DE1497777B2 - Verfahren zum beruehrungslosen aussenden und empfangen von akustischen schwingungen in elektrisch leitfaehigen materialien - Google Patents

Description

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F i g. 3 a die Anordnung von F i g. 3 in Aufsicht, den Stromfäden eng benachbart, da die Stromdichte

F i g. 3 b einen Schnitt durch die Anordnung von in der Nähe der Magnetpole am größten ist. Da die

F i g. 3, Induktionsspule 1 die Sekundärseite eines Transfor-

F i g. 4 a, 4 b, 4 c die Wirkungsweise des elektrody- mators darstellt, dessen Primärseite die Oberflächen-

namischen Wandlers für verschiedene Wellenlängen. 5 schicht des Prüflings 2 ist, wird in der Induktions-

In F i g. 1 erkennen wir einen kräftigen Permanent- spule 1 eine Wechselspannung erzeugt. Die induzierte

magneten 3, dessen Kraftfeld unmittelbar unter sei- Wechselspannung ist besonders groß, wenn der Prüf-

nen Polschuhen senkrecht in die Oberfläche des ling 2 an beiden Polen des Wandlers die gleiche

Prüflings 2 eindringt bzw. am gegenüberliegenden Schwingungsphase hat, da dann die Richtung der

Pol wieder austritt. In diesem Kraftfeld befinden sich io Ströme im Prüfling 2 an beiden Polen mit der Wick-

die zur Erzeugung bzw. zum Empfang der Schwin- lungsrichtung der Induktionsspule 1 übereinstimmt,

gungen dienenden Strombahnen 1 a, die zur Sende- Daher eignet sich der Wandler besonders zum Emp-

Empfangsrichtung (s. Doppelpfeil) senkrecht und zur fangen von Schwingungen, deren mechanische WeI-

Materialoberfläche parallel stehen. Die Wirkungs- lenlänge groß gegen bzw. gleich dem Abstand der

weise sei an Hand von F i g. 1 näher erläutert: 15 Magnetpole ist.

Bei der Schwingungserregung, bei der also in der F i g. 2 zeigt schematisch die Ausführungsform des Spule 1 ein Wechselstrom fließt, stellt der Prüfling 2 Wandlers ohne Permanentmagneten. Das konstante für die Induktionsspule 1 eine Kurzschlußwindung Magnetfeld wird hier durch eine Magnetwicklung 4 dar, wenn man die Induktionsspule 1 als Primärspule erzeugt, deren Stromführung in einer 8-förmigen An- und den Prüfling als Sekundärseite eines Transfor- 20 Ordnung parallel zur Oberfläche des Prüflings vermators betrachtet. Wird die Induktionsspule 1 von läuft. Man erkennt in der schematischen Wiedergabe, einem Hochfrequenzstrom durchflossen, so fließt der daß in Richtung A-B der Wandler abwechselnd aus induzierte Sekundärwechselstrom wegen des Skinef- Gleich- und Wechselstrombahnen aufgebaut ist und fektes in einer Oberflächenschicht des Prüflings 2. sich die Spulen somit gegenseitig durchdringen.
Die Strombahnen in der Oberflächenschicht haben 25 Fig.3 zeigt in perspektivischer Wiedergabe das eine ähnliche Gestalt wie die parallel zur Oberfläche Beispiel einer technischen Ausführung der in F i g. 2 liegende Induktionsspule 1. Die Stromdichte in der schematisch angegebenen Anordnung. Die 8-förmig Oberflächenschicht des Prüflings ist in der Nähe der gelegte Gleichstromwicklung ist in dunklem Draht Strombahn 1 α der Induktionsspule 1 am größten und wiedergegeben und hat ihre Zuführung bei 5, die nimmt mit wachsendem Abstand von dieser Strom- 30 Wechselstromspule liegt zwischen den Strombahnen bahn ab. Die Pole des Permanentmagneten 3 sind der Gleichstromspule, ist in hellem Draht gezeichnet nun so angeordnet, daß sie gerade dort, wo die und hat ihren Ausgang bei 6. F i g. 3 a zeigt eine Auf-Wechselstromdichte in der Oberflächenschicht des sieht auf die Anordnung gemäß Fig.3, Fig.3b Prüflings am größten ist, eine maximale magnetische zeigt einen Schnitt an der Stelle C-D.
Induktion in zur Prüflingsoberfläche senkrechter 35 Natürlich ist es beim Empfangen und Senden mit Richtung erzeugen. In diesem Gebiet wird also eine Hilfe der beschriebenen Anordnung nicht erfordergesonders große Lorentz-Kraftdichte erzeugt. Die re- lieh, die Magnetspule 4 ständig mit Gleichstrom zu sultierende Lorentzkraft steht senkrecht zur magneti- durchfluten, sondern es genügt beispielsweise, die sehen Feldstärke und senkrecht zur Strombahn, wirkt Magnetwicklung 4 in den Betriebspausen auszuschalalso in Richtung des Doppelpfeiles A-B parallel zur 40 ten oder sogar nur während der kurzen Sendeimpulse Oberfläche des Prüflings 2. Da am zweiten Pol des impulsartig mit hohem Magnetisierungsstrom zu bePermanentmagneten 3 sowohl die Stromrichtung als schicken.

