DE69127742T2

DE69127742T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Ultraschallfehlerprüfung

Info

Publication number: DE69127742T2
Application number: DE69127742T
Authority: DE
Inventors: Hidekazu Horigome; Katsuyuki Nishifuji; Hideya Tanabe
Original assignee: Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1990-11-14
Filing date: 1991-11-12
Publication date: 1998-04-09
Anticipated expiration: 2011-11-13
Also published as: DE69127742D1; CA2055285A1; EP0485960B1; EP0485960A2; US5309765A; JPH04348275A; EP0485960A3

Description

Die Erfindung betrifft ein Ultraschall-Fehlerdetektierverfahren zum Detektieren eines in einem Prüfobjekt vorhandenen Fehlers unter Verwendung einer Ultraschallsonde sowie eine Ultraschall-Fehlerdetektiervorrichtung, die dieses Verfahren anwendet, und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung der Ultraschall-Fehlerdetektierung, wobei eine Spitzenfrequenz und eine Frequenzbandbreite eines Echosignals, das von der an dem Objekt angebrachten Ultraschallsonde erhalten wird, jeweils unabhängig gesteuert werden.
In einer Ultraschall-Fehlerdetektiervorrichtung zum Detektieren von Fehlern oder Defekten, die an der Oberfläche oder im Inneren eines Stahlblechs vorhanden sind, unter Anwendung einer Ultraschallwelle wird ein Impulssignal, das durch Nutzung von Entladungs-charakteristiken oder dergleichen von z. B. einem Ladeschaltkreis erhalten ist, an eine Ultraschallsonde geführt, die an der Oberfläche des Objekts angebracht ist. Eine Ultraschallwelle wird von der Ultraschallsonde zum Inneren des Gegenstands ausgesendet. Wenn ein Defekt vorliegt, wird bei der Fortpflanzung der Ultraschallwelle im Inneren des Objekts eine reflektierte Welle erzeugt. Die Ultraschallsonde detektiert diese reflektierte Welle und gibt sie als ein Echosignal ab. Der Pegel des von der Ultraschallsonde abgegebenen Echosignals entspricht der Größe und Gestalt des Defekts. Daher werden die Anwesenheit/Abwesenheit des Defekts sowie seine Größe und Gestalt in Abhängigkeit von diesem Signalpegel detektiert.
Selbst wenn bei dieser herkömmlichen Vorrichtung Fehlerdetektoren dieselben technischen Spezifikationen haben und Ultraschallsonden verwendet werden, die dieselben technischen Spezifikationen haben, und selbst wenn derselbe Defekt von diesen Komponenten detektiert wird, kann bei Anwesenheit einer Vielzahl von Kanälen nicht erwartet werden, daß unter den Kanälen dieselben Resultate erhalten werden, und zwar aus dem folgenden Grund. Die Eigenschaften eines Objekts sind nicht immer gleichförmig, und Ultraschallsonden haben nicht notwendigerweise identische Charakteristiken. Aus diesen Gründen treten Unterschiede zwischen den Charakteristiken der Kanäle auf. Infolgedessen sind die Frequenzcharakteristiken wie etwa die Betriebsfrequenzen und die Frequenzbandbreiten der jeweiligen Kanäle auf unterschiedliche Werte festgelegt. Eine breitbandige Sonde bietet die Vorteile, daß die Echobreite eines empfangenen Echosignals scharf ist und daß ein Nutz- /Rauschsignal-Verhältnis, das mit einem Dämpfungsmaterial erhalten wird, größer als das einer schmalbandigen Sonde ist. Da die elektrische Impedanz dieser breitbandigen Sonde jedoch niedrig ist, haben die Unterschiede in den Charakteristiken einen großen Einfluß auf Ausgangswellenformen. Änderungen der Frequenzcharakteristiken wie etwa von Betriebsfrequenzcharakteristiken und Frequenzbandbreiten treten daher zwischen den jeweiligen Sonden auf. Bei einer Multikanal-Ultraschallvorrichtung zur Fehlerdetektierung, die eine Sondenanordnung hat, die aus einer Vielzahl von Ultraschallsonden besteht, ist es nicht möglich, eine gleichmäßige Fehlerdetektierempfindlichkeit des Objekts insgesamt zu erreichen.
Wenn außerdem eine Ultraschallsonde durch eine neue ersetzt wird, gibt es Unterschiede hinsichtlich der Charakteristiken unter den Ultraschallsonden. Aus diesem Grund muß eine Justierung in Abhängigkeit von diesen Unterschieden der Charakteristiken und der Verschlechterung über die Zeit in jeder Ultraschallsonde durchgeführt werden. Die Justiervorgänge sind zeitraubend und umständlich und erfordern viel Arbeitszeit.
Ein Ultraschall-Fehlerdetektierverfahren, das als CS-Verfahren (gesteuerte Signaltechnik) bekannt ist, wird vorgeschlagen, wobei einer Ultraschallsonde kein Impulssignal zugeführt wird. Nach diesem CS-Verfahren, das in Fig. 11a gezeigt ist, wird ein Tonimpulsfolge-Signal, das durch Extraktion einer Trägerwelle, die eine vorgegebene Trägerfrequenz fc hat, in jedem vorgegebenen Zeitintervall erhalten ist, an die Ultraschallsonde angelegt. Einige Techniken des CS-Verfahrens sind in den ungeprüften veröffentlichten JP-Patentanmeldungen 62-180267 und 62-54160 sowie der geprüften veröffentlichten JP-Patentanmeldung 59-10501 enthalten.
