DE2623266A1

DE2623266A1 - Wandler zum elektromagnetischen erzeugen bzw. empfang von oberflaechenschallwellen und verwendung desselben

Info

Publication number: DE2623266A1
Application number: DE19762623266
Authority: DE
Inventors: Philip Trevor Cole; David Malcolm Marsh; Keith Richard Whittington
Original assignee: TI Group Services Ltd
Current assignee: TI Group Services Ltd
Priority date: 1975-05-23
Filing date: 1976-05-24
Publication date: 1976-12-02
Also published as: GB1541567A; DE2623266C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wandler der im Oberbegriff des Hauptanspruchs angegebenen Gattung, ferner auf die Verwendung desselben, insbesondere zur Ultraschallwerkstoffprüfung.

Bei elektrisch nicht leitenden, fester Körpern werden Oberflächenschallwellen überlicherweise durch piezoelektrische Wandler erzeugt bzw. empfangen. Bei elektrisch leitenden, festen Körpern ist es bekannt, elektromagnetische Verfahren anzuwenden, welche auf der Reaktion zwischen Wirbel strömen, die in der Oberfläche bzw. Oberflächenschicht des jeweiligen Körpers induziert werdenjUnd einem dauernd aufgebrachten Magnetfeld beruhen. Die Wirbelströaie werden mit Hilfe einer Spule induziert, welche nahe an der Oberfläche angeordnet ist und mit einem Wechselstrom geeigneter Frequenz beaufschlagt wird. Ein derartiger Wandler erzeugt Raumschallwellen und auch Oberflächenschallwellen, welche quer oder in Längsrichtung liegen, je nach der Ausrichtung des Magnetfeldes in Bezug

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auf die induzierten Wirbelströme.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten, elektromagnetischen Wandler zu schaffen, welcher speziell zum Erzeugen bzw. Empfang von Oberflächenschallwellen ausgebildet ist.

Der erfindungsgemäße Wandler ist daher durch die im Hauptanspruch angegebenen Merkmale gekennzeichnet. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den restlichen Ansprüchen gekennzeichnet.

Der erfindungsgemäße Wandler weist mindestens zwei zueinander etwa parallele, in bestimmtem Abstand voneinander angeordnete, elektrische Leiter auf, welche miteinander verbunden sind und von demselben Wechselstrom durchflossen werden, welcher bei Verwendung als Generator von einer Wechselstromquelle stammt und bei Verwendung als Empfänger von den untersuchten Oberflächenschallwellen in den Leitern erzeugt wird. Der Wandler kann einen Magneten zur Erzeugung eines Magnetfeldes in demjenigen Bereich der Körperoberfläche bzw. -oberflächenschicht, dem die Leiter gegenüberliegen, aufweisen, welcher jedoch auch fehlen kann. Besondere Vorteile ergeben sich zusätzlich, wenn bei der Oberflächenschallerzeugung bzw. dem Oberflächenschallempfang mehrere Wandler verwendet werden. Besonders vorteilhaft ist der Einsatz bei der Ultraschallwerkstoffprüfung.

Wird der erfindungs gemäße Wandler als Generator mit einem Magneten benutzt, dann induziert der in den zueinander etwa parallelen Leitern fließende Wechselstrom in der benachbarten Oberfläche bzw. Oberflächenschicht des Körpers ein Muster von Wirbelströmen, welche mit dem Magnet-

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feld in Wechselwirkung treten und Lorentz-Kräfte im Körpermaterial hervorrufen, Biese -wiederum bewirken zusammen Oberflächensehallwellen, welche sich, in der Oberfläche bzw. Oberflächenschicht in entgegengesetzten Richtungen fortpflanzen.

Wird der Wandler als Empfänger verwendet, daran bewirken Qberfläellienseliallwellen im Körper mechanische Schwingungen, weiche bei To7??iar':lenseiji eines dauernd auf— gebrachten Magnetfeldes Wechselströme im Material an der Körperoberfläche induzieren, die ihrerseits in den zueinander etwa parallelen leitern Ströme induzieren, deren Ehasenverhältnis so ist, daß sie sich gegenseitig verstärken ,

Bei einer Aiasführungsform, wobei ein gleichbleibendes Magnetfeld in der Oberfläche bzw. Oberflächenschicht des Körpers in dem den zueinander etwa parallelen leitern gegenüberliegenden Bereich hervorgebracht wird, sind diese leiter vorzugsweise mit einem gegenseitigen Abstand von einer halben Wellenlänge der zu erzeugenden bzw. zu empfangenden Oberflächenschallwellen angeordnet, und fließt in geweils zwei einander benachbarten leitern derselbe Wechselstrom, allerdings in entgegengesetzten Sichtungen ,

Wird der Wandler als Generator verwendet, dann ruft der in den zueinander etwa parallelen leitern fließende Wechselstrom ein eigenes Magnetfeld hervor, welches mit den in der Oberfläche bzw. Oberflächenschicht des Körpers induzierten Wirbelströmen in Wechselwirkung tritt, um darin lorentz-Kräfte hervorzurufen. Da jedoch das magnetische Wechselfeld stets in Phase mit den Wirbelströmen ist, sind die hervorgerufenen lorentz-Kräfte stets gleich gerichtet und weisen die resultierenden Oberflächensehall-

