DE4224035A1 - Ultraschallprüfverfahren - Google Patents
UltraschallprüfverfahrenInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Ultraschallprüfverfah
ren sowie eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Prüfverfahren mit Ultraschall liegen in der Regel Messun
gen der Laufzeit von Ultraschallsignalen zugrunde. So hat
beispielsweise bei Puls-Echo-Verfahren mit Ultraschall das
Ultraschallsignal im zu prüfenden Material eine bestimmte
Strecke zwischen Wandler und Reflexionsstelle und als Echo
signal von dieser Reflexionsstelle zum Wandler zurück zu
durchlaufen. Durch Ultraschallabsorption und -streuung im
Material sowie durch die Aufweitung des Schallstrahls wird
das Ultraschallsignal auf dieser Strecke gedämpft. Da die
Empfangselektronik wegen begrenzter Empfindlichkeit und
wegen stets vorhandener Störsignale, insbesondere Rau
schen, nicht beliebig kleine Echosignale detektieren und
weiter verstärken kann, ist die Reichweite für derartige
Puls-Echo-Prüfverfahren begrenzt.
Die Genauigkeit der Fehler-Lokalisation, d. h. die Genauig
keit der Messung der Entfernung des Fehlers vom Ultraschall
wandler hängt direkt von der zeitlichen Länge des Ultra
schallsignals ab. Mit kurzen Pulsen ist diese Lokalisations
genauigkeit, d. h. die axiale Auflösung, größer als bei
langen Signalen. Kurze Pulse repräsentieren aber stets
eine große spektrale Bandbreite. Dies bedeutet, daß Meß
anordnungen zur Ultraschallabbildung nach dem Puls-Echo-
Prinzip eine hohe Bandbreite aufweisen müssen, damit kurze
Sende- und Empfangsimpulse übertragen werden können und
auf diese Weise eine große axiale Auflösung realisiert
werden kann.
Neben einer großen axialen Auflösung ist auch eine hohe
Reichweite des Puls-Echo-Prüfsystems erwünscht. Um die
Reichweite eines Puls-Echo-Prüfsystem zu erhöhen, ist es
bekannt, die Amplitude und damit die Leistung der Sende
impulse zu erhöhen. Dieser Maßnahme sind aber dadurch
Grenzen gesetzt, daß der Ultraschallwandler nicht beliebig
hohe Sendespannungen verkraften kann, da seine Spannungs
festigkeit begrenzt ist.
Eine andere bekannte Möglichkeit besteht nun darin, nicht
die Leistung und damit die Amplitude, sondern bei unter
veränderter Amplitude durch Erhöhung der Signaldauer den
Energieinhalt des Signals zu erhöhen. Ultraschallsignale
mit größerer zeitlicher Dauer erfüllen dann die Forderung
nach hoher axialer oder zeitlicher Auflösung, wenn sie wie
kurze Impulse über eine große spektrale Bandbreite verfügen.
Ultraschallsignale mit solchen Eigenschaften werden als
Chirp-Signale bezeichnet. Bei einem Chirp-Signal handelt
es sich um einen längeren sinusförmigen Wellenzug, dessen
momentane Frequenz vom Beginn bis zum Ende des Signals
kontinuierlich innerhalb einer bestimmten Bandbreite, z. B.
von einer unteren bis zu einer oberen Grenzfrequenz ver
ändert, d. h. moduliert wird. Die momentane Frequenz des
Ultraschallsignals steigt dabei linear mit der Zeit an.
Dies wird auch als lineare Frequenzgewichtung bezeichnet.
Ein in dieser Weise moduliertes Ultraschallsignal hat die
besondere Eigenschaft, daß es sich mit einem geeigneten
Filter, einem sogenannten Pulskompressionsfilter, in ein
Empfangssignal hoher momentaner Amplitude, d. h. hoher Lei
stung, und kurzer zeitlicher Dauer umwandeln läßt. Diese
Umwandlung eines längeren Wellenzugs in ein kurzes im
pulsförmiges Signal wird als Kompression bezeichnet. Ein
stark gedämpftes Chirp-Signal kann nun auf der Empfangs
seite wegen der größeren Signaldauer bei Gegenwart von
Rauschsignalen empfangen und komprimiert werden. Durch die
Kompression wird die Signalamplitude gegenüber dem Rausch
pegel angehoben. Der daraus resultierende kurze Empfangs
impuls ermöglicht eine hohe zeitliche Auflösung.
