DE3142069C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die Erzeugung kurzer, schmalbandiger Schallimpulse veränderbarer Mittenfrequenz mittels eines durch einen Sender angeregten Ultraschallschwingers, insbesondere für die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung oder die medizinische Diagnostik.

Hauptanwendungsgebiet der Erfindung ist die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung, jedoch kann die Erfindung auch auf jedem anderen Gebiet, wie z. B. in der medizinischen Diagnostik, eingesetzt werden, auf dem Ultraschall als Mittel für ein zerstörungsfrei und volumetrisch arbeitendes Prüfverfahren eingesetzt wird. Bei der Ultraschallprüfung wird ein Ultraschallimpuls in den zu untersuchenden Prüfling gesandt, dessen Reaktion auf das von ihm durchlaufene Material ermittelt und als Prüfbestand ausgewertet wird.

Die Bewertung von Ultraschall-Prüfbefunden erfolgt in vielen Fällen durch Vergleich der von natürlichen Reflektoren erhaltenen Anzeigen mit den von berechenbaren sog. "Ersatzreflektoren" erhaltenen Anzeigen. Als solche Ersatzreflektoren werden Kreisscheiben senkrecht zum Schalleinfall und konzentrisch zum Schallbündel verwendet. In sog. "AVG-Diagrammen" ist der Zusammenhang zwischen Reflektorgröße G (Durchmesser des Kreisscheiben-Reflektors), der am Prüfgerät einzustellenden Verstärkung V und dem Reflektorabstand A angegeben. Die speziellen AVG-Diagramme für jeden einzelnen Prüfkopf entstehen aus dem allgemein gültigen normierten AVG-Diagramm durch Einsetzen der jeweils vorhandenen Nahfeldlänge l₀. In der Formel für die Nahfeldlänge:

steht außer dem geometrisch vorgegebenen Schwingerdurchmesser d die Wellenlänge g als einzige Einflußgröße. Streng genommen können die AVG-Diagramme daher nur für monochromatische Schallwellen Gültigkeit haben. In der Praxis der Ultraschallprüfung ist diese Voraussetzung jedoch nicht gegeben, denn es muß im Impuls-Reflexionsverfahren gearbeitet werden, bei dem sich in der Grundschwingung Ein- und Ausschwingvorgänge überlagern, die sich aus den Massen- und Federkräften des Wandlers erklären lassen. Diese Ein- und Ausschwingvorgänge wirken sich auf das Frequenzspektrum des erzeugten Impulses um so stärker aus, je kürzer der monochromatische Anregungs-Wechselspannungszug andauert.

Eine geringe Dauer der Ultraschall-Impulse wirkt sich prüftechnisch vorteilhaft auf die Nah- und Fernauflösung und das Signal-Rauschverhältnis aus. Es ist üblich, zur Erzeugung eines Schallimpulses genügend geringer Zeitdauer den schwingfähigen piezoelektrischen Kristall mechanisch oder elektrisch zu bedämpfen. Das Maß der Bedämpfung beeinflußt das Frequenzspektrum und damit die Bandbreite des bedämpften Schwingers. Durch mechanische Bedämpfung kann ein geeigneter Schwingkristall zwar bis zu fast beliebigen Bandbreiten bedämpft werden, jedoch führt dies bei den bislang eingesetzten Schwingermaterialien zu einem erheblichen Empfindlichkeitsverlust. Die elektrische Bedämpfung, sei es durch den Abschlußwiderstand R von Sender und Empfänger, sei es durch Beeinflussung der Wandlereigenschaften durch Serien- oder Parallelinduktivitäten, hat bisher zu keiner bedeutenden Bandbreitenvergrößerung führen können.

In der Werkstoffprüfung sind über Jahrzente solche Schwingerwerkstoffe verwendet worden, bei denen im Frequenzspektrum des bedämpften Schwingers die Nennfrequenz, d. h. die Eigenfrequenz des unbedämpften Schwingers, noch als deutliches Maximum erhalten bleibt, wobei die Bandbreite, berechnet auf 6 dB Abfall, gewöhnlich unter 10 bis 30% der Nennfrequenz liegt. Die für diese Schwinger verwendeten Werkstoffe sind Bariumtitanat, Lithium-Sulfat oder Bleizirkonat-Titanat (PZT).

