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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Kontakt-Ultraschallwandler
mit vielen Elementen.
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Ihr
Anwendungsgebiet betrifft insbesondere die Medizin und die zerstörungsfreie
Untersuchung von mechanischen Teilen, vor allem von Werkstücken mit
einer komplexen Form oder einem ungleichmäßigen Oberflächenzustand,
zum Beispiel aufgrund einer Schleifbearbeitung.
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Stand der
Technik
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Auf
zahlreichen industriellen Gebieten und insbesondere im Falle von
Kernkraftwerken spielen Kontakt-Ultraschallwandler bei der Inspektion
der Anlagen eine bedeutende Rolle.
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Diese
Technik besteht darin, die Ultraschallwandler im direkten Kontakt
auf einem zu untersuchenden Teil zu verschieben. Für jede seiner
Positionen emittiert der Wandler Ultraschallimpulse und zeichnet
die durch die Struktur reflektierten Echos und eventuell die Fehler
des Teils auf.
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Jedoch
machen zahlreiche geometrische Aspekte die Anwendung von Ultraschall
schwierig: begrenzte Zugänglichkeit
(insbesondere in den Verzweigungen), variable Oberflächenzustände, Profil- bzw.
Formveränderungen.
Die bei diesen Kontrollen benutzten Ultraschallwandler sind klassische
Wandler, die keine Optimierung der Untersuchung ermöglichen.
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Je
nach Zone kann man zum Beispiel Empfindlichkeitsschwankungen beobachten,
verbunden mit einem schlechten Kontakt zwischen dem Wandler und
dem kontrollierten Teil, oder eine Lokalisierungsungenauigkeit aufgrund
einer Desorientierung bzw. schlechten Ausrichtung des gegen das
Teil gedrückten
Wandlers, oder eine partielle Erfassung einer Schweißnaht, wenn
der Wandler durch die Form der Oberfläche blockiert wird.
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Bei
den an Teilen mit komplexer Konfiguration durchgeführten Kontrollen
gibt es zahlreiche Schwierigkeiten. Sie zeigen die Leistungsgrenze
der klassischen Kontakt-Ultraschallwandler:
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1) Veränderung der Dicke der Kopplungsschicht
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Beim
Bestreichen einer Zone, die einen ungleichmäßigen Oberflächenzustand
oder Formveränderungen
aufweist, ist der Kontakt nicht optimal. Die zwischen der Oberfläche der
untersuchten Probe und der emittierenden Oberfläche des Wandlers befindliche
Schicht hat folglich eine variable Dicke. Die Verzögerung bei
der Durchquerung dieser Schicht ist infolgedessen an verschiedenen
Punkten der Oberfläche
des Wandlers unterschiedlich.
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Außerdem treten
in diese Schicht zwischen den verschiedenen reflektierten Wellen
komplexe Interferenzphänomene
auf. Daraus resultiert eine Verschlechterung des Ultraschallbündels, das
sich durch einen Empfindlichkeitsverlust der Kontrolle ausdrückt. Die
Fähigkeit
des Wandlers, eventuelle Fehler zu detektieren, ist also begrenzt.
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2) Desorientierungen des
Wandlers
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Im
Falle der Kontrolle einer Probe, die Profil- bzw. Formveränderungen
aufweist, variiert die Ausrichtung des sich auf der Probe abstützenden
Wandlers während
der Kontrolle. Die Richtung der Ausbreitung der Ultraschallwelle
in der Probe kann folglich nicht beherrscht werden, da sie sich
im Laufe der Verschiebung des Wandlers längs des Profils verändert.
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Bei
einer manuell durchgeführten
Kontrolle kann die durch den Operator getätigte Verschiebung nicht vollkommen
geradlinig sein, was wieder eine Desorientierung des übertragenen
Ultraschallbündel verursacht.
Die Information bezüglich
der Lokalisierung des Fehlers in der Probe geht dann verloren, da die
Ausbreitungsrichtung des Bündels
in dieser Probe unbekannt ist.
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3) Begrenzte Zugänglichkeit
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In
bestimmten Fällen
verbietet die Form eines zu kontrollierenden Teils die Verschiebung
des Wandlers längs
dieses Teils. Die zu kontrollierende Zone kann nur teilweise erfasst
werden.
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Es
werden nun die bekannten Lösungen
dieser Probleme untersucht.