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wellen eine Wellenlänge gleich dem gegenseitigen Abstand der besagten Leiter auf, also gleich der halben Wellenlänge der Oberflächenschallwellen, welche durch das bei dem Wandler aufgebrachte, gleichbleibende Magnetfeld erzeugt werden. Dieser Effekt wird bei einer anderen Ausführungsform ausgenutzt, wobei kein solches Magnetfeld vorgesehen ist, und wobei die zueinander etwa parallelen Leiter in einem Abstand voneinander angeordnet sind, welcher etwa einer Wellenlänge der Oberflächenschallwellen gleich ist, die im elektrisch leitenden Körper erzeugt bzw. davon empfangen werden sollen.

Es sind unterschiedliche Ausgestaltungen bezüglich der zueinander etwa parallelen Leiter möglich. So können sie von den aufeinanderfolgenden, sich parallel zueinander erstreckenden Abschnitten eines einzigen, entlang einer zickzackförmigen Bahn verlaufenden Leiters gebildet sein, welcher dieser zickzackförmigen Bahn entweder einmal oder mehrmals folgt. Im letzteren Fall besteht jeder der besagten Abschnitte aus einer Gruppe zueinander etwa paralleler Unterabschnitte des Leiters. Bei dem besagten, einzigen Leiter kann es sich um einen Draht handeln, jedoch kann er auch in Form einer gedruckten Schaltung hervorgebracht sein.

Sollen Oberflächenschallwellen in einem langgestreckten, elektrisch leitendem Körper erzeugt bzw. davon empfangen werden, dann können die zueinander etwa parallelen Leiter schraubenlinienförmig gewunden sein.

Vorzugsweise wird dem Wandler bei Verwendung als Generator für Oberflächenschallwellen der Wechselstrom als Stromimpuls zugeführt, weil große Impulsströme leichter erzeugt werden können, als große, dauernde Ströme. Jedoch ist die Impulslänge dann in Bezug auf die Amplitude der

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erzeugten Oberflächenschallwellen ein begrenzender Faktor.

Eine Verstärkung erzeugter Oberflächenschallwellen kann dadurch erzielt werden, daß man zwei oder mehr ähnliche Wandler entlang der IPortpflanzungsrichtung der Oberflächenschallwellen im Abstand voneinander anordnet und aufeinanderfolgende Wandler derart nacheinander erregt, daß die von einem Wandler erzeugte Oberflächenschallwelle den in Fortpflanzungsrichtung folgenden Wandler dann erreicht, wenn dieser erregt wird und somit eine Oberflächenschallwelle erzeugt, welche mit der erstgenannten Oberflächenschallwelle in Phase liegt.

Auch zum Empfang können zwei oder mehr ähnliche Wandler verwendet werden, wobei diese so angeordnet werden, daß sie die gewünschten bzw. erforderlichen Oberflächenschallwellen in Phase aufnehmen. Die Ausgangssignale der Wandler können unter Anwendung von Autokorrelationsverfahren so verarbeitet werden, daß alle Signale außer denjenigen ausgesondert werden, welche empfangen werden sollen.

Nachstehend sind Ausführungsformen der Erfindung an Hand der Zeichnung beispielsweise beschrieben. Darin zeigen schematisch:

5"ig. 1 die Draufsicht auf eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wandlers;

Fig. 2 eine Seitenansicht der Ausführungsform gemäß Fig. 1, woraus auch die Form der entsprechenden Oberflächenschallwelle hervorgeht;

Fig. 3 das Schaltbild einer Schaltung zur Erregung bzw. Speisung des Wandlers gemäß Fig. Λ und 2 bei Generatorbetrieb;

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Fig. 4 die Anordnung zweier Wandler und das Schaltbild der Schaltung zur Erregung bzw. Speisung derselben bei Generatorbetrieb;

Fig. 5 die Anordnung zweier Wandler und das Schaltbild der zugehörigen Schaltung bei Empfängerbetrieb;

!ig. 6 die Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wandlers;

Fig. 7 eine Seitenansicht entsprechend Fig. einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wandlers, welche sich lediglich dadurch von derjenigen nach Fig. 1 und 2 unterscheidet, daß kein ständiges Magnetfeld erzeugt wird;

Fig. 8 die Draufsicht auf eine vierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wandlers;

Fig. 9 eine Seitenansicht einer fünften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wandlers; und

Fig. 10 die Draufsicht auf eine sechste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wandlers.

Der Wandler gemäß Fig. 1 und 2 weist einen einzigen Draht 1 auf, welcher zickzackförmig verläuft, so daß aufeinanderfolgende Abschnitte sich parallel zueinander erstrecken und ein durch den Draht 1 fließender Strom in jeweils zwei einander benachbarten Abschnitten in entgegengesetzten Eichtungen fließt, wie durch Pfeile in Fig. 1 veranschaulicht.

