N. The magnetic field lines of the stationary magnetic field B ₀ are each orthogonal to the Magnetpolstirnseiten 41 . 42 oriented. Of course, also a reverse magnetization of the magnetization unit 4 possible.

Unmittelbar an der unteren Stirnseite 42 der Magnetisierungseinheit 4 grenzt die obere Stirnseite 61 des länglichen, ferromagnetischen Spulenkerns 7 an, der gleichfalls vorzugsweise als Vollzylinder ausgebildet ist und dem eine Zylinderachse A zuordenbar ist, die mit der Zylinderachse des als Vollzylinder ausgebildeten Magnetisierungskern der Magnetisierungseinheit 4 zusammenfällt.Immediately at the lower end 42 the magnetization unit 4 borders the upper front side 61 of the elongated, ferromagnetic coil core 7 which is likewise preferably designed as a solid cylinder and to which a cylinder axis A can be assigned, which coincides with the cylinder axis of the magnetization core of the magnetization unit designed as a solid cylinder 4 coincides.

Nicht notwendigerweise jedoch vorzugsweise ist der Durchmesser des Spulenkerns 6 kleiner ausgebildet als der Zylinderdurchmesser des Magnetisierungskerns der Magnetisierungseinheit 4, aus Gründen einer Verdichtung der durch den länglichen, ferromagnetischen Spulenkern 6 hindurchtretenden Magnetfeldlinien des Permanentmagnetfeldes B₀.Not necessarily, however, preferably is the diameter of the spool core 6 smaller than the cylinder diameter of the magnetizing core of the magnetizing unit 4 , for reasons of compaction by the elongated, ferromagnetic coil core 6 passing magnetic field lines of the permanent magnetic field B ₀ .

Der längliche, ferromagnetische Spulenkern 6 weist der Magnetisierungseinheit 4 abgewandt eine ebene, plan ausgebildete untere Stirnseite 62 auf, durch die die Magnetfeldlinien B₀ des stationären Magnetfeldes senkrecht hindurch treten. Das ferromagnetische Material des Spulenkerns 6 weist eine Sättigungsmagnetisierung auf, die größer 1 T, vorzugsweise größer 1,2 T beträgt. Als besonders geeignete Materialien kommen Silizium-Eisen-Legierungen, Nickel-Eisen-Legierungen oder Cobalt-Eisen-Legierungen in Frage. The elongated, ferromagnetic coil core 6 indicates the magnetization unit 4 facing away from a flat, plan trained lower end face 62 through which the magnetic field lines B _{0 of} the stationary magnetic field pass vertically. The ferromagnetic material of the spool core 6 has a saturation magnetization which is greater than 1 T, preferably greater than 1.2 T. Particularly suitable materials are silicon-iron alloys, nickel-iron alloys or cobalt-iron alloys in question.

Wird die HF-Spule 7 mit Wechselstrom beaufschlagt, so generiert die HF-Spulenanordnung 5 ihrerseits zusätzlich zum statischen Magnetfeld B₀ ein magnetisches Wechselfeld B_HF. Im Falle der in 1 dargestellten Momentaufnahme in Bezug auf die mit Wechselstrom durchflossene HF-Spule 7, ist die Wechselstromrichtung im Uhrzeigersinn orientiert, wodurch das HF-Magnetfeld B_HF parallel und gleich orientierte Magnetfeldlinien im Vergleich zu den Magnetfeldlinien des statischen Magnetfeldes B₀ besitzt. In diesem Fall überlagern sich beide Magnetfelder und treten mit einer vergrößerten resultierenden Magnetfeldstärke B_res senkrecht über die Prüfobjektoberfläche 31 in das Prüfobjekt 3 hinein. Im oberflächennahen Bereich zur Prüfobjektoberfläche 31 vermag das senkrecht zur Prüfobjektoberfläche 31 orientierte resultierende Magnetfeld B_res das Prüfobjekt 3 lokal zu deformieren, so dass innerhalb des Prüfobjektes 3 eine orthogonal zur Prüfobjektoberfläche 31 orientierte Druckwirkung erzeugt wird, durch die orthogonal zur Prüfobjektoberfläche 31 in das Prüfobjekt 3 sich ausbreitende freie longitudinal polarisierte Volumenwellen, kurz Longitudinalwellen 2, mit einer durch die Wechselstromfrequenz vorgegebene Frequenz erzeugt werden.Will the RF coil 7 supplied with alternating current, so generates the RF coil assembly 5 in turn, in addition to the static magnetic field B ₀ an alternating magnetic field B _HF . In the case of in 1 shown snapshot with respect to the alternating current through RF coil 7 , the AC direction is oriented clockwise, whereby the RF magnetic field B _{HF has} parallel and equally oriented magnetic field lines compared to the magnetic field lines of the static magnetic field B ₀ . In this case, both magnetic fields are superimposed and _pass perpendicularly over the test object surface with an increased resulting magnetic field strength B _res 31 into the test object 3 into it. In the near-surface area to the test object surface 31 can do this perpendicular to the test object surface 31 oriented resulting magnetic field B _res the test object 3 deform locally so that within the test object 3 an orthogonal to the test object surface 31 oriented printing effect is generated by the orthogonal to the test object surface 31 into the test object 3 propagating free longitudinally polarized bulk waves, in short longitudinal waves 2 are generated at a frequency predetermined by the AC frequency.

