DE2726827A1

DE2726827A1 - METHOD FOR GENERATING AND DETECTING ULTRASONIC WAVES

Info

Publication number: DE2726827A1
Application number: DE19772726827
Authority: DE
Inventors: Philip Trevor Cole; Keith Richard Whittington
Original assignee: TI Group Services Ltd
Current assignee: TI Group Services Ltd
Priority date: 1976-06-17
Filing date: 1977-06-14
Publication date: 1978-02-09
Also published as: IT1078302B; IE45001B1; DK265477A; IE45001L; FR2354825B1; LU77567A1; GB1565063A; BE855622A; FR2354825A1; NL7706731A

Description

Verfahren zur Erzeugung und zum Nachweis von UltraschallwellenMethod for generating and detecting ultrasonic waves

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erzeugung und zum Nachweis von Ultraschallwellen in einem elektrisch leitenden, festen Körper, insbesondere zum Nachweis von fehlerhaften Stellen in einem derartigen Körper. Sie hat auch einen Umwandler zur Durchführung dieses Verfahrens zum Gegenstand.The invention relates to a method for generating and detecting ultrasonic waves in one electrically conductive, solid body, in particular for the detection of defective points in such a body. It also relates to a converter for carrying out this process.

Bei der Prüfung fester Körper mittels Ultraschall wird üblicherweise ein Ultraschallimpuls durch den Körper geschickt und dieser Impuls entweder an der gegenüberliegenden Seite des Körpers oder, falls er an der gegenüberliegenden Seite und/oder von einer Ungleichförmigkeit reflektiert wird, innerhalb des Körpers nachgewiesen. Das Signal wird elektrisch erzeugt und einem Umwandler aufgegeben, beispielsweise einem elektromagnetischen oder piezoelektrischen Umwandler. Der Umwandler steht mit einer Oberfläche des Körpers in Berührung, manchmal mit Hilfe eines flüssigen oder halbfesten Materials, und die Portpflanzung findet in Richtung der Normalen dieser Oberfläche statt.When testing solid bodies using ultrasound, an ultrasound pulse is usually passed through the body sent and this impulse is detected either on the opposite side of the body or, if it is reflected on the opposite side and / or from a non-uniformity, within the body. That Signal is generated electrically and sent to a transducer, for example an electromagnetic or piezoelectric transducer. The transducer is in contact with a surface of the body, sometimes with the help of a liquid or semi-solid material, and port planting takes place in the direction of the normal to that surface.

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Häufig ist es erwünscht j daß sieh die Impulse in einer bestimmten Sichtung fortpflanzen, also nicht unbedingt senkrecht zur Oberfläche. Dies ist beispielsweise bei der Untersuchung dickwandiger, runder Bohren notwendig. He einzige Möglichkeit, eine solche Untersuchung durchzuführen, bestand bisher darin, den Umwandler in einem Winkel anzuordnen und ihn mit dem Körper durch einen keilförmigen, festen Körper oder eine Flüssigkeit in Verbindung zu bringen, der bzw. die, soweit möglich, die gleichen Eigenschaften hinsichtlich der fortpflanzung wie der fragliche Körper aufweist. Dies ist manchmal umständlich oder schwierig in der Praxis, weil dabei samtliche Abdichtungsprobleme eine Bolle spielen, die bei der Verwendung von Flüssigkeiten auftreten, oder Probleme bei der Herstellung eines körperlichen Kontaktes, wenn sich der Körper bewegt oder eine hohe Temperatur aufweist.It is often desirable that the impulses propagate in a particular sighting, so not necessarily perpendicular to the surface. This is necessary, for example, when examining thick-walled, round bores. The only way to conduct such an investigation has been to place the transducer at an angle and to bring it into contact with the body through a wedge-shaped, solid body or liquid, which or which, as far as possible, has the same reproductive properties as the body in question. This is sometimes cumbersome or difficult in practice, because all sealing problems play a role in the Use of fluids or problems making physical contact occur when the body is moving or at high temperature.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs angegebenen Art zu schaffen, bei welchem sich die Ultraschallwellen in dem elektrisch leitenden Körper in bestimmten, nicht in der Normalen der Oberfläche mit dem Umwandler liegenden Biehtungen fortpflanzen können, und zwar ohne daß eine flüssige oder andere körperliche Verbindung geschaffen werden muß.The object of the invention is to create a method of the type specified in the introduction, in which the ultrasonic waves can propagate in the electrically conductive body in certain bends that are not in the normal of the surface with the transducer without the need to create a fluid or other physical connection.

Dies ist erfindungsgemäß hinsichtlich der Erzeugung der Ultraschallwellen durch die im Wmn«iri ^h^**"^*?" Teil des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Nachweises der ultraschallwellen durch die im kennzeichnenden Seil des Anspruchs 3 angegebenen MwftnahM^Ti erreicht.This is according to the invention with regard to the generation of the ultrasonic waves by the in Wmn « iri ^ h ^ **" ^ *? " Part of claim 1 and achieved with regard to the detection of ultrasonic waves by the MwftnahM ^ Ti specified in the characterizing rope of claim 3.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der im Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen ist im Anspruch 2 gekennzeichnet, undAn advantageous development of the measures specified in claim 1 is characterized in claim 2, and

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weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens in den Ansprüchen 4 bis 7· Die restlichen Ansprüche kennzeichnen Merkmale des zur Durchführung dieses Verfahrens erfindungsgemäß zum Einsatz kommenden Umwandlers.further advantageous refinements of the method according to the invention in claims 4 to 7 · the remaining claims characterize features of the converter used according to the invention to carry out this method.