Erst in jüngerer Zeit werden in zunehmendem Maße stark mechanisch bedämpfte Prüfköpfe eingesetzt, die Schwinger aus z. B. Bleimetaniobat enthalten. Dieser Werkstoff läßt sich so stark bedämpfen, daß im entstehenden akustischen Spektrum des kurzen Impulses die Nennfrequenz nicht mehr erkennbar ist, aber eine ausreichende Empfindlichkeit verbleibt. Das Maximum ist gewöhnlich sehr breit. Der Frequenzbereich, bezogen auf 6 dB Abfall, kann bis zu mehreren 100% der Nennfrequenz betragen. Diese Prüfköpfe sind deshalb prüftechnisch vorteilhaft, weil sie wegen der kurzen Impulsdauer eine hohe Nah- und Fernauflösung gestatten. Ferner ergibt sich bei Beschallen grobkörniger Werkstoffe, ebenfalls bedingt durch die geringe Impulsdauer verglichen mit schmalbandigen Prüfköpfen, ein beträchtlich geringerer Signal-Rausch-Abstand.

Es muß jedoch als nachteilig gewertet werden, daß mit derart breitbandigen Prüfköpfen eine Auswertung des Prüfbefundes mittels der AVG-Diagramme nicht bzw. nur mit groben Fehlern behaftet möglich ist. Das gilt insbesondere dann, wenn bei Beschallen von grobkörnigem Material durch die frequenzabhängige Schall­ schwächung und -streuung eine Entmischung des Schallspektrums eintritt, die sich mit größerer Schallweglänge immer stärker bemerkbar macht und das Frequenzspektrum in Abhängigkeit von der Meßlänge in unvorhersehbarem Maße beträchtlich ändert.

Es ist bereits ein Weg gefunden worden, um breitbandige Schwinger durch neuartige Sender schmalbandig anzuregen, wobei Mittel vorgesehen sein können, um die Prüffrequenz stufenlos zu ändern. Bei diesen Sendern werden hochfrequente Schwingungen (Prüffrequenz) mit einer bezüglich Form und Dauer zu variierenden Hüllkurve moduliert. Diese Lösung ist u. a. beschrieben in der DE-OS 27 20 966 und in "Fachberichte Hüttenpraxis Metallweiterverarbeitung" Heft 10; 1978; Seiten 915-919.

Es hat sich erwiesen, daß mit Sendern dieser Art Ultraschallschwingungen erzeugt werden können, welche bei Verwendung für die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung auch die Auswertung der Prüfbefunde nach AVG-Diagrammen ermöglichen. Jedoch sind diese Sender apparativ und daher auch kostenmäßig relativ aufwendig und hinderlich bei ortsbeweglichen Einsätzen, zumal wegen ihres erhöhten Strombedarfs ein Batteriebetrieb erschwert ist.

Der Erfindung hat die Aufgabe zugrunde gelegen, mit geringem technischem und kostenmäßigem Aufwand eine für den ortsbeweglichen Einsatz und den Batteriebetrieb gut geeignete Vorrichtung zu schaffen, mit welcher unter Verwendung stark bedämpfter, breitbandiger Schwinger kurze, schmalbandige Impulse veränderbarer Mittenfrequenz zu erzeugen sind, so daß eine hohe Empfindlichkeit erzielbar ist und der Prüfbefund mittels AVG-Diagrammen auszuwerten ist.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht in Merkmalen des Anspruchs 1, bei denen der an sich bekannte Zusammenhang zwischen der Kopplung eines Schwingers an den Sender mittels eines Anpassungsnetzwerkes und der die Mittenfrequenz beeinflussenden Übertragungscharakteristik (wie z. B. im US-Buch: Hueter, Bolt; "Sonics", 1955 auf den Seiten 99-119 erläutert) erstmals gerätemäßig zur Lösung der vorstehend definierten Aufgabe verwertet worden ist, mittels eines mechanisch hoch bedämpften Schwingers kurze, schmalbandige Impulse veränderbarer Mittenfrequenz zu erzeugen. Anpassungsnetzwerke wurden bislang mit dem Ziel des Abgleichs auf eine konstante Prüffrequenz eingesetzt (vergl. DE-Buch: Krautkrämer: "Werkstoffprüfung mit Ultraschall"; 1975; Seite 143). Gegenstand der Unteransprüche sind Weiterentwicklungen des Erfindungsgedankens gemäß Anspruch 1. Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 ein elektrisches Ersatzschaltbild für die elektrische Impedanz eines keramischen Schwingers,

