DE2727272A1

DE2727272A1 - Verfahren zur erzeugung von oberflaechenschallwellen und wandler zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE2727272A1
Application number: DE19772727272
Authority: DE
Inventors: Philip Trevor Cole
Original assignee: TI Group Services Ltd
Current assignee: TI Group Services Ltd
Priority date: 1976-06-24
Filing date: 1977-06-16
Publication date: 1978-01-12
Also published as: NL7707067A; LU77613A1; DK274377A; FR2355575A1; FR2355575B1; IE45000B1; BE855731A; GB1526565A; IT1081106B; IE45000L

Description

Verfahren zur Erzeugung von Oberflächenschallwellen und Wandler zur Durchführung des Verfahrens

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren der im Oberbegriff des Hauptanspruchs angegebenen Gattung zur Erzeugung von Oberflächenschallwellen in einem elektrisch leitenden Körper. Sie hat auch einen Wandler zur Durchführung des Verfahrens zum Gegenstand.

In nicht leitenden Körpern werden Oberflächenwellen gewöhnlich durch piezoelektrische Wandler erzeugt. Bei elektrisch leitenden Körpern ist es bekannt, elektromagnetische Verfahren anzuwenden, welche auf den Lorenz-Kräften beruhen, die durch die Wechselwirkung zwischen Wirbelströmen, welche in der Oberfläche des jeweiligen Körpers induziert werden, und einem angelegten, ständigen Hagnetfeld entstehen. Die Wirbelströme werden durch eine Spule induziert, welche dicht an der Oberfläche des Körpers angeordnet wird, und zwar mit parallel zur Körperoberfläche ausgerichteter Achse, und welche mit einem Strom geeigneter Frequenz beaufschlagt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der im Oberbegriff des Hauptanspruchs angegebenen Gattung und einen Wandler zur Durchführung des Verfahrene zu schaffen,

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womit eine weitere Verbesserung insbesondere im Hinblick auf Einfachheit und Zuverlässigkeit gewährleistet ist. Vor allem soll die Möglichkeit eröffnet werden, ohne ein von außen aufgebrachtes, ständiges Magnetfeld arbeiten zu können, uns soll auch eine einfache Unterscheidungsmöglichkeit der in einem Detektorwandler empfangenen Signale nach solchen vom Speisestrom und solchen von den Oberflächenschallwellen vermittelt werden.

Das erfindungsgemäfie Verfahren ist daher durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs angegebenen Merkmale charakterisiert. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Ansprüchen 2 und 3 gekennzeichnet. Der erfindungsgemäße Wandler zur Durchführung des Verfahrens ist durch die im Anspruch 4 angegebenen Merkmale gekennzeichnet. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den restlichen Ansprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung beruht auf dem Grundgedanken, daß ein Wechselstrom, welcher in einem dicht an der Oberfläche und parallel zur Oberfläche eines leitenden Körpers angeordneten Leiter fließt, in dem Körper Wirbelströme induziert und ein eigenes, magnetisches Wechselfeld erzeugt, das mit den Wirbelströmen in Wechselwirkung tritt, um Lorenz-Kräfte zu erzeugen. Dieses Phänomen eröffnet die Möglichkeit, einen Wandler zur elektromagnetischen Erzeugung von akustischen Oberflächenwellen, also "Oberflächenschallwellen¹¹ zu schaffen, dessen Betrieb bei der Erzeugung dieser Oberflächenschallwellen nicht von dem Vorhandensein eines von außen aufgebrachten, ständigen Magnetfeldes abhängt.

Erfindungsgemäß wird ein Wandler mit mehreren parallelen, in einer gemeinsamen Ebene liegenden Leitern oder Leiterabschnitten dicht an der Oberfläche eines elektrisch lei-

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tenden Körpers angeordnet, so daß die Ebene, in welcher sich die parallelen Leiter bzw. Leiterabschnitte erstrecken, im Wesentlichen parallel zur Körperoberfläche verläuft. Die Leiter bzw. Leiterabschnitte werden mit einem Wechselstrom beaufschlagt, dessen Frequenz halb so groß wie diejenige der jeweils gewünschten Oberflächenschallwellen ist, so daß der in den Leitern bzw. Leiterabschnitten fließende Strom im Körper Oberflächenschallwellen erzeugt, welche im wesentlichen normal zur Längsrichtung der Leiter bzw. Leiterabschnitte sich fortpflanzen. Letztere überdecken eine Breite gleich höchstens etwa der halben Wellenlänge der Oberflächenschallwellen, gemessen in der Fortpflanzungsrichtung. Die parallelen Leiter bzw. Leiterabschnitte sind also über eine Breite verteilt, welche im wesentlichen gleich der halben Wellenlänge der Oberflächenschallwellen oder aber kleiner ist.