Bei der Erfindung wird von der bekannten Tatsache Gebrauch gemacht, daß Ultraschallwellen in einem elektrisch leitenden Körper dadurch erzeugt werden können, daß Hochfrequenzwirbel ströme in dem Körper in Gegenwart eines starken Magnetfeldes induziert werden, wodurch die Wirbelströme und das Magnetfeld in Wechselwirkung treten und dabei Ultraschallwellen erzeugen. Die Wirbelströme werden durch einen Wechselstrom induziert, der durch einen Stromleiter fließt, der nahe an der Oberfläche des Körpers angeordnet ist und bei dem Magnetfeld handelt es sich um ein gleichmäßiges, von außen einwirkendes Feld.The invention makes use of the known fact that ultrasonic waves in an electrical conductive body can be generated in that high frequency eddies currents in the body in the presence of a strong Magnetic field are induced, whereby the eddy currents and the magnetic field interact and thereby ultrasonic waves produce. The eddy currents are induced by an alternating current flowing through a conductor that is close to is arranged on the surface of the body and the magnetic field is a uniform, externally acting Field.

Die Wirkungsweise des Umwandlers entspricht derjenigen eines Beugungsgitters oder einer mattenähnlichen Radarantenne und führt zu einem Strahl (oder Wellenbündel) von Ultraschallwellen, der in dem Körper in einem Winkel zur Normalen der Oberfläche verläuft, an der der Umwandler angebracht ist. Der Neigungswinkel des Strahles gegenüber der Normalen kann dadurch variiert werden, daß die Frequenz des Wechselstromes, der den Umwandler speist oder erregt, geändert wird. The operation of the transducer corresponds to that of a diffraction grating or a mat-like radar antenna and results in a beam (or bundle of waves) of ultrasonic waves passing through the body at an angle to the normal of the surface on which the transducer is attached. The angle of inclination of the beam with respect to the normal can be varied by changing the frequency of the alternating current which feeds or excites the converter.

Der in den Stromleitern fließende Wechselstrom erzeugt ein eigenes Magnetfeld, das mit den induzierten Wirbelströeen in Wechselwirkung tritt, wobei Ultraschallwellen erzeugt werden, die derart beschaffen sein können, daß der besagte Strahl erzeugt wird. Vorteilhafterweise wird jedoch ein getrenntes Magnetfeld auf dem Körper zur Anwendung ge-The alternating current flowing in the conductors generates its own magnetic field, which interacts with the induced eddy currents, with ultrasonic waves which can be such that said beam is generated. However, it is advantageous a separate magnetic field is used on the body

bracht, um mit den induzierten Wirbelströmen in Wechselwirkung zu treten.brought to interact with the induced eddy currents.

Es ist erkennbar, daß das erfindungsgemäße Verfahren zum Nachweis von Ultraschallwellen lediglich eine Umkehrung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung von Ultraschallwellen darstellt, abgesehen davon, daß ein anliegendes Magnetfeld im Falle des Nachweises vorgesehen ist, um die erforderlichen Wirbelströme zu erzeugen. Dies bedeutet, daß das Verfahren zur Erzeugung von Ultraschallwellen, bei dem der zur Erregung eingesetzte Wechselstrom in den Umwandlern einen gerichteten Ultraschallstrahl erzeugt, reversibel ist und damit mit einem gerichteten Ultraschallstrahl die Möglichkeit besteht, einen koherenten Wechselstrom in den Stromleitern zu erzeugen, wenn Ultraschallwellen nachgewiesen werden sollen.It can be seen that the method according to the invention for detecting ultrasonic waves is only a reversal of the method according to the invention for generating ultrasonic waves, apart from the fact that an applied magnetic field in the case of proof is provided to generate the necessary eddy currents. This means that the procedure for the generation of ultrasonic waves, in which the alternating current used for excitation is directed in the transducers Ultrasonic beam generated, is reversible and thus with a directed ultrasonic beam there is the possibility of to generate a coherent alternating current in the conductors when ultrasonic waves are to be detected.

Nachstehend ist die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung beispielsweise beschrieben. Darin zeigen:The invention is described below with reference to the accompanying drawing, for example. Show in it:

Fig. 1 eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäß einsetzbaren Umwandler in schematischer Wiedergabe;1 shows a plan view of a converter which can be used according to the invention in a schematic representation;

Fig. 2 eine Seitenansicht des Umwandlers nach Fig. 1 in schematischer Wiedergabe;Fig. 2 is a side view, schematically, of the transducer of Fig. 1;

Fig. J ein Diagramm eines durch den Umwandler nach Fig. 1 und 2 erzeugten, nicht in der Normalen liegenden Strahles;Figure J is a diagram of an out-of-normal produced by the transducer of Figures 1 and 2 Beam;

Fig. 4- eine Vorrichtung zur Messung des Strahlenmusters des Umwandlers nach Fig. 1 und 2;Fig. 4- a device for measuring the beam pattern the converter of Figures 1 and 2;

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Fig. 5 ein bei Verwendung der Vorrichtung nach Fig. 4- erzeugtes Polardiagramm;FIG. 5 shows a polar diagram generated using the device according to FIG. 4;

Fig. 6 eine Draufsicht auf eine andere Ausführungsform eines erfindungsgemäß einsetzbaren Umwandlers in schematischer Wiedergabe; und6 is a plan view of another embodiment of a converter that can be used in accordance with the invention in schematic representation; and

Fig. 7 eine Seitenansicht eines weiteren erfindungsgemäß einsetzbaren Umwandlers in schematischer Wiedergabe .Fig. 7 is a side view of another according to the invention applicable converter in a schematic representation.