Das Tonimpulsfolge-Signal hat die in Fig. 11b gezeigten Frequenzcharakteristiken. Frequenzkomponenten a in einem schmalen Bandbe reich, der auf eine Spitzenfrequenz fp zentriert ist, sind anwesend, wie Fig. 12 zeigt. Zu Vergleichszwecken ist eine Kennlinie, die durch eine Strichlinie dargestellt ist, eine Frequenzkennlinie, die erhalten wird, wenn ein Impulssignal angelegt wird. Wenn die Trägerfrequenz fc des an die Ultraschallsonde anzulegenden Impulssignals sich ändert, ändert sich die Spitzenfrequenz fp des Echosignals dementsprechend. Wenn beispielsweise die Trägerfrequenz fc des Impulssignals in einer Reihenfolge 3, 3,5, 4, 4,5, 5, 5,5, 6, 6,5 und 7 MHz geändert wird, ändert sich die Spitzenfrequenz fp des Echosignals entsprechend in einer Reihenfolge von 3, 3,5, 4, 4,5, 5, 5,5, 6, 6,5 und 7 MHz, wie in Fig. 13 zu sehen ist.
Ein Periodenzählwert N, der die Anzahl von Wellen darstellt, die in dem Impulssignal enthalten sind, wird erhöht, und das Verhältnis der Komponenten der Trägerfrequenz fc zu anderen Frequenzkomponenten des Impulssignals wird erhöht. Infolgedessen wird die Bandbreite des Impulssignals enger, und es wird eine steile Frequenzkennlinie erhalten. Fig. 14A zeigt eine Impulssignalwellenform für N = 1. Fig. 14B zeigt eine Frequenzkennlinie des in Fig. 14A gezeigten Impulssignals. Die Fig. 15A und 15B zeigen eine Signalwellenform und Frequenzkennlinie für N = 5. Die Fig. 16A und 16B zeigen eine Signalwellenform und Frequenzkennlinie für N = 10.
Somit ergibt sich, daß die Bandbreite des Impulssignals mit einer Zunahme des Periodenzählwerts N des Impulssignals verringert wird. Wenn der Periodenzählwert N geändert wird, kann die Frequenzbandbreite W der an das Objekt angelegten Wellen auf einen beliebigen Wert geändert werden.
In der Praxis muß eine gleichförmige Fehlerdetektierempfindlichkeit im gesamten Detektierbereich eines Objekts bei einer Multikanal-Ultraschall-Fehlerdetektiervorrichtung, die eine Anordnung aus einer Vielzahl von Ultraschallsonden hat, realisiert werden. Gleichzeitig müssen Justiervorgänge auf der Basis der Unterschiede der Charakteristiken bei Auswechslung einer Sonde und der Verschlechterung über die Zeit in jeder Sonde ausgeführt werden. Es ist sehr schwierig, die Steuerung so vorzusehen, daß die Fre quenzcharakteristiken wie etwa die Spitzenfrequenz fp und die Frequenzbandbreite W des Echosignals, das von der Ultraschallsonde abgegeben wird, den vorstehenden Bedingungen genügen.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Parameter der Echosignal-Frequenzcharakteristiken in Übereinstimmung mit Fehlerdetektierbedingungen, die durch physische Bedingungen wie etwa das Material eines zu prüfenden Objekts bestimmt sind, unabhängig zu steuern und schließlich ein Verfahren und eine Vorrichtung an zugeben, um eine Ultraschall-Fehlerdetektierung auszuführen, wobei eine Empfindlichkeitsjustierung zwischen den Kanälen ausgeführt werden kann und die Fehlerdetektiergenauigkeit selbst in einer Multikanal-Ultraschall-Fehlerdetektiervorrichtung stark verbessert werden kann.
Zur Lösung der vorstehenden Aufgabe wird bei einem Verfahren zur Ultraschall-Fehlerdetektierung gemäß der Erfindung ein Impulssignal an eine Ultaschallsonde abgegeben, die an dem Objekt angebracht ist, um zu bewirken, daß eine Ultraschallwelle auf das Objekt trifft, und eine reflektierte Welle der Ultraschallwelle, die auf das Objekt trifft, wird von der Ultraschallsonde empfangen, so daß ein Echosignal erhalten wird. Eine Trägerfrequenz des Impulssignals ist so vorgegeben, daß die Spitzenfrequenz des Echosignals eine vorgegebene Frequenz hat, und der Periodenzählwert des Impulssignals wird so festgelegt, daß die Frequenzband breite des Echosignals eine vorgegebene Bandbreite ist. Ein in dem Objekt vorhandener Defekt wird in Abhängigkeit von dem Signalpegel des Echosignals, das von der Ultraschallsonde abgegeben wird, detektiert.
Versuche haben ergeben, daß auch dann, wenn die Trägerfrequenz des Impulssignals geändert wird, die Frequenzbandbreite des Echosignals nahezu unverändert bleibt. Gleichzeitig erfolgt nahezu keine Änderung der Spitzenfrequenz f des Echosignals, auch wenn der Periodenzählwert des Impulssignals geändert wird. Im Hinblick darauf wird die Spitzenfrequenz des Echosignals nur durch die Trägerfrequenz des Impulssignals gesteuert, und die Frequenzbandbreite des Echosignals wird nur durch den Periodenzählwert des Impulssignals gesteuert. Somit können die Spitzenfrequenz und die Frequenzbandbreite des Echosignals voneinander unabhängig gesteuert werden.
