DE2720966A1 - Verfahren und vorrichtung zum erzeugen akustischer impulse, vorzugsweise im ultraschallbereich, sowie anwendung dieser impulse, insbesondere in der zerstoerungsfreien werkstoffpruefung - Google Patents

Description

• Verfahren und Vorrichtuna zum Erzeuaen akustischer
• Impulse. vorzuasweise im Ultraschallbereich. sowie Anwenduna dieser Impulse. indbesondere in der zerstörunasfreien Werkstoffnrufuna.
• Die Erfindung betrifft eine Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen akustischer Impulse, vorzugsweise im Ultraschallbereich, sowie die Anwendung solcher Impulse in der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung, wie z.B. der Spektrometrie, in der medizinischen Ultraschall-Diagnostik und auf anderen Gebieten der Schall- und Ultraschall-Impuls-Technikt der Anwendungsbereich erstreckt sich auf alle die Verfahren und Vorrichtungen, bei denen ein akustische Wandler unterschiedlicher Art durch ma nnungsimpulse angeregt werden.
• Akustische Impulse, insbesondere Ultraschall-Impulse, werden vornehmlich für Prüf- und Diagnosezwecke bei Impuls-Reflexions-Betrieb verwendet. Ultraschall-Impulse werden dabei üblicherweise in der Weise erzeugt, daß ein schwingungsfähiges System, z.B. ein piezoelektrischer, magnetostriktiver oder elektrischer Wandler, durch einen kurzen, einseitigen Spannungsstoß, z.B.
• einen steilen Impuls, angeregt wird. Je nach Beschallung bzw. Bedämpfung des Wandlers entseht dabei ein akustischer Impuls, der sich nach Fourier als Uberlagerung sinusförmiger Einzel schwingungen unterschiedlicher Frequenz analysieren läßt. Das zu ermittelnde und durch Messungen nachweisbare Frequenz spektrum eines so erzeugten Impulses weist bei zweckdienlicher Beschallung zwar ein Maximum bei oder in der Nähe der Eigenfrequenz des Wandlers auf, umfaßt jedoch einen mehr oder weniger weiten Bereich mit deutlichen Maxima und Minima.
• Diese Erscheinung wird um so deutlicher, Je kürzer der anregende Sendeimpuls ist. Fig. 1 veranschaulicht eine typische Spektralverteilung für das Ultraschall-Signal eines bedämpften Ultraschall-Prüfkopfes (Eigenfrequenz des Schwingers 4 MHz) bei Impulsanregung in bekannter Weise z.B. gemäß Fig. 2.
• Das Verhalten von Ultraschall-Impulsen in Wechselwirkung mit der Materie hängt von der Frequenz der Schwingung bzw. der sich aus der Beziehung c = f .t A = ergebenden Wellenlänge A ab. In dieser Formel bedeuten c die Schallgeschwindigkeit im jeweiligen Medium und f die Frequenz. Die Schallgeschwindigkeit c ist bei Longitudinal- und Transversalwellen eine werkstoffspezifische Konstante. Das Verhalten des Schalles in der Materie ist wiederum maßgeblich für die als Ergebnis anfallenden Prüfungswerte und bildet Kriterien für die Beurteilung der Prüfungsergebnisse. Daher wirkt sich eine große Bandbreite des akustischen Impulses für die Ultraschall-Prüfung und -Diagnose häufig nachteilig aus, weil die Kriterien für die Bewertung der anfallenden Prüfungsdaten nicht hinreichend eindeutig definierbar sind.
• Von der Wellenlänge und damit der Frequenz ist beispielsweise die Schallfeldgeometrie, d.h sowohl die Nahfeldlänge als auch der Divergenzwinkel im Fernfeld abhängig.
• Ebenso besteht eine Relation zwischen der Wellenlänge und der Stärke der Reflexion an Inhomogenitäten und Trennflächen zwischen unterschiedliche Medien. Ferner sind Schallschwächung und S * llstreu~ung wellenlängenabhängig. Von diesen Werten hängen wichtige Parameter der Ultraschall-Prüfung und -Diagnose ab. So wird beispielsweise in den AVG-Diagrammen der Zusammenhang zwischen Reflektorgröße, Verstärkungsgrad und Reflektorabstand auf die wellenlängenabhängige Nahfeldlänge bezogen. Das Verhalten breitbandiger Wandler läßt sich daher nur unter erheblichen Vorbehalten mit Hilfe von AVG-Diagrammen beschreiben.