Die Frequenz der erzeugten Oberflächenschallwellen ist doppelt so groß wie diejenige des dem Wandler zugeführten Wechselstroms, weil das zur Erzeugung der Oberflächenschallwellen wirksame Magnetfeld ein magnetisches Wechselfeld ist, das durch den den Wandler beaufschlagenden Wechselstrom erzeugt wird, jedoch feein von außen aufgebrachtes, ständiges Magnetfeld, wobei das magnetische Wechselfeld stets in Phase mit dem zugeführten Wechselstrom ist. Dieser Frequenzverdopplungseffekt ermöglicht ein leichtes Diskriminieren zwischen solchen Signalen, welche dem zugeführten Wechselstrom zuzuordnen sind, und solchen Signalen, welche den Oberflächenschallwellen zuzuordnen sind, in einem Detektorwandler.

Vorzugsweise weist der Wandler zur Erzeugung von Oberflächenschallwellen einen zu einer Spule gewickelten Leiter auf, dessen aufeinanderfolgende Windungen die parallelen Lei-

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terabschnitte bilden. Dabei kann der Leiter zu einer flachen, länglichen Spule gewickelt sein, welche sich in der zur Oberfläche des Körpers parallelen Ebene erstreckt, wobei die längeren Spulenabschnitte die erwähnten, parallelen Leiterabschnitte umfassen.Die längeren Spulenabschnitte bzw. die diese bildenden Gruppen paralleler Leiterabschnitte können eng nebeneinander angeordnet sein, so daß sie zusammen eine Breite gleich höchstens etwa der halben Wellenlänge der Oberflächenschallwellen überdecken, oder aber sie können sich im Abstand voneinander beiderseits eines mittleren Bereiches erstrecken und jeweils eine Breite gleich höchstens etwa der halben Wellenlänge der Oberflächenschallwellen überdecken, wobei der Abstand der lütten der beiden längeren Spulenabschnitte voneinander etwa der Wellenlänge der Oberflächenschallwellen entspricht. Statt dessen kann der Leiter auch um den elektrisch leitenden Körper herum gewickelt sein, so daß aufeinander folgende Windungen sich in einer gemeinsamen Hingfläche erstrecken, wobei die Windungen dieser Spule eine in der Bingf lache senkrecht zu den Windungen gemessene Breite im wesentlichen gleich der halben Wellenlänge der Oberflächenschallwellen überdecken. Die Breite kann auch geringer sein.

Hachstehend sind Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnung beispielsweise beschrieben. Darin zeigen schematisch:

Fig. 1 die Draufsicht auf einen Wandler gemäß einer ersten Ausführungsform;

Fig. 2 einen Querschnitt durch den Wandler gemäß Fig. 1, aufgebracht auf einen elektrisch leitenden Körper;

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Fig. 3 und 4 Jeweils die Ansicht gemäß Fig. 1 bzw. 2 eines Wandlers nach einer zweiten Ausführungsform;

Fig. 5 perspektivisch einen Wandler gemäß einer dritten Ausführungsform;

Fig. 6 das Schaltbild einer Energiequelle zur Speisung der Wandler gemäß Fig. 1 bis 5;

Fig. 7 die Verwendung zweier Wandler, deren Oberflächenschallwellen sich gegenseitig verstärken; und

Fig. 8 die gegenseitige Verstärkung der Oberflächenschallwellen der beiden Wandler gemäß Fig. 7.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 und 2 weist der Wandler einen Leiter 1 aus flachem Kupferband auf, welcher hochkant zu einer länglichen Spule gewickelt ist. Sie längeren Spulenabschnitte verlaufen gerade und parallel zueinander, eng nebeneinander liegend, so daß sie zusammen eine Breite überdecken, welche im wesentlichen der halben Wellenlänge derjenigen Oberflächenschallwellen entspricht oder noch kleiner ist, welche der Wandler in einem elektrisch leitenden Körper 2 erzeugen soll. Dazu wird der Wandler mit der Spule dicht an die Oberfläche des Körpers 2 gebracht, so daß die Spule in einer zur Oberfläche parallelen Ebene liegt. Sie Spule wird mit Wechselstrom beaufschlagt, dessen Frequenz gleich der halben Frequenz der zu erzeugenden Oberflachenschallwellen ist.