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Die
Beherrschung des Ultraschallbündels
erhält
man, indem man das übertragene
Bündel
in dem untersuchten Teil fokussiert, mit einer festgelegten Fokussiertiefe
und Ausrichtung.
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Das
Prinzip der Fokussierung besteht darin, Verzögerungen bzw. Nacheilungen
an der emittierenden Oberfläche
so anzuwenden, dass alle Beiträge den
gewünschten
Fokalpunkt in Phase erreichen.
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Im
Falle der monolithischen Wandler bzw. Einblockwandler erhält man die
Verteilung der Nacheilungen physisch, indem man eine auf der Emissionsoberfläche ausgebildete
Phasenverschiebungslinse anwendet. Ein solches System ist also starr
und nicht geeignet für
den Fall, wo die Oberfläche
des Teils Formveränderungen
aufweist.
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Eine
dynamische Formung des Ultraschallbündels erfordert die Benutzung
von Wandlern mit vielen Elementen oder Multielemente-Wandlern. Die Nacheilungen
werden jedem Element des Wandlers elektronisch zugeteilt, was ermöglicht,
die Charakteristika des durch ein einziges Element erzeugten Ultraschallbündels zu
modifizieren und folglich die Fokussierung des Bündels zu steuern und gleichzeitig die
Deformierungen zu kompensieren, die durch Oberflächen von variabler Form verursacht
werden.
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1) Multielemente-Eintauchwandler
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Die
Kontrolle eines Teils mit einem variablen Profil kann mit einem
Multielemente-Wandler
realisiert werden, der in eine Kopplungsflüssigkeit eingetaucht wird,
zum Beispiel in Wasser. In diesem Fall befindet sich der Wandler
nicht mehr in direktem Kontakt mit dem Teil, sondern ist von diesem
durch eine ausreichend dicke Wasserschicht getrennt, so dass die
Interferenzphänomene
zwischen den verschiedenen in der Kopplungsschicht (Wasserschicht
im vorliegenden Beispiel) sukzessiv reflektierten Ultraschallwellen
stark reduziert werden.
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Bei
der Kontrolle eines Teils mit komplexer Form erhält man die Fokussierung des
Ultraschallbündels,
indem man die Wege – im
Wasser und in dem Material, aus dem dieses Teil gemacht ist – der durch
die verschiedenen Elemente des Wandlers in Richtung Fokalpunkt emittierten
Ultraschallwellen berechnet, und dies für jede Position des Wandlers.
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Diese
Lösung
ist mit großen
Schwierigkeiten verbunden. Die Berechnung des angepassten Nacheilungsgesetzes
erfordert die genaue Kenntnis der Form des Teils sowie die Position
und die Ausrichtung des Wandlers in Bezug auf das Teil.
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Außerdem ist
diese Kontrollart auf dem industriellen Gebiet nicht immer anwendbar.
Das lokale Eintauchen des Teils kann eventuell schwer realisierbar
sein, insbesondere aus Gründen
der beschränkten
Zugänglichkeit.
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2) Multielemente-Kontaktwandler
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Es
werden auch Multielemente-Kontaktwandler verwendet. Jedoch kommt
es auch hier wieder zu Verschlechterungen des übertragenen Felds, verursacht
durch einen unangepassten Kontakt bei der Kontrolle von Teilen mit
einer komplexen Form.
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Zwar
wurden algorithmische Techniken entwickelt, um diese Verschlechterung
zu kompensieren, aber sie sind nicht sehr zufriedenstellend, denn sie
erfordern das Vorhandensein bekannter Fehler in dem Teil.
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Eine
kürzlich
entwickelte Lösung
besteht dann, einen Multielemente-Kontaktwandler zu verwenden, dessen
Emissionsfläche
verformbar ist, so dass sie sich genau an die Oberfläche des
Teils anpassen kann. In diesem Fall ist der Kontakt optimal und
die Kopplungsschicht zwischen der Emissionsfläche und dem kontrollierten
Teil bleibt ausreichend dünn
und homogen, so dass sie die Transmission der Welle nicht stört.
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Zu
nennen ist insbesondere der durch die Dokumente [1], [2] und [4]
(die – wie
auch die in der Folge genannten Dokumente – am Ende der vorliegenden
Beschreibung erwähnt
werden) bekannten Wandler, der steife bzw. starre piezoelektrische
Platten (aus Keramik) umfasst, eingebettet in ein elastisches Substrat,
das passiv ist gegenüber
Ultraschall.