auch die Magnetfeldrichtung umgekehrt sind, hat die F i g. 4 veranschaulicht noch die Verhältnisse beim resultierende Lorentzkraft dort die gleiche Richtung Betrieb des Wandlers mit verschiedenen akustischen wie am ersten Pol. Daher eignet sich der Wandler be- 45 Wellenlängen. Da, wie oben bereits ausgeführt, die sonders zur Anregung von Schwingungen, deren me- Kraftwirkung des Wandlers unter beiden Polen im chanische Wellenlänge groß bzw. gleich dem Ab- gleichen Sinne erfolgt, kann Erzeugung und Nachstand der Magnetpole ist (s. auch Fig.4a und 4b). weis von akustischen Schwingungen dann besonders In gleicher Weise eignet sich der Wandler zum gut erfolgen, wenn der Abstand^ der Pole oder der Empfang von Schall- oder Ultraschallschwingungen. 50 Strombahnen 1 α klein gegen die Wellenlänge ist, wie Schwingt nämlich der Prüfling 2 in der Richtung des in F i g. 4 a wiedergegeben. Es ist aber auch ein sehr Doppelpfeiles A-B, so entsteht in der Nähe eines günstiger Betrieb dann möglich, wenn der Abstand d Pols des Permanentmagneten 3 in einer durch den möglichst genau gleich der Wellenlänge ist, wie Skineffekt bedingten Oberflächenschicht des Prüf- F i g. 4 b zeigt, da auch hier unter beiden Polen die lings2 ein Wechselstrom, der senkrecht zur Schwin- 55 gleiche Phasenbeziehung vorliegt. Fig.4c endlich gungsrichtung fließt und den periodischen Änderun- zeigt, daß auch dann ein guter Betrieb möglich ist, gen der magnetischen Induktion im Prüfling entge- wenn der Abstand d gleich einem ganzzahligen Vielgenwirkt. Da am zweiten Pol des Permanentmagne- fachen η der Wellenlänge ist (in Fig. 4c ist η = 2). ten 3 die Magnetfeldrichtung umgekehrt ist, fließt Für wesentlich kürzere Wellen eignet sich die Anorddort bei gleicher Schwingungsrichtung des Prüflings 2 60 nung nur dann, wenn die Polbreite oder die Stromein umgekehrter Strom. Die Induktionsspule 1 ist den bahnen der Spule entsprechend schmal gebaut werin der Oberflächenschicht des Prüflings 2 entstehen- den können.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

1 2 entlang eines Prüflings bewegt werden kann. Dieser ρ .... , Wandler ist aber auch durch die ungünstige Anord- ratentansprucne: nung seiner Empfangsspule besonders unempfindlich und daher für ein technisches Meßverfahren wenig

1. Verfahren zum berührungslosen Aussenden 5 geeignet.

und Empfangen von akustischen Schwingungen Daher wird bei dem bisher einzigen bekannten bein elektrisch leitfähigen Materialien, bei dem auf rührungslosen Prüfverfahren, bei dem zum Zwecke elektrodynamischem Wege Ultraschallschwingun- der Materialprüfung eine Fehlerortung durch Ultragen erzeugt bzw. empfangen werden, dadurch schallwellen erfolgt, der Magnetostriktions-Effekt gekennzeichnet, daß in einem konstanten io zur Erzeugung und zum Nachweis der Ultraschall-Magnetfeld eine parallel zur Oberfläche des elek- wellen benutzt. Die besonderen Nachteile dieses Vertrisch leitfähigen Materials (2) gelagerte Spule (1) fahrens bestehen jedoch darin, daß es nur auf Matebenutzt wird, deren zur Sende-Empfängsrichtung rialien mit magnetostriktiven Eigenschaften anwend- (A, B) senkrecht und zur Materialoberfläche (2) bar ist, daß der materialabhängige, nichtlineare Verparallelstehende Strombahnen (la) so angeord- 15 lauf der Magnetostriktion in Abhängigkeit von der net sind, daß in ihrer unmittelbaren Nähe das magnetischen Feldstärke die Einstellung günstiger konstante Magnetfeld senkrecht zur Material- Arbeitspunkte für Sender und Empfänger erschwert oberfläche steht. _ und schließlich darin, daß die übertragbare Sende-