Zur Lösung der vorstehenden Aufgabe gemäß der Erfindung wird eine Ultraschall-Fehlerdetektiervorrichtung angegeben, die folgendes aufweist: eine Ultraschallwellen-Sendeeinheit zur Abgabe eines Impulssignals, das eine bestimmte Trägerfrequenz und einen bestimmten Periodenzählwert hat, eine Ultraschallsonde, die an einem zu prüfenden Objekt angebracht ist, um in Abhängigkeit von dem von der Ultraschallsendeeinheit eingeführten Impulssignal eine Ultraschallwelle an das Objekt abzugeben und bei Empfang einer reflektierten Welle der Ultraschallwelle ein Echosignal abzugeben, eine Ultraschallwellen-Empfangseinheit zum Empfangen des von der Ultraschallsonde abgegebenen Echosignals, eine Signalanalysiereinheit, um eine Spitzenfrequenz und eine Niederfrequenz Bandbreite des von der Ultraschallempfangseinheit empfangenen Echosignals zu detektieren, und eine Übertragungssteuereinheit, um die Trägerfrequenz und den Periodenzählwert des von der Ultraschallwellen-Sendeeinheit abgegebenen Impulssignals so zu bestimmen, daß die Spitzenfrequenz und die Frequenzbandbreite, die von der Signalanalysiereinheit detektiert werden, als eine optimale Spitzenfrequenz bzw. eine optimale Frequenzbandbreite vorgegeben werden.
Die Spitzenfrequenz und die Frequenzbandbreite des von der Ultraschallsonde abgegebenen Echosignals können auf eine optimale Spitzenfrequenz und eine optimale Frequenzbandbreite gesteuert werden, die beispielsweise durch das Material eines interessierenden Prüfobjekts bestimmt sind. Infolgedessen kann die Fehlerdetektierung für das Objekt unter optimalen Fehlerdetektierbedingungen durchgeführt werden.
Die Erfindung ergibt sich im einzelnen aus der nachstehenden genauen Beschreibung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen; in den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 ein Blockbild einer schematischen Anordnung einer Ultraschall-Fehlerdetektiervorrichtung, die ein Ultraschall-Fehlerdetektierverfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung anwendet;
Fig. 2A ein Impulsdiagramm, das ein Impulssignal in der Vorrichtung von Fig. 1 zeigt;
Fig. 2B ein Impulsdiagramm, das ein Echosignal in der Vorrichtung von Fig. 1 zeigt;
Fig. 2C ein Diagramm, das Frequenzkennlinien des Echosignals in der Vorrichtung von Fig. 1 zeigt;
Fig. 3 ein Flußdiagramm, das einen Betrieb der Ultraschall- Fehlerdetektiervorrichtung von Fig. 1 zeigt;
Fig. 4 ein Flußdiagramm, das einen Betrieb einer Ultraschall-Fehlerdetektiervorrichtung gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung zeigt;
Fig. 5A und 5B Diagramme, die jeweils eine Echosignalwellenform und eine Frequenzkennlinie zeigen, die nach einem herkömmlichen Verfahren gemessen sind;
Fig. 6A und 6B Diagramme, die jeweils eine Echosignalwellenform und eine Frequenzkennlinie zeigen, die nach dem Verfahren der Ausführungsform gemessen sind;
Fig. 7 ein Diagramm, das eine Echosignalwellenform zeigt, die einen Probendefekt und eine Frequenzkennlinie darstellt, die mit dem Verfahren der Ausführungsform gemessen sind;
Fig. 8 ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen der Trägerfrequenz und der Echofrequenz zeigt, die mit dem Verfahren der Ausführungsform gemessen sind;
Fig. 9A ein Diagramm der Echofrequenz und Echobandbreite als eine Funktion der Trägerfrequenz;
Fig. 9B ein Diagramm der Echofrequenz und Echobandbreite als eine Funktion des Periodenzählwerts;
Fig. 9C ein Diagramm der Echofrequenz und Echobandbreite als eine Funktion der Trägerfrequenz;
Fig. 9D ein Diagramm der Echofrequenz und Echobandbreite als eine Funktion des Periodenzählwerts;
Fig. 10A ein Diagramm der Echofrequenz und Echobandbreite als eine Funktion der Trägerf requenz;
Fig. 10B ein Diagramm der Echofrequenz und Echobandbreite als eine Funktion des Periodenzählwerts;
Fig. 10C ein Diagramm der Echofrequenz und Echobandbreite als eine Funktion der Trägerfrequenz;
Fig. 10D ein Diagramm der Echofrequenz und Echobandbreite als eine Funktion des Periodenzählwerts;
Fig. 11a ein Impulsdiagramm, das ein Tonimpulsfolge-Signal zeigt;
Fig. 11b ein Impulsdiagramm, das eine Frequenzkennlinie des Impulssignals von Fig. 11a zeigt;
Fig. 12 ein Diagramm, das Frequenzkennlinien von Echosignalen des Tonimpulsfolge-Signals und eines Impulssignals zeigt;
Fig. 13 ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen der Trägerfrequenz des Tonimpulsfolge-Signals und der Spitzenfrequenz des Echosignals zeigt;
Fig. 14A und 14B Diagramme, die eine Beziehung zwischen der Impulssignalwellenform und den Frequenzcharakteristiken zeigen, wenn der Periodenzählwert des Tonimpulsfolgesignals 1 ist;
Fig. 15A und 15B Diagramme, die eine Beziehung zwischen der Impulssignalwellenform und den Frequenzcharakteristiken zeigen, wenn der Periodenzählwert des Tonimpulsfolgesignals 5 ist; und