Der in Fig. 1 und 2 dargestellte Umwandler weist einen einzigen Draht 1 auf, der zickzackförmig angeordnet ist, so daß aufeinanderfolgende Abschnitte des Drahtes 1 zueinander parallel verlaufen und ein Gitter aus parallelen, im gleichen Abstand voneinander angeordneten Stromleitern bilden. Ein durch den Draht 1 fließender Strom fließt in aufeinanderfolgenden Leitern in entgegengesetzter Richtung, wie durch Pfeile in Fig. 1 veranschaulicht.The transducer shown in Figs. 1 and 2 has a single wire 1 which is arranged in a zigzag shape, so that successive sections of the wire 1 run parallel to each other and a grid of parallel, in the same Form spaced apart conductors. A current flowing through the wire 1 flows in successive Ladders in the opposite direction as illustrated by arrows in FIG.

Im Betrieb befindet sich das Gitter aus dem Draht 1 nahe an und parallel zu der Oberfläche eines elektrisch leitenden Körpers 2, in welchem die Ultraschallwellen erzeugt werden. Ferner erzeugt ein Elektromagnet 3 ein gleichmäßiges Hagnetfeld an der Oberfläche des Körpers 2 im Bereich des Gitters, so daß sich das Feld parallel zur Oberfläche des Körpers 2 und im wesentlichen senkrecht zu den parallelen Stromleitern erstreckt.In operation, the grid of the wire 1 is close to and parallel to the surface of an electrically conductive one Body 2 in which the ultrasonic waves are generated. Furthermore, an electromagnet 3 generates a uniform Magnetic field on the surface of the body 2 in the area of the grid, so that the field is parallel to the surface of the Body 2 and extends substantially perpendicular to the parallel conductors.

Durch den Draht 1 wird ein Wechselstrom geschickt, wodurch in der Oberflächenschicht des Körpers 2 ein Wirbelstrommuster induziert wird, das in und parallel zu der Oberfläche in aufeinanderfolgenden Zonen gleich- und entgegenge-An alternating current is sent through the wire 1, creating an eddy current pattern in the surface layer of the body 2 that is induced in and parallel to the surface in successive zones equal and opposite

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richtete Ströme aufweist. Diese Wirbel- oder Foucaultströme stehen in Wechselwirkung mit dem gleichmäßigen Magnetfeld, um Lorenz-Kräfte zu erzeugen, die alternierend gegenphasig verlaufen, wie in Fig. 2 durch die Pfeile verdeutlicht. Der Bereich unterhalb jedes der parallelen Stromleiter kann deshalb als eine Quelle für Ultraschallwellen mit der Frequenz des Wechselstroms angesehen werden, wobei aufeinanderfolgende Quellen sich in Antiphase befinden. Da sich die Wellen von diesen Quellen mit einer breiten bogenförmigen Front in dem Körper 2 fortpflanzen, werden zwischen ihnen Interferenzen erzeugt, und dieser Effekt wird erfindungsgemäß ausgenutzt, um ein in einer bestimmten, nicht in der Normalen liegenden Richtung verlaufendes Wellenbündel zu erzeugen, indem dazu eine Anordnung mit sich verstärkender Interferenz vorgesehen wird. Dies wird dadurch erreicht, daß die Frequenz des Wechselstromes in Beziehung zu dem Abstand der parallelen Stromleiter gesetzt wird, wie in Fig. 3 gezeigt.has directed currents. These eddy or Foucault currents interact with the uniform magnetic field, in order to generate Lorenz forces which alternate in phase opposition, as illustrated in FIG. 2 by the arrows. Of the The area below each of the parallel conductors can therefore be used as a source of ultrasonic waves with the frequency of alternating current can be viewed with successive sources in antiphase. As the waves propagating from these sources with a broad arcuate front in the body 2, there will be interference between them generated, and this effect is used according to the invention in order to avoid a certain, non-normal Generate direction running wave bundle by providing an arrangement with increasing interference will. This is achieved in that the frequency of the alternating current in relation to the spacing of the parallel Conductor is set as shown in Fig. 3.

Für den Fall, daß die Frequenz des Wechselstroms derart ist, daß die Wellenlänge A des Schalls in dem Körper 2 gleich dem Abstand d der parallelen Stromleiter ist, würde eine Welle erzeugt werden, die in der Normalen zur Oberfläche des Körpers 2 verläuft. Wird jedoch eine etwas abweichende Frequenz gewählt, wird eine sich auslöschende Interferenz in der Normalen und eine sich verstärkende Interferenz, also ein Strahl oder Wellenbündel, in einer Richtung erzeugt, die gegenüber der Normalen um den Winkel Θ⁰ geneigt ist. Die Beziehung zwischen den Parametern, A , d und θ wird üblicherweise wiedergegeben durch:In the event that the frequency of the alternating current is such that the wavelength A of the sound in the body 2 is equal to the distance d of the parallel current conductors, a wave would be generated which runs in the normal direction to the surface of the body 2. If, however, a slightly different frequency is selected, a canceling interference in the normal and an increasing interference, i.e. a beam or wave bundle, are generated in a direction that is inclined ^{by the angle Θ 0 with respect to the normal.} The relationship between the parameters, A, d and θ is usually represented by:

2d sin θ - η λ »2d sin θ - η λ »

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worin η 1 ist für eine Interferenz erster Ordnung. Eine Interferenz zweiter und höherer Ordnung mit η = 2 oder einer größeren ganzen Zahl ist nur bei kürzeren Wellenlängen von Bedeutung. Diese Beziehung ist in Fig. 3 dargestellt, und zwar für den Fall, daß der Gangunterschied zwischen aufeinanderfolgenden, in Phase "befindlichen, parallelen Stromleitern 1 einer ganzen Zahl von Wellenlängen \ entspricht für eine sich verstärkende Interferenz in einer gegenüber der Normalen um den Winkel θ geneigten Richtung. Fig. 3 veranschaulicht auch, daß dabei zwei derartige Wellenbündel vorhanden sind, und zwar eines auf jeder Seite der Normalen; im allgemeinen wird jedoch nur eines dieser Wellenbündel verwendet und das andere vernachlässigt.where η is 1 for first order interference. An interference second and higher order with η = 2 or a larger integer is only possible for shorter wavelengths of Meaning. This relationship is shown in Fig. 3, specifically for the case that the path difference between successive, in phase ", parallel conductors 1 corresponds to an integer number of wavelengths \ for an increasing interference in one opposite the Normal direction inclined by the angle θ. Fig. 3 illustrates also that there are two such bundles of waves, one on each side of the normal; in general, however, only one of these wave bundles is used and the other is neglected.

Um zu verdeutlichen, daß ein Bündel von Ultraschallwellen in einem Winkel gegenüber der Normalen erzeugt werden kann, und daß dessen Richtung sich, wie vorstehend beschrieben, mit der Frequenz ändert, wurden Messungen hinsichtlich der Wellenverteilung oder des Strahlungsmusters durchgeführt, wie er in Fig. 1 und 2 gezeigt ist, und zwar unter Verwendung der in Fig. 4- gezeigten Vorrichtung. Der Umwandler wurde in der Mitte und nahe der ebenen Fläche eines halbzylindrischen Blocks 2 aus einer Aluminiumlegierung angeordnet, die unter der Bezeichnung DURALUMIN in den Handel gebracht wird, derart, daß darin longitudinale Wellen erzeugt wurden. Mit einem Umwandler 4 als Empfänger wurde die zylindrische Oberfläche des Blockes 2 abgetastet, um die Intensität der sich zu dieser Oberfläche fortpflanzenden Wellen zu messen.To make it clear that a bundle of ultrasonic waves is generated at an angle to the normal can, and that its direction changes with frequency, as described above, measurements have been made of of the wave distribution or radiation pattern as shown in Figs. 1 and 2 using the device shown in Fig. 4-. The converter was placed in the center and near the flat surface of a semi-cylindrical block 2 made of an aluminum alloy, which is marketed under the name DURALUMIN in such a way that longitudinal waves were generated therein. With a transducer 4 as a receiver, the cylindrical surface of the block 2 was scanned in order to determine the intensity of the to measure waves propagating to this surface.

Der Abstand der parallelen Stromleiter des Umwandlers betrug 3 mm und der Umwandler wurde mit einem pulsierende Sinuswellen abgebenden HF-Generator mit einer Frequenz von wahlweise 0,77 MHz, 1,2 MHz, 1,7 MHz und 2,0 MHz gespeist.The distance between the parallel conductors of the converter was 3 mm and the transducer was connected to an RF generator emitting pulsating sine waves at a frequency fed by a choice of 0.77 MHz, 1.2 MHz, 1.7 MHz and 2.0 MHz.

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Bei jeder Frequenz wurde die Wellenverteilung gemessen. Durch den Elektromagneten 3 wurde ein Feld von 0,4 T jenseits eines Spaltes von 2,5 cm erzeugt. Der Durchmesser des Blocks 2 betrug 7 cm und der als Empfänger verwendete Umwandler 4 bestand aus einem stark gedämpften piezoelektrischen Longitudinalwellenumwandler, der unterhalb seiner natürlichen Resonanzfrequenz betrieben wurde.The wave distribution was measured at each frequency. By the electromagnet 3 a field of 0.4 T was beyond of a gap of 2.5 cm. The diameter of the block 2 was 7 cm and that used as a receiver Transducer 4 consisted of a heavily damped piezoelectric longitudinal wave transducer placed below it natural resonance frequency was operated.

Die erhaltenen Ergebnisse sind auf dem Polardiagramm nach Fig. 5 dargestellt, wobei nur die Hälfte des Strahlungsmusters gezeigt ist (die andere Hälfte stellt lediglich das Spiegelbild der gezeigten Hälfte dar).The results obtained are shown on the polar diagram of FIG. 5, with only half of the Radiation pattern is shown (the other half is only the mirror image of the half shown).

Die Ergebnisse verdeutlichen anschaulich, daß ein gut definierter Strahl von Ultraschallwellen mit einem gegenüber der Normalen geneigten Winkel mit dem Umwandler erzeugt werden kann und daß dieser Strahl durch Änderung der Frequenz des Wechselstromes von 1,2 auf 2,0 MHz einen Winke !bereich von 20° überstreichen kann.The results clearly show that a well-defined beam of ultrasonic waves is opposed to a the normal inclined angle can be generated with the transducer and that this beam by changing the Frequency of the alternating current from 1.2 to 2.0 MHz can cover an angle range of 20 °.