Fig. 2 eine Schwingerbeschaltung,

Fig. 3 das Gesamtschaltbild für die Schwingerbeschaltung nach Fig. 2,

Fig. 4 ein Blockschaltbild einer Frequenzmeßeinrichtung und

Fig. 5 ein Impulsdiagramm des Meßprinzips der Einrichtung nach Fig. 4.

Bei der Erfindung ist der Weg beschritten worden, die Eigenschaften eines mechanisch hoch bedämpften akustischen Schwingers durch Serien- und Parallelinduktivitäten zu beeinflussen. Diese Möglichkeit beruht auf folgenden Eigenschaften des Wandlers: man kann die elektrische Impedanz des keramischen Schwingers durch das in Fig. 1 gezeigte elektrische Ersatzschaltbild beschreiben. Hierbei ist Co die Kapazität des ruhenden Wandlers, der aus zwei parallelen, metallischen Flächen mit der Schwingerkeramik als Dielektrikum besteht. Ro stellt den Widerstand dar, der aus den dielektrischen Verlusten resultiert, die sich folgendermaßen berechnen lassen:

mit tg δ = dielektrischer Verlustfaktor.

Der dritte Parallelzweig gibt das sich bewegende mechanische System wieder. Dabei ist R 1 der Ersatzwiderstand für die mechanischen Verluste und R 2 der Widerstand der Nutzlast, hervorgerufen durch die abgestrahlte Energie. Für den völlig ungedämpften Fall, nämlich im Vakuum, gilt: R 2 = 0. C 1 stellt die Kapazität des mechanischen Kreises dar und entspricht der Nachgiebigkeit des Schwingers, während L 1 das elektrische Ersatzglied für die Masse des Schwingers ist.

Wählt man nun eine Serien- oder Parallelinduktivität so, daß sie mit der Wandlerkapazität Co in etwa die Resonanzfrequenz fr ergibt, gemäß der Gleichung

so entstehen zwei gekoppelte Resonanzkreise: ein mechanischer, der durch L 1, C 1 und R 1 bestimmt ist, sowie ein elektrischer, der durch L, Co und den Abschlußwiderstand R gegeben ist.

Infolge der Kopplung der beiden Kreise treten Durchlaßkurven auf, wie sie von Bandfiltern her bekannt sind. Die Bandbreite eines so abgestimmten Schwingers beträgt

wobei k der Koppelfaktor ist.

Bei Einsetzen der Werte für die üblichen Koppelfaktoren ergibt sich eine theoretische Bandbreite von

B = 0,1 . . . - 0,6 · fr

Wie in Fig. 2 gezeigt ist, ist eine in ihrer Größe mittels der Schaltvorrichtung S 1 umschaltbare Induktivität Ls in Reihe mit dem Schwinger SCH geschaltet und eine weitere mittels der Schaltvorrichtung S 2 umschaltbare Induktivität Lp parallel zum Schwinger SCH. Die gleiche Beschaltung mit Induktivitäten kann man auch bei mechanisch hochbedämpften Schwingern vornehmen. Ohne elektrische Beschaltung sendet der Schwinger SCH ein sehr breitbandiges Frequenzspektrum ohne ausgeprägtes Frequenzmaximum aus. Aus dem elektrischen Ersatzschaltbild des Wandlers gemäß Fig. 1 ist zu folgern, daß man Ro in erster Näherung vernachlässigen kann, da dieser Widerstand bei den üblichen dielektrischen Verlustfaktoren tg δ = 0,5 . . . 3 und den infrage kommenden Frequenzen Werte von 5 . . . 100 kΩ besitzt.