• Ähnliche Einschränkungen gelten für fokussierende Prüfköpfe. Der Fokusabstand ist wellenlängenabhängig und daher bei breitbandigen Prüfköpfen nicht klar definiert. Ein definierter Fokusabstand läßt sich nur mit schmalbandig bzw. monochromatisch schwingenden Prüfköpfen erreichen. Er kann durch Variationen der Schwingfrequenz gezielt variiert werden.
• Die Existenz geführter Wellen (Platten-, Rohrwellen o.ä.) ist außer an geometrische Gegebenheiten der Prüflinge an die Schallfrequenz gebunden. Demzufolge ist auch für die Erzeugung solcher Wellen eine breitbandige Beschallung ungeeignet.
• In der Werkstoffprüfung gibt es Fälle, in denen das nachzuweisende Signal eines Reflektors, z.B. eines Fehlers in einer Schweißnaht, durch Streureflexionen des umgebenden Gefüges verdeckt oder sogar überdeckt wird. Die Gefügereflexionen werden umso stärker, je geringer das Verhältnis von Wellenlänge zu Korngröße wird. Sie werden demzufolge um so stärker, je mehr hochfrequente Schallanteile im ausgesendeten Impuls vorhanden sind. Das führt dazu, daß die Nennfrequenz des Schwingers verringert werden muß, um das breite Frequenzband aus dem hochfrequenten Bereich herauszuhalten und damit das Verhältnis zwischen Fehlerreflexion und Gefügereflexion zu verbessern. Mit der Verringerung der Nennfrequenz wird jedoch auch die Nachweisbarkeit kleiner Reflektoren verringert. Es wäre daher günstig, wenn statt der Nennfrequenz die Bandbreite zwecks Verbesserung des Verhältnisses zwischen Fehlerreflexion und Gefügereflexion verringert werden könnte.
• Eine monochromatische Schwingung läßt sich theoretisch erreichen durch Erregung eines Wandlers mit einem Wechselspannungszug unendlicher Dauer. Für Arbeiten im Impuls-Re= flexionsverfahren muß ein solcher Anregungsspannungszug jedoch notwendigerweise kurz sein, da während der Sendezeit ein Empfangen von reflektierten Impulsen nicht möglich ist. Schaltet man jedoch den Spannungszug an und ab, so überlagern sich dieser Schwingung Ein- und Ausschwingvorgänge, die sich aus den Massen- und Federkräften des Wandersystems erklären lassen. Diese Ein- und Ausschwingvorgänge wirken sich auf das Frequenzspektrum des erzeugten Impulses um so stärker aus, je kürzer der monochromatische Wechselspannungszug gewählt wird.
• Der Erfindung hat die Aufgabe zugrunde gelegen, einen Weg zu finden, um den für die Anregung des Wandlers benötigten Impuls so zu gestalten, daß die Ein- und Ausschwingvorgänge definiert ablaufen und demzufolge Ultraschall- und andere akustische Impulse mit definierter, vorberechenbarer Spektralverteilung erzeugt werden können, vor allem Impulse mit so schmalem Frequenzband, daß sie für praktische Anwendungen als nahezu monochromatisch gelten können, aber auch Impulse mit einem definiert breitbandigen Frequenzspektrum, wie es für manche Fälle günstig sein kann. Darüberhinaus ist durch die Erfindung mit Erfolg das Ziel angestrebt worden, die Anregungsschwingungen für den Wandler nicht nur bezüglich der vorberechenbaren Frequenzverteilung der erzeugten akustischen Impulse variabel zu halten, sondern auch hinsichtlich der Grundschwingungsfrequenz und Dauer dieser Impulse und somit die Möglichkeit zu eröffnen, um mittels ein- und desselben Wandlers die Verhaltensweisen verschiedener Impulse unterschiedlicher Frequenz in Relation w*vi ad r zueinander zu beobachten, woraus sich die Möglichkeiten verbesserter Verfahrensweisen für bestimmte Ultraschall-Prüfverfahren ergeben haben.
• Das Verfahren nach der Erfindung ist dadurch gekennzÇichnet, daß die Anregungsimpulse für den Wandler durch Amplitudenmodulation oder Multiplikation eines monochromatischen Wechselspannungszuges der gewünschten Prüffrequenz (Grundschwingung) mit mindestens einem Spannungsimpuls (ModulationsschwinBUgfi erzeugt wird, dessen Frequenz, Eorm, Exponent und Dauer so eingestellt werden, daß das Ergebnisinte gral aus Grundschwingung und Modulationsschwingung und Charakteristik von Wandler und sonstiger Übertragungsglieder das gewünschte Frequenzspektrum für das akustische Signal ergibt.