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Der augenblickliche Stromfluß und das erzeugte Magnetfeld sind durch Pfeile in Fig. 1 bzw. 2 veranschaulicht. Sie durch die Wechselwirkung zwischen den im Körper 2 induzierten Wirbelströmen und dem Magnetfeld hervorgerufenen Lorenz-Kräfte sind durch die senkrechten Pfeile in Pig. 2 dargestellt. Da der Wechselstrom und das magnetische Wechselfeld stets in Phase sind, sind die resultierenden Lorenz-Kräfte stets gleich gerichtet. Die auf den in den geraden Spulenabschnitten beiderseits der größeren Spulenachse fließenden Strom zurückkehrenden Lorenz-Kräfte verstärken sich daher gegenseitig. Darüberhinaus entspricht die Frequenz der erzeugten Oberflächenschallwellen dem Doppelten der Frequenz des Wechselstroms, womit der Wandler beaufschlagt wird, weil jeder Halbzyklus des zugeführten Wechselstroms dieselbe Spitzenamplitudenwirkung der Lorenz-Kräfte im Körper 2 hervorruft. Theoretisch sollten daher die erzeugten Oberflächenschallwellen die Form einer gleichgerichteten Sinuswelle aufweisen, jedoch glätten die Werkstoffhysterese und die Elastizität des leitenden Werkstoffs des Körpers 2 diese Wellenform.

Beispielsweise kann die Spule des Wandlers zehn Windungen aufweisen und in einem Abstand von 0,5 ma von der Oberfläche des Körpers 2 liegen. Der Wechselstrom kann eine Frequenz von 250 kHz aufweisen und Oberflächenschallwellen mit einer Frequenz von 500 kHz und mit einer Wellenlänge von 6,0 mm erzeugen.

Die Tatsache, daß die Frequenz der erzeugten Oberflächenschallwellen doppelt so groß wie diejenige des den Wandler erregenden Wechselstroms ist, ist insofern vorteilhaft, als sie das Diskriminieren zwischen Signalen entsprechend dem zugeführten Wechselstrom und erzeugten Oberflächenschall-

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wellen in einem Wandler zum Empfang der Oberflächenachallwellen ermöglicht, beispielsweise in einem Ultraschalldetektorsystem für das Auffinden von Bissen, Blasen und dergleichen in Werkstücken.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 3 und 4- unterscheidet sich lediglich dadurch von derjenigen nach Pig. 1 vriti 2, daß der Leiter 1 um einen mittleren Bereich herumgewickelt ist, so daß die längeren Spulenabschnitte zu beiden Seiten des mittleren Bereiches jeweils eine Gruppe paralleler Leiter bzw. Leiterabschnitte bilden, welche über eine Breite gleich etwa der halben Wellenlänge der zu erzeugenden Oberflächenschallwellen oder über eine geringere Breite verteilt sind. Die Mitten der beiden Spulenabschnitte bzw. Leiter- oder Leiterabschnittsgruppen liegen in einem Abstand voneinander, der im wesentlichen der Wellenlänge der zu erzeugenden Oberflächenschallwellen entspricht.

In Fig. 4- sind das augenblickliche, erzeugte Magnetfeld und die Lorenz-Kräfte durch Pfeile veranschaulicht, welche durch die Wechselwirkung zwischen den im Körper 2 induzierten Wirbelströmen und dem Magnetfeld hervorgerufen werden. Jede der beiden Gruppen paralleler Leiter bzw. Leiterabschnitte hat eine ähnliche, wenn auch kleinere Wirkung wie der gesamte Wandler gemäß Fig. 2. Weil die beiden Gruppen sich in einem Abstand gleich etwa der Wellenlänge der zu erzeugenden Oberflächenschallwellen erstrecken, sind die von jeder Gruppe hervorgerufenen Oberflächenschallwellen in Phase mit denen der anderen Gruppe, so daß sich ein Verstärkungseffekt ergibt. Weiterhin hat dieser gegenseitige Abstand der beiden längeren Spulenabschnitte zur Polge, daß Verzerrung durch Feldauslöschung in der Mitte der Spule vermieden ist, und daß Peldauslöschung bei Wegbewegung der Spule von der

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Oberfläche dee leitenden Körpers 2 vermindert ist. Dieser Wandler ist daher für das Arbeiten mit größeren Oberflächenabständen bevorzugt, obgleich andererseits die Bandbreite reduziert ist, und zwar eben wegen des der Wellenlänge der zu erzeugenden Oberflächenschallwellen entsprechenden Abstandes der beiden längeren Spulenabschnitte voneinander.