Fig. 5 zeigt auch das Auftreten eines sekundären Strahles, der gegenüber dem primären Strahl zur Normalen hin verschoben ist. Dieser Strahl wird durch Wellen mit einer doppelt so hohen Frequenz als derjenigen des Speisestroms erzeugt. Diese Wellen entstehen als Ergebnis der Wechselwirkung zwischen den durch den Umwandler induzierten Wirbelströmen und dem durch den Speisestrom hervorgerufenen Magnetfeld. Der Effekt der Frequenzverdoppelung wird durch den Umstand hervorgerufen, daß die Wirbel ströme und das alternierende Magnetfeld sich stets in Phase befinden und dementsprechend die Lorenz-Kräfte stets in der gleichen Richtung vom Draht 1 weg wirken. Bei einem Vergleich dieser Gegebenheiten mit denen, die in Fig. 2Figure 5 also shows the appearance of a secondary ray which is normal to the primary ray is shifted towards. This beam is caused by waves with a frequency twice as high as that of the supply current generated. These waves arise as a result of the interaction between those induced by the transducer Eddy currents and the magnetic field caused by the supply current. The effect of frequency doubling is caused by the fact that the eddy currents and the alternating magnetic field are always in phase and accordingly the Lorenz forces always act in the same direction away from the wire 1. At a Comparison of these conditions with those shown in FIG

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für das gleichförmige Magnetfeld wiedergegeben sind, ist unschwer erkennbar, daß die Frequenz der erzeugten Wellen doppelt so groß ist, verglichen mit jener, die durch das gleichförmige Magnetfeld hervorgerufen wird.are reproduced for the uniform magnetic field, it is easy to see that the frequency of the waves generated is twice as large as that caused by the uniform magnetic field.

Bei der Vorrichtung nach Fig. 4 wird die Gegenwart des Strahlenbündels mit der doppelten Frequenz vernachlässigt, bei anderen Vorrichtungen jedoch, beispielsweise wenn der Magnet 3 nicht verwendet wird, kann dieses Strahlenbündel mit der doppelten Frequenz als wirksames Bündel verwendet werden.In the device according to FIG. 4, the presence of the beam with twice the frequency is neglected, in other devices, however, for example when the magnet 3 is not used, this beam can at twice the frequency can be used as an effective bundle.

5 gibt keine Strahlenbündel zweiter und dritter Ordnung wieder. Diese treten jedoch bei höheren Frequenzen mit größeren Winkeln θ als die Strahlenbündel erster Ordnung auf. Der kleinste Winkel Θ, der mit einem Strahlenbündel erster Ordnung erreicht werden kann, beträgt im allgemeinen etwa 30°. Auf der anderen Seite beträgt der größte erreichbare Winkel θ etwa 60 .5 does not represent any second or third order beams. However, these occur at higher frequencies with larger angles θ than the first-order bundles of rays. The smallest angle Θ made with a bundle of rays first order can be achieved is generally about 30 °. On the other hand, the largest is achievable angle θ about 60.

Die in Fig. 5 gezeigten Ergebnisse wurden durch Messungen des Strahlungsmusters in einem Abstand von 7 cm vom Umwandler erhalten. Wird dieser Abstand verringert, so wird im allgemeinen festgestellt, daß das Strahlungsmuster unschärfer ist. Die Intensität des Wellenberges vermindert sich und die Winkelbreite des Strahlenbündels nimmt zu. Eine Verminderung der Gesamtbreite des Gitters, also des Abstandes senkrecht zu den Leitern, wirkt diesem Effekt entgegen; allerdings muß dann die Frequenz des Speisestroms erhöht werden. In der Praxis beträgt der mindestens erforderliche Betriebsbereich, bei dem die Ultraschallwellen noch ausreichend gebündelt sind, etwa das Zweifache der Breite des Gitters.The results shown in Fig. 5 were obtained through measurements of the radiation pattern at a distance of 7 cm from the transducer. If this distance is reduced, then generally found that the radiation pattern is more blurred. The intensity of the wave crest diminishes and the angular width of the beam increases. A reduction in the overall width of the grid, i.e. the distance perpendicular to the conductors, counteracts this effect; however, the frequency of the supply current must then be increased. In practice, the minimum required is Operating range in which the ultrasonic waves are still sufficiently bundled, about twice the Width of the grid.

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Ak-Ak-

Zur wirksamen Erzeugung von Ultraschallwellen muß das Gitter nahe der Oberfläche des Körpers 2 angeordnet werden und der maxiaml noch vertretbare Abstand zwischen Gitter und Oberfläche nimmt mit einem verminderten Abstand der parallelen Stromleiter voneinander ab. Der Abstand zwischen Gitter und der Oberfläche des Körpers 2 sollte im allgemeinen weniger als ein Sechstel des Abstandes zwischen den Stromleitern betragen.In order to generate ultrasonic waves effectively, the grid must be arranged near the surface of the body 2 and the maximum acceptable distance between the grid and the surface decreases with a reduced distance of the parallel conductors from each other. The distance between the grid and the surface of the body 2 should in general be less than one sixth of the distance between the conductors.