Fig. 16A und 16B Diagramme, die eine Beziehung zwischen der Impulssignalwellenform und den Frequenzcharakteristiken zeigen, wenn der Periodenzählwert des Tonimpulsfolge signals 10 ist.
Es folgt nun eine Beschreibung auf der Grundlage von Versuchsergebnissen, um zu zeigen, daß eine Spitzenfrequenz fp und eine Frequenzbandbreite W eines Echosignals, das von einer Ultraschallsonde abgegeben wird, voneinander unabhängig gesteuert werden können.
Wenn beispielsweise ein Tonimpulsfolgesignal a, das die Trägerfrequenz fc und den Periodenzählwert N hat, wie Fig. 2A zeigt, an eine Ultraschallsonde geführt wird, die an der Oberfläche eines Prüfobjekts angebracht ist, trifft eine Ultraschallwelle von der Ultraschallsonde auf das Objekt. Wenn in dem Objekt ein Defekt anwesend ist, wird diese Ultraschallwelle von diesem Defekt re flektiert, und eine reflektierte Welle trifft auf die Ultraschallsonde. Infolgedessen wird von der Ultraschallsonde ein Echosignal b abgegeben, das die in Fig. 2B gezeigte Wellenform hat.
Die Frequenz dieses Echosignals b wird analysiert, um eine Frequenzkennlinie c zu erhalten, die in Fig. 2C gezeigt ist. Die
Frequenz bei dem maximalen Signalpegel dieser Frequenzkennlinie c ist als die Spitzenfrequenz fp definiert. Frequenzen mit Pegeln, die 6 dB unter dem maximalen Signalpeegel der Frequenzkennlinie c liegen, sind als -6-dB niedrigere Frequenzen fH und fL definiert. Eine Breite an einer Position 6 dB unter dem maximalen Signalpegel der Frequenzkennlinie c ist als eine Frequenzbandbreite W (= fH - fL) definiert.
Die Fig. 9A bis 9D zeigen Versuchswerte, die Änderungen der charakteristischen Werte fp, fH, fL und W des von einer Ultraschallsonde A abgegebenen Echosignals b zeigen, wobei diese Werte erhalten werden, indem die Trägerfrequenz fc und der Periodenzählwert N des an die Ultraschallsonde A angelegten Impulssignals a voneinander unabhängig geändert werden.
Das Diagramm von Fig. 9A zeigt Änderungen der Spitzenfrequenz fp und der -6-dB niedrigeren Frequenzen fH und fL, wenn der Periodenzählwert N festgelegt ist und die Trägerf requenz fc innerhalb des Bereichs von 2 bis 4 MHz geändert wird. Fig. 9C ist ein Diagramm, das Änderungen der Frequenzbandbreite W zeigt, wenn der Periodenzählwert N festgelegt ist und die Trägerfrequenz fc in dem Bereich von 2 bis 4 MHz geändert wird.
Das Diagramm von Fig. 9B zeigt Anderungen der Spitzenfrequenz fp und der -6-dB niedrigeren Frequenzen fH und fL, wenn die Trägerfrequenz fc festgelegt ist und der Periodenzählwert N in dem Bereich von 1 bis 5 geändert wird. Das Diagramm von Fig. 9D zeigt Änderungen der Frequenzbandbreite W, wenn die Trägerfrequenz fc festgelegt ist und der Periodenzählwert N in dem Bereich von 1 bis 5 geändert wird.
Aus den Versuchsergebnissen gemäß den Fig. 9A bis 9D ist ersichtlich, daß selbst dann, wenn die Trägerfrequenz fc des Impulssignals a geändert wird, die Frequenzbandbreite W des Echosignals b nahezu unverändert bleibt. Auch wenn der Periodenzählwert N des
Impulssignals a geändert wird, bleibt die Spitzenfrequenz fp des Echosignals b nahezu unverändert. Das heißt also, die Spitzenfrequenz fp des Echosignals b wird nur durch die Trägerfrequenz fc des Impulssignals a geändert. Die Frequenzbandbreite W des Echosignals b wird nur durch den Periodenzählwert N des Impulssignals a geändert. Daher können die Spitzenfrequenz fp und die Frequenzbandbreite W des Echosignals b voneinander unabhängig gesteuert werden.
In der Ultraschallsonde A, die in dem Experiment der Fig. 9A bis 9D gezeigt ist, bleibt auch im Fall einer Änderung des Periodenzählwerts N die Spitzenfrequenz fp nahezu unverändert. Wenn die Frequenzbandbreite W auf eine Soll-Frequenzbandbreite eingestellt wird, nachdem die Spitzenfrequenz fp auf eine Soll-Frequenz eingestellt worden ist, können die Fehlerdetektierbedingungen für das Objekt in einem einzigen Vorgang vorgegeben werden.
Versuchsergebnisse, die unter Verwendung einer Ultraschallsonde B erhalten wurden, deren Spezifikationen von denen der Ultraschallsonde A der Fig. 9A bis 9D verschieden sind, sind in den Fig. 10A bis 10D gezeigt. Dabei zeigen die Fig. 10A bis 10D Änderungen der jeweiligen charakteristischen Werte fp, fH, fL und W eines Echosignals b, das von der Ultraschallsonde B abgegeben wird, wenn eine Trägerfrequenz fc und der Periodenzählwert N des Impulssignals a, das an die Ultraschallsonde B angelegt wird, voneinander unabhängig geändert werden. Es ist zu beachten, daß die Trägerfrequenz fc des Impulssignals a geringfügig höher als diejenige vorgegeben ist, die an die Ultraschallsonde A angelegt wird, und daß die übrigen Bedingungen die gleichen wie im Fall der Ultraschallsonde A sind.