Der Abstand zwischen jeweils zwei einander be-

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nachbarten, zueinander parallelen Abschnitten des Drahtes 1 ist gleich der halben Wellenlänge derjenigen Oberflächenschallwellen, welche in einem festen Körper 2 aus elektrisch leitendem Material erzeugt werden sollen. Der Draht 1 ist nahe an der Oberfläche des Körpers 2 angeordnet, und zwar in einem Abstand, welcher im Verhältnis zum gegenseitigen Abstand der erwähnten Abschnitte des Drahtes 1 klein ist. Ein Magnet $ bewirkt ein gleichbleibendes Magnetfeld in der Oberfläche bzw. Oberflächenschicht des Körpers 2 im Bereich des Drahtes 1. Das Magnetfeld verläuft parallel zur Oberfläche des Körpers 2 und im wesentlichen senkrecht zu den zueinander parallelen, im Abstand voneinander angeordneten Abschnitten des Drahtes 1.

Der Draht 1 wird mit einem Wechselstrom beaufschlagt, wodurch in der Oberfläche bzw. Oberflächenschacht des Körpers 2 Wirbelströme in einem bestimmten Muster induziert werden, und zwar beinhaltet das Muster gleichgroße und einander entgegengesetzt gerichtete Ströme in aufeinanderfolgenden Bereichen in und parallel zu der Oberfläche. Diese Wirbelströme treten in Wechselwirkung mit dem Magnetfeld, um Lorentz-Kräfte hervorzurufen, wie durch Pfeile in Fig. 2 veranschaulicht, welche einen Abstand entsprechend dem gegenseitigen Abstand der zueinander parallelen Abschnitte des Drahtes 1 voneinander haben und abwechselnd um 180° phasenverschoben sind, so daß sie in der Kombination miteinander Oberflächenschallwellen hervorbringen, welche sich in der Oberfläche bzw. Oberflächenschicht in entgegengesetzten Eichtungen fortpflanzen.

Beispielsweise kann der Wechselstrom eine Frequenz von 0,5 MHz aufweisen, können die zueinander parallelen Abschnitte des Drahtes 1 mit einem gegenseitigen Abstand von etwa 1,5 mm angeordnet sein, und kann

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sich, der Draht 1 in einem Abstand von etwa 0,5 mm von der Oberfläche des Körpers 2 erstrecken.

Vorzugsweise wird der Wechselstrom von einer Hochfrequenzimpulsschaltung gemäß Fig. 3 erzeugt. Diese weist einen Ladekreis 4 für einen Kondensator 5 in einem abgestimmten Kreis 6 und einen Thyristor 7 auf, welcher von einem Triggerkreis 8 gezündet wird und dazu dient, den Kondensator 5 über den Draht 1 zu entladen.

Die Amplitude der erzeugten Oberflächen schallwelle hängt von der Strom- und Magnetfeldamplitude, von der Anzahl zueinander paralleler Abschnitte des Drahtes 1 und von der Impulslänge ab. Die zwei letztgenannten Parameter müssen zusammen vergrößert werden, um eine sich kontinuierlich vergrößernde Veil en amplitude zu erzielen, weil die äußeren, zueinander parallelen Abschnitte des Drahtes 1 über eine Zeitdauer hinweg Oberflächenschallwellen erzeugen massen, die ausreicht, damit die von den inneren, zueinander parallelen Abschnitten des Drahtes 1 erzeugten Oberflächenschallwellen verstärkt werden. Jedoch kann eine Verstärkung der Oberflächenschallwellen zusätzlich dadurch bewirkt werden, daß man zwei oder mehr ähnliche Wandler entlang der Oberflächenschallwellenfortpflanzungsrichtung im Abstand voneinander anordnet und aufeinanderfolgend erregt, wie in Jig. 4 dargestellt.

Gemäß Fig. 4 sind zwei Wandler 9 und 10 vorgesehen, jeweils ähnlich dem Wandler gemäß lig. 1 und 2 und mit einer Hochfrequenzimpulsschaltung 11 bzw. 12 verbunden, gespeist von einem Treiberkreis 13 bzw. 14 und getriggert durch einen gemeinsamen Triggerimpulsgenerator 15, welcher mit dem in Oberflächenschallwellenfortpflanzungsrichtung ersten Wandler 9 unmittelbar und mit dem in der-

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selben Richtung zweiten Wandler 10 über einen Verzögerungskreis 16 mit veränderlicher Verzögerungswirkung verbunden ist. Der Verzögerungskreis 16 wird so eingestellt, daß die Erregung des zweiten Wandlers 10 gegenüber der Erregung des ersten Wandlers 9 so verzögert erfolgt, daß vom zweiten Wandler 10 eine Oberflächenschallwelle erzeugt wird, welche mit der vom ersten Wandler 9 erzeugten Oberflächenschallwelle dann in Riase ist, wenn letztere den zweiten Wandler 10 erreicht. Diese beiden Oberflächenschallwellen verstärken sich also gegenseitig zu einer Oberflächenschallwelle mit verdoppelter Amplitude. Da jeder Wandler 9 bzw. 10 eine Oberflächenschallwelle in beiden Richtungen abgibt, sendet jeder Wandler 9 bzw. 10 auch eine Oberflächenschallwelle in Richtung vom zweiten Wandler 10 zum ersten Wandler 9 aus, also in lig. 4- nach links. Diese Oberflächenschallwellen verstärken sich jedoch nicht gegenseitig.

