DE4232254A1 - Ultraschallprüfverfahren - Google Patents

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 piezo­ keramischen Wandlermaterialien wegen ihres Resonanzverhal­ tens, unterschiedliche Amplituden-Übertragungseigenschaften 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 dem zu dieser Frequenz gehörenden Wert der Übertragungs­ funktion der Übertragungsstrecke korreliert, daß bei Frequenzen mit niedrigem zugehörigen Wert der Übertra­ gungsfunktion die Geschwindigkeit der Frequenzänderung kleiner ist als bei Frequenzen mit hohem zugehörigen Wert der Übertragungsfunktion.

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.

Insbesondere ist zur Ansteuerung des oder der Ultra­ schallwandler ein rechteckförmiges Chirp-Signal vorge­ sehen.

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 Ausfüh­ rungsbeispiele 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. In

Fig. 7 ist der zeitliche Verlauf einer vorteilhaften Variante eines zu Ansteuerung eines Ultraschallwandlers verwendeten Chirp-Signals in einem Diagramm dargestellt.

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 f_min am unteren Bereich des Übertragungsbereiches wird die Frequenz des Chirp-Signals stetig bis zu einer Frequenz f_max am oberen Ende des Übertragungsbereiches innerhalb eines Zeitfensters T_Chirp, 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.

Ein gemäß der Erfindung zur Ansteuerung des Ultraschall­ wandlers 2 geeignetes Chirp-Signal x(t) (Fig. 1) hat den in Fig. 4a dargestellten charakteristischen zeitlichen sinusförmigen Verlauf. Dieser Darstellung ist auch zu entnehmen, daß die Amplitude des Chirp-Signals x(t) kon­ stant ist. Im in Fig. 4b dargestellten, vom Ultraschall­ wandler 2 empfangenen und am Eingang des Pulskompressions­ filters 10 anstehenden Chirp-Signal y(t) erkennt man die entsprechend der Übertragungsfunktion H(f) an den Rändern des Übertragungsbereiches bei niedrigen und hohen Fre­ quenzen erfolgte Dämpfung. Das vom Impulskompressionsfil­ ter 10 erzeugte 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 Auf­ lösung 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)×H(f)×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 Pulskompressionsfilters 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 nichtlinearen 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.

Entsprechend Fig. 7 kann anstelle eines sinusförmigen Chirp-Signals x(t) auch ein rechteckförmiges Chirp-Signal x′(t) zur Ansteuerung des Ultraschallwandlers vorgesehen sein. Ein solches rechteckförmiges Chirp-Signal x′(t) kann mathematisch aus einem geeigneten sinusförmigen Chirp-Sig­ nal x(t) durch die Beziehung

x′(t)=sgn(x(t))

abgeleitet werden, wobei die Funktion sgn durch

definiert ist. Ein solches Signal kann praktisch durch zwei Amplituden, nämlich +1 und -1, oder durch ent­ sprechende Verschiebung und Skalierung durch +1 und 0, d. h. mit einer Auflösung von einem Bit realisiert werden. Dadurch wird die zum Aufbau des zur Ansteuerung erfor­ derlichen Signalgenerators 6 (Fig. 1) erforderliche Hardware vereinfacht.

Zur Ansteuerung des Ultraschallwandlers mit einem sinus­ förmigen Chirp-Signal x(t), dessen zeitlicher Verlauf in einem digitalen Speicherbaustein, beispielsweise einem EPROM, gespeichert ist, muß diesem Speicher ein D/A-Wandler und ein Leistungsverstärker nachgeschaltet sein. Bei einem rechteckförmigen Chirp-Signal x′(t) ist anstelle eines D/A-Wandlers und eines Leistungsverstärkers nur ein Hochspannungsschalter erforderlich, der unmittel­ bar vom digitalen Speicherbaustein angesteuert wird.

Neben einer Vereinfachung der Hardware ist mit einem rechteckförmigen Chirp-Signal x′(t) bei gleicher Signal­ dauer und gleicher Amplitude außerdem eine Erhöhung der Übertragungsleistung um den Faktor 2 verbunden.

Claims (5)

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 dem 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. Ultraschallprüfverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß zur Ansteuerung des Ultraschallwandlers (2) ein rechteckförmiges Chirp-Signal (x′(t)) vorgesehen ist.

5. 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)).