Im umgekehrten Fall können mit dem in 1 dargestellten EMUS-Wandler 1 longitudinal polarisierte Volumenwellen mit einer orthogonal zur Prüfobjektoberfläche 31 orientierten Ausbreitungsrichtung nachgewiesen werden. Hierbei vermögen die nahe der Prüfobjektoberfläche 31 auftretenden Materialdeformationen innerhalb des Prüfobjektes 3, bedingt durch die Longitudinalwellen 2, in Gegenwart des stationären Magnetfeldes B₀ elektrische Wirbelströme zu erzeugen, die induktiv in die oberflächennah angebrachte HF-Spule 7 einkoppeln und dort ebenfalls zu einem Stromfluss führen, der mit Hilfe eines Spannungsabgriffes und einem Spannungsmessgerät 9 nachweisbar sind. Sowohl aus Gründen eines mechanischen Schutzes vor möglichen Beschädigungen durch Relativbewegung des EMUS-Wandlers 1 zum Prüfobjekt 3 aber insbesondere auch aus Gründen einer effektiven Ultraschallwellendetektion ist die HF-Spule 7 raumnah zur unteren Stirnseite 62 des Spulenkerns 6 angebracht. So beträgt der Abstand h zwischen der unteren Stirnseite 62 und der HF-Spule 7 0,1 bis 5 mm, vorzugsweise 0,3 bis 1,5 mm.In the opposite case, with the in 1 illustrated EMUS converter 1 longitudinally polarized bulk waves with an orthogonal to the test object surface 31 oriented propagation direction can be detected. These are close to the surface of the test object 31 occurring material deformations within the test object 3 , due to the longitudinal waves 2 to generate in the presence of the stationary magnetic field B ₀ electrical eddy currents, the inductively in the near-surface mounted RF coil 7 couple and there also lead to a current flow, with the help of a voltage tap and a voltage measuring device 9 are detectable. Both for reasons of mechanical protection against possible damage due to relative movement of the EMUS converter 1 to the test object 3 but especially for reasons of effective ultrasonic wave detection is the RF coil 7 close to the lower end 62 of the spool core 6 appropriate. Thus, the distance h between the lower end face 62 and the RF coil 7 0.1 to 5 mm, preferably 0.3 to 1.5 mm.