Ein stark mechanisch bedämpfter Schwinger hat eine geringe mechanische Güte Qm. Es gilt:

Da L 1 und C 1 durch die Bedämpfung nicht geändert werden und Qm klein wird, muß R 1+R 2 groß werden. Deshalb kann der Einfluß des zweiten zu Co parallel geschalteten Kreises ebenfalls vernachlässigt werden. Es ergibt sich demnach das in Fig. 3 gezeigte Gesamtschaltbild für die gemäß Fig. 2 beschalteten Schwinger SCH. Die Übertragungsfunktion eines solchen Kreises lautet:

Es tritt also nun wieder eine Resonanzfrequenz auf im Gegensatz zum elektrisch unbeschalteten, mechanisch stark bedämpften Schwinger. Sie läßt sich berechnen aus:

Aus dieser Gleichung ist erkennbar, daß sich die Resonanzfrequenz fr und die Bandbreite in weiten Bereichen durch entsprechende Wahl von Ls und Lp variieren lassen. Durch die erfindungsgemäße Beschaltung eines mechanisch hoch bedämpften Schwingers lassen sich bei sinnvollen Verhältnissen von Ls/Lp Variationen von etwa 1 : 4 der Mittenfrequenz des schmalbandigen Spektrums des elektrisch beschalteten Schwingers erreichen. Eine zusätzliche feinfühlige Beeinflussung von Mittenfrequenz und Bandbreite des Spektrums läßt sich noch durch Änderung der Spulengüte erzielen, wie in Fig. 2 durch den änderbaren Widerstand R gezeigt ist.

Die zur Einstellung der Prüffrequenz mittels des vorstehend beschriebenen Verfahrens notwendigen Bauelemente können entweder fest in den Prüfkopf eingebaut werden oder auswechselbar in diesen eingesetzt sein. Es kann z. B. eine Änderung des Verhältnisses Ls/Lp von 0,1 bis zu 10 vorgesehen sein.

Da der Wert, der sich durch elektrische Beschaltung ergebenden Mittenfrequenz prüfkopfabhängig ist, weil er außer von dem Wert der für die Beschaltung verwendeten Spulen von der statischen Kapazität des Schwinges abhängt, ist es wichtig, die Ist-Mittenfrequenz ermitteln zu können. Zu diesem Zweck ist die Vorrichtung nicht nur mit den umschaltbaren Spulen ausgerüstet, sondern auch mit einer elektronischen Vorrichtung zur Messung der Ist-Mittenfrequenz und deren digitaler Anzeige. Für die meisten Prüfzwecke ist eine Genauigkeit der Frequenzanzeige von ±50 kHz ausreichend.

Die in Fig. 4 im Blockschaltbild gezeigte Frequenzmeßeinrichtung besteht aus bekannten Baugruppen, nämlich einem Monoflop 1 am Impulseingang, dem ein Verstärker 11 mit nachfolgendem Komparator 3 parallel geschaltet sind, sowie einem an diese beiden Parallelzweigen geschalteten Flip-Flop 2 zum Öffnen eines Meßtores 4. Mit der eigentlichen Meßeinheit wird eine Frequenzmittelung über 10 Echos durchgeführt. Sie umfaßt zu diesem Zweck einen Generator 5 für Zählimpulse, der dem Meßtor 4 vorgeschaltet ist, einen hinter dem Meßtor 4 folgenden Teiler 6 für die Durchführung einer Teilung durch 10, Zähler 7 und 8 sowie eine Anzeigevorrichtung 12. Zwei Monoflops 9 und 10 dienen zum Rücksetzen der Zähler.

Das Meßprinzip, dessen Impulsdiagramm Fig. 5 zeigt, ist folgendes:

Der Sendeimpuls USS startet das Monoflop 1, welches das Flip-Flop 2 für das Meßtor 4 rücksetzt und damit eine Ausblendzeit für Störungen hinter dem Sendeimpuls erzeugt. Nach deren Ablauf gelangt das erste Echo über den Verstärker 11 zum Komparator 3 und schaltet diesen bei seinen Nulldurchgängen. Die positive erste Flanke des Komparators 3 setzt das Flip-Flop 2 und öffnet damit das Meßtor 4. Durch dieses werden nun die Zählimpulse vom Generator 5 auf den Teiler 6 gegeben. Für eine Messung wird diese Impulsfolge zehnmal in den Zähler 7 eingezählt, um eine Frequenzmittelung über 10 Echos zu erhalten. Der Zähler 8 zählt die Anzahl der Einzelmessungen und liefert bei Zählerstand 10 ein Überlaufsignal, das den aktuellen Stand des Zählers 7 in die Anzeige 12 einschreibt.