Es sind auch solche Ausfuhrungsformen möglich, bei denen der Leiter 1 aus Draht besteht oder aber auf der Trägerplatte einer gedruckten Schaltung durch itzen hervorgebracht ist. Auch ist es sowohl beim Wandler gemäß Fig. 1 und 2 als auch beim Wandler gemäß Fig. 3 und 4 möglich, die geraden Spulenabschnitte bzw. Leiter oder Leiterabschnitte derselben in der eigenen Ebene zu krümmen, so daß die erzeugten Oberflächenschallwellen auf einen Funkt in der Mitte der Krönung fokussiert werden.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 5 weist der Wandler einen Leiter 1 auf, welcher um den länglichen Körper 2 herumgewickelt ist, in welchem die Oberflächenschallwellen erzeugt werden sollen. Aufeinanderfolgende Windungen der Spule verlaufen parallel zur Oberfläche des Körpers 2, und zwar in enger Nachbarschaft derselben. Die Windungen sind über eine Breite in Sichtung der Körperlängsachse verteilt, welche im wesentlichen der halben Wellenlänge der zu erzeugenden Oberfl&chenschallwellen entspricht oder kleiner ist.

Vorzugsweise wird der Wandler von einer Hochfrequenzimpulsschaltung mit Wechselstrom beaufschlagt, beispielsweise einer solchen, wie sie in Fig. 6 dargestellt ist. Es ist nämlich einfacher, ein· Impulsschaltung vorzusehen, um einen großen Wechselstrom zu erzeugen, als eine Quelle, welche einen großen, ständigen Strom liefert. Die dargestellte Hoch-

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frequenzimpulsschaltung weist einen Ladekreis 3 zur Aufladung eines Kondensators 4 in einem abgestimmten Kreis 5 und einen Thyristor 6 auf, welcher durch einen Triggerkreis 7 gezündet wird und dazu dient, den Kondensator 4 über den Wandler 1 zu entladen. Der Impulsstrom kann beispielsweise bei 80 Ampere rmsliegen.

Man kann eine Verstärkung der erzeugten Oberflächenschallwellen dadurch erzielen, daß zwei oder mehr ähnliche Wandler an voneinander entfernten Stellen entlang der Fortpflanzungsrichtung angeordnet und aufeinanderfolgende Wandler zeitlich aufeinanderfolgend erregt werden, so daß die von einem Wandler erzeugten Oberflächenschallwellen den nächsten Wandler erreichen, wenn letzterer erregt wird, so daß dieser Oberflächenschallwellen erzeugt, die mit den erstgenannten Oberflächenschallwellen in Phase sind.

In Fig. 7 ist die Verwendung von zwei Wandlern 1' und 1'' zur Erzeugung von Oberflächenschallwellen veranschaulicht. Jeder Wandler 1 · bzw. 1'' ist mit einer Hochfrequenzimpulsschaltung 8* bzw. 8¹' verbunden, welche von einem Treiberkreis 9' bzw. 9'' versorgt bzw. angetrieben wird. Das Triggern erfolgt durch einen gemeinsamen Triggerimpulsgenerator 10, welcher mit dem Treiberkreis 9* des in der Fortpflanzungsrichtung ersten Wandlers 1' unmittelbar und mit dem Treiberkreis 9'' des in Fortpflanzungsrichtung zweiten Wandlers 1'' über eine Verzögerungsschaltung 11 mit veränderbarer Verzögerung verbunden ist.

Aus Fig. 8 geht hervor, wie sich die Oberflächenechallwellenimpulse von jedem Wandler 1' bzw. 1'' gemäß Fig. 7 gegenseitig verstärken. Zum Zeitpunkt t^ wird der erste Wandler 1 * erregt, um einen Oberflächenschallwellen-

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impuls zu erzeugen, welcher sich in zwei Oberflächenschallwellenimpulse JL1 und B teilt, die sich in entgegengesetzten Sichtungen fortpflanzen, wie die Darstellung in Fig. 8 zu einen späteren Zeitpunkt t₂ zeigt. Zum Zeitpunkt t, erreicht der Oberf lächenschallwellenimpuls B den zweiten Wandler 1'' und wird dieser erregt, um einen Oberflächenschallwellenimpuls zu erzeugen, der mit dem Oberf lächenschallwellenimpuls B in Phase ist, so daß letzterer verstärkt wird und sich ferner ein Oberflächenschallwellenimpuls A2 ergibt, welcher sich entgegengesetzt zum Oberflächenschallwellenimpuls B fortpflanzt, wie die Darstellung in Fig. 8 zu einem späteren Zeitpunkt t^ zeigt.

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Claims

Ansprüche

I 1J Verfahren zur Erzeugung von Oberflächenschallwellen in einem elektrisch leitenden Körper unter Verwendung eines Wandlers mit einem Leiter, welcher dicht an der Körperoberfläche angeordnet und mit Wechselstrom beaufschlagt wird, so daß die Oberflächenschallwellen sich im Körper im wesent lichen normal zur Längsrichtung des Leiters fortpflanzen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wandler mit mehreren parallelen, in einer gemeinsamen, zur Oberfläche des Körpers (2) parallelen Ebene angeordneten Leitern bzw. Leiterabschnitten (1) verwendet wird, welche über eine Breite gleich höchstens etwa der halben Wellenlänge der Oberflächenschallwellen, gemessen in der Fortpflanzungsrichtung, verteilt sind, und daß der Wandler bzw. dessen Leiter oder Leiterabschnitte (1) mit einem Wechselstrom beaufschlagt wird bzw. werden, dessen Frequenz gleich der halben Frequenz der jeweils gewünschten Oberflächenschallwellen ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß der Wandler bzw. dessen Leiter oder Leiterabschnitte (1) mit Wechselstromimpulsen beaufschlagt wird bzw. werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich η e fr, daß mindestens zwei ähnliche Wandler (1· und 1'') in Fortpflanzungsrichtung der Oberflächenschallwellen im Körper (2) im Abstand voneinander angeordnet werden, und daß jeder folgende Wandler (1") dann erregt wird, wenn die Oberflächenschallwellen vom vorhergehenden Wandler (1') ihn erreichen, so daß die vom folgenden Wandler (1¹¹) und die vom vorhergehenden Wandler (1') erzeugten Oberflächenschallwellen in Phase sind (Fig. 7 und 8).

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INSPBCTED

4-, Wandler zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, 2 oder 3» gekennzeichnet durch mehrere parallele, in einer gemeinsamen, zur Oberfläche des Körpers (2) parallelen Ebene angeordnete Leiter bzw. Leiterabschnitte (1), welche über eine Breite gleich höchstens etwa der halben Wellenlänge der Oberflächenschallwellen, gemessen in der Fortpflanzungerichtung, verteilt sind.

5. Wandler nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen zu einer Spule gewickelten Leiter (1), dessen aufeinanderfolgende Windungen die parallelen Leiterabschnitte bilden.

6. Wandler nach Anspruch 5* dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter (1) zu einer länglichen Spule gewikkelt ist, welche sich in der zur Oberfläche des Körpers (2) parallelen Ebene erstreckt, wobei die längeren Spulenabschnitte die parallelen Leiterabschnitte umfassen.

7. Wandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die längeren Spulenabschnitte sich eng nebeneinander erstrecken und zusammen eine Breite gleich höchstens etwa der halben Wellenlänge der Oberflächenschallwellen überdecken (Fig. 1 und 2).

8. Wandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die längeren Spulenabschnitte sich im Abstand voneinander erstrecken »r>H jeweils eine Breite gleich höchstens etwa der halben Wellenlänge der Oberflächenschallwellen überdecken, wobei der Abstand der Mitten der beiden längeren Spulenabschnitte etwa der Wellenlänge der Oberflächenschallwellen entspricht (Fig. 3 und 4-).

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9· Wandler nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die parallelen Leiter bzw. Leiterabschnitte (1) aus Metallband bestehen, welches sich in einer zur gemeinsamen Ebene normalen Ebene erstreckt.

10. Wandler nach einem der Ansprüche 6 bis 8 oder nach Anspruch 9 in Verbindung mit einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die längeren Spulenabschnitte gerade sind.

11. Wandler nach einem der Ansprüche 6 bis 8 oder nach Anspruch 9 in Verbindung mit einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die längeren Spulenabschnitte gekrümmt sind und einen gemeinsamen Krümmungsmittelpunkt aufweisen, auf welchen die Oberflächenschallwellen fokussiert sind.

12. Wandler nach Anspruch 5» dadurch gekennzeich net, daß der Leiter (1) um eine mittlere Achse gewickelt ist, so daß die Windungen sich in einer gemeinsamen Ringfläche erstrecken, in deren Innenraum der Körper (2) einführbar ist, wobei die Windungen eine Breite gleich höchstens etwa der halben Wellenlänge der Oberflächenschallwellen überdekken, gemessen in der Ringfläche senkrecht zu den Windungen (Fig. 5).

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