Wie aus den Versuchsergebnissen der Fig. 10A bis 10D hervorgeht, werden die Spitzenfrequenz fp und die Frequenzbandbreite W des Echosignals b voneinander unabhängig gesteuert. Wenn gemäß den Fig. 10A bis 10D der Periodenzählwert N geändert wird, wird die Spitzenfrequenz fp geringfügig geändert, so daß eine Vielzahl von Justiervorgängen erforderlich ist, um Soll-Frequenzcharakteristiken zu erhalten. Da jedoch, wie Fig. 10B zeigt, der Grad der Anderung der Spitzenfrequenz fp sehr gering ist, braucht die Justierung höchstens ein paarmal wiederholt zu werden.
Wenn die Trägerfrequenz fc und der Periodenzählwert N des an die Ultraschallsonde angelegten Impulssignals a geändert werden, können die Spitzenfrequenz fp und die Frequenzbandbreite W des Echosignals b, das bei Detektierung eines Fehlers durch die Ultraschallsonde erhalten wird, voneinander unabhängig gesteuert werden. Die Frequenzcharakteristiken des Echosignals b können ohne weiteres an optimale Detektierbedingungen angepaßt werden, wodurch die Präzision der Fehlerdetektierung erheblich verbessert wird.
Es werden eine Technik zur Anpassung der Frequenzbandbreite W an eine optimale Frequenzbandbreite, die durch das Material eines Objekts bestimmt ist, nach Anpassung der Spitzenfrequenz fp des Echosignals b an eine optimale Frequenz, die durch das Material des Objekts bestimmt ist, sowie eine Technik zur Anpassung der Spitzenfrequenz an einen Optimalwert nach Anpassung der Frequenzbandbreite an einen Optimalwert angegeben. Bei beiden Techniken können die Soll-Spitzenfrequenz und -Frequenzbandbreite erhalten werden.
Die Steuerung der Spitzenfrequenz kann unabhängig von der Steuerung der Frequenzbandbreite durchgeführt werden.
Fig. 1 ist ein Blockbild, das eine schematische Anordnung einer Ultraschall-Fehlerdetektiervorrichtung zeigt, die ein Fehlerdetektierverfahren gemäß dieser Ausführungsform anwendet.
Ein Objekt 1 ist ein Stahlblech oder dergleichen. Beispielsweise ist eine vertikale Ultraschallsonde 2 an der Oberfläche des Objekts 1 angebracht. Das Tonimpulssignal a, das die Trägerfrequenz fc und den Periodenzählwert N hat, wie Fig. 2A zeigt, wird von einer Ultraschallsendeeinheit 3 an die Ultraschallsonde 2 geführt. Wenn ein Defekt oder Riß in dem Objekt 1 vorhanden ist, wird von der Ultraschallsonde 2 das in Fig. 28 gezeigte Echosignal b an eine Ultraschallempfangseinheit 4 abgegeben.
Eine Übertragungssteuereinheit 5 weist beispielsweise einen Mikrocomputer auf. Die Übertragungssteuereinheit 5 steuert die Trägerfrequenz fc und den Periodenzählwert N des von der Ultraschallsendeeinheit 3 abgegebenen Impulssignals a in Abhängigkeit von Fehlerdetektierbedingungen, die in einem Fehlerdetektierbedingungs-Speicher 6 gespeichert sind. Eine Signalanalysiereinheit 7 hat beispielsweise eine FFT-Funktion (schnelle Fourier-Transformations-Funktion) und analysiert die Frequenz des von der Ultraschallempfangseinheit 4 empfangenen Echosignals b und führt das Analyseergebnis zu der Übertragungssteuereinheit 5 zurück. Die Signalanalysiereinheit 7 stellt außerdem die Anwesenheit/Abwesenheit eines Defekts in Abhängigkeit von dem Pegel des Eingangs-Echosignals b fest. Außerdem kann die Signalanalysiereinheit 7 auch die Größe eines Defekts errechnen und auf einer Displayeinheit 8 anzeigen.
In dem Fehlerdetektierbedingungs-Speicher 6 ist in Einheiten von Materialien der Objekte 1 die optimale Spitzenfrequenz fp und die optimale Frequenzbandbreite W des Echosignals b gespeichert, das von der an dem Objekt 1 angebrachten Ultraschallsonde 2 abgegeben wird. Verschiedene Bedingungen wie etwa zulässige Bereiche Δfm und ΔWm der Spitzenfrequenz fp und der Frequenzbandbreite W sind ebenfalls in dem Fehlerdetektierbedingungs-Speicher 6 gespeichert.
Wenn von einer Tastatur (nicht gezeigt) ein Fehlerdetektierbedin gungs-Befehl in die Übertragungssteuereinheit 5 eingegeben wird, werden die Trägerfrequenz fc und der Periodenzählwert N des Impulssignals a nach Maßgabe eines Flußdiagramms von Fig. 3 vorgegeben.
Wenn diese Ultraschall-Fehlerdetektiervorrichtung eine Multika nalvorrichtung ist, wird davon ausgegangen, daß eine große Zahl von Sonden 2 an einem Objekt 1 angeordnet ist. Spitzenfrequenzen fp und Frequenzbandbreiten W von Echosignalen b, die von sämtlichen Kanälen mit Ausnahme eines Referenzkanals erhalten werden, müssen mit denen des Referenzkanals in Übereinstimmung gebracht werden.