Dieses unter der Bezeichnung Pulskompression bekannte Ver
fahren, das im wesentlichen aus der Radar-Technik abgelei
tet ist, ist allerdings bei Prüfverfahren mit Ultraschall
signalen nur eingeschränkt tauglich. Die Ursache hierfür
ist, daß Ultraschallwandler eine begrenzte Bandbreite und
innerhalb dieser Bandbreite, beispielsweise bei piezoke
ramischen Wandlermaterialien wegen ihres Resonanzverhal
tens, unterschiedliche Amplituden-Übertragungseigenschaf
ten aufweisen. Dabei werden in der Regel Frequenzanteile
in der Mitte des Übertragungsspektrums besser, d. h. mit
größerer Amplitude übertragen als Frequenzanteile am Rand
des Übertragungsspektrums. Die beispielsweise aus der
Radar-Technik bekannte Maßnahme, auf der Senderseite die
schwächer übertragenen Randfrequenzen mit höherer Ampli
tude einzuspeisen, führt jedoch in der Ultraschalltechnik
nicht zu dem gewünschten Erfolg, da eine Erhöhung der
Signalamplituden nicht ohne weiteres möglich ist.
Die im Zusammenhang mit Puls-Echo-Verfahren erläuterten
Überlegungen gelten in analoger Weise auch für die Durch
schallungstechnik. Bei der Durchschallung großer Volumina
ist ebenfalls eine große Reichweite erforderlich. Ist eine
Laufzeitmessung erforderlich, z. B. für eine Charakteri
sierung des Werkstoffs, so wird ein möglichst breitbandi
ges Signal benötigt. Dies gilt insbesondere für die Durch
schallungstomographie, welche sowohl die Schallschwächung
als auch die Laufzeit als Eingangsgrößen verarbeiten kann.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfah
ren und eine Einrichtung zur Ultraschallprüfung anzugeben,
bei denen eine hohe zeitliche Auflösung mit einer großen
Reichweite einhergeht.
Die genannten Aufgaben werden jeweils gelöst mit den
Merkmalen des Patentanspruches 1 bzw. 4. Durch die An
wendung einer nichtlinearen Frequenzgewichtung bei der
zeitlichen Frequenzmodulation des Chirp-Signals ist es
möglich, das bei unterschiedlichen Frequenzen unterschied
liche Amplituden-Übertragungsverhältnis der Übertragungs
strecke ohne Amplitudenmodulation des Chirp-Signals zu
kompensieren.
Das Verfahren gemäß der Erfindung ist stets dann von Vor
teil, wenn dem Ultraschallprüfverfahren eine Messung der
Laufzeit von Ultraschallsignalen zugrundeliegt. Dies ist
sowohl bei Puls-Echo-Verfahren als auch bei Transmissions
verfahren, bei denen die Schallschwächung und die Laufzeit
als Meßgrößen verarbeitet werden, der Fall.
Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, daß die
in einem bestimmten Frequenzbereich übertragene Schall
energie nicht nur von der Amplitude, sondern wesentlich
auch von der auf diesen Frequenzbereich fallenden Sende
dauer des Chirp-Signals, d. h. von der Geschwindigkeit der
Frequenzänderung bei der Modulation abhängt.
Dabei ist insbesondere der zeitliche Verlauf der momenta
nen Frequenz des frequenzmodulierten Chirp Signals an die
Übertragungsfunktion einer vorgegebenen Übertragungsstrecke
angepaßt.
Vorzugsweise ist die zeitliche Änderung der momentanen
Frequenz des frequenzmodulierten Chirp-Signals derart mit
den zu dieser Frequenz gehörenden Wert der Übertragungs
funktion der Übertragungsstrecke korreliert.
Da in den Frequenzbereichen der Übertragungsbandbreite des
Puls-Echo-Prüfsystems, in denen die Spektralanteile nur
mit geringer Amplitude übertragen werden, langsamer modu
liert wird als in den Teilen des Spektrums des Übertra
gungsbereiches, die mit hoher Amplitude übertragen werden,
werden die Signalanteile, deren Frequenz den Randbereichen
des Übertragungsspektrums zugeordnet ist, entsprechend
länger und erhalten damit eine größere Energie als die im
gesamten Übertragungssystem schwächer gedämpften Spektral
anteile. Die unterschiedliche Dämpfung bei verschiedene
Frequenzen innerhalb der Bandbreite der Übertragungs
strecke gleicht dieses Ungleichgewicht bei der Übertra
gung wieder aus. Mit der nichtlinearen Frequenzgewichtung
in den Sende-Chirp-Signalen kann damit der besondere
Frequenzgang in Ultraschallübertragungsstrecken kompen
siert und das Ziel einer Erhöhung der Reichweite bei vol
ler Nutzung der Bandbreite und Optimierung der axialen
Auflösung erreicht werden.