Der Wandler gemäß Hg. 1 und 2 kann statt der geschilderten Erzeugung auch zum Empfang von Oberflächenschallwellen verwendet werden, also dazu, Oberflächenschallwellen im Körper 2 aufzunehmen oder festzustellen, und zwar über den im Draht 1 durch die Oberflächenschallwellen induzierten Wechselstrom. Die Oberflächenschallwellen rufen mechanische Schwingungen hervor, welche in Wechselwirkung mit dem Magnetfeld des Magneten 3 treten, so daß sich im Körper 2 Wirbelströme ergeben, welche ihrerseits Ströme in Draht 1 induzieren, wobei diese induzierten Ströme für Oberflächenschallwellen der geeigneten Wellenlänge in Phase sind. Bezüglich des Empfanges von Oberflächenschallwellen ist es wesentlich, daß der Draht 1 dicht an der Oberfläche des Körpers 2 angeordnet wird, weil eine Vergrößerung dieses Abstandes einen schnellen Abfall des Detektorstromsignals bewirkt. Dieser Abfall

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ist noch schneller als der entsprechende Abfall der Amplitude der erzeugten Oberflächenschallwelle mit wachsendem Wandlerabstand bei der Verwendung des Wandlers zur Erzeugung von Oberflächenschallwellen.

Analog der Verwendung von zwei oder mehr Wandlern für die Erzeugung einer verstärkten Oberflächenschallwelle können zwei oder mehr Wandler dazu benutzt werden, Detektorstromsignale zu verstärken oder zu diskriminieren, und zwar unter Anwendung eines Autokorrelationsverfahrens, wie es in Fig. 5 veranschaulicht ist. IDi diesem EaIl wird das Detektorstromsignal eines ersten Wandlers 17 in einem Verzögerungskanal 25 mit einstellbarer Verzögerungswirkung verzögert, bevor es in einem Analogmultiplizierer 26 mit dem Detektorstromsignal eines zweiten, ähnlichen Wandlers 18 multipliziert wird, welcher in !Richtung der Oberflächenschallwellenfortpflanzung entfernt vom ersten Wandler 17 angeordnet ist. Die vom Verzögerungskanal 25 bewirkte Verzögerung wird so eingestellt, daß sie derjenigen Zeitdauer gleich ist, welche die untersuchte Oberflächenschallwelle benötigt, um sich vom Wandler 17 zum Wandler 18 fortzupflanzen. Die beiden Detektorstromsignale sind daher in Phase, und die Multiplikation im Multiplizierer 26 bringt ein Signal verdoppelter Irequenz mit vergrößerter Amplitude hervor. Andere empfangene Signale werden nicht in Phase multipliziert und daher ausgeschlossen oder geschwächt.

Bei der Ermittlung von Impulsen von Oberflächenschallwellen können die gewünschten bzw. erforderlichen Detektorstromsignale von anderen Detektorstromsignalen weiterhin dadurch diskriminiert werden, daß das Ausgangssignal des Multiplizierers 26 einem Integrierkreis 27 zugeführt wird, in welchem es mit der geeigneten Zeitkon-

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stanten integriert wird, welche von der Impulslänge abhängt.

Die Diskriminierung der gewünschten bzw· erforderlichen Oberflächenschallwellen beim Empfang verbessert sich mit wachsendem Abstand der beiden Wandler 17 "und 18 voneinander, jedoch wird mit wachsendem Wandlerabstand die Empfindlichkeit bezüglich Fehlern auf Grund von Wechseln der Oberflächenschallwellengeschwindigkeit mit der Temperatur und Oberflächenanomalien größer. Es wird daher ein optimaler Wandler abstand gewählt.

Dieses Detektorsystem ist deswegen besonders vorteilhaft, weil es zwischen zwei Oberflächenschallwellen derselben Wellenlänge unterscheiden kann, welche sich in entgegengesetzten Eichtungen fortpflanzen, indem die in !Richtung vom ersten Wandler 17 zum zweiten Wandler 18 sich fortpflanzende Oberflächenschallwelle aufgenommen wird, während die in entgegengesetzter Richtung laufende Oberflächenschallwelle zurückgewiesen wird. Das Detektorsystem kann also bei Blasen- oder Hißdetektorgeräten verwendet werden, um zwischen den von Fehlern in einem Prüfling zurückkehrenden Echowellen und der einfallenden Welle zu unterscheiden. Die beiden Wandler 17 "und 18 werden dann zwischen einem Oberflächenschallwellengenerator gemäß Fig. 4- und dem Bereich des jeweiligen Prüflings angeordnet, welcher auf Fehler untersucht werden soll.