In diesem Fall übermittelt in Schritt P (Programmschritt) 1 die Übertragungssteuereinheit 5 einen Sendebefehl an die Ultraschallsendeeinheit 3 des Referenzkanals, um die Ultraschallsendeeinheit 3 zu veranlassen, ein Impulssignal a abzugeben, das eine Trägerfrequenz fc und einen Periodenzählwert N hat, die aktuell in der Ultraschallsendeeinheit 3 vorgegeben sind. Die Ultraschallempfangseinheit 4 empfängt das Echosignal h, das von der Ultraschallsonde 2 abgegeben wird. Die Signalanalysiereinheit 7 führt eine Frequenzanalyse des empfangenen Echosignals aus, um die Spitzenfrequenz fp, die -6-dB niedrigeren Frequenzen fH und fL und die Frequenzbandbreite W des eingegangenen Echosignals zu erhalten. Die Übertragungssteuereinheit 5 speichert diese Werte, d. h. fp, fH, fL und W als Fehlerdetektierbedingungen in dem Fehlerdetektierbedingungs-Speicher 6. Der Ablauf geht dann zu Schritt P3 weiter.
Wenn die Echosignale b sämtlicher Kanäle mit Ausnahme des Referenzkanals an spezifische Fehlerdetektierbedingungen anzupassen sind, liest die Übertragungssteuereinheit 5 Frequenzcharakteristiken wie die optimale Spitzenfrequenz fp und die optimale Frequenzbandbreite W aus, die in dem Fehlerdetektierbedingungs-Speicher 6 gespeichert (P2) sind.
In Schritt P3 liest die Übertragungssteuereinheit 5 die zulässigen Bereiche Δfm und ΔWm aus dem Fehlerdetektierbedingungs-Speicher 6 aus und setzt sie z. B. in einen Pufferspeicher, wodurch Parametersteuerschritte Δf und ΔN vorgegeben werden. Die Trägerfrequenz fc und der Periodenzählwert N der Ultraschallsendeeinheit 3 werden auf Anfangswerte gesetzt.
In Schritt P4 veranlaßt die Übertragungssteuereinheit 5 die Ultraschallsendeeinheit 3, das Impulssignal a, das die vorgegebene Trägerfrequenz fc und den vorgegebenen Periodenzählwert N hat, an die Ultraschallsonde 2 abzugeben. Die Ultraschallempfangseinheit 4 empfängt ein Echosignal b von der Ultraschallsonde 2. Die Signalanalysiereinheit 7 führt die Frequenzanalyse des Echosignals b aus, um die Spitzenfrequenz fp und die Frequenzbandbreite W zu erhalten. In Schritt PS vergleicht die Übertragungssteuereinheit 5 die Spitzenfrequenz fp des Echosignals b mit der Spitzenfrequenz fp als einer der voreingestellten Fehlerdetektierbedingungen. Wenn die Differenz zwischen der gemessenen Spitzenfre quenz fp und der Spitzenfrequenz fp als der Fehlerdetektierbedingung nicht in den zulässigen Bereich Afm in Schritt P6 fällt, wird die Trägerfrequenz fc des Impulssignals a um die kleine Frequenz Δf in Schritt P7 geändert. Der Ablauf springt dann zu Schritt P4 zurück, und dann wird ein weiteres Impulssignal a ab gegeben.
Wenn die Differenz zwischen der gemessenen Spitzenfrequenz fp und der gemessenen Spitzenfrequenz fp in Schritt P6 in den zulässigen Bereich Δfm fällt, vergleicht die Übertragungssteuereinheit 5 die Bandbreite W der gemessenen Frequenz mit der Frequenzbandbreite W als einer der Fehlerdetektierbedingungen in Schritt P8. Wenn die Differenz zwischen der gemessenen Frequenzbandbreite W und der Frequenzbandbreite W als einer der Fehlerdetektierbedingungen nicht in den zulässigen Bereich ΔWm in Schritt P9 fällt, wird der Periodenzählwert N des Impulssignals a um den kleinen Periodenzählwert ΔN in Schritt P10 geändert. Der Ablauf springt dann zu Schritt P4 zurück, und ein weiteres Impulssignal a wird abgegeben.
Wenn in Schritt P9 die Differenz zwischen der gemessenen Frequenzbandbreite W und der Frequenzbandbreite W als der Fehlerdetektierbedingung in den zulässigen Bereich ΔWm fällt, ist die Fehlerdetektierbedingungs-Einrichtungsverarbeitung für diesen Kanal beendet.
Wie Fig. 4 zeigt, kann die Einrichtungsverarbeitung der Frequenzbandbreite W vor der Einrichtungsverarbeitung der Spitzenfrequenz fp durchgeführt werden.
Die Auswirkungen der Ultraschall-Fehlerdetektiervorrichtung mit der vorstehenden Anordnung werden unter Bezugnahme auf die Fig. 5A bis 6B beschrieben.
Die Fig. 5A und 5B sind Diagramme, die Signalwellenformen und Frequenzcharakteristiken von Echosignalen b zeigen, die durch Fehlerdetektierung unter Verwendung von zwei Ultraschallsonden C und D mit identischen technischen Spezifikationen erhalten werden. Die Ultraschallsonden C und D werden so angesteuert, daß das gleiche Impulssignal wie bei der herkömmlichen Vorrichtung an das Objekt 1, das einen Referenzdefekt oder -riß hat, angelegt wird. Wie die Fig. 5A und 5B zeigen, tritt auch dann, wenn diese Ultraschallsonden identische Spezifikationen haben, ein Unterschied zwischen den resultierenden Echosignalen b auf. Spitzenfrequenzen fp der Echosignale sind voneinander um ca. 0,5 MHz verschieden, und ihre Frequenzbandbreiten W sind ebenfalls geringfügig voneinander verschieden.