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge- leistung durch Skineffekt und Sättigung der Magnetokennzeichnet, daß das konstante Magnetfeld 20 striktion begrenzt wird.

durch einen Dauermagneten (3) erzeugt wird. Die vorstehend angeführten Nachteile treten bei

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge- dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht auf. kennzeichnet, daß das konstante Magnetfeld Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufdurch eine Gleichstrom durchflossene 8-förmige gäbe zugrunde, ein Verfahren zum berührungslosen Spule (4) erzeugt wird. 25 Aussenden und Empfangen von akustischen Schwin-

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge- gungen anzugeben, welches für den erregten Körper kennzeichnet, daß der Polabstand (d) des kon- keine spezielle Formgebung verlangt, eine Bewegung stanten Magnetfeldes gleich dem Abstand der zur des Senders bzw. des Empfängers relativ zum Prüf-Sende-Empfangsrichtung senkrechten Strombah- ling gestattet und für alle elektrisch leitfähigen nen (1 a) der Induktionsspule (1) ist und dieser 3° Materialien anwendbar ist.

Abstand entweder klein zur Wellenlänge der aku- Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße

stischen Schwingung, gleich oder gleich einem Verfahren gelöst, welches dadurch gekennzeichnet

ganzzahligen Vielfachen der Wellenlänge der ist, daß zur Erzeugung bzw. zum Empfang der

akustischen Schwingung ist. Schwingungen Wandler benutzt werden, die ein kon-

5. Verfahren nach Anspruch!, dadurch ge- 35 stantes Magnetfeld und eine parallel zur Oberfläche kennzeichnet, daß mehrere Wandler nach An- des elektrisch leitfähigen Materials (2) gelagerte spruch 2 bzw. 3 ineinander verschachtelt an- Spule (1) aufweisen, deren zur Sende-Empfangsrichgeordnet werden und einzeln oder gemeinschaft- tung senkrecht und zur Materialoberfläche parallellich betrieben werden. stehende Strombahnen (1 a) so angeordnet sind, daß

40 in ihrer unmittelbaren Nähe das konstante Magnetfeld senkrecht zur Materialoberfläche steht.

"—: Bei dieser elektrodynamischen Schwingungserzeu-

. , ■■ \ gung werden im anzuregenden Körper induktiv Wir

belströme erzeugt, auf die über ein konstantes Ma-

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren, be- 45 gnetfeld Kräfte ausgeübt werden. Beim elektrodynarührungslos akustische Schwingungen in elektrisch mischen Schwingungsempfang werden durch ein konleitenden Materialien auszusenden oder auch zu stantes Magnetfeld in einem schwingenden Körper empfangen. Hierbei kann es sich um das Abtasten Wirbelströme erzeugt, die durch die Erregung einer von Maschinengeräuschen oder -schwingungen han- . Spannung in einer Induktionsspule nachgewiesen dein oder auch das Aussenden und Empfangen von '5° werden.

sehr hochfrequenten Schwingungen, Ultraschall- Der erfindungsgemäße Wandlertyp zeichnet sich

schwingungen zum Zweck der Materialprüfung. durch die besondere geometrische Zuordnung der In-Beim letztgenannten Anwendungszweck werden Ul- duktionsspule zum Magnetfeld aus. Im Gegensatz zu traschallwellen auf elektrodynamischem Wege so- den obengenannten berührungslosen Wandlertypen wohl erzeugt als auch empfangen. 55 ist der magnetische Fluß des konstanten Magnetfel-

Es sind zwar bereits Verfahren bekannt, auf elek- des durch die Induktionsspule aus symmetrischen trodynamischem Wege Ultraschallschwingungen zu Gründen 0.

erzeugen oder zu empfangen, wobei in ersterem Falle In den nachfolgenden Beispielen wird das erfin-

der Ultraschallerzeuger von Cl air, im letzteren Falle dungsgemäße Verfahren näher erläutert. Es zeigt das Empfangsverfahren von Kharitonov zu nen- 60 Fig. 1 eine perspektivische Aufsicht mit Permanen sind. Beide Verfahren arbeiten zwar berührungs- nentmagnet,

los, setzen aber eine spezielle Formgebung des zu Fig.2 eine perspektivische Aufsicht, bei der das

Schwingungen erregten Körpers voraus, die im allge- konstante Magnetfeld durch eine von Gleichstrom meinen nicht vorhanden ist und außerdem eine Be- durchflossene 8-förmige Spule 4 erzeugt wird, schewegung des Senders bzw. des Empfängers relativ 65 matisch,

zum Prüfling verhindern würde. Ebenfalls ist ein F i g. 3 das Beispiel einer technischen Ausführung

Wandler zum elektrodynamischen Schwingungsnach- der Anordnung gemäß F i g. 2 in perspektivischer weis von Vinogradov und Ul'yanov bekannt, der Ansicht,