Wenn der Körper 2 aus nicht magnetischem Material hergestellt ist, wie in Fig. 4-, so hat dies keinen Einfluß auf die Form des angewandten Magnetfeldes; jedoch ist dies nicht der Fall, wenn der Körper 2 aus magnetischem Material hergestellt ist, beispielsweise Eisen. In diesem Fall kann es vorzuziehen sein, den Elektromagneten mit gleichförmigem Feld durch eine Spule zu ersetzen, die mit einem pulsierenden Strom gespeist wird, um ein Magnetfeld zu erzeugen.If the body 2 is made of non-magnetic material, as in Fig. 4-, this has no effect on the shape of the applied magnetic field; however, this is not the case when the body 2 is made of magnetic material is made, for example iron. In this case it may be preferable to use the electromagnet with uniform Replace the field with a coil that is fed with a pulsating current to generate a magnetic field.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung, wenn sie zur Erzeugung von Ultraschallwellen in Weicheisen herangezogen wird, besteht darin, daß ein kräftiges Bündel longitudinaler Wellen erzeugt werden kann, insbesondere bei einem Winkel von etwa AO⁰ gegenüber der Normalen, während es bei der Benutzung der bekannten elektromagnetischen Methoden schwierig ist, überhaupt irgendwelche longitudinale Wellen in Weicheisen zu erzeugen.A particular advantage of the invention, when it is used to generate ultrasonic waves in soft iron, is that a powerful bundle of longitudinal waves can be generated, especially at an angle of about AO ⁰ relative to the normal, while using the known electromagnetic It is difficult to produce any longitudinal waves in soft iron at all.

Der in Fig. 1 und 2 wiedergegebene Umwandler weist einen einzigen zickzackförmigen Leitungsdraht 1 auf. Bei einer anderen Ausführungsform kann der Leitungsdraht 1 ent lang derselben zickzackförmigen Bahn mehrmals abgeknickt sein, entsprechend einer Spule mit mehreren Windungen, wie in Fig. 6 veranschaulicht. The transducer shown in FIGS. 1 and 2 has a single zigzag-shaped lead wire 1. In another embodiment , the conductor wire 1 can be bent several times along the same zigzag path, corresponding to a coil with several turns, as illustrated in FIG. 6.

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In einer weiteren Ausführungsform kann der Leitungsdraht 1 durch einen ähnlichen zickzackförmigen Stromleiter ersetzt sein, der in eine Leiterplatte eingeätzt ist.In a further embodiment, the lead wire 1 can pass through a similar zigzag-shaped current conductor be replaced, which is etched into a circuit board.

Des weiteren kann das Gitter aus parallelen Stromleitern, wenn der zu untersuchende Körper ein Rohr oder eine Stange ist und das Strahlenbündel auf die Achse mit einem Winkel gegenüber einer Ebene, die senkrecht zur Achse verläuft, gerichtet werden soll, durch eine zweiadrige Windung um das Rohr oder den Stab gebildet sein, wobei der Strom in den beiden Drähten in entgegengesetzten Richtungen fließt, wie in Fig. 7 gezeigt, und wobei aufeinanderfolgende Windungen der Windung aufeinanderfolgende parallele Stromleiter bilden.Furthermore, the grid of parallel conductors, if the body to be examined is a pipe or a Rod is and the beam is to be directed onto the axis at an angle with respect to a plane perpendicular to the axis, through a two-wire turn be formed around the tube or rod with the current flowing in opposite directions in the two wires, as shown in Figure 7, and wherein successive turns of the turn are successive parallel current conductors form.

Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist der Abstand zwischen den parallelen Stromleitern des Gitters ungleichmäßig, wobei der Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Leitern in einer Richtung abnimmt, derart, daß das Signal auf einen bestimmten Punkt innerhalb der Probe fokussiert wird. Dadurch wird der weitere Vorteil erzielt, daß bei einer solchen Anordnung sich ein Strahl in dieser einen Richtung ausbreitet, d. h. auf den Brennpunkt zu, jedoch der im allgemeinen unerwünschte Strahl an der anderen Seite der Normalen sich nicht entfalten kann.In another embodiment of the invention is the distance between the parallel conductors of the grid unevenly, the distance between successive conductors decreasing in one direction, such that the signal is focused on a specific point within the sample. This has the further advantage that with such Arrangement a beam propagates in this one direction, i. H. towards the focus, but that in general unwanted ray on the other side of the normal cannot unfold.

Wenn die Ausführungsform mit Fokussierung bei einer Stange mit kreisförmigem Querschnitt zur Anwendung kommt, und zwar in Form einer zweiadrigen Windung um die Stange, wie in Fig. 7 gezeigt, so kann sie so eingestellt werden, daß das Signal zum Mittelpunkt der Stange hin fokussiert wird.When the embodiment with focusing is applied to a rod with a circular cross-section, namely in the form of a two-wire winding around the rod, as shown in Fig. 7, it can be adjusted so that the signal is focused towards the center of the rod.

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Für die kontinuierliche Untersuchung einer bewegten Stange im Sahmen einer Fertigungsstraße können in der Praxis beim Einführen der Stange durch eine eng angepaßte Spule Schwierigkeiten auftreten und demgemäß kann man statt einem zwei, drei oder mehr einzelne Gitter verwenden, die symmetrisch um die Stange angeordnet sind, um den gleichen Erfolg zu erzielen. Diese Gitter können an einem Gestänge angeordnet sein, das sie allesamt zur Achse hin und von dieser weg bewegt, um das Einführen der Stange zu ermöglichen und gegebenenfalls um für Stangen unterschiedlichen Durchmessers gerüstet zu sein.For the continuous investigation of a moving bar in the framework of a production line, in practice when inserting the rod through a tightly fitted spool Difficulties arise and accordingly one can use two, three or more individual grids instead of one placed symmetrically around the pole to achieve the same success. These grids can be attached to a linkage be arranged that they all move towards the axis and away from this to enable the insertion of the rod and, if necessary, to be prepared for bars of different diameters.