Die Fig. 6A und 6B sind Diagramme, die Signalwellenformen und Frequenzcharakteristiken von Echosignalen k zeigen, die erhalten werden, wenn die Fehlerdetektierung unter Verwendung der obigen beiden Ultraschallsonden C und D durchgeführt wird. Die Trägerfrequenzen fc und die Periodenzählwerte N der Impulssignale a werden durch die Steuerung vorgegeben, wie in Fig. 3 gezeigt ist, so daß die Spitzenfrequenzen fp und die Frequenzbandbreiten W der resultierenden Echosignale b miteinander komzident sind. Aus den Fig. 6A und 6B ist ersichtlich, daß auch dann, wenn zwischen den Ultraschallsonden C und D ein Unterschied der Charakteristik vorhanden ist, die Fehlerdetektierbedingungen, die durch die Spitzenfrequenzen fp und die Frequenzbandbreiten W der abgegebenen Echosignale b repräsentiert sind, miteinander komzident sein können. Das heißt also, Fehler bei der Defektdetektierung zwischen den Kanälen in der Multikanal-Ultraschall-Fehlerdetektiervorrichtung können minimiert werden.
Die Fig. 7 und 8 sind Diagramme, die erhalten werden, wenn die Fehlerdetektierung durchgeführt wird, nachdem zwei verschiedene seitliche Prüflöcher A und B gebildet worden sind. Ein Objekt 1 weist ein stark dämpfendes Material auf, bei dem die Korrelation zwischen dem Durchmesser des seitlichen Lochs und dem Signalpegel eines Echosignals verlorengeht. Das Ultraschall-Fehlerdetektierverf ahren der obigen Ausführungsform wird bei diesem Objekt 1 angewandt. Wie Fig. 7 zeigt, kann ein Echosignal b, das bei Detektierung des seitlichen Lochs erhalten wird, eine einzige Frequenz aufrechterhalten.
Dabei wird eine optimale Spitzenfrequenz fp des Echosignale so vorgegeben, daß sie ein Optimalwert ist, der durch das Material dieses Objekts 1 bestimmt ist, und seine Frequenzbandbreite W ist schmal vorgegeben, wodurch Rauschechos minimiert werden, die durch die Struktur des Objekts 1 verursacht und in dem Echosignal b enthalten sind. Das Nutz-/Rauschsignal-Verhältnis des Echosignals b kann stark vergrößert werden, und die Präzision der Fehlerdetektierung kann erheblich verbessert werden.
Häufig gibt es ein Objekt, das Fehlerdetektiercharakteristiken hat, die es erschweren, einen Defekt zu detektieren, und zwar aufgrund eines kleinen Nutz-/Rauschsignal-Verhältnisses, das durch hohe Dämpfung (verursacht durch Ultraschallstreuung) und Bohrechos verursacht ist. Dieses Objekt hat eine kleine Frequenzdifferenz zwischen der Spitzenfrequenz fp des Echosignals, das von einer an einem Defekt reflektierten Welle abgegeben wird, und der Spitzenfrequenz des Echosignals von Konstruktionsrauschen wie etwa Bohrechos, die durch die Zusammensetzung der Materialstruktur des Objekts 1 verursacht sind.
Das Tonimpulssignal b wird genutzt, um die Trägerfrequenz fc des Impulssignals b zu justieren, um die Spitzenfrequenz fp des bei Detektierung eines Defekts erhaltenen Echosignals gegenüber der Spitzenfrequenz des Echosignals des strukturbedingten Rauschens geringfügig zu verschieben. Gleichzeitig wird der Periodenzählwert N so justiert, daß er einen geeigneten Wert hat, und die Frequenzbandbreite W des Echosignals b wird so eingestellt, daß sie minimiert ist. Prinzipiell kann somit das Nutz-/Rauschsignal Verhältnis des Echosignals h, das von der Ultraschallsonde 2 abgegeben wird, gegenüber der herkömmlichen Technik, die das Impulssignal verwendet, wesentlich verbessert werden.
Fig. 8 zeigt, daß auch dann, wenn die Trägerfrequenz fc des Impulssignals a geändert wird, die Spitzenfrequenz fp und die -6-dB niedrigeren Frequenzen fH und fL dieselbe Tendenz wie die Versuchsergebnisse haben, die in den Fig. 9A und 10A gezeigt sind. Auch wenn das Objekt ein stark dämpfendes Material aufweist, können die Spitzenfrequenz fp und die Frequenzbandbreite W des Echosignals b voneinander unabhängig gesteuert werden. Daher ist die Steuerung nicht kompliziert, und die Operationen zum Einrichten der Ultraschall-Fehlerdetektierbedingungen können vereinfacht werden.
Die vorliegende Erfindung wird bei dem Verfahren und der Vorrichtung zur Durchführung der Ultraschall-Fehlerdetektierung angewandt, um einen Defekt oder Riß zu erfassen, der in einem Objekt vorhanden ist. Das Prinzip der Erfindung ist aber in einem weiten Bereich der Fehlerdetektierung anwendbar. Beispielsweise ist die Erfindung bei einem Ultraschallprüfgerät, einer Ultraschall-Defektdetektiereinheit und einer Ultraschall-Diagnosevorrichtung anwendbar, die sämtlich ein Impulsechoverfahren anwenden.
Wenn die Justierung und die gleichförmige Steuerung im Frequenzbereich von an Objekte angelegten Übertragungsimpulsen durchgeführt sind, ist die vorliegende Erfindung auch auf den nachstehenden Gebieten anwendbar:
(a) Defektdiskriminierung durch Frequenzoptimierung für eine Grenzflächenbeschädigung verschiedener Arten von Klebematerialien und Überzugsmaterialien, oder Schadensauswertung in einem Frequenzbereich; und
(b) Anwendung bei der Bewertung von Materialeigenschaften mittels Analyse des Impulsfortpflanzungsverhaltens unter Berücksichtigung von Informationen des Frequenzbereichs.