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Jedoch
erfordert die Beherrschung des übertragenen
Ultraschallbündels
hinsichtlich einer Optimierung der Kennzeichnung der Fehler auch
hier wieder die genaue Kenntnis der Geometrie des kontrollierten
Teils sowie der Position und der Ausrichtung des Wandlers in Bezug
auf dieses Teil.
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JP 10042395 A beschreibt
einen Multielemente-Ultraschallwandler.
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Darstellung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, die Kontrollleistung durch
Ultraschall bei einem Objekt (mechanisches Teil oder Teil des menschlichen Körpers) von
komplexer Form zu verbessern hinsichtlich der Detektion, Lokalisierung
und Charakterisierung von Fehlern, welche dieses Objekt eventuell aufweisen
könnte.
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Die
Verbesserung dieser Leistung erfordert die Beherrschung des in das
Objekt übertragenen
Ultraschallbündels
bzw. -strahls, insbesondere bezüglich
der Fokussiertiefe und der Ausrichtung dieses Strahls.
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Genaugenommen
hat die vorliegende Erfindung einen Kontakt- Ultraschallwandler
mit vielen Elementen zum Gegenstand, wobei jedes Element Sender
und Empfänger
von Ultraschallwellen ist und der Wandler dazu bestimmt ist, in
Bezug auf ein zu untersuchendes Objekt verschoben zu werden, wobei
er eine verformbare Emissionsoberfläche aufweist, die zur Herstellung
des Kontakts mit der Oberfläche
des Objekts dient und von der aus die Ultraschallwellen in Richtung
Objekt abgestrahlt werden, wobei Steuereinrichtungen vorgesehen
sind, um Erregungsimpulse der Emissionselemente zu erzeugen, und
dieser Wandler dabei Einrichtungen zur Bestimmung der jeweiligen
Positionen der Ultraschallemissionselemente während der Verschiebung des Wandlers
in Bezug auf das Objekt umfasst,
und Verarbeitungseinrichtungen
vorgesehen sind, die dazu dienen:
- – aufgrund
der so bestimmten Positionen Verzögerungsgesetze festzulegen,
die den Emissionselementen ermöglichen,
ein fokussiertes Ultraschallbündel
zu erzeugen, dessen Charakteristika in Bezug auf das Objekt beherrscht
werden, und
- – diese
Verzögerungsgesetze
auf die Erregungsimpulse anzuwenden,
wobei die Ultraschallempfangselemente
dazu bestimmt sind, Signale zu liefern, welche die Realisierung
von das Objekt betreffenden Bildern ermöglicht,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Einrichtungen zur Bestimmung der jeweiligen Positionen
der Ultraschallemissionselemente in Bezug auf das Objekt umfassen: - – erste
Einrichtungen zur Bestimmung der jeweiligen Positionen der Emissionselemente
in Bezug auf einen unverformbaren Teil des Wandlers durch Messung
der Verformung der Emissionsoberfläche und zur Lieferung der repräsentativen Signale
der so bestimmten Positionen,
- – zweite
Einrichtungen zur Bestimmung der Position und Ausrichtung dieses
unverformbaren Teils des Wandlers in Bezug auf das Objekt und zur Lieferung
der repräsentativen
Signale der so bestimmten Position und Ausrichtung, und
- – dritte
Einrichtungen zur Lieferung der jeweiligen Positionen der Ultraschallemissionselemente
in Bezug auf das Objekt aufgrund der durch diese ersten und zweiten
Einrichtungen gelieferten Signale.
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Dank
der Erfindung ist die genaue Kenntnis der Form des Objekts nicht
mehr notwendig, da sie durch den Wandler vermessen wird. Dieser
Letztere ist also fähig,
autonom zu arbeiten, da er sich an die reale Form der durchgeführten Kontrolle
anpasst, durch Messung, Analyse und Kompensation der Verformung
der Emissionsoberfläche
dieses Wandlers.
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Man
kann diesen Wandler also als "intelligent" betrachten.
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Nach
einer ersten speziellen Realisierungsart des erfindungsgemäßen Wandlers
werden die vielen Elemente durch eine elastische piezoelektrische
Polymerschicht und ein Gitter aus aneinandergrenzenden Elektroden
gebildet, hergestellt durch metallische Abscheidung.