In den 2a und b sind schematisiert EMUS-Wandler 1 gezeigt, die jeweils eine Magnetisierungseinheit 4 in Form eines als Vollzylinder ausgebildeten Permanentmagneten vorsehen. Ferner grenzt der Spulenkern 6, der ebenfalls als Vollzylinder ausgebildet ist, einseitig stirnseitig unmittelbar an der unteren Stirnseite 42 der Magnetisierungseinheit 4 an. Die um den Spulenkern 6 gewickelte HF-Spule 7 ist schematisiert dargestellt, im Weiteren kommt es lediglich auf die Stromflussrichtung (siehe Pfeildarstellung längs der HF-Spule 7) an. Die 2a und b unterscheiden sich lediglich in der Orientierung des die HF-Spule 7 durchsetzenden Wechselstroms; so ist der Wechselstrom im Fall der 2a in Uhrzeigerrichtung, im Fall der 2b entgegen der Uhrzeigerrichtung orientiert. Im Falle der 2a addieren sich die Magnetfeldstärken B₀ und B_HF des stationären Magnetfeldes sowie des magnetischen Wechselfeldes zur Größe B_res = B₀ + B_HF. Im Falle der 2b erfolgt eine Subtraktion des entgegengesetzt zum statischen Magnetfeld orientieren Wechselfeldes B_HF, so dass die resultierende Magnetfeldstärke B_res = B₀ – B_HF kleiner ist als im Falle der 2a. In Bezug auf die innerhalb des Prüfobjektes hervorgerufene Magnetostriktion, siehe Diagramm in 2c, bei dem längs der Abszisse die Magnetfeldstärke und längs der Ordinate die Magnetostriktion M bzw. Formänderung aufgetragen sind, bedeutet dies, dass ausgehend von einem zeitlich konstanten Magnetostriktionszustand, bedingt durch das stationäre Magnetfeld B₀, das den sog. Arbeitspunkt AR vorgibt, das Prüfobjekt unter zeitlicher Vorgabe der Wechselstromfrequenz, mit der die HF-Spule 7 beaufschlagt wird, Dehnungen und Stauchungen erfährt, wodurch sich orthogonal zur Prüfobjektoberfläche ausbildende Longitudinalwellen ergeben. Im Falle einer summarischen Überlagerung von B₀ und B_HF erfährt das Prüfobjekt 3 eine Stauchung St, im Falle einer subtraktiven Überlagerung d. h. B₀ – B_HF erfährt das Prüfobjekt eine Dehnung D.In the 2a and b are schematized EMUS converters 1 each shown a magnetization unit 4 Provide in the form of a trained as a solid cylinder permanent magnet. Furthermore, the coil core is adjacent 6 , which is also designed as a solid cylinder, on one side end side directly on the lower end face 42 the magnetization unit 4 at. The around the coil core 6 wound RF coil 7 is shown schematically, in addition, it is only on the current flow direction (see arrow illustration along the RF coil 7 ) at. The 2a and b differ only in the orientation of the RF coil 7 passing AC; so is the alternating current in the case of 2a in the clockwise direction, in the case of 2 B oriented counterclockwise. In case of 2a the magnetic field strengths B ₀ and B _{HF of} the stationary magnetic field and of the alternating magnetic field are added to form B _res = B ₀ + B _HF . In case of 2 B a subtraction of the alternating field B _HF , which is opposite to the static magnetic field, takes place, so that the resulting magnetic field strength B _res = B ₀ -B B _{HF is} smaller than in the case of 2a , With regard to the magnetostriction induced within the test object, see diagram in 2c , in which along the abscissa the magnetic field strength and along the ordinate the magnetostriction M or change in shape are plotted, this means that starting from a time constant magnetostriction condition, due to the stationary magnetic field B ₀ , which specifies the so-called operating point AR, the test object with timing of the AC frequency with which the RF coil 7 is subjected to strains and compressions, resulting in orthogonal to Prüfobjektoberfläche forming longitudinal waves. In the case of a summary superimposition of B ₀ and B _HF , the test object experiences 3 a compression St, in the case of a subtractive superposition ie B ₀ - B _HF , the test object undergoes an expansion D.

In 3 ist eine weitere Ausführungsform eines lösungsgemäß ausgebildeten EMUS-Wandlers zum Nachweis von Longitudinalwellen in Form eines Differenzempfängers dargestellt. Der Differenzempfänger 10 weist zwei EMUS-Wandler 1, 1' auf, wobei die Magnetisierungseinheit 4' des EMUS-Wandlers 1' eine entgegengesetzt orientierte Magnetisierung zur Magnetisierungseinheit 4 des EMUS-Wandlers 1 aufweist. Ferner unterscheidet sich der Wicklungssinn der Spulen 7, 7' beider EMUS-Wandler 1, 1'. So ist der Wicklungssinn der HF-Spule 7' entgegengesetzt zum Wicklungssinn der HF-Spule 7' orientiert. Die Spulen 7, 7' sind zu Zwecken eines elektrischen Spannungsabgriffes mit einem Spannungsmessgerät 9' verbunden, das in Form eines Differenzempfängers ausgebildet sein kann, in dem die Differenz beider elektrischen Empfangssignale beider Spulen 7, 7' gebildet und zur Anzeige gebracht wird. Alternativ können beide Empfangssignale, die mit den Spulen 7, 7' erhalten werden separat digitalisiert werden. Anschließend kann numerisch mit Hilfe eines entsprechenden Computerprogramm die Differenz zwischen beiden digitalisierten Signalen gebildet werden, die entsprechend als Differenzsignal dargestellt und/oder weiterverarbeitet werden kann.In 3 is a further embodiment of a solution according trained EMUS transducer for the detection of longitudinal waves in the form of a differential receiver shown. The differential receiver 10 has two EMUS converters 1 . 1' on, wherein the magnetization unit 4 ' the EMUS converter 1' an oppositely oriented magnetization to the magnetization unit 4 the EMUS converter 1 having. Furthermore, the winding sense of the coils differs 7 . 7 ' both EMUS converters 1 . 1' , This is the winding sense of the RF coil 7 ' opposite to the winding sense of the RF coil 7 ' oriented. The spools 7 . 7 ' are for purposes of electrical voltage sensing with a voltmeter 9 ' connected, which may be in the form of a differential receiver, in which the Difference between the two received electrical signals of both coils 7 . 7 ' is formed and displayed. Alternatively, both receive signals associated with the coils 7 . 7 ' will be digitized separately. Subsequently, the difference between the two digitized signals can be formed numerically with the aid of a corresponding computer program, which difference can accordingly be represented as a difference signal and / or further processed.