Eine vorteilhafte Einrichtung zur Durchführung eines Ultra
schallprüfverfahrens gemäß der Erfindung enthält einen
Signalgenerator zur Ansteuerung eines Ultraschallwandlers
mit einem frequenzmodulierten Chirp-Signal, dessen momen
tane Frequenz nichtlinear von der Zeit abhängt, und ein
Pulskompressionsfilter zum Umwandeln des von diesem oder
einem anderen Ultraschallwandler empfangenen Chirp-Signals
in einen kurzen Empfangsimpuls.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Ausführungs
beispiele der Zeichnung verwiesen, in deren
Fig. 1 eine Einrichtung zur Ultraschallprüfung gemäß der
Erfindung schematisch veranschaulicht ist. In
Fig. 2 ist in einem Diagramm die Übertragungsfunktion des
Gesamtsystems gegen die Frequenz aufgetragen.
Fig. 3 zeigt in einer graphischen Darstellung den zeitli
chen Verlauf der momentanen Frequenz eines gemäß der Er
findung modulierten Chirp-Signals. In
Fig. 4a bis 4c ist das zur Ansteuerung eines Ultra
schallwandlers verwendete Chirp-Signal, das vom Ultra
schallwandler empfangene gedämpfte Chirp-Signal bzw. das
komprimierte Chirp-Signal jeweils gegen die Zeit aufge
tragen.
Fig. 5 und 6 zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltun
gen von Einrichtungen zur Ultraschallprüfung gemäß der Er
findung.
Gemäß Fig. 1 enthält eine Meßanordnung zur Ultraschall
prüfung nach dem Puls-Echo-Prinzip einen Ultraschallwand
ler 2, der Ultraschallsignale emittiert, die an einem
Reflektor 4, beispielsweise einem Fehler in einem Prüf
ling, reflektiert werden und erneut vom Ultraschallwandler
2 empfangen werden. Die Ansteuerung des Ultraschallwand
lers 2 erfolgt mittels eines Signalgenerators 6, der ein
frequenzmoduliertes Chirp-Signal x(t) an den Ultraschall
wandler 2 weiterleitet. Die empfangenen Echo-Signale
werden in elektrische Signale umgewandelt und über eine
Sende/Empfangsweiche 8 einer elektronischen Auswerteein
heit 10 zugeführt. Mit y(t) ist das vom Ultraschallwand
ler 2 empfangene und in ein elektrisches Signal umgewan
delte gedämpfte Chirp-Signal bezeichnet. Dieses
Chirp-Signal y(t) wird in einem Pulskompressionsfilter 10
in ein pulsförmiges Chirp-Signal z(t) umgewandelt, das als
Grundlage für die die Laufzeitmessung und somit für die
Fehlerortung dient.
Anstelle der Ausführungsform gemäß Fig. 1, bei der ein
einziger Ultraschallwandler sowohl als Sendewandler als
auch als Empfangswandler dient, können auch getrennte
Sende- und Empfangswandler vorgesehen sein.
In Fig. 2 ist die Amplituden-Übertragungsfunktion H(f)
des Gesamtsystems gegen die Frequenz aufgetragen. Unter
Gesamtsystem ist dabei die gesamte Übertragungsstrecke vom
Ausgang des Signalgenerators 6 über den Ultraschallwand
ler 2 in das Medium zum Reflektor 4, zurück zum Ultraschall
wandler 2 und zum Eingang des Pulskompressionsfilters 10
zu verstehen. Der glockenförmige Verlauf der Übertragungs
funktion H(f) ist charakteristisch für Ultraschallabbil
dungssysteme mit piezoelektrischen Wandlern, beispielswei
se piezokeramischen Wandlern oder Wandlern aus PVDF.
Fig. 3 zeigt einen an die Übertragungsfunktion H(f) ange
paßten zeitlichen Verlauf der momentanen Frequenz f(t) des
vom Signalgenerator 6 (Fig. 1) bereitgestellten frequenz
modulierten Chirp-Signals. Ausgehend von einer Frequenz
fmin am unteren Bereich des Übertragungsbereiches wird die
Frequenz des Chirp-Signals stetig bis zu einer Frequenz
fmax am oberen Ende des Übertragungsbereiches innerhalb
eines Zeitfensters TChirp, die der Gesamtzeit des
Chirp-Signales entspricht, erhöht. Die momentane Frequenz
f wächst dabei nichtlinear mit der Zeit an. In Frequenzbe
reichen, die zu niedrigen Beträgen der Übertragungsfunk
tion H(f) gehören, ist die Geschwindigkeit der Frequenz
änderung, d. h. die erste Ableitung df(t)/dt, niedriger
als in den Frequenzbereichen, in denen die Übertragungs
funktion H(f) groß ist.