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Nach
einer zweiten speziellen Realisierungsart sind die vielen Elemente
starre piezoelektrische Elemente, eingebettet in ein elastisches
Substrat, das passiv ist gegenüber
Ultraschallwellen.
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Nach
einer dritten speziellen Realisierungsart sind die vielen Elemente
starr und mechanisch so miteinander verbunden, dass sie eine gelenkige Struktur
bilden.
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Vorzugsweise
umfassen die ersten Einrichtungen:
- – Einrichtungen
zum Messen des Abstands von der Rückseite jedes Elements einer
Teilgruppe der Ultraschallemissionselemente in Bezug auf unterschiedliche
und fixe Punkte des unverformbaren Teils des Wandlers, und
- – zusätzliche
Verarbeitungseinrichtungen zur Bestimmung der Position jedes Ultraschallemissionselements
aufgrund der so bestimmten Abstände.
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Nach
einer ersten speziellen Realisierungsart der Erfindung umfassen
die Abstandsmesseinrichtungen:
- – Ultraschall-Zusatzsender,
jeweils befestigt an den Rückseiten
der Elemente der Teilgruppe und dazu bestimmt, nacheinander Ultraschallwellen abzustrahlen,
- – Ultraschall-Zusatzempfänger, befestigt
an dem unverformbaren Teil und dazu bestimmt, die durch die Zusatzsender
abgestrahlten Ultraschallwellen zu detektieren, und
- – Einrichtungen
zum Messen des Abstands jedes Zusatzsenders in Bezug auf jeden Empfänger einer
die Ultraschallwellen mit der größten Intensität empfangenden
Gruppe von Zusatzempfängern.
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Nach
einer zweiten speziellen Realisierungsart der Erfindung umfassen
die Abstandsmesseinrichtungen:
- – eine Mikrowellenquelle,
- – eine
Vielzahl starr mit dem unverformbaren Teil verbundener Mikrowellenantennen,
gekoppelt mit dieser Quelle und dazu vorgesehen, nacheinander Mikrowellen
abzustrahlen und ebenfalls nacheinander Mikrowellen zu empfangen,
- – Mikrowellensonden,
jeweils befestigt an den Rückseiten
der Elemente der Teilgruppe und dazu vorgesehen, die durch die Antennen
abgestrahlten Mikrowellen zu streuen, wobei diese Sonden jeweils
mit nichtlinearen Vorrichtungen versehen sind, die dazu dienen,
die jeweils durch die Sonden gestreuten Mikrowellen mit unterschiedlichen Frequenzen
zu modulieren, und
- – Empfangseinrichtungen
der Mikrowellen, gekoppelt mit den Antennen und dazu bestimmt, den Abstand
von jeder Sonde zu jeder Antenne zu messen, durch Messung der Phase
der durch diese Sonde gestreuten und durch diese Antenne empfangenen
Mikrowellen, wobei diese Empfangseinrichtungen außerdem dazu
dienen, die Sonden durch synchrone Detektion mit den verschiedenen
Modulationsfrequenzen voneinander zu unterscheiden.
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Vorzugsweise
dienen die zusätzlichen
Verarbeitungseinrichtungen dazu, durch eine Interpolationsmethode
ein Profil zu bestimmen, das sich am besten für die Rückseiten der Elemente der Teilgruppe
eignet und um aufgrund dieses Profils die Position der Emissionsoberfläche jedes
Ultraschallemissionselements in Bezug auf den unverformbaren Teil
des Wandlers zu bestimmen.
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Die
zweiten Einrichtungen können
einen gelenkigen mechanischen Arm umfassen, der mit dem unverformbaren
Teil des Wandlers fest verbunden ist.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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Die
vorliegende Erfindung wird besser verständlich durch die nachfolgende,
nur erläuternde und
keinesfalls einschränkende
Beschreibung von Realisierungsbeispielen, bezogen auf die beigefügten Zeichnungen.