Claims

1. Verfahren zum Detektieren von Fehlern unter Verwendung einer Ultraschallwelle, das die folgenden Schritte aufweist:

a) Abgeben eines Impulssignals an eine Ultraschallsonde (2) von einer Ultraschallsendeeinrichtung (3), wobei die Trägerfrequenz (fc) und der Periodenzählwert (N) des Impulssignals (a) von einer Übertragungssteuer einrichtung (5) vorgegeben werden;

b) Veranlassen der Ultraschallsonde (2), die an einem zu prüfenden Objekt anbringbar ist, eine Ultraschallwelle an das Objekt abzugeben und ein reflek tiertes Echosignal zu empfangen;

c) Feststellen einer Spitzenfrequenz (fp) und einer Frequenzbandbreite (W) des Echosignals in einer Signalanalysiereinrichtung (7);

dadurch gekennzeichnet, daß

d) vor Schritt (a) eine optimale Spitzenfreguenz und eine optimale Frequenzbandbreite für jedes Material der zu prüfenden Objekte in einer Fehlerdetektierbedingung-Speichereinrichtung (6) gespeichert worden sind; und gekennzeichnet durch

e) Vergleichen der festgestellten Spitzenfreguenz (fp) und Frequenzbandbreite (W) des Echosignals von Schritt (c) mit der optimalen Spitzenfrequenz und der optimalen Frequenzbandbreite für ein gegebenes Material, die in der Fehlerdetektierbedingung-Speichereinrichtung (6) gespeichert sind;

f) Justieren der Trägerfrequenz (fc) und des Periodenzählwerts (N) des Impulssignals durch die Übertragungssteuereinrichtung (5) derart, daß die festgestellte Spitzenfrequenz (fp) und Frequenzbandbreite (W) des Echosignals mit der gespeicherten optimalen Spitzenfrequenz und der gespeicherten optimalen Frequenzbandbreite des gegebenen Materials übereinstimmen; und

g) Detektieren eines in dem Objekt vorhandenen Fehlers in Abhängigkeit von dem Echosignal, das von der Ultraschallsonde abgegeben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Justieren des Periodenzählwerts (N) des Impulssignals nach dem Justieren der Trägerfrequenz des Impulssignals durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Justieren der Trägerfrequenz des Impulssignals nach dem Justieren des Periodenzählwerts des Impulssignals durchgeführt wird

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Justieren des Periodenzählwerts des Impulssignals und das Justieren der Trägerfrequenz des Impulssignals jeweils wenigstens einmal durchgeführt werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei wenigstens zwei Ultraschallsonden (C, D) vorgesehen sind und der Schritt (f) für jede Ultraschallsonde (C, D) gesondert durchgeführt wird, so daß die Echosignale (b) von den Sonden (C, D) miteinander übereinstimmen.

6. Vorrichtung zum Detektieren von Fehlern unter Verwendung einer Ultraschallwelle, wobei die Vorrichtung aufweist: eine Ultraschallsendeeinrichtung (3) zur Abgabe eines Impulssignals (A),

eine Übertragungssteuereinrichtung (5) zum Steuern einer Trägerfrequenz (fc) und eines Periodenzählwerts (N) des Impulssignals,

eine Ultraschallsonde (2), die an einem zu prüfenden Objekt anbringbar ist, zur Abgabe einer Ultraschallwelle an das Öbjekt in Abhängigkeit von dem Impulssignal (a) und zum Empfang eines von dem Objekt reflektierten Echosignals,

eine Ultraschallempfangseinrichtung (4) zum Empfang des von der Ultraschallsonde (2) abgegebenen Echosignals,

eine Signalanalysiereinrichtung (7) zum Feststellen einer Spitzenfrequenz (fp) und einer Frequenzbandbreite (W) des Echosignals,

dadurch gekennzeichnet, daß

eine Fehlerdetektierbedingung-Speichereinrichtung (6) vorgesehen ist, um eine optimale Spitzenfrequenz und eine optimale Frequenzbandbreite für jedes Material der zu prüfenden Objekte zu speichern;

die Übertragungssteuereinrichtung (5) ausgebildet ist, um die festgestellte Spitzenfrequenz (fp) und Frequenzbandbreite (W) des Echosignals mit der optimalen Spitzenfrequenz und der optimalen Frequenzbandbreite für ein gegebenes Material, die in der Fehlerdetektierbe dingung-Speichereinrichtung (6) gespeichert sind, zu vergleichen;

die Übertragungssteuereinrichtung (5) ferner ausgebildet ist, um die Trägerfrequenz (fc) und den Periodenzählwert (N) des von der Ultraschallsendeeinrichtung (3) abgegebenen Impulssignals so zu justieren, daß die festgestellte Spitzenfrequenz (fp) und Frequenzbandbreite (W) des Echosignals mit der gespeicherten optimalen Spitzenfrequenz und der gespeicherten optimalen Frequenzbandbreite übereinstimmen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Fehlerdetektierbedingung-Speichereinrichtung (6) zulässige Bereiche der optimalen Spitzenfrequenz und der optimalen Frequenzbandbreite speichert und

die Übertragungssteuereinrichtung (5) die Trägerfrequenz (fc) und den Periodenzählwert (N) des Impulssignals justiert, wenn die von der Signalanalysiereinrichtung (7) festgestellte Spitzenfrequenz (fp) und Frequenzbandbreite (W) von ihren zulässigen Bereichen abweichen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Signalanalysiereinrichtung (7) eine schnelle Fourier-Transformationsschaltung zum Durchführen der Frequenzanalyse des Echosignals aufweist und die detektierte Spitzenfrequenz (fp) und Frequenzbandbreite (w) des Echosignals unter Verwendung der schnellen Fourier-Transformationsschaltung errechnet.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6, die ferner eine Displayeinrichtung (8) zum Anzeigen des Echosignals und der festgestellten Spitzenfrequenz und Frequenzbandbreite des Echosignals aufweist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Signalanalysiereinrichtung (7) einen Signalpegel des von der Ultraschallempfangseinrichtung (4) empfangenen Echosignals feststellt, um festzustellen, ob Fehler in dem Objekt vorhanden sind oder nicht, und eine Größe der Fehler errechnet, wobei die Displayeinrichtung (8) die Fehlergröße anzeigt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei wenigstens zwei Sonden (C, D) vorgesehen sind und die Übertragungssteuereinrichtung (5) ausgebildet ist, um die Trägerfrequenz (fc) und den Periodenzählwert (N) für die separaten Sonden (C, D) so zu justieren, daß die Echosignale (b) von den Sonden miteinander übereinstimmen.