Die Monoflops 9 und 10 erzeugen in Abhängigkeit vom Ende der Ausblendzeit ein Kontrollsignal. Wenn bei dessen abfallender Flanke das Meßtor 4 noch geöffnet ist und damit die Messung falsch sein muß, setzt das Kontrollsignal die Zähler 7 und 8 zurück.

Die Spulen Ls und Lp für die Beschaltung des Prüfkopfes und die elektronische Frequenzmeßeinrichtung sind zweckmäßigerweise in einem Gehäuse untergebracht, welches Anschlüsse aufweist, um die Spulen mit der Meßeinrichtung direkt in die Leitung zwischen einem beliebigen Ultraschallgerät und einem mechanisch stark bedämpften Prüfkopf schalten zu können.

Claims (7)

1. Vorrichtung für die Erzeugung kurzer, schmalbandiger Schallimpulse veränderbarer Mittenfrequenz mittels eines durch einen Sender angeregten, mechanisch hoch bedämpften Ultraschallschwingers, insbesondere für die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung oder die medizinische Diagnostik, gekennzeichnet durch die Kombination

• - des mechanisch hoch bedämpften Schwingers (Sch)
• - mit einer einstellbaren Beschaltung aus einer oder mehreren, zur Schwingerkapazität (Co) parallel und/ oder in Reihe geschalteten Induktivitäten (Lp, Ls), die mittels mindestens einer Schaltvorrichtung (S 1, S 2) wahlweise an den Schwinger (Sch) anzuschalten sind und deren Größe so bemessen ist, daß die durch die jeweils angeschaltete(n) Induktivität(en) in Verbindung mit der Schwingerkapazität (Co) gebildeten elektrischen Resonanzkreise schmalbandige Schallimpulse ergeben, deren Mittenfrequenz fr gemäß der Gleichung durch die jeweils angeschalteten Induktivitäten (Lp, Ls) vorgebbar ist (Fig. 2),

sowie durch eine elektronische Frequenzmeßeinrichtung für die Messung und Anzeige der durch die jeweils angeschaltete(n) Induktivität(en) (Lp, Ls) in Verbindung mit der Schwingerkapazität (Co) erzeugte Ist-Mittenfrequenz.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen die Induktivitäts-Serie(n) und deren zugeordnete Schaltvorrichtung überbrückenden, einstellbaren Widerstand (R) zur Änderung der Spulengüte.

3. Vorrichtung für die Bildung eines mechanisch hoch bedämpften Prüfkopfes nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die einstellbare Schwinger-Beschaltung und die Frequenz-Meßeinrichtung in einem Gehäuse untergebracht sind, welches Anschlüsse zur Einschaltung der in ihm befindlichen Beschaltung und Frequenz-Meßeinrichtung in die Leitung zwischen einem Prüfkopf und einem Ultraschallgerät aufweist.

4. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzmeßeinrichtung am Impulseingang ein vom Sendeimpuls (USS) gesteuertes Monoflop (1) aufweist, dem ein Verstärker (11) mit nachgeschaltetem Komparator (3) parallel geschaltet ist, sowie ein an diese Parallelzweige angeschaltetes Flip-Flop (2) zum Setzen eines Meßtores (4), das in geöffnetem Zustand Zählimpulse eines Generators (5) auf einen rücksetzbaren Zähler (7) mit nachgeschalteter Anzeige (12) gibt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Zähler (7) ein Teiler (6) für die Teilung durch N (N = eine ganze Zahl <1) vorgeschaltet und ein Zähler (8) für die Zählung der Anzahl der Einzelmessungen parallel geschaltet ist, der beim Zählerstand N ein Überlaufsignal für das Einschreiben des aktuellen Standes des Zählers (7) in die Anzeige (12) abgibt.

6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 und 5, gekennzeichnet durch Monoflops (9, 10), die ein Kontrollsignal für das Zurücksetzen der Zähler (7, 8) erzeugen.