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Die 1 ist
eine schematische Ansicht der Emissionsoberfläche einer linearen Anordnung
von Ultraschall-Sender-Empfänger-Elementen,
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die 2 illustriert
schematisch ein Verformungsbeispiel der Anordnung der 1 auf
einem beliebigen Profil,
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die 3 illustriert
schematisch ein in der Erfindung anwendbares Triangulationsprinzip,
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die 4 ist
eine schematische Ansicht einer ersten speziellen Realisierungsart
des erfindungsgemäßen Wandlers
mit Hilfs-Ultraschallsensoren,
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die 5 zeigt
schematisch das Prinzip einer in der Erfindung anwendbaren Streumethode ("scattering method"),
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die 6 ist
eine schematische Darstellung einer zweiten speziellen Realisierungsart
des erfindungsgemäßen Wandlers
mit Mikrowellenantennen, und
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die 7 bis 9 zeigen
schematisch drei Schritte eines in der Erfindung anwendbaren Algorithmus.
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Detaillierte
Darstellung von speziellen Realisierungsarten
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Betrachtet
wird ein erfindungsgemäßer Ultraschallwandler.
Es handelt sich um einen Wandler mit vielen Elementen, dessen Emissionsoberfläche verformbar
ist.
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Diese
Emissionsoberfläche
ist dazu bestimmt, auf der Oberfläche eines zu untersuchenden Objekts
verschoben zu werden und dabei den Kontakt mit dieser Oberfläche des
Objekts aufrechtzuerhalten.
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Zudem
umfasst dieser Wandler erfindungsgemäß ein Messinstrumentarium der
Verformung der Emissionsoberfläche,
das die Position der piezoelektrischen Elemente in Bezug auf den
starren Teils des Wandlers liefert, und man misst die Position (3
Koordinaten) und die Ausrichtung (3 Komponenten) des starren Teils
des Wandlers in Bezug auf das Objekt.
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Aus
Gründen
der Klarheit wird in der Folge davon ausgegangen, dass der Ultraschallwandler
ein Wandler mit einer linearen Anordnung 2 (1)
ist, der sich nur in der Einfallebene der Ultraschallwellen verformt,
das heißt
der Ebene (x, z) der 1 und 2.
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Die
Emissionsoberfläche
dieses Wandlers ist nur in einer Richtung, nämlich Ly in der 1,
in unabhängige
Elemente 4 zerschnitten.
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Die
geometrischen Parameter einer solchen Anordnung 2 sind
in der 1 dargestellt, mit folgenden Bezeichnungen:
- Lx:
- Länge in der Einfallebene (x,
z)
- Ly:
- Breite in der zur
Einfallebene senkrechten Ebene (y, z)
- p:
- Abstand zwischen den
jeweiligen Mitten von zwei benachbarten Elementen
- dx:
- Breite eines Elements.
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Die
Werte dieser Parameter werden in Abhängigkeit von der Anwendung
und von akustischen Charakteristiken gewählt, nämlich der Mittenfrequenz und
der Bandbreite des Signals.
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Diese
lineare Wandler (das heißt
mit einer Dimension) ermöglicht,
die Verformungen der Oberfläche
in der Einfallebene (x, z) der 2 zu kompensieren.
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Dieses
Konzept kann bei der Realisierung von Ultraschallwandlern des Matrix-Typs
angewendet werden, bei denen die den beiden Richtungen x und y entsprechende
Emissionsoberfläche
die Beherrschung des Ultraschallstrahls in allen Richtungen des
dreidimensionalen Raums ermöglicht.
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In
Bezug auf die verformbare Art des Wandlers können mehrere Techniken angewendet
werden. Sie werden durch die Art des verwendeten piezoelektrischen
Materials definiert werden.
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So
kann die Emissionsoberfläche
durch eine elastische piezoelektrische Polymerschicht gebildet werden,
typisch aus PVDF, und aus einem Gitter aus aneinandergrenzenden
Elektroden, hergestellt durch Metallabscheidung (s. Artikel [1]
und [2]).
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In
den Dokumenten [1), (2) und [4] wird auch eine Technik beschrieben,
die darin besteht, eine Gruppe von starren piezoelektrischen Elementen
zu verwenden, eingegossen in ein gegenüber Ultraschall passives (das
heißt
inertes) Substrat.
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Schließlich besteht
eine durch die Firma Metalscan entwickelte Technik darin, eine Gruppe
von starren Ultraschallelementen zu verwenden, die mechanisch so
zusammengebaut werden, dass sie eine gelenkige Struktur bilden.
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Unabhängig von
der angewendeten Technik (vorhanden oder speziell entwickelt) muss
diese lokale Verformungen mit einem sehr kleinen Krümmungsradius
ermöglichen,
typisch 15 mm bis 20 mm, und auf Ultraschallwandler des Matrix-Typs übertragbar
sein.