Dabei werden die beiden Wandler 17 und 18 vorzugsweise mit einem gegenseitigen Abstand gleich einem ungeraden Vielfachen eines Viertels der Wellenlänge der zu untersuchenden Oberflächenschallwellen angeordnet, so daß die der einfallenden Welle entsprechenden Detektorstromsignale nach der Verzögerung im Verzögerungskanal

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um 180° gegenseitig phasenverschoben sind und nach dem Multiplizieren in dem Multiplizierer 26 im Integrierkreis 27 zu einem negativen Wert integriert werden, welcher dann in einem Negativübergangsunterdrückerkreis unterdrückt wird.

Das Detektorsystem gemäß Pig. 5 weist weiterhin zwischen jedem Wandler 17 bzw. 18 und dem Multiplizierer 26 einen Vorverstärker 19 bzw. 20, einen Filter 21 bzw. 22 und einen Pufferverstärker 23 bzw. 24 auf.

Die Ausgangsimpedanz der Wandler 17 und 18 ist bei deren Betriebsfrequenz sehr gering, beispielsweise geringer als 1 Ohm, und die Vorverstärker 19 sowie 20 müssen entsprechend angepaßt sein. Beispielsweise können die Vorverstärker 19 und 20 eine geringe Eingangsimpedanz und einen geringen Rauschwert aufweisen und mittels eines Eingkerntransformators den Wandlern 17 und 18 angepaßt sein. Der Transformator muß in gewissem Abstand vom jeweiligen Wandler 17 bzw. 18 angeordnet sein, so daß er vom Magnetfeld des Magneten 3 des jeweiligen Wandlers 17 bzw. 18 nicht gesättigt wird. Dann wird jedoch die Impedanz der Verbindungsleitungen bedeutsam.

Aus diesem Grunde wird vorzugsweise der einzige, gemäß Fig. 1 und 2 nur einmal entlang einer zickzackförmigen Bahn verlegte Draht 1 des Wandlers 17 bzw. 18 durch einen gleichwertigen Leiter ersetzt, welcher aus einem dünneren Draht 1 gebildet ist, der gemäß Hg. 6 mehrfach entlang im wesentlichen derselben zickzackförmigen Bahn verlegt ist. Beispielsweise sind für einen Wandler mit vier zueinander parallelen Abschnitten, wie in Fig. 6 dargestellt, wenigstens drei Drahtläufe entlang der zickzackförmigen Bahn für eine geeignete Anpassung erforderlich.

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Die Drahtläufe bedecken eine möglichst große, der Oberfläche des Körpers 2 bzw. des jeweiligen Prüflings zugewandte Fläche, ohne auf schädliche Antiphasenwirkungen anzusprechen. Vorzugsweise weist jeder der zueinander parallelen Abschnitte, welcher aus einer Gruppe von drei parallelen Drahtabschnitten besteht, eine Gesamtbreite von höchstens einem Viertel der Wellenlänge der Oberflächenschallwellen auf, was einer Flächenbedeckung von höchstens 50 % entspricht.

Die Primärwicklung des Bingkerntransformators ist vorteilhafterweise auf die Frequenz der gewünschten bzw. erforderlichen, untersuchten Oberflächenschallwellen abgestimmt,.so daß eine direkte elektrische Beeinflussung durch die Stromimpuls zufuhr zu irgend einem Oberflächenschallwellen erzeugenden Wandler vermindert ist, wie unten in Verbindung mit Fig. 7 geschildert, wobei der Erregungsstrom eine andere Frequenz als die erzeugten Oberflächenschallwellen aufweist.

Wird der Wandler gemäß Fig. 1 und 2 mit einem Wechselstrom der Frequenz f^ erregt bzw. gespeist, dann erzeugt er eine Oberflächenschallwelle mit der Wellenlänge X, wie oben geschildert und in Fig. 2 dargestellt, und zwar auf Grund der Wechselwirkung zwischen den in der Oberfläche bzw. Oberflächenschicht des Körpers 2 induzierten Wirbelströmen und dem dauernd aufgebrachten Magnetfeld des Magneten 3. Jedoch bewirkt der im Draht 1 fließende Wechselstrom ein eigenes, wechselndes Magnetfeld bzw. magnetisches Wechselfeld. Auch dieses tritt in Wechselwirkung mit den Wirbelströmen, um eine Oberflächenschallwelle zu erzeugen, wie in Fig. 7 dargestellt. Das magnetische Wechselfeld ist in diesem Fall stets in Phase mit den Wirbelströmen, so daß die sich ergebenden Lorentz-Kräfte in der Oberfläche bzw. Oberflächenschicht des Körpers 2

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stets gleichgerichtet sind -und die sich ergebende Oberflächenschallwelle eine Frequenz von 2f λ und eine Wellenlänge ^/2 aufweist, welche also gleich dem gegenseitigen Abstand der zueinander parallelen Abschnitte des Drahtes 1 und sonst gleich der halben Wellenlänge der mit dem Magnetfeld des Magneten 3 erzeugten Oberflächenschallwelle ist.

