DE1497777C3 - Verfahren zum beruhrungslosen Aussenden und Empfangen von akusti sehen Schwingungen in elektrisch leit fähigen Materialien - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein. Verfahren, berührungslos akustische Schwingungen in elektrisch leitenden Materialien auszusenden oder auch zu empfangen. Hierbei kann es sich um das Abtasten von Maschinengeräuschen oder -schwingungen handeln oder auch das Aussenden und Empfangen von sehr hochfrequenten Schwingungen, Ultraschallschwingungen zum Zweck der Materialprüfung. Beim letztgenannten Anwendungszweck werden Ultraschallwellen auf elektrodynamischem Wege sowohl erzeugt als auch empfangen. . Es sind zwar bereits Verfahren bekannt, auf elektrodynamischem Wege Ultraschallschwingungen zu erzeugen oder zu empfangen, wobei in ersterem Falle der Ultraschallerzeuger von Cl air, im letzteren Falle das Empfangsverfahren von Kharitonov zu nennen sind. Beide Verfahren arbeiten zwar berührungslos, setzen aber eine spezielle Formgebung des zu Schwingungen erregten Körpers voraus, die im allgemeinen nicht vorhanden ist und außerdem eine Bewegung des Senders bzw. des Empfängers relativ zum Prüfling verhindern würde. Ebenfalls ist ein Wandler zum elektrodynamischen Schwingungsnachweis von Vinogradov und Ul'yanov bekannt, der entlang eines Prüflings bewegt werden kann. Dieser Wandler ist aber auch durch die ungünstige Anordnung seiner Empfangsspule besonders unempfindlich und daher für ein technisches Meßverfahren wenig geeignet.

Daher wird bei dem bisher einzigen bekannten berührungslosen Prüfverfahren, bei dem zum Zwecke der Materialprüfung eine Fehlerortung durch Ultraschallwellen erfolgt, der Magnetostriktions-Effekt

ίο zur Erzeugung und zum Nachweis der Ultraschallwellen benutzt. Die besonderen Nachteile dieses Verfahrens bestehen jedoch darin, daß es nur auf Materialien mit magnetostriktiven Eigenschaften anwendbar ist, daß der materialabhangige, nichtlineare Ver-

»5¹ lauf der Magnetostriktion in Abhängigkeit von der

' magnetischen Feldstärke die Einstellung günstiger Arbeitspunkte für Sender und Empfänger erschwert und schließlich darin, daß die übertragbare Sendeleistung durch Skineffekt und Sättigung der Magnetostriktion begrenzt wird.

Die vorstehend angeführten Nachteile treten bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht auf.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum berührungslosen Aussenden und Empfangen von akustischen Schwingungen anzugeben, welches für den erregten Körper keine spezielle Formgebung verlangt, eine Bewegung des Senders bzw. des Empfängers relativ zum Prüfling gestattet und für alle elektrisch leitfähigen Materialien anwendbar ist.

Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren gelöst, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß zur Erzeugung bzw. zum Empfang der Schwingungen Wandler benutzt werden, die ein konstantes Magnetfeld und eine parallel zur Oberfläche des elektrisch leitfähigen Materials (2) gelagerte Spule (1) aufweisen, deren zur Sende-Empfangsrichtung senkrecht und zur Materialoberfläche parallelstehende Strombahnen (1 a) so angeordnet sind, daß in ihrer unmittelbaren Nähe das konstante Magnetfeld senkrecht zur Materialoberfläche steht.

Bei dieser elektrodynamischen Schwingungserzeugung werden im anzuregenden Körper induktiv Wirbelströme erzeugt, auf die über ein konstantes Magnetfeld Kräfte ausgeübt werden. Beim elektrodynamischen Schwingungsempfang werden durch ein konstantes Magnetfeld in einem schwingenden Körper Wirbelströme erzeugt, die durch die Erregung einer Spannung in einer Induktionsspule nachgewiesen werden.

. Der erfindungsgemäße Wandlertyp zeichnet sich durch die besondere geometrische Zuordnung der Induktionsspule zum Magnetfeld aus. Im Gegensatz zu den obengenannten berührungslosen Wandlertypen ist der magnetische Fluß des konstanten Magnetfeldes durch die Induktionsspule aus symmetrischen Gründen O.

In den nachfolgenden Beispielen wird das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 eine perspektivische Aufsicht mit Permanentmagnet,

F i g. 2 eine perspektivische Aufsicht, bei der das konstante Magnetfeld durch eine von Gleichstrom durchflossene 8-förmige Spule 4 erzeugt wird, schematisch,

F i g. 3 das Beispiel einer technischen Ausführung der Anordnung gemäß F i g. 2 in perspektivischer Ansicht.

3 4

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 F i g. 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- Hch, 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 d 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 lings 2 ein Wechselstrom, der senkrecht zur Schwin- 55 gleiche Phasenbeziehung vorliegt. F i g. 4 c 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)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum bcrührungslosen Aussenden und Empfangen von akustischen Schwingungen in elektrisch leitfälligen Materialien, bei dem auf elektrodynamischem Wege Ultraschallschwingungen erzeugt bzw. empfangen werden, dadurch gekennzeichnet, daß in einem konstanten Magnetfeld eine parallel zur Oberfläche des elektrisch leitfähigen Materials (2) gelagerte Spule (1) benutzt wird, deren zur Sende-Empfangsrichtung (A, B) senkrecht und zur Materialoberfläche (2) parallelstehende Strombahnen (la) so angeordnet sind, daß in ihrer unmittelbaren Nähe das konstante Magnetfeld senkrecht zur Materialoberfläche steht.

2. Verfahren nach Anspruch!, dadurch gekennzeichnet, daß das konstante Magnetfeld durch einen Dauermagneten (3) erzeugt wird.

3. Verfahren nach Anspruchi, dadurch gekennzeichnet, daß das" konstante Magnetfeld durch eine Gleichstrom durchflossene 8-förmige Spule (4) erzeugt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Polabstand (d) des konstanten Magnetfeldes gleich dem Abstand der zur Sende-Empfangsrichtung senkrechten Strombahnen (la) der Induktionsspule (1) ist und dieser Abstand entweder klein zur Wellenlänge der akustischen Schwingung, gleich oder gleich einem ganzzahligen Vielfachen der Wellenlänge. der akustischen Schwingung ist.

5. Verfahren nach Anspruchi, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Wandler nach Anspruch 2 bzw. 3 ineinander verschachtelt angeordnet werden und einzeln oder gemeinschaftlich betrieben werden.