• Zur Modulation wird vorzugsweise ein Rechteck-, Dreieck-, Sinug-, (1 - coswt)- oder exponentieller (z.B. Gauß-) Im -puls gewählt, dessen Wellenlänge größer als die des zu modu -lierenden Spannungszuges ist. Dabei können Impulse dieser Art mit unterschiedlichen Exponenten gewählt werden.
• Die Vorrichtung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Senderschaltung für die Anregung des akustischen Wandlers mindestens einen Impulsformoszillator aufweist, dessen Schwingungen, mittels des Impulsfolgeoszillators in Impulse zerlegt, mindestens einem Amplitudenmodulator oder Multiplier zugeführt werden, in dem sie der von einem Prüffrequenzoszillator her zugeftihrten Grundschwingung aufgeprägt werden.
• Zwischen Impulsformoszillator und Amplitudenmodulator oder Multiplier ist vorzugsweise eine Impulaformung ein geschaltet, welche den Modulationsimpuls mit einem vorzugsweise einstellbaren Exponenten versieht.
• Ein weiteres Merkmal einer Senderschaltung gemäß der Erfindung besteht in einem phasen- und frequenzgleich zum Impulsformoszillator arbeitenden Impulsdaueroszilllator zur Überwachunq der exacten Einhaltung der vorzugsweise einstellbaren Impulsdauer, der über den Impulsfolgeoszillator eine der verstärkenden Sender-Endstufe vorgeschaltete Torschaltung für den Impedanzsprung steuert.
• Die Frequenz der Grundschwingung (Prüffrequenz) kann vorzugsweise stufenlos einstellbar sein, unabhängig von der Breite des Frequenzspektrums,,welch letzteres durch Einstelin:öglichkeiten für die Frequenz. die Form und den Exponenten der Modulationssschwingung ebenfalls - vorzugsweise stufenlos - einstellbar sein kann.
• Weiter Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen in Verbindung mit der nachstehenden Beschreibung anhand der Zeichnungen.
• Die Zeichnungen zeigen: Fig. 3 bis 5: die typische Spektralvertellung eines bedämpften Ultraschallprtifkopfes, dessen Schwinger Eine Eigenfrequenz von 4 MHz hat, bei Anregung mit einem gemäß der Erfiddung modulierten Impuls und Fig. 6s ein Blockschaltbild einer Vorrichtung nach der Erfindung.
• Bei Erzeugung von Anregungsimpulsen für einen Ultraschallprüfkopf mittels der in Fig. 5 beispielsweise gezeigten Senderschaltung wird mittels eines einstellbaren Prüffrequenzoszillators PO ein monochromatischer Wechselspannungszug der Prtlffrequenz erzeugt, der in mehreren Moduiatoren Al ... An mittels eines von einem Impulsformoszillator@IFO erzeugten Spannungsimpulses, der in einer Impulsformung IF mit einem variablen Exponenten versehen wird, moduliert oder multipliziert und dem Wandler zu dessen Anregung zugeführt. Das Frequenzspektrum des gesendeten Signal. stellt das Faltungsintegral der Frequenzen aus Grundschwingung und Modulation bzw. Multiplikation dar. Jeder impulsförmige Vorgang hhti eine unendliche Anzahl von Frequenzen im Spektralbereich zur Folge. Bei endlichen Impulsen entstehen Nullstellen, die periodisch mit der Dauer des Impulses wiederkehren.
• Verwendet man zur Modulation Dauerschwingungen wie z.B.
• Rechteck-, Dreieckr, Sägezahn-, Sinus- oder Trapez-Schwingungen, so ergeben sich im Frequenzspektrum definierte Nullstellen und Maxima, wie die Fig. 3 bis 5 erkennen lassen. Die Fig. 3 zeigt die typische Spektralverteilung bei Anregung mit einem 4-MHz-Spannungs zug mit Rechteck-Modulation, die Fig. 4 die typische Spannungsverteilung bei Anregung mit einem 4MHz-Spannungszug mit (1 - coswt) - Modulation und Fig. 5 die typische Spannungsverteilung bei Anregung mit einem 4 MHz-Spannungszug mit (1 - cos<»t) - Modulation. Dei Maxima der Nebenschwingungen fallen vom Hauptmaximum der erregenden Frequenz mit einer bestimmten Gesetzmäßigkeit ab. Der Abfall beträgt bei einem Rechteckstoß 6 dB, bei einem Dreieckstoß 12 dB und bei einem Sinusstoß (1 - cosLJt) 18 dB pro Oktave. Dei absolute Größe von ist durch die Impulsdauer gegeben bzw. wählbar. Durch mehrfache Überlagerung dieser Funktionen ist ein noch stärkerer Abfall und damit eine weitere Einengung des Frequenz-Spektrums zu erreichen. Für exponentielle Modulation gilt Ähnliches. Allerdings entstehen keine Nullstellen.