Das gemäß der Erfindung zur Ansteuerung des Ultraschall
wandlers 2 verwendete Chirp-Signal x(t) (Fig. 1) hat den
in Fig. 4a dargestellten charakteristischen zeitlichen
Verlauf. Dieser Darstellung ist auch zu entnehmen, daß die
Amplitude des Chirp-Signals x(t) konstant ist. Im in
Fig. 4b dargestellten, vom Ultraschallwandler 2 empfan
genen und am Eingang des Pulskompressionsfilters 10 an
stehenden Chirp-Signal y(t) erkennt man die entsprechend
der Übertragungsfunktion H(f) an den Rändern des Über
tragungsbereiches bei niedrigen und hohen Frequenzen er
folgte Dämpfung. Das vom Impulskompressionsfilter 10 er
zeugte komprimierte Chirp-Signal z(t) ist in Fig. 4c
veranschaulicht und zeigt einen kurzen und hohen Impuls,
mit dem in nachgeschalteten Auswerteeinrichtungen eine
hohe zeitliche und damit hohe räumliche axiale Auflösung
ohne Reichweitenverlust möglich ist.
Eine mögliche Vorgehensweise bei der Ermittlung eines ge
eigneten Chirp-Signals x(t) bei gegebener Übertragungs
funktion H(f) und bei Vorgabe einer gewünschten Form für
das am Ausgang der Übertragungsstrecke anstehende kompri
mierte Chirp-Signal z(t) geht davon aus, daß sich dessen
Fouriertransformierte Z(f) als das Produkt aus der Fourier
transformierten x(f) des Chirp-Signals x(t), der Übertra
gungsfunktion H(f) und der Übertragungsfunktion F(f) des
Pulskompressionsfilters ausdrücken läßt:
Z(f) = X(f) x H(f) x F(f).
Die Fouriertransformierte X(f) und somit auch das zugehö
rige Chirp-Signal x(t) können dann für Prüfsysteme mit be
kannter Übertragungsfunktion H(f) und bekannter Übertra
gungsfunktion F(f) des Pulskompresssionsfilters für vorge
gebene Signalformen des komprimierten Chirp-Signals z(t)
rechnerisch zumindest approximativ bestimmt werden.
Gemäß Fig. 5 enthält eine Einrichtung zur Ultraschallprü
fung nach der Durchschalltechnik einen Ultraschallwandler
2a als Sender und einen weiteren Ultraschallwandler 2b als
Empfänger. Der Ultraschallwandler 2a wird ebenso wie im
Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 mit einem nicht linearen
Chirp-Signal x(t) angesteuert.
Fig. 6 zeigt eine weitere vorteilhafte Ausführungsform
eines entsprechend dem Verfahren gemäß der Erfindung ar
beitenden Puls-Echo-Prüfsystems. Im Unterschied zum Aus
führungsbeispiel gemäß Fig. 1 sind anstelle eines einzi
gen Ultraschallwandlers räumlich getrennte Ultraschallwand
ler 2a und 2b vorgesehen, von denen einer als Sender und
der andere als Empfänger der am Reflektor 4 reflektierten
Echosignale vorgesehen ist.
Claims (4)
1. Ultraschallprüfverfahren, bei dem zur Ansteuerung eines
in einer Übertragungsstrecke angeordneten Ultraschallwand
lers (2) ein frequenzmoduliertes Chirp-Signal (x(t)) vor
gesehen ist, dessen momentane Frequenz (f) nichtlinear mit
der Zeit (t) moduliert wird.
2. Ultraschallprüfverfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der
zeitliche Verlauf (f(t)) der momentanen Frequenz (f) des
frequenzmodulierten Chirp-Signals (x(t)) an die Übertra
gungsfunktion (H(f)) der vorgegebenen Übertragungsstrecke
angepaßt ist.
3. Ultraschallprüfverfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die
zeitliche Änderung der momentanen Frequenz (f) des fre
quenzmodulierten Chirp-Signals (x(t)) derart mit den zu
dieser Frequenz (f) gehörenden Wert der Übertragungsfunk
tion (H(f)) der Übertragungsstrecke korreliert ist, daß
bei Frequenzen (f) mit niedrigem zugehörigen Wert der
Übertragungsfunktion (H(f)) die Geschwindigkeit der
Frequenzänderung kleiner ist als bei Frequenzen (f) mit
hohem zugehörigen Wert der Übertragungsfunktion (H(f)).
4. Einrichtung zur Ultraschallprüfung mit einem Signalge
nerator (6) zur Ansteuerung eines Ultraschallwandlers (2)
mit einem frequenzmodulierten Chirp-Signal (x(t)), dessen
momentane Frequenz (f) nichtlinear von der Zeit abhängt,
und einem Pulskompressionsfilter (10) zum Umwandeln des
von diesem oder einem anderen Ultraschallwandler empfange
nen Chirp-Signals (y(t)) in einen kurzen Empfangsimpuls
(z(t)).
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