DE3017818C2

DE3017818C2 - Verfahren zur Erzeugung beliebig wählbarer Echoimpulsformen als reflektierte Signale bei Ultraschallprüfanlagen

Info

Publication number: DE3017818C2
Application number: DE3017818A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr.-Ing. 6470 Büdingen Abend; Raimund Dipl.-Ing. 8755 Alzenau Lang; Dieter Ing.(grad.) 4170 Geldern Lather; Heinz Dr.-Ing. 4000 Düsseldorf Schneider
Original assignee: Nukem GmbH; Mannesmann AG
Current assignee: Vodafone GmbH; Nukem GmbH
Priority date: 1980-05-07
Filing date: 1980-05-07
Publication date: 1983-01-27
Also published as: IT8121556A0; IT1138329B; GB2075680A; GB2075680B; SE8101913L; JPS574565A; FR2485747B1; DE3017818A1; FR2485747A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung beliebig wählbarer Echoimpulsformen als reflektierte Signale bei Ultiuschallanlagen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

Es ist bekannt bei d°r Ultraschallprüfung die verwendeten elektroakustischen 'Vandler mit Spannungsimpulsen verschiedener Formen anzuregen. Der daraufhin vom Wandler abgegebene akustische Impulszug, der über Koppelstrecken in das prüfende Werkstück eingespeist wird, an irgendwelchen Reflektoren reflektiert und den Weg zurück über das Werkstück und die Koppelstrecke zum Wandler nimmt, hängt in seiner Form und Zeitdauer von der Form des Anregeimpulses (Sendeimpulses), den akustischen uiid elektrischen Parametern des Wandlers und von der Prüfstrecke ab.

In der Praxis ergeben sich so Schwingungs/üge. bestehend aus 1.5 bis 10 aneinandergereihten Einzelsinusschwingungen unterschiedlicher Amplitude mit einer vom Wandler und vom Anregeimpuls vorgegebenen Frequenz. Bekannte Verfahren zur Optimierung der Anregung können zwar die Form und Grundfrequenz des akustischen Signals innerhalb gewisser Grenzen ändern, diese Verfahren sind jedoch nicht in der Lage, eine frei wählbare Impulsfrequenz und eine frei wählbare Impulsform des akustischen Signals zu erzeugen. Mit diesen bekannten Verfahren ist bestenfalls eine Vergrößerung des Stör-Nuu-Abstandes zu erreichen. Bedingt durch die Schwingkreiseigenschaften der Wandler und der mit abgestrahlten Impulsform des akustischen Signals kann durch gezielte Änderung des Anregeimpulses bisher nur die maximale Amplitude des akustischen Impulszuges Vergrößert werden, wobei die Zeitdauer des Signals zwangsläufig vergrößert wird.

Bekannt sind Unabhängig davon verschiedene mathe^ malische Weiterverarbeitungen mit dem Ziel der Analyse von Diskontinuitäten (z. B, Materialprüfung 19, 1977, Nr. 2 Febr. S, 58—64; DE-AS 20 36 013; DE-OS 26 39 646). Eine Beeinflussung des Anregeimpulses

erfolgt nicht

Bei einer Reihe von Prüfaufgaben, wie z. B. der Wanddickenmessung vor allem dünner Wände, der Fehlerprüfung mit hohem Fehlerauflösevermögen (zeitliehe Auflösung kleiner, dicht beieinanderliegender Fehler) usw. wird die Erzeugung zeitlich kurzer Signale angestrebt.

Bei qualitativ hochwertigen Prüfungen wird weiterhin eine Reproduzierbarkeit der Prüfparameter gefordert, ίο die jedoch vor allem auf Grund der bei akustischen Gebern zwischen den einzelnen Gebern stark variierenden Prüfkopfparameter auch durch Selektierung nicht immer erreicht werden kann. Geber gleichen Typs zeigen generell meist unterschiedliche Impulsformen in Abhängigkeit ihrer Parameter und der Ansteuerung. Dies ist vor allen Dingen da kritisch, wo eine hohe Fehlerauflösung gefordert wird und durch Signalüberlagerungen der Anteile der einzelnen Fehler »neue, zusammengesetzte« Signale entstehen und bewertet werden. Noch kritischer werden diese Interferenzen bei z, B. Winkeleinschallungen, wobei kleinste Änderungen des Einschaiiwinkeis bei justage der Anlage große Wirkungen zeigen.

Aufgabe der Erfindung isi es, ein Verfahren zu schaffen, mit dem unter Berücksichtigung der Übertragungsfunktion in einer Prüfanlage ein Anregungssignal erzeugt werden kann, das zu einem reflektierten Signal führt, das einwandfrei analysiert werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß ein Verfahren vorgeschlagen, wie es in dem Patentanspruch dargelegt ist.

Zum besseren Verständnis des erfindungsgemäßen Verfahrens sind folgende Zeichnungen beigefügt:

Fig. I zeigt schematisch beispielsweise die bei der Ultraschallprüfung angewandte s. g. Impulsreflektionsmethode mit der zugehörigen Amplituden/Zeit-Darstellung eines Sendeimpukes und eines reflektierten Signals;

Fig. 2 zeigt die Ableitung der Übertragungsfunkiion zwischen Sendeimpuls und empfangenem, reflektiertem Signal in der komplexen Frequenzebene:

F i g. 3 zeigt die Berechnung des notwendigen

Sendeimpulses bei einer vorgegebenen Signalform des empfangenen, reflektierten Signals in der komplexen

Frequenzebene und in der Amplituden/Zett-Darstellung;

F ι g 4 zeigt die Berechnung eines weiteren notwendigen Sendeimpulses bei einer vorgegebenen Signalform des empfangenen, -eflektierten Signals in der komplexen Frequenzebene und inder Amplituden/Zeit Darsiellung;

F i g. 5 zeigt die Berechnung eines weiteren notwendigen Sendeimpulses bei einer vorgegebenen Signalform mit etwa der doppelten Signalfrequenz des empfangenen. reflektierten Signals in der komplexen Frequenzebene und in der Amplituden/Zeit-Darstellung.

In den Zeichnungen ist in Fig. 1 schematisch die Ultraschallprüfung mit einem Prüfkopf in der Impulsre flektionsmethode dargestellt. F..η Sender/hmpfänger I erzeugt den Sendeimpuls 5 und steuert den Prüfkopf 2 an. Der Prüfkopf 2 erzeugt ein akustisches Signal, welches über die Koppelstrecke 3 zum Reflektor 4 gelangt. Am Reflektor 4 wird das akustische Signal reflektiert und gelangt über die Koppelstrecke 3 zurück zum Prüfkopf 2, der das akustische Signal in ein elektrisches Signal 6 umgewandelt erzeugt und dem Empfänger innerhalb des Sender/Empfängers 1 zur Weiterverarbeitung zuführt. Zwischen dem Sendeim-

puls. 5 und dem c.ip^ngenen ref.sktierten Signal 6 befindet sich also die gesamte Prüfstrecke, inclusive des Reflektors, mit den Umwandlungen von elektrischer Energie in mechanisch akustische und umgekehrt.

Fig.2 zeigt die Übertragungsfunktion 9 der gesamten Prüfstrecke in der komplexen Frequenzebene, die sich aus d?r Gleichung

. YV)

ableitet Die Ableitung der Rechnung ist in Fig.2 graphisch aufgetragen. Das vom Wandler empfangene und elektrisch gewandelte Signal 6 wird z. B. mittels der Fourier Transformation in den Frequenzbereich transformiert und z. B. in der komplexen Frequenzebene 7 dargestellt. Ebenso wird der original gemessene Sendebzw. Anregeimpuls 5 in die komplexe Frequenzebene transformiert 8. Die Division beider transformierter Signale ergibt die Übertragungsfunktion, die hier wiederum in der komplexen Frequenzebene dargestellt ist.

Die Übertragungsfunktion ist für jeden F-üfkupf und jede Prüfstrecke spezifisch, d. h. es ergeben sich bei der Verwendung verschiedener Prüfköpfe bzw. -strecken verschiedene Übertragungsfunktionen.

Zur Lösung der Aufgabe der Erfindung — nämlich am Empfängereingang des Sender-Empfängers 2 jede beliebig wählbare Signalform zu erlangen, muß die Gleichung umgestellt werden:

^X{f) Wf)

und durch z. B. eine inverse Fouriertransformation wird der im Zeitbereich notwendige Verlauf des Sendeimpulses erhalten. F i g. 3 zeigt einen Teilbereich 10 des Signals 6. nämlich den Teil des Signals 6, der nach dem Verlauf des Einschwingvorgangs (erste Sinushalbwelle von Signal 6) als volle Sinusschwingung ausgebildet ist.

Dieses Signal wird einer Fouriertransformation unterzogen und im Frequenzbereich durch die Übertragungsfunktion 9 der gesamten Strecke dividiert. Das Ergebnis ist die Funktion des notwendigen Sendeimpulses 12 zur Erzeugung des gewünschten Signals 10 im Frequenzbereich, eine inverse Fouriertransformation des Senaeimpulses 12 im Freque.ubereich ergibt den Verlauf des Sendeimpulses 11 im Zeitbereich in der Amplituden/Zeit-Darstellung. Das heißt, würde der Prüfkopf 2 in Verbindung mit der Koppelstrecke 3 und dem Reflektor 4 mit dein so optimierten Sendeimpuls 11 angesteuert werden, so wird das reflektierte empfangene Signai den gewünschten Signalverlauf 10 haben. Statt der ehemaligen Schwingungen 6 mit ca. 3,5 Sinusvollwellen würde nunmehr eine Schwingung mit I Sinusvollwelle entstehen. Dadurch wird eine erhebliche Steigerung des zeitlichen Auflösungsvermögens erreicht.

Fig.4 zeigt, daß ohne weiteres eine weitere Steigerung zu einer Schwingung mit 0,5 Sinusvollwellen möglich ist. Das Verfahren ist dasselbe, wie anhand von F i g* 3 erläutert, nur wurde das reflektierte empfangene Signal 13 als Sinushalbwelle definiert; was naturgemäß einen anderen Verlauf des Sendeimpülses in der komplexen Frequenzebene 15 sowie im Zeitbereich 14 ergibt

Fig.5 zeigt eine weitere Steigerung der Auflösung, wobei das gewünschte reflektierte empfangene Signal 16 im Gegensatz zu den in Fig.3 und 4 gezeigten Signalen 10 und 13 mit einer beliebigen Frequenz (ca. der doppelten) und als symmetrische Sinusvollschwingung ausgebildet ist Der hierzu erforderliche Sendeimpuls in der komplexen Frequenzebene 18 bzw. im Zeitbereich 17 zeigt deutlich, daß der Wandler ganz

gezielt mit verschiedenen Amplituden und Spannungsrichtungen hintereinander angesteuert werden muß. Zum Erreichen des gewünschten reflektierten Signals wird der Wandler also in kurzer Reihenfolge hintereinander mit wechselnder Polarität und unterschiedlichen Amplituden angeregt.

Die in den F i g. 3,4 und 5 dargestellten gewünschten Signale zeigen, daß bei richtiger Anregung des Wandlers jedes beliebige Signal erzeugt werden kann. Damit kann das Auflösungsvermögen bei jeder Prüfung quasi beliebig gesteigert werden und dem Prüfproblem angepaßt werden.

Der Vorteil des erfindungsgem«*ien Verfahrens liegt weiterhin darin, daß alle die Signalforr>< beeinflussenden Parameter wie elektrische und akustische Komponenten des Wandlers, akustische Komponenten der Koppelstrecke und des Reflektors durch die gezielte Art der Ansteuerung kompensiert werden.

Die gleiche Auswirkung — nämlich für die endgültige Bewertung bei der Prüfung ein zeitlich kurzes Signal zu erhalten - ergibt sich, wenn die o. g. Rechnungen nach dem Empfang des Prüfsignals 6 durchgeführt werden. Bei bekannter Übertragungsfunktion 9 und Vorgabe einer bestimmten Signalform vom Reflektor 10, 13. 16 kann ohne die Benutzung der Sendeimpulse 11. 14, 17 nach dem Signalempfang ebenfalls eine Erhöhung der Auflösung erreicht werden. Dazu ist das original empfangene Signal 6 folgender Rechnung zu unterwerfen:

Y'V)

YV) ■ X¹V) XV)

wobei Y (0 die Transformation des empfangenen Signals 6 in den Frequenzbereich 7 bedeutet, X (() 8 den

in den Frequenzbereich transformierten Originalsendeimpuls 5 bedeutet und X' (0 12, 15. 18 den in den Frequenzbereich transformierten idealen Sendeimpuls 11, 14, 17 bedeutet Das Ergebnis der Gleichung Y' (f) sind in ihrer zeitlichen Dauer kurze Signale 10, 13, 16, die aus dem Frequenzbereich in den Zeitbereich transformiert werden und anschließend nach bekannten Verfahren beweget werden.

Obengenannte Rechnung muß für jedes empfangene Signal durchgeführt werden, eine Reduzierung der Rechnungen läßt sich über bekannte Einrichtungen der Schwellenbewertung bzw. Amplitudendiskrimh'erung erreichen. Der Vorteil dieser Methode liegt darin, daß die schwierige hardwaremäßige Realisierung der für die Erzeugung kurzer Signale notwendigen Sendeimpulse

auf Kosten eir :r gesteigerten Bewertung nach df m Empfanp der Signale vermieden wird.

Prinzipiell kann das erfindungsgemäße System auch bei den elektromagnetischen Prüfye'rfailren Anwendung finden, wobei die verfahrensbedingten Merkmale Berücksichtigung finden müssen.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zur Erzeugung beliebig wählbarer Echoimpulsformen als reflektierte Signale bei Ultraschallprüfanlagen unter Verwendung von elektroakustischen und elektrodynamischen Wandlern, bei dem ein beliebiger Sendeimpuls als anregendes Signal in ein akustisches Signal umgewandelt, über eine Koppelstrecke weitergeleitet, reflektiert und über die Koppelstrecke bis zum Wandler zurückgeleitet wird, der eine Umwandlung des akustischen Signals in ein elektrisches Impulssignal vornimmt, dadurch gekennzeichnet, daß das reflektierte Signal mit dem anregenden Signal in einer Vergleichseinheit hinsichtlich der Frequenz, der Amplitude und der Phase verglichen wird, daß aus den sich ergebenden Differenzbeträgen das Übertragungsverhalten des Signals in dieser Prüfanordnung und damit die Übertragungsfunktion bestimmt wird, daß ein in bezug auf eine Prüfsignalanalyse optimiertes Signal als reflektiertes Signal vorgegeben wird, aus dem mit der Übertragungsfunktion ein dazu notwendiges, angepaßtes Anregungssignal bestimmt wird.