Beide, mit Ausnahme der vorstehenden Unterschiede, ansonsten baugleich ausgebildete EMUS-Wandler 1, 1' sind raumnah nebeneinander relativ zu einem Prüfobjekt 3 angeordnet. Zur Vermeidung magnetischer Verluste sind die Magnetisierungseinheiten 4, 4' beider EMUS-Wandler 1, 1' zusätzlich mit einem Magnetjoch 11 verbunden.Both, with the exception of the above differences, otherwise identically constructed EMUS converter 1 . 1' are close to each other relative to a test object 3 arranged. To avoid magnetic losses are the magnetization units 4 . 4 ' both EMUS converters 1 . 1' additionally with a magnetic yoke 11 connected.

Selbstverständlich ist es möglich, bei entsprechender Beschaltung bzw. Betrieb der HF-Spulen 7, 7' die in 3 dargestellte Differenzempfängeranordnung auch als Sender zu verwenden. Hierzu müsste wenigstens eine der beiden HF-Spulen 7, 7' optional mit einem Wechselstromgenerator verbunden sein. Alternativ ist es möglich zusätzlich zu den vorhandenen HF-Spulen 7, 7' zumindest längs einem der beiden länglich ferromagnetischen Spulenkerne 6, 6' eine separate HF-Sendespule anzuordnen.Of course, it is possible with appropriate wiring or operation of the RF coils 7 . 7 ' in the 3 shown differential receiver arrangement to use as a transmitter. This would require at least one of the two RF coils 7 . 7 ' optionally connected to an alternator. Alternatively, it is possible in addition to the existing RF coils 7 . 7 ' at least along one of the two elongated ferromagnetic coil cores 6 . 6 ' to arrange a separate RF transmitting coil.

Der lösungsgemäße EMUS-Wandler zur Erzeugung sowie zum Empfang longitudinal polarisierter Volumenwellen innerhalb eines ferromagnetischen Prüfobjektes nutzt ausschließlich die Magnetostriktion und vermeidet auf diese Weise mit der Magnetostriktion in Konkurrenz tretende Lorenzkräfte. Durch die relativ zur Prüfobjektoberfläche senkrecht orientierte Magnetisierung ist der Einsatz kleinbauender und leichtbauender Magnetisierungseinheiten, insbesondere in Form von Permanentmagneten ausreichend.The solution according to EMUS transducer for generating and receiving longitudinally polarized bulk waves within a ferromagnetic test object uses exclusively the magnetostriction and thus avoids Lorenzkräfte competing in this way with the magnetostriction. By virtue of the magnetization oriented perpendicular relative to the test object surface, the use of small-sized and lightweight magnetizing units, in particular in the form of permanent magnets, is sufficient.

Durch die kompakte Ausbildung sowohl der Magnetisierungseinheit 4 als auch der HF-Spulenanordnung 5 können kleinbauende und somit manuell einfach zu bedienende EMUS-Wandler realisiert werden.Due to the compact design of both the magnetization unit 4 as well as the RF coil assembly 5 Small and therefore easy to use EMUS converters can be realized.