Bisher ist die Erfindung nur in Bezug auf die Erzeugung von Ultraschallwellen in einem elektrisch leitenden Körper beschrieben worden. Indessen ist zu erkennen, daß alle vorstehend genannten Umwandler, die einen Magneten umfassen, um ein Magnetfeld zur Anwendung zu bringen, gleichermaßen zum Empfang oder zum Nachweis eines Strahles von Ultraschallwellen, der gegenüber der Normalen der Oberfläche des Körpers geneigt ist, mittels des Umwandlers verwendet werden können. Diese Tatsache läßt sich umschwer der Fig. 3 entnehmen, wenn der erzeugte Strahl als zu empfangender Strahl betrachtet wird. Die Bedingung 2d sin θ = A ist jetzt für die zu empfangenden Wellen erforderlich, um bei alternierenden Stromleitern in Phase und bei benachbarten Stromleitern in Antiphase zu sein, so daß in diesen Stromleitern Ströme in den in Fig. 2 durch Pfeile dargestellten Richtungen induziert werden, die sich gegenseitig verstärken. Demgemäß wird die Gegenwart eines empfangenen Strahles mit einer Wellenlange 7V. = 2d sin θ bei einem Winkel θ gegenüber der Normalen durch einen Strom mit einer Frequenz f\ in dem Gitter aus den Stromleitern festgestellt.So far, the invention has only been described in relation to the generation of ultrasonic waves in an electrically conductive body. However, it will be appreciated that all of the above transducers which include a magnet for applying a magnetic field are equally used for receiving or detecting, by means of the transducer, a beam of ultrasonic waves inclined from the normal to the surface of the body can be. This fact can be inferred with difficulty from FIG. 3 if the generated beam is regarded as the beam to be received. The condition 2d sin θ = A is now required for the waves to be received in order to be in phase with alternating current conductors and in antiphase with adjacent current conductors, so that currents are induced in these current conductors in the directions shown by arrows in FIG. that reinforce each other. Accordingly, the presence of a received beam having a wavelength becomes 7V. = 2d sin θ at an angle θ with respect to the normal by a current with a frequency f \ in the grid of the conductors.

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Die vorstehend beschriebenen Umwandler können zur Erzeugung und zum Nachweis geneigt verlaufender Ultraschall-Strahlen in elektrisch leitenden Körpern verwendet werden, beispielsweise zur Prüfung auf darin vorhandene fehlerhafte Stellen. Die verwendeten Strahlen können in einer bestimmten Sichtung gegenüber dem Körper verlaufen oder ihre Sichtung kann während der Prüfung schlagartig wechseln, oder abtastend geändert werden, indem die frequenz des Speise» oder nachgewiesenen Stromes geändert wird.The transducers described above can be used to generate and detect inclined ultrasonic beams in electrically conductive bodies. for example, to check for any defective areas in it. The rays used can run in a certain sighting towards the body or their sighting can change suddenly during the examination, or can be sampled by changing the frequency of the feed or detected current.

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Claims

AnsprücheExpectations

ΛΔ Verfahren zur Erzeugung von Ultraschallwellen in einem elektrisch leitenden, festen Körper unter Verwendung eines !!■Wandlers, dadurch gekennzeichnet, daß der Umwandler ein Gitter aus in einer gemeinsamen Ebene liegenden, parallelen Stromleitern aufweist und mit dieser gemeinsamen Ebene parallel zu und nahe an der Oberfläche des Korpers angeordnet wird, sämtlichen Stromleitern dasselbe alternierende elektrische Signal zugeführt wird, wodurch der darin fließende Strom in dem Korper Ultraschallwellen erzeugt, und daß die Frequenz des alternierenden Signals zu dem Abstand der Stromleiter νητι«*·ΐη«τι«ι*»τ» in eine solche Beziehung gesetzt wird, daß die in jedem Stromleiter erzeugten Wellen mit den durch den benachbarten Stromleiter erzeugten Wellen Interferenzen bilden und die sich -verstärkenden Interferenzen in der erforderlichen, nicht in der Normalen liegenden Sichtung einen Ultraschallwellenstrahl hervorrufen» ΛΔ method for generating ultrasonic waves in an electrically conductive, solid body using a !! ■ transducer, characterized in that the transducer has a grid of parallel conductors lying in a common plane and with this common plane parallel to and close to the Surface of the body is arranged, all conductors the same alternating electrical signal is supplied, whereby the current flowing therein in the body generates ultrasonic waves, and that the frequency of the alternating signal to the distance of the conductors ν ητι «* · ΐη « τι «ι *» τ »is placed in such a relationship that the waves generated in each conductor form interference with the waves generated by the neighboring conductor and the intensifying interferences in the required, non-normal sighting cause an ultrasonic wave beam»

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Gitter gegenüberliegende Korper dem Hagnetfeld eines Magneten ausgesetzt wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the body opposite the grid is the Is exposed to the magnetic field of a magnet.