• Unter der Voraussetzung, daß das Senderspektrum schmalbandiger ist als der Frequenzgang von Wandler und Empfänger, geben sämtliche nachgeschalteten Komponenten den Impuls nahezu unverzerrt weiter. Der Ultraschall-Impuls beseitzt dann das praktisch gleiche Frequenzspektrum wie der Sendeimpuls. Eine definiert breitbandige Anregung läßt sich durch umgekehrte Vorgehensweise erreichen.
• Der Maulationsimpuls wird mittels der Schaltung nach Fig. 5 in der Weise erzeugt, daß ein ImpulsfolgeoszillatoreSO eine Torschaltung T1 triggert, die jeweils eine Schwingung des Impulsformoszillators IFO passieren läßt, die wahlweise z.B. eine Dreieckform oder eine Sinusform oder eine (1 - cos( t) - Form haben kann. Jeder von der Torschaltung T1 durchgelassene Impuls wird in der nachgeschalteten Impuls formung mit einem Exponenten versehen. Dieser ist infolge der Einstellbarkeit der Impulsformung zu variieren (exp 1, 2, 4, n). Der von der Impulsformung IF ausgehende Impuls gelangt in mehrere Amplitudenmodulatoren Al ...An, in welchen er der im Prüfoszillator erzeugten und ebenfalls den Modulatoren Al ... An zugeführten Grundschwingung aufgeprägt wird. Eine zusätzliche Torschaltung T2 mit einem Impulsdaueroszillator IDO, der phasen- und frequenzgleich zum Impulsformoszillator IFO arbeitet, überwacht die exakte Einhaltung der Impulsdauer sowie den zur Wandleranpassung erforderlichen Impedantwechsel. Der gesamte Impuls wird in einer Endstufe verstärkt und dem Sendekopf angepaßt.
• An dem beschriebenen Sender sind folgende Einstellmöglichkeiten vorgesehen: 1) Einstellung der Frequenz des Grundschwingungswechselspannungszuges (Prüf frequenz) am Prüffrequenzoszillator 2) Einstellung der Amplitude der Grundschwigung und damit der Sendeleistung am PrUffrcquenzoszillator.
• 3) Einstellung der Frequenz der Modulationsschwingung und damit der Impulsdauer am Impulsdaueroszillator 4) Einstellung der Form der Modulationsschwingung (Rechteck-, Dreieck-, Sinus-, (1 - cos@@t - Form) am Impulsformoszillator 5) Einstellung des Exponenten der Modulation an der Impulsformung IF.
• Mittels dieser Einstellmöglichkeiten kann durch Variation des Anregungsimpulses die Breite des Frequenzspektrums des Prüfimpulses stufenlos eingestellt werden. Ebenso ist eine Einstellung der Grundfrequenz und der Gesamtdauer des Prüfimpulses möglich, dessen Frequenzspektrum definiert ist und sowohl schmal, d.h. im technischen Sinn nahezu monochromatisch, eingestellt werden kann als auch breit, wie es r,B, zur Erzeugung einer Stoßwelle notwendig ist.
• Mit der Senderschaltung nach der Erfindung kann Schallspektometrie betrieben werden. Dabei werden schmalbandige Sendeimpulse unterschiedlicher Frequenz in ihrem Reflexionsverhalten miteinander verglichen. Bisher wurde breitbandig gesendet und der Empfangslmpuls analysiert.
• Durch die Erfindung ist es möglich, unmittelbar nacheinander bzw. in Sequenzen getaktet, Impulse unterschiedlicher Spektralverteilung bzw. unterschiedlicher Frequenzen auszusenden. Hierdurch kann ine bessere Unterscheidung der Reflektoren ermöglicht werden.
• Ferner kann ein schmalbandiger Sendeimpuls in der Frequenz so gewählt werden, daß das Verhältnis zwischen Gefüge- und Fehlerreflexion, d.h. das Signal-Rausch-Verhältnis, optimal wird. Bei dieser Anwendung wirkt sich nicht nur die mögliche Schmalbandigkeit, sondern auch die Wählbarkeit der Frequenz positiv aus.
• Die Einstellbarkeit der Prüffrequenz macht das Verfahren und die Vorrichtung nach der Erfindung auch besonders geeignet für die Erzeugung geführter Wellen und für die Speisung von fukossierenden Prüfköpfen mit definiertem und/oder variablen Fokusabstand.
• Vor allem macht die Erfindung schmalbandige Prüfköpfe möglich, deren Verhalten mit Hilfe von AVG-Diagrammen klar definsrbar ist, die Jedoch auch ii Breitbandbetrieb arbeiten können und bei denen Prüffrequenz und Impulsdauer stufenlos einstellbar sein können.
• L e e r s e i t e