Auf Grund dieses Effektes kann ein Wandler hergestellt werden, welcher den Magneten 3 nicht aufweist und dennoch Oberflächenschallwellen mit einer Wellenlänge hervorbringt, welche dem gegenseitigen Abstand der zueinander parallelen Abschnitte des Drahtes 1 entspricht.

Die Amplitude der Oberflächenschallwellen, welche durch das magnetische Wechselfeld des Erregungsstromes erzeugt werden, ist verhältnismäßig gering, wenn ein Wandler mit einem einzigen Draht Λ verwendet wird, wie in Fig. 7 dargestellt. Jedoch kann die Amplitude durch Vergrößerung des magnetischen Wechselfeldes vergrößert werden, was durch Verwendung eines entlang der zickzackförmigen Bahn mehrfach verlegten Drahtes 1 gemäß Fig. 6 möglich ist. Die Induktivität des Wandlers ist dann vergrößert, doch kann dies bei Verwendung der Hochfrequenzimpulsschaltung gemäß Fig. 3 zur Speisung des Wandlers dadurch kompensiert werden, daß man die Induktivität in dem abgestimmten Kreis 6 vermindert.

Bei den vorstehend geschilderten Wandlern sind zueinander parallele, im Abstand voneinander angeordnete Leiter vorgesehen, welche von den entsprechenden Abschnitten eines Drahtes 1 gebildet sind, welcher zickzackförmig gebogen ist, um der zickzackförmigen Bahn einmal oder mehrfach zu folgen. Statt dessen können diese Leiter jedoch als gedruckte Schaltung ausgebildet sein. So kann der Draht

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1 des Wandlers gemäß Fig. 1 "und 2 durch eine gedruckte Schaltung gemäß Fig. 8 ersetzt sein. Auf einem Träger sind dabei zueinander parallele Kupferstreifen vorgesehen, welche durch Ätzen hervorgebracht sind und eine Breite von einem Viertel der Wellenlänge aufweisen, sowie mit einem gegenseitigen Abstand von ebenfalls einem Viertel der Wellenlänge angeordnet sind.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 9 erstrecken sich die zueinander parallelen, im Abstand voneinander angeordneten Leiter schraubenlinienförmig, um Oberflächen— schallwellen in der Oberfläche bzw. ringförmigen Oberflächenschicht eines innen angeordneten, langgestreckten Körpers 2 zu erzeugen bzw. zu empfangen. Zwei zueinander parallele Leiter erstrecken sich mit einem gegenseitigen Abstand von einer halben Wellenlänge jeweils entlang einer schraubenlinienförmigen Bahn und sind an einem Paar einander benachbarter Enden miteinander verbunden, so daß ein Strom beide Leiter nacheinander durchfließt, und zwar in entgegengesetzten Eichtungen. Die beiden Leiter sind von einem einzigen Draht 1 gebildet, welcher bifilar gewickelt ist. Der Wandler gemäß Fig. 9 ist besonders dafür geeignet, Oberflächenschallwellen in zylindrischen Körpern 2 zu erzeugen bzw. zu empfangen.

Im Falle der Erzeugung von Oberflächenschallwellen in einem ständig aufgebrachten Magnetfeld ist ein hülsenförmiger Elektromagnet 3 vorgesehen, welcher die Leiter bzw. den Draht 1 umgibt und ein Magnetfeld hervorruft, welches parallel zur Spulenachse und zur Oberfläche des Körpers 2 gerichtet ist.

Der Elektromagnet 3 kann jedoch weggelassen werden, und Oberflächenschallwellen mit einer Wellenlänge gleich dem gegenseitigen Abstand der zueinander parallelen Windungen des Drahtes 1 können mit Hilfe des elektromagneti-

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sehen Wech.selfeld.es erzeugt werden, welches von dem im Draht 1 fließenden Strom hervorgerufen wird. Weiterhin ist es in diesem EaIl möglich, die zwei zueinander parallelen, an einem Paar einander benachbarten Enden untereinander verbundenen, vom Draht 1 gebildeten Leiter durch einen einzigen, schraubenlinienförmig gewundenen Leiter zu ersetzen, bei welchem also aufeinanderfolgende Windungen den erwähnten, zueinander parallelen Abschnitten des Drahtes 1 bzw. den zueinander parallelen Leitern der beschriebenen Ausführungsformen entsprechen, welche jedoch nicht in entgegengesetzten Richtungen, sondern in derselben Richtung vom Wechselstrom durchflossen werden. Dies ist jedoch bedeutungslos, weil Strom und Magnetfeld in Phase und die entsprechenden Lorentz-Kräfte gleich gerichtet sind.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 10 sind die zueinander parallelen Leiter hinsichtlich Gestalt und Länge so ausgebildet, daß ein gebündelter Strahl von Oberflächenschallwellen hervorgebracht wird. Der Wandler weist einen einmal oder mehrfach entlang einer zickzackförmigen Bahn verlaufenden Leiter bzw. Draht 1 auf, wobei die zueinander parallelen Abschnitte in einem gegenseitigen Abstand gleich einer halben oder einer ganzen Wellenlänge angeordnet sind. Die zueinander parallelen Abschnitte sind jedoch nicht gerade und gleich lang, sondern sind kreisbogenförmig gekrümmt, konzentrisch zu einem gemeinsamen Punkt F angeordnet und so lang, daß sie sich zwischen zwei vom Brennpunkt F radial ausgehenden Grenzlinien erstrecken. Mit dieser Anordnung des Leiters bzw. Drahtes 1 werden Oberflächenschallwellen erzeugt, welche am Punkt F fokussiert sind und in den geeigneten Richtungen vom Punkt F weg auseinanderlaufen.