3« Verfahren zum nachweis von Ultraschallwellen in einem elektrisch leitenden, festen Korper unter Verwendung eines Umwandlers, dadurch gekennzeichnet, daß der Umwandler ein Gitter aus in einer gemein raman Ebene liegenden, parallelen Stromleitern aufweist und mit dieser gemeinsamen Ebene parallel zu rmA nahe an der Oberflaehe des Körpers angeordnet wird, die Oberfläche des Korpers einem Magnetfeld ausgesetzt wird, um durch Ultraschallwellen in3 «Method for the detection of ultrasonic waves in an electrically conductive, solid body using a transducer, characterized in that the transducer has a grid of parallel conductors lying in a common Raman plane and with this common plane parallel to the Raman close to the surface of the body is placed, the surface of the body is exposed to a magnetic field to move in by ultrasonic waves

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ORIGINAL INSPECTB)ORIGINAL INSPECTB)

dem Körper Wirbelströme zu erzeugen, die ihrerseits in den Stromleitern des ümwandlers elektrische Ströme induzieren, und daß der Abstand zwischen den Stromleitern zur Frequenz der nachzuweisenden Ultraschallwellen in eine solche Beziehung gesetzt wird, daß nur die sich in einer bestimmten, nicht TTi der Hörsälen liegenden Richtung f oT*tp-n »m «*ynden Wellen in den Stromleitern Wechselströme erzeugen, die zur gegenseitigen Verstärkung in Phase gebracht werden.to generate eddy currents in the body, which in turn induce electrical currents in the current conductors of the transducer, and that the distance between the current conductors is related to the frequency of the ultrasonic waves to be detected in such a way that only the direction lying in a certain, not TTi of the lecture halls f oT * t p-n "m " * yn generate alternating currents in the waves in the conductors, which are brought into phase for mutual reinforcement.

4-· Verfahren wm»h einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gitter eingesetzt wird, durch dessen aufeinanderfolgende parallele Stromleiter derselbe Strom in umgekehrter Sichtung fließt.4- · Method w m »h one of the preceding claims, characterized in that a grid is used, through the successive parallel current conductors of which the same current flows in reverse direction.

5- Verfahren nach einem der vorstehend en Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß parallele Stromleiter eingesetzt werden, die aus benachbart angeordneten Abschnitten eines einzigen, ·ΐ*ι einer ?Ά ck^wc^^n""""' g**** "Bwiwi verlaufenden Stromleiters gebildet sind.5- The method according to one of the preceding claims, characterized in that parallel current conductors are used which consist of adjacent sections of a single, · ΐ * ι one ? Ά ck ^ w c ^^ n """"' g *** * "Bwiwi running current conductors are formed.

6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzei chnet, daß im gleichen Abstand voneinander angeordnete parallele Stromleiter verwendet werden.6. The method according to any one of the preceding claims, characterized gekennzei chnet that equidistant parallel conductors are used.

7- Verfahren nach einem der Ansprüche Λ bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand wischen den parallelen Stromleitern unterschiedlich gewählt wird, wobei der Abstand zwischen *nf ^i ρ»·η^»τ»^oi gtmA^m* Stromleitern in einer Richtung derart abnimmt, daß der inutraschallstrahl auf einen bestimmten Funkt innerhalb des Korpers zu fokussiert wird.7- The method according to one of claims Λ to 5, characterized in that the distance between the parallel conductors is chosen differently, the distance between * nf ^ i ρ »· η ^» τ »^ oi gtmA ^ m * current conductors in one Direction decreases in such a way that the ultrasonic beam is focused on a certain point within the body.

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8. converter for implementing the method according to claim 5, characterized gekennzei seframe that the only current conductor (1) extends once this zigzag path.

9. Converter according to claim 5> characterized in that the single conductor (1) extends several times essentially over the same zigzag-shaped path, so that each of the parallel conductors belongs to a subgroup of parallel conductors, all of which conduct the alternating current in the same direction .

10. Converter according to claim 8 or 9 »characterized in that the parallel current conductors are formed from wire (1).

11. Umwandler nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die parallelen Stromleiter (1) durch eine Leiterplatte gebildet sind.11. Converter according to one of claims 8 to 10, characterized in that the parallel current conductors (1) are formed by a printed circuit board.

12. Umwandler nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die parallelen Stromleiter (1) im wesentlichen gerade ausgebildet sind.12. Converter according to one of claims 8 to 11, characterized in that the parallel current conductors (1) are essentially straight.

13. Umwandler zur Durchführung des Verfahrens nach einem13. Converter to carry out the method according to a

der Ansprüche 1 bis 4-, dadurch gekennzei chnet, daß jeder der parallelen Stromleiter aus einer Windung eines spiralförmig gewickelten Stromleiters (1) besteht, der in einem längegestreckten elektrisch leitenden Körper (2), der innerhalb der Windungen des gewickelten Stromleiters (1) eingebracht ist, akustische Oberflächenwellen erzeugt.of claims 1 to 4-, characterized in that each of the parallel current conductors consists of one turn of one There is a spirally wound conductor (1) which generates surface acoustic waves in an elongated electrically conductive body (2) which is inserted within the turns of the wound conductor (1).

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14. Converter according to claim 13 in conjunction with claim 4, characterized in that the parallel Conductors are formed by turns of two spirally wound conductors (1), their associated Ends at one end of the coil are interconnected and their associated ends at the other end of the Coil are connected to the AC power source or the device for detecting the ultrasonic waves.

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