DE2623266C2 - Wandler zum elektromagnetischen Erzeugen bzw. Empfang von Oberflächenschallwellen in festen Körpern aus elektrisch leitendem Material und Verwendung dieses Wandlers - Google Patents

Description

a) mindestens zwei zueinander etwa parallele elektrische Leiter vorgesehen sind, welche

b) in einem gegenseitigen Abstand etwa gleich einer halben Wellenlänge oder einem Vielfachen einer halben Wellenlänge der zu erzeugenden bzw. zu empfangenden OberflächenschaHwellen angeordnet und

el) derart miteinander verbunden sind, daß sie von demselben erregenden bzw. induzierten Wechselstrom durchflossen werden, und zwar

c2) alle Leiter in derselben Richtung bei einem gegenseitigen Leiterabstand etwa gleich einem geraden Vielfachen einer halben Wellenlänge oder

c3) jeder Leiter entgegengesetzt zum benachbarten Leiter bei einem gegenseitigen Leiterabstand etwa gleich einer halben Wellenlänge oder einem ungeraden Vielfachen einer halben Wellenlänge und Vorhandensein eines Magneten (3) oder bei einem gegenseitigen Leiterabstand etwa gleich einem geraden Vielfachen einer halben Wellenlänge und Fehlen eines Magneten(3).

2. Wandler nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine solche Ausgestaltung, daß der Körper (2) nicht berührt wird und die Leiter in geringem Abstand von der Oberfläche des Körpers (2) liegen.

3. Wandler nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter von den zueinander etwa parallelen Abschnitten eines einzigen Leiters (1) gebildet sind, welcher entlang einer zickzackförmigen Bahn angeordnet ist.

4. Wandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter (1) entlang der zickzackförmigen Bahn nur einmal verlegt ist.

5. Wandler nach Anspruch 3, 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.

6. Wandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede Gruppe von Unterabschnitten eine Gesamtbreite von höchstens einem Viertel der Wellenlänge der Oberflächenschallwellen aufweist.

7. Wandler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zueinander etwa parallelen Leiter aus Draht (I) bestehen.

8. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zueinander etwa parallelen Leiter als gedruckte Schaltung ausgebildet sind.

9. Wandler nach Anspruch 8 in Verbindung mil Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter (1) als geätzter Streifen mit einer Breite von höchstens einem Viertel der Wellenlänge der Oberflächenschallwellen ausgebildet ist

10. Wandler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zueinander etwa parallelen Leiter im wesentlichen gerade ausgebildet sind.

11. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die zueinander etwa parallelen Leiter kreisbogenförmig gekrümmt und konzentrisch zueinander angeordnet sind sowie derart unterschiedliche Längen aufweisen, daß Oberflächenschallwellen erzeugt werden, welche auf den Krümmungsmittelpunkt der Leiter fokussiert sind.

12. Wandler nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß zum Erzeugen bzw. Empfangen 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.

13. Wandler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß zwei zueinander etwa parallele Leiter (1) schraubenlinienförmig gewunden und an einem Paar einander benachbarter Enden miteinander verbunden sind.

14. Wandler nach Anspruch 1 oder 2, wobei alle zueinander parallelen Leiter in derselben Richtung vom Wechselstrom durchflossen werden, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erzeugen bzw. Empfangen von Oberflächenschallwellen in einem langgestreckten Körper (2) jeder der zueinander etwa parallelen Leiter aus einer Windung eines derart schraubenlinienförmig gewundenen Leiters (1) besteht, daß der Körper (2) innerhalb der Leiterwindungen angeordnet werden kann.

15. Verwendung des Wandlers nach einem der vorstehenden Ansprüche zum Erzeugen von Oberflächenschallwellen, dadurch gekennzeichnet, daß an die zueinander etwa parallelen Leiter eine Impulsschaltung zur Beaufschlagung derselben mit einem Wechselstromimpuls angeschlossen wird.