Das in Fig. 1, 2 und 9 dargestellte, ständig auf-

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rechterhaltene Magnetfeld erstreckt sich parallel zur Oberfläche des Körpers 2 und im wesentlichen senkrecht zu den zueinander parallelen Abschnitten des Leiters bzw. Drahtes 1 des Wandlers. Jedoch kann das Magnetfeld auch so aufgebracht werden, daß es senkrecht zur Oberfläche des Körpers 2 gerichtet ist. Oberflächenschallwellen werden auch dann anelog erzeugt bzw. empfangen.

Die von dem oder den Wandlern gemäß der Erfindung erzeugten oder empfangenen Oberflächenschallwellen können für jeden bekannten Zweck verwendet werden, wie beispielsweise die Ultraschallwerkstoffprüfung, oder als Filter oder als Verzögerungskanal. Die Erfindung ist insbesondere für die Ultraschallwerkstoffprüfung unter Fertigungsbedingungen von Vorteil, weil die Wandler keinen innigen Kontakt mit der Oberfläche des jeweiligen Prüflings bzw. Werkstücks erfordern. Für einen Schallverzögerungskanal können die zueinander parallelen Leiter unmittelbar auf die Oberfläche des jeweiligen Körpers abgelegt werden, beispielsweise nach Art von gedruckten Schaltungen, was geringere Abmessungen und höhere Frequenzen ermöglicht.

Im "Vorstehenden sind Wandler geschildert, bei denen zueinander parallele Leiter mit einem gegenseitigen Abstand von einer halben Wellenlänge bzw. einer ganzen Wellenlänge vorgesehen sind. Erfindungsgemäß kann der besagte Abstand jedoch jedem ungeraden Vielfachen einer halben Wellenlänge entsprechen, ebenso wie jedem Vielfachen einer ganzen Wellenlänge. Die Wirksamkeit solcher Wandler kann gegenüber derjenigen von Wandlern mit einem Abstand der zueinander parallelen Leiter voneinander, welcher gleich einer halben Wellenlänge bzw. einer ganzen

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Wellenlänge ist, vermindert sein, jedoch können sie andere Vorteile vermitteln, wie beispielsweise das Vermeiden schädlicher Interferenzen zwischen aufeinanderfolgenden, zueinander parallelen Leitern auf Grund der Entfernung von der Oberfläche des Körpers 2.

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Claims

Ansprüche

(\ J Wandler zum elektromagnetischen Erzeugen bzw. Empfang von Oberflächenschallwellen in festen Körpern aus elektrisch leitendem Material, bei dem nahe und elektrisch isoliert von der Oberfläche des jeweiligen Körpers ein elektrischer Leiter vorgesehen ist, gekennzeichnet durch mindestens zwei zueinander etwa parallele Leiter mit einem gegenseitigen Abstand etwa gleich einem Vielfachen einer halben Wellenlänge der Oberflächenschallwellen im Körper (2), welche Leiter miteinander verbunden sind, so daß sie von demselben Wechselstrom durchflossen werden.
2. Wandler nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Magneten (3) zur Erzeugung eines dauernden Magnetfeldes in der Oberfläche des Körpers (2) gegenüber den Leitern, wobei der gegenseitige Abstand der Leiter etwa gleich einer halben Wellenlänge der Oberflächenschallwellen ist, und wobei die Leiter so miteinander verbunden sind, daß sie von demselben Wechselstrom in entgegengesetzten Eichtungen durchflossen werden.
2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter mit einem gegenseitigen Abstand etwa gleich einer ganzen Wellenlänge der Oberflächenschallwellen angeordnet sind.
4. Wandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter so miteinander verbunden sind, daß sie von demselben Wechselstrom in entgegengesetzten Eichtungen durchflossen werden.