Claims (13)

1. Verfahren zum Erzeugen akustischer Impulse, vorzucsweise im Ultraschallbereich, bei dem ein akustischer Wardler durch Spannungsimpulse angeregt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Anregungsimpulse ftir den Wandler durch Amplitudenmodulation oder Multiplikation eines monochromatischen Wechselspannungszuges der gewünschten Prüf-Frequenz (Grundschwingung) mit mindestens einem Spannungsimpuls (Modulationsschwingung) erzeugt werden, dessen Frequenz, Form, Exponent und Dauer so eingestellt werden, daß d Ergebnisintegral aus Grundschwingung und Modulationsschwingung und Charakteristik von Wandler und sonstiger Überstragungsglieder das gewünschte Frequenzspektrum für das akustische Signal ergibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulation mittels eines Rechteck-, Dreieck-, Sinus-, (1 - cos#t)- oder exponentiollen Impulses (z.B. Gauß-) Impulses erfolgt, dessen Wellenlänge größer als die des zu modulierenden Spannungszuges ist..

3. Verfahren nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Modulation mittels Impulses mit unterschiedlichen Exponenten erfolgt.

4. Vorrichtung zum Erzeugen akustischer Impulse, vorzugsweise im Ultraschallbereich, mittels des Verfahrens nach mindestens einem der vorberqehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Senderschaltung zur Erzeugung der Anregungsimpulse für den akustischen Wandler mindestens einen Impulsformoszillator (IFO) aufweist, dessen Schwingungen mittels eines Impulsfolgeoszlllators (IS0) in Impulse zerlegt werden,die mindestens einem Amplitudenmodulator (A1 ... An) zugefUhrt werden, in dem sie der von einem Prtffrequenzoerillator (PO) erzeugten Grundschwingung aufgeprägt werden.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen Implusformoszillator (IFO) zur Erzeugung von Dauerschwingungen von Rechteck-, Dreieck-, Sinus-, (1 - cost)- oder exponentielle: (z.B. Gaut-) Formlderen Wellenlänge größer oder gleich der des zu modulierenden Spannungszuges ist.

6. Vorrichtung nach den Ansprechen 4 und 5, gekennzeichnet durch eine den Amplitudenmodulator (1 ... An) vorgeschaltete Impulsformung (IF) zum Versehen des Modulationsimpulses mit einem variablen Exponenten.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen phasen- und frequenzgleich (IFO) zum Impulsformoszillator arbeitenden Impulsdaueroszillator (IDo) zur Uberwachung der Einhaltung der vorzugsweise einstellbaren Impulsdauer, der Uber den Impulsfolgeoszillator (ist) eine der verstärkenden Sender-Endstufe vorgeschaltet Torschaltung (T2) für den Impedanzsprung steuert.

8. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsformoszillator (IFO), der Impulsfolgeoszillator (ISO), der Impulsdaueroszillator (IDo) und die Impulsformung (IF) im Sinne einer stufenlosen Einstellbarkeit der Breite des Frequnezspektrums des akustischen.Impulses einstellbar sind.

9. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Prüffrequenzoszillator (Po) unabhängig von den Schaltungseinheiten für die Erzeugung der Modulationsimpulse vorzugsweise stufenlos einstellbar ist.

10. Anwendung des Verfahrens bzw. der Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche zur Speisung von fokussierenden Prüfköpfen mit definiertem und/oder variablem Fokusabstand.

11. Anwendung des Verfahrens bzw. der Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche zur Speisung von Prüfköpfen für die Erzeugung geführter Wellen (Platten-, Rohrwellen o.ä.).

12. Anwendung des Verfahrens bow. der Vorrichtung nach der Erfindung bei der Spektrometrie, dadurch gekennzeichnet, daß der Prüfkopf in zeitlicher Polge iu schmalbandigen Impulsen unterschiedlicher Prequens angeregt wird, deren Reflexionsverhalten untersucht wird.

13. Anwendung des Verfahrens bzw. der Vorrichtung nach der Erfindung zur Optimierung der Prüffrequenz, dadruch gekennzeichnet, daß die Frequenz eines chialbandigen Sendeimpulses auf ein optimales $Signal-Rausch-Verhältnie eingestellt wird.