16. Verwendung des Wandlers nach einem der Ansprüche 1 bis 14 zum Erzeugen 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.

17. Verwendung nach Anspruch 15 oder 16 bei der Ultraschallwerkstoffprüfung.

18. Verwendung zweier Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 14 als Ultraschallgenerator bzw. -empfänger zur Ultraschallwerkstoffprüfung.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wandler der im Oberbegriff des Hauptanspruchs angegebenen Gattung, ferner auf die Verwendung desselben, insbcsondc-

re zur Ultraschallwerkstoffprüfung.

Bei elektrisch nicht leitenden, festen Körpern werden Oberflächenschallwellen üblicherweise durch piezoelektrische Wandler erzeugt bzw. empfangen. Bei elektrisch leitenden, festen Körpern ist es bekannt, elektromagnetische Verfahren anzuwenden, weiche auf der Reaktion zwischen Wirbelströmen, die in der Oberfläche bzw. Oberflächenschicht des jeweiligen Körpers induziert werden, und einem dauernd aufgebrachten Magnetfeld beruhen. Die Wirbelströme 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 Raumschallwelien und auch Oberflächenschallwellen, welche quer oder in Längsrichtung liegen, je nach der Ausrichtung des Magnetfeldes in bezug auf die induzierten Wirbelst röme.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten, elektromagnetischen Wandler zu schaffen, welcher speziell zum Erzeugen bzw. Empfang von Oberflächenschallwellen in festen Körpern aus elektrisch leitendem Material ausgebildet ist.

Der erfindungsgemäße Wandler ist daher durch die im Hauptanspruch angegebenen Merkmale gekennzeichnet. Vorteilhafte Weiterbildungen bzw. Verwendungen 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 eine= Magnetfeldes in demjenigen Bereich der Körperoberfläche bzw. -oberflächenschicht, dem die Leiter gegenüberligen, aufweisen, welcher jedoch auch fehlen kann. Besondere Vorteile ergeben sich zusätzlich, wenn bei der Oberflächenschallwellenerzeugung bzw. dem Oberflächenschallwellenempfang mehrere Wandler verwendet werden. Besonders vorteilhaft ist der Einsatz bei der Ultraschallwerkstoffprüfung.

Wird der erfindungsgemäße 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 Magnetfeld in Wechselwirkung treten und I.orentz-Kräfte im Köipermaterial hervorrufen. Diese wiederum bewirken zusammen Oberfläehensi'haliwcllcn. welche sich in der Oberfläche bzw. Oberflächenschicht in entgegengesetzten Richtungen fortpflanzen.

Wird der Wandler als Empfänger verwendet, dann bewirken Oberflächenschallwellen im Körper mechanische Schwingungen, welche bei Vorhandensein eines dauernd aufgebrachten Magnetfeldes Wechselströme im Material an der Körperoberfläche induzieren, die ihrerseits in den zueinander etwa parallelen Leitern Ströme induzieren, deren Phasenverhältnis so ist, daß sie sich gegenseitig verstärken.

Bei einer Ausführungsform, wobei ein gleichbleibendes Magnetfeld in der Oberflache 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 jeweils zwei einander benachbarten Leitern derselbe Wechselstrom, allerdings in entgegengesetzten Richtungen.

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 Oberflächenschallwellen 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 ausgentutzt, 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 b2w. 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 Oberflächenscha'!wellen 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 erzeugten Oberflächenschallwellen ein begrenzender Faktor.

Eine Verstärkung erzeugter Oberflächenschallwellen kann dadurch erzielt werden, daß man zwei oder mehr ähnliche Wandler entlang der Fortpflanzungsrichtung der Oberflächenschallwellen im Abstand voneinander

ν angeordnet 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 können, daß sie die gewünschten bzw. erforder-

b5 liehen Oberflächenschallwellen in Phase aufnehmen. Auch können die Ausgangssignale der Wandler unter Anwendung von Autokorrelationsverfahren so verarbeitet werden, daß alle Signale außer denjenigen ausge-

sondert werden, welche empfangen werden sollen.