Trotz der zwischen dem länglichen ferromagnetischen Spulenkern 6 der HF-Spulenanordnung 5 und dem zu untersuchenden ferromagnetischen Prüfobjekt vorherrschenden Anzugskräften bleibt die HF-Spule 7 einerseits möglichst nah zur dem Prüfobjekt zugewandten Stirnseite 62 des Spulenkerns 6 jedoch andererseits beabstandet zu dieser, wodurch die HF-Spule vor Beschädigungen geschützt bleibt.Despite the between the elongated ferromagnetic coil core 6 the RF coil assembly 5 and the ferromagnetic test subject to be examined predominant tightening forces remains the RF coil 7 on the one hand as close as possible to the test object facing end face 62 of the spool core 6 however, on the other hand spaced therefrom, whereby the RF coil remains protected from damage.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: EMUS-WandlerEMAT
22: Longitudinalwellenlongitudinal waves
33: PrüfobjektUUT
3131: PrüfobjektoberflächePrüfobjektoberfläche
44: Magnetisierungseinheitmagnetization unit
4141: Obere StirnseiteUpper front side
4242: Untere StirnseiteLower front side
55: HF-SpulenanordnungRF coil assembly
66: SpulenkernPlunger
6161: Obere StirnseiteUpper front side
6262: Untere StirnseiteLower front side
77: HF-SpuleRF coil
88th: WechselstromgeneratorAlternator
9, 9'9, 9 ': Elektrisches SpannungsmessgerätElectrical voltage measuring device
1010: Differenzempfängerdifferential receiver
1111: Magnetjochyoke
B₀ B ₀: Magnetfeldstärke des statischen MagnetfeldsMagnetic field strength of the static magnetic field
B_HF B _HF: Magnetfeldstärke des magnetischen WechselfeldsMagnetic field strength of the alternating magnetic field
B_res B _res: Resultierende Magnetfeldstärke aus B₀ und B_HF Resulting magnetic field strength from B ₀ and B _HF
StSt: Stauchungupsetting
DD: Dehnungstrain
ARAR: Arbeitspunktworking
AA: Zylinderachsecylinder axis
MM: Magnetostriktionmagnetostriction
BB: Magnetfeldstärkemagnetic field strength
hH: Abstanddistance
NN: Magnetisch NordMagnetic north
SS: Magnetisch SüdMagnetic south

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102004053584 B4 [0005]
DE 3511768 A1 [0007]

Claims

Apparatus for generating and / or detecting ultrasonic waves in the form of longitudinally polarized bulk waves within a specimen having ferromagnetic material and having at least one specimen surface with an electromagnetic transducer, EMUS transducer, for short, oriented over a magnetization unit to produce perpendicular to the specimen surface , in the test object penetrating magnetic field lines of a stationary or quasistationären magnetic field (B ₀ ) and at least one RF coil assembly has, which is designed and arranged such that by supplying the RF coil assembly with AC an alternating magnetic field (B _HF ) can be generated or by Tapping an RF voltage signal from the RF coil assembly an alternating magnetic field (B _HF ) is detectable, the magnetic field lines at least partially parallel to the perpendicular to the Prüfobjektoberfläche oriented field lines of stationary or quasi-stationary magnetic field (B ₀ ) are oriented and with these in spatial interference within the test object, characterized in that the RF coil assembly has at least one wound around an elongated, ferromagnetic coil core coil winding, and that the elongated, ferromagnetic coil core via a Saturation magnetization greater than or equal to 1 Tesla.

Apparatus according to claim 1, characterized in that the elongated, ferromagnetic coil core is made of a transformer sheet, which consists of a plurality of assembled and mutually electrically insulated sheet metal layers.

Apparatus according to claim 2, characterized in that the sheet metal layers consists of one of the following materials: silicon-iron alloy, nickel-iron alloy or cobalt-iron alloy.

Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the elongated, ferromagnetic coil core is formed as a straight solid cylinder or in the manner of a solid cylinder and along a longitudinal axis assignable to the coil core has two opposite end faces.

Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the magnetization unit is a permanent magnet or electromagnet arrangement with a magnetization core, which at least one end face is assigned, which is oriented orthogonal to the magnetic field lines of the stationary or quasistationären magnetic field (Bo), and that the RF coil arrangement is arranged between the front side of the magnetization core and the test object surface.

Apparatus according to claim 5, characterized in that the magnetization core is formed as a solid cylinder or in the manner of a solid cylinder and along a magnetization core assignable longitudinal axis has two opposite end faces corresponding to the magnetic poles of the magnetizing unit.

Apparatus according to claim 4 and 5, characterized in that an end face of the coil core directly or indirectly adjacent to the one end face of the magnetization core and the other end face of the coil core of the Prüfobjektoberfläche is directly zuwendbar.

Apparatus according to claim 7, characterized in that the at least one wound around the elongated, ferromagnetic coil core winding has a distance to the test object surface directly zuwendbaren front side of 0.1 to 5 mm, in particular from 0.3 to 1.5 mm.

Use of at least two EMUS converters according to one of Claims 1 to 8 for constructing a differential receiver for longitudinally polarized ultrasonic waves, characterized in that a first EMUS converter and a second EMUS converter are arranged next to each other on the test object surface, the RF coil arrangements of both EMU converters are respectively arranged between the magnetization unit and the test object surface such that the winding sense of the at least one RF coil winding is oriented opposite to the elongated coil core of the first EMUS converter opposite to the winding sense of the at least one coil winding around the elongated coil core of the second EMU transducer. Transducer that the magnetization direction of the magnetization unit of the first EMUS converter is reversely oriented to the magnetization direction of the magnetization unit of the second EMUS converter, and that both RF coil windings with a separate or a common amen voltmeter are connected.