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5· Wandler nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine solche Ausgestaltung, daß der Körper (2) nicht berührt wird, und daß die Leiter in geringem Abstand von der Oberfläche des Körpers (2) liegen.
6. Wandler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter von den zueinander etwa parallelen Abschnitten eines einzigen, entlang einer zickzackförmigen Bahn angeordneten Leiters (1) gebildet sind.
7. Wandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter (1) entlang der zickzackförmigen Bahn nur einmal verlegt ist.
8. Wandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter (1) entlang der zickzackförmigen Bahn mehrfach derart verlegt ist, daß jeder der zueinander etwa parallelen Abschnitte aus einer Gruppe von mehreren, zueinander etwa parallelen Unterabschnitten besteht, welche alle von demselben Wechselstrom in derselben Richtung durchflossen werden.
9. Wandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß jede Gruppe von Unterabschnitten eine Gesamtbreite von höchstens einem Viertel der Wellenlänge der Oberflächenschallwellen aufweist.
10. Wandler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zueinander etwa parallelen Leiter aus Draht (1) bestehen.
11. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch

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gekennzeichnet, daß die zueinander etwa parallelen Leiter als gedruckte Schaltung ausgebildet sind.
12. Wandler nach .Anspruch 11 in Verbindung mit Anspruch 7 -> dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter (1) als geätzter Streifen mit einer Breite von höchstens einem Viertel der Wellenlänge der Oberflächenschallwellen ausgebildet ist.
13· Wandler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zueinander etwa parallelen Leiter im wesentlichen gerade ausgebildet sind.
Wandler nach eine::, der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die zueinander etwa parallelen Leiter kreisbogenfb'rmig gekrümmt und konzentrisch zueinander angeordnet sind sowie derart unterschiedliche Längen aufweisen, daß Oberflächenschallwellen erzeugt werden, welche auf den Krümmungsmittelpunkt der Leiter fokussiert sind.
15· Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5* dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung bzw. Aufnahme von Oberflächenschallwellen in einem langgestreckten Körper (2) jeder der zueinander etwa parallelen Leiter schraubenlinienförmig gewunden ist, so daß der Körper (2) innerhalb der Leiterwindungen angeordnet werden kann.
16. Wandler nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß zwei zueinander etwa parallele Leiter (1) schraubenlinienförmig gewunden und an einem Paar einander benachbarter Enden miteinander verbunden sind.
17. Wandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung von Oberflächenschallwellen in einem lang-

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gestreckten Körper (2) jeder der zueinander etwa parallelen leiter aus einer Windung eines derart schraubenlinienförmig gewundene¹" Leiters (1) besteht, daß der Körper (2) innerhalb der Leiterwindungen angeordnet werden kann.
18. Verwendung des Wandlers nach einem der vorstehenden Ansprüche zur Erzeugung von Oberflächenschallwellen, dadurch gekennzeichnet, daß an die zueinander etwa parallelen Leiter eine Impulsschaltung zur Beaufschlagung derselben mit einem Wechselstromimpuls angeschlossen wird.
19. Verwendung des Wandlers nach einem der Ansprüche 1 bis 17 zur Erzeugung von Oberflächenschallwellen, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Wandler (9 und 10) entlang der Fortpflanzungsrichtung der Oberflächenschallwellen im Abstand voneinander angeordnet und nacheinander so erregt werden, daß die von dem in Fortpflanzungsrichtung ersten Wandler (9) erzeugte Oberflächenschallwelle den in Fortpflanzungsrichtung folgenden Wandler (10) bei Erregung des letzteren erreicht und aufeinanderfolgende Oberflächenschallwellen erzeugt werden, welche gegenseitig in Phase sind.
20. Verwendung des Wandlers nach einem der Ansprüche 1 bis 17 zum Empfang von Oberflächenschallwellen , dadurch gekennzeichnet, daß zwei Wandler (17 und 18) entlang der Fortpflanzungsrichtung der Oberflächenschallwellen im Abstand voneinander angeordnet und mit einem Multiplizierer (26) verbunden werden, wobei zwischen dem in Fortpfl an agings richtung ersten Wandler (17) und dem Multiplizierer (26) ein Verzögerungskanal (25) vorgesehen irt, welcher eine Verzögerung des Ausgangssignals des ersten Wandlers (17) entsprechend der Fortpflanzungsdauer der

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Oberflächenschallwelle vom ersten zum zweiten Wandler (17 bzw. 18) bewirkt, so daß die Ausgangssignale der beiden Wandler (17 und 18) im Multiplizierer (26) in Phase miteinander multipliziert werden.
21. Verwendung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Multiplizierers (26) einem Integrierkreis (27) zugeführt wird, in welchem das Ausganssignal mit einer von der Impulslänge der Oberflächenschallwellen abhängenden Zeitkonstanten integriert wird.
22. Verwendung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Wandler (17 und 18) in einem gegenseitigen Abstand gleich einem ungeraden Vielfachen eines Viertels der Wellenlänge der Oberflächenschallwelle angeordnet werden, und daß das Ausgangssignal des Integrierkreises (27) einem Negativübergangsunterdrückerkreis (28) zugeführt wird.
23. Verwendung zweier Wandlernach einem der Ansprüche 1 bis 17 als Ultraschallgenerator bzw. -empfänger zur Ultraschallwerkstoffprüfung.
24. Verwendung nach Anspruch 18 oder 19 "und nach einem der Ansprüche 20 bis 22 bei der Ultraschallwerkstoffprüfung.

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