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In
der 2 ist ein Realisierungsbeispiel einer solchen
linearen und verformbaren Multielemente-Anordnung dargestellt, nämlich diejenige,
die von der Firma Metalscan vorgeschlagen wird.
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Die
Trapezform und die Dimensionen der Ultraschall-Sender-Empfänger-Elemente 6 wurde
so entwickelt, dass sie den für
die erwünschte
Verformung notwendigen Ausschlag ermöglichen.
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In
der 2 trägt
das kontrollierte Objekt das Bezugszeichen 8. Jedes Element
hat eine aktive Seite 10 in Kontakt mit der Oberfläche des
Objekts und eine Rückseite 12, "Backing" genannt.
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Der
Wandler der 2 umfasst auch ein unverformbares
Gehäuse 14,
mit dem Multielemente-Anordnung 6 fest verbunden ist.
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Nach
der Erfindung integriert man ein Messsystem der Verformung der (alle
Aktivflächen
der Elemente umfassenden) Vorderseite des Wandlers in das Innere
dieses Wandlers. Diese Verformung erhält man mittels eines spezifischen
Instrumentariums, das in der Folge beschrieben wird.
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Im
Falle einer eindimensionalen Anordnung wird die Position eines Elements
durch seine beiden Koordinaten (x, z) bestimmt, gemessen in einem
dem Wandler zugeordneten Bezugssystem.
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Die
zur Erlangung der Positionskoordinaten jedes Elements in dem Bezugssystem
des Wandlers gewählte
Technik besteht in der Abtastung der verformbaren Oberfläche mittels
Messung der Koordinaten einer bestimmten Anzahl von Elementen.
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Anschließend wird
eine polynominale Interpolationstechnik angewandt, um die Koordinaten
aller Elemente zu bestimmen.
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Die
Messung, die diese Abtastung ermöglicht,
beruht auf dem Prinzip der Triangulation (3).
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In
dem vorliegenden Fall kann man die Koordinaten (x, z) eines Punkts
der Rückseite
eines Elements M durch die Messung von zwei Abständen d1, d2 erhalten, die es
von zwei unterschiedlichen Punkten m1, m2 von bekannten Koordinaten
(x1, z1), (x2, z2) trennen, wobei dieser Punkte m1 und m2 durch einen
Abstand d voneinander getrennt sind.
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Das
Instrumentarium wird folglich durch eine Gruppe von Sensoren gebildet,
die für
jedes zur Abtastung ausgewählte
Element Ei (2) ermöglichen, die Abstände Di1,
Di2 zu messen, die es jeweils von zwei bestens bekannten Punkten
m1, m2 auf dem Gehäuse 14 des
Wandlers trennen.
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Die
verwendeten Abstandssensoren müssen zahlreiche
Anforderungen erfüllen.
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Zunächst dient
die Messung der Abstände der
Definition der auf die Anordnung anzuwendenden Nacheilungsgesetze,
so dass die Auflösung
ausreichend fein ist. Man wählt
eine Auflösung
in der Größenordnung
von λ/10,
wo λ die
Wellenlänge
der Ultraschallwellen in dem untersuchten Material ist.
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Zum
Beispiel, wenn die Ultraschallfrequenz 2 MHz beträgt und das
Material Stahl ist, erhält
man eine longitudinale Wellenlänge
von 2,95 mm. Die erforderliche Auflösung hat folglich die Größenordnung von
ungefähr
0,3 mm.
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Außerdem muss
das komplette Instrumentarium in das Innere des Wandlers integriert
werden, so dass die elementare Abmessung der Sensoren sehr klein
sein muss, in der Größenordnung
1 mm.
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Schließlich muss
der Zugangsabstandsbereich dieser Sensoren mehrere Millimeter betragen.
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Zwei
diesen Kriterien entsprechende Sensorentechniken wurden ausgewählt.
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Die
erste Technik besteht dann, Ultraschallsender und -empfänger zu
verwenden (4).
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Ein
Hilfs-Ultraschallsender 16 ist auf der Rückseite
jedes für
die Abtastung ausgewählten
Elements befestigt, und Hilfs-Ultraschallempfänger 18, deren Positionen
man kennt, sind auf der Innenseite des Gehäuses 14 des Wandlers
diesen Sendern 16 gegenüber
befestigt.
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Jeder
Sender 16 ist dynamisch – in Abhängigkeit von der Amplitude
des empfangenen Signals – einem
Paar Empfänger 18 zugeordnet.
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Der
Abstand eines Senders 16 von jedem zugeordneten Empfänger 18 wird
durch Messung der Flugzeit der von diesem Sender 16 emittierten
Ultraschallwelle ermittelt.
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Die
Verwendung von verschiedenen Empfängern 18, das heißt von verschiedenen
Bezugspunkten auf dem Gehäuse,
ist aufgrund der Richtfähigkeit
bzw. Richtcharakteristik der Ultraschallwellen geboten.
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Die
akustischen Charakteristiken der Sender 16 und der Empfänger 18 (insbesondere
Mittenfrequenz, Bandbreite) werden so gewählt, dass man die erwünsche Auflösung erhält.
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Bei
dieser Technik müssen
die Sender 16 aus evidenten Gründen zur Vermeidung von Störungen nacheinander
senden. Die Positionen der verschiedenen jeweils Sendern 16 zugeordneten
Elementen erhält
man folglich nicht mehr simultan sondern sequentiell.
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Darauf
bezog sich die schon weiter oben erwähnte dynamische Zuordnung:
wenn ein Sender 16 aktiviert wird, werden die von ihm abgestrahlten
Ultraschallwellen von allem Empfängern 18 empfangen,
und man wählt
dann unter diesen Empfängern 18 die
beiden Empfänger
aus, welche die Ultraschallwellen der höchsten Intensität empfangen
haben, um diese beiden Empfänger
dem betreffenden Sender 16 zuzuordnen.
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Man
sieht in der 4 auch:
- – die Einrichtungen 20 zum
Steuern der Hilfssender 16, die ermöglichen, diese nacheinander
zu aktivieren,
- – die
Einrichtungen 22, welche die durch die Empfänger 18 gelieferten
Signale empfangen, selektieren zwei von diesen Empfängern, um
sie dynamisch jedem Sender 16 zuzuordnen, wie man gesehen
hat, und bestimmen den Abstand zwischen der Rückseite des diesen Empfänger tragenden Elements
in Bezug auf jeden dieser beiden zugeordneten Empfänger (daher
die Position der Rückseite
dieses Elements 6 in Bezug auf das Gehäuse 14), und
- – die
zusätzlichen
Verarbeitungseinrichtungen 24, die – wie man weiter unten sehen
wird – die
Position der aktiven Seite jedes Elements 6 in Bezug auf
das Gehäuse
bestimmen.
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Die
zweite Technik beruht auf dem Prinzip der modulierten Phase, angewendet
auf die Mikrowellenantennen.
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Diese
Technik, erklärt
in dem Dokument [3], auf das Bezug genommen wird, beruht auf dem
Prinzip der Streuung ("scattering").
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Sie
besteht darin, die Störung
des elektromagnetischen Feldes zu messen, induziert durch das Vorhandensein
einer Sonde 26 (5) in dem Feld einer Mikrowellenantenne 28.
Das durch die Sonde gestreute Signal wird folglich in Höhe bzw.
von dieser Antenne empfangen, wobei diese Antenne durch einen Zirkulator 34 mit
einer Mikrowellenquelle 30 und einem Mikrowellenempfänger 32 verbunden
ist.
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Ursprünglich zum
Messen des Strahlungsfeldes durch eine Mikrowellenantenne bestimmt,
ermöglicht
diese Technik durch Reziprozität
den Abstand zu messen, der die Sonde von der Antenne trennt. Wenn
das Strahlungsdiagramm der Antenne vollständig bekannt ist, ermöglicht nämlich das
Messen der Phase des am Ort der Sonde abgestrahlten Feldes den Abstand
zu erfahren, der diese Sonde von der Antenne trennt.
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Um
seine Detektion in Höhe
der Antenne zu verbessern, wird das durch die Sonde gestreute Signal
mit Hilfe eine nichtlinearen Vorrichtung 36 moduliert,
typisch eine Diode.
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Diese
Modulationstechnik ermöglicht
außerdem
die simultane Benutzung von verschiedenen, mit unterschiedlichen
Frequenzen modulierten Sonden, wobei die Unterscheidung in Höhe des Empfängers durch
eine einfache synchrone Detektion mit den verschiedenen Modulationsfrequenzen
erfolgt. So ist es möglich,
simultan den Abstand zu messen, der eine Gruppe von Sonden von einer
selben Antenne trennt.
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Die
Anwendung dieser Technik ist in der 6 schematisch
dargestellt und besteht folglich darin, auf der Rückseite
jedes zur Abtastung ausgewählten
Elements 6 eine Sonde 26 anzubringen, moduliert
durch eine nichtlineare Vorrichtung 36, und auf der Innenseite
des Gehäuses 14,
gegenüber
modulierten Sonden 26, zwei Mikrowellenantennen 42 und 44 vorzusehen,
deren Positionen auf dem Gehäuse bekannt
sind.
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Da
diese Antennen nicht simultan benutzt werden können, sind zwei Erfassungssequenzen notwendig,
um den Abstand zu erhalten, der jede Sonde von einem Element einer
selben Antenne trennt.
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Schließlich sei
festgestellt, dass die Art des gemessenen Abstands von der Konfiguration
des (typisch planen oder sphärischen)
Strahlungsdiagramms dieser Antenne abhängt, was verschiedene Instrumentierungs-Konfigurationen
zulässt.
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In
der 6 sieht man auch:
- – die Einrichtungen 46 zum
Steuern der nichtlinearen Vorrichtungen 36, die die Sonden
mit unterschiedlichen Frequenzen modulieren,
- – die
Mikrowellenquelle 48, die nacheinander die Antennen 42 und 44 aktiviert,
damit diese sukzessiv Mikrowellen abstrahlen, und die mit diesen
Antennen 42 und 44 jeweils durch zwei Zirkulatoren 50 und 52 verbunden
sind,
- – den
Mikrowellenempfänger 54,
der die Signale verarbeitet, die er über die Zirkulatoren 50 und 52 nacheinander
von den Antennen erhält,
um den Abstand von der Rückseite
jedes eine Sonde 26 tragenden Elements 6 in Bezug
auf jede Antenne zu bestimmen (daher die Position der Rückseite dieses
Elements 6 in Bezug auf das Gehäuse 14), wobei diese
Bestimmung der Abstände
durch Messen der Phase der durch die Sonden gestreuten Mikrowellen
erfolgt und der Empfänger
vorgesehen ist, die Sonden durch eine synchrone Detektion mit den
verschiedenen Modulationsfrequenzen voneinander zu unterscheiden,
und
- – die
zusätzlichen
Verarbeitungseinrichtungen 24, welche die Position jedes
der Elemente in Bezug auf das Gehäuse 14 bestimmen,
wie man sehen wird.
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Aufgrund
der Abtastung der Emissionsoberfläche der Anordnung aus Multielementen 6 (4 oder 6)
muss man die Koordinaten aller dieser Elemente 6 erfassen.
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Die
Messung erfolgt auf der Rückseite
("backing") eines Elements,
während
die Berechnung des Nacheilungsgesetzes aufgrund der Position der aktiven
Seite oder Emissionsseite des Elements, das heißt auf der Seite der Emissionsoberfläche des Wandlers,
erfolgt.
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Um
diese letzte Information zu erhalten, ist ein Algorithmus entwickelt
worden. Er umfasst drei Schritte.
- 1) Mit Hilfe
einer Interpolation zum Beispiel des kubischen "Spline"-Typs (type pistolet cubique) wird die
Kurve C1 bestimmt, welche die beste Annäherung an das Profil ist, das
durch die Messpunkte auf der Rückseite,
oder Backing, verläuft (s.
die 7, wo zum Beispiel sechs Messpunkte M1 bis M6
dargestellt sind).
- 2) Wir nehmen hier hypothetisch an, dass die Achse jedes Elements
(die Achsen haben in der 8 die Bezugszeichen X1 bis X6)
rechtwinklig bleibt zu der lokalen Neigung der Oberfläche des untersuchten
Teils und zu der lokalen Neigung, die durch das Ende des Backing
der Gesamtheit der Elemente gebildet wird (die lokalen Neigungen
sind mit T1 bis T6 bezeichnet.
Aufgrund des Backing-Profils
bestimmen wir also durch Messen der lokalen Abweichung die Ausrichtung
jedes gemessenen Elements.
Aufgrund dieser Abweichung und der
Höhe H
jedes Elements erhalten wir also die Koordinaten des entsprechenden
Punkts an der Emissionsoberfläche
(diese entsprechenden Punkte haben in der 8 die Bezugszeichen
S1 bis S6).