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

F i g. 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. 1 und 2 bei Generatorbetrieb;

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

F i g. 5 die Anordnung zweier Wandler und das Schaltbild der zugehörigen Schaltung bei Empfängerbetrieb:

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

Fig. 7 eine Seitenansicht entsprechend Fig.2 einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wandlers, welche sich lediglich dadurch von derjenigen nach F i g. 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

F i g. 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 Richtungen fließt, wie durch Pfeile in F i g. 1 veranschaulicht.

Der Abstand zwischen jeweils zwei einander benachbarten, 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 3 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 I wird mit einem Wechselstrom beaufschlagt, wodurch in der Oberfläche bzw. Oberflächenschicht 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 Oberflächcnsehallwellcn hervorbringen, welche sich in der Oberfläche b/w.

Oberflächenschicht in entgegengesetzten Richtungen fortpflanzen.

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

ίο 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 /i\ entladen.

Die Amplitude der cr/cjg'.cn OborfUichfuM-hiillw·.·!!·.· hängt von der Strom- und Magneifeldampliuulc. von der Anzahl zueinander paralleler Abschnitte des Drahtes 1 und von der Impulslänge ab. Die zwei lelzlgenannten Parameter müssen zusammen vergrößert werden, um eine sich kontinuierlich vergrößernde Wellenamplitude zu erzielen, weil die äußeren, zueinander parallelen Abschnitte des Drahtes 1 über eine Zeitdauer hinweg Oberflächenschallwcllen erzeugen müssen, 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 ähnliehe Wandler entlang der Oberflächenschallwellenfortpflanzungsrichtung im Abstand voneinander anordnet und aufeinanderfolgend erregt, wie in F i g. 4 dargestellt. Gemäß Fig.4 sind zwei Wandler 9 und 10 vorgesehen, jeweils ähnlich dem Wandler gernäß F i g. 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 derselben Richtung zweiten Wandler 10 über einen Verzögerungskreis 16 mit veränderlicher Verzögerungswirkung -'erbunden ist. Der Verzögerungskreis 16 wird so eingestellt, daß die F.rrcgung des zweiten Wandlers 10 gegenüber der F.rregung des ersten Wandlers 9 so verzögert erfolgt, daß vom zweiten Wandler 10 eine Oberflächenschallwcllc erzeugt wird, welche mit der vom ersten Wandler 9 erzeugten Oberflächenschallwelle dann in Phase 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, eiso in F i g. 4 nach links. Diese Oberflächenschallwellen verstärken sieh jedoch nicht gegenseitig.

Der Wandler gemäß F i g. 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 Obcrflächenschallwellen rufen mechanische Schwin-

b5 gungcn hervor, welche in Wechselwirkung mit dem Magnetfeld des Magneten 3 treten, so daß sich im Körper 2 Wirbelströme ergeben, welche ihrerseits Ströme im Dahi 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 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 Fi g. 5 veranschaulicht ist. In diesem Fall wird das Detektorstromsignal eines ersten Wandlers 17 in einem Verzögerungskancl 25 mit einstellbarer Verzögerungswirkung verzögert, bevor es in einem Analogmultiplizierer 26 mit dem Delcktorstromsignal eines zweiten, ählichcn 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 Frequenz 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 Multiplizieren 26 einem Integrierkreis 27 zugeführt wird, in welchem es mit der geeigneten Zeitkonstanten 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 größen Es wird daher ein optimaler Wandlerabstand gewählt.

Dieses Detektorsystem ist deswegen besonders vorteilhaft, weil es zwischen zwei Oberflächenschaüweüen derselben Wellenlänge unterscheiden kann, welche sich in entgegengesetzten Richtungen 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 Blasenoder Rißdetektorgeräten 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 /wischen einem Oberflächcnschallwellengenerator 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 25 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 28 unterdrückt wird.

Das Detektorsystem gemäß Fig. 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, beispielsweire geringer als 1 Ohm, und die Vorverstärker ID sowie 20 müssen entsprechend angepaßt sein. Beispielsweise können die Vorverstärker 19 und 20 eine geringe Eingangsimpedan/, und einen geringen Rauschwert aufweisen und mittels eines Ringkemtransfomiators 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.! 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 Fig.b 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. 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 Gesanitbreite von höchstens einem Viertel der Wellenlänge der Oberflächenschallwellen auf, was einer Flächenbedeckung von höchstens 50% entspricht.

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

Wird der Wandler gemäß F i g. 1 und 2 mit einem Wechselstrom der Frequenz fc erregt, bzw. gespeist, dann erzeugt er eine Oberflächenschallwelle mit der

to Wellenlänge ?.. wie oben geschildert und in F i g. 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

b5 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 stets gleichgerichtet sind und die sich ergebende Oberflächenschallwelle eine Frequenz von 2fA und eine Wellenlänge -¹V₂ 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 1 verwendet wird, wie in F i g. 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 F i g. 6 möglich ist. Die Induktivität des Wandlers ist dann vergrößert, doch kann dies bei Verwendung der Hochfrequenzimpulsschaltung gemäß F i g. 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 t 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 1 des Wandlers gemäß Fig.! 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 F i g. 9 erstrecken sich die zueinander parallelen, im Abstand voneinander angeordneten Leiter schraubenlinienförmig, um Oberflächenschallwellen 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 Wellenlange jeweils entlang einer schraubcnlinicnförmigen Bahn und sind an einem Paar einander benachbarter Enden miteinander verbunden, so daß ein Strom beide Leiter nacheinander durchfließt, und zwar in entgegengesetzten Richtungen. Die beiden Leiter sind von einem einzigen Draht 1 gebildet, welcher bifilar gewickelt ist. Der Wandler gemäß F i g. 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 Oberflächensehallwellcn mit einer Wellenlänge gleich dem gegenseitigen Abstand der zueinander parallelen Windungen des Drahtes 1 können mit Hilfe des elektromagnetischen Wcchsclfcldes erzeugt werden, welches von dem im Draht 1 fließenden Strom hervor gerufen wird. Weiterhin ist es in diesem lall möglich, ilie zwei zueinander parallelen. ;tn einem Paar einander bcnachbarten 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 t 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 einer, 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

jo 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

j5 Brennpunkt F radial ausgehenden Grenzlinien erstrekken. Mit dieser Anordnung des Leiters bzw. Drahtes 1 werden Oberflächenschallwellen erzeugt, welche am Punkt F fokussiert sind und in den geeigneten Richtungen vom Punkt Fweg auseinanderlaufen.

Das in F i g. 1,2 und 9 dargestellte, ständig aufrechterhaltene 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

■15 auch so aufgebracht werden, daß es senkrecht zur Oberfläche des Körpers 2 gerichtet ist. Oberflächenschallwellen werden auch dann analog 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 Filier öder als Verzögerungskanal. Die Erfindung ist insbesondere für die Uliraschallwerkstoffprüfung 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

b5 Abstand von einer halben Wellenlänge bzw. einer ganzen Wellenlänge vorgesehen sind. Erfindungsgemäß kann der besagte Abstand jedoch jedem ungeraden Vielfachen einer halben Wellenlänge entsprechen, eben-

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so 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 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.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

20

25

30

50

b5

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Wandler zum elektromagnetischen Erzeugen bzw. Empfangen von Oberflächenschallwellen in festen Körpern aus elektrisch leitendem Material, welcher einen nahe an der Oberfläche des jeweiligen Körpers verlaufenden, gegenüber derselben elektrisch isolierten elektrischen Leiter und gegebenenfalls einen Magneten zur Erzeugung eines dauernden Magnetfeldes in der Oberfläche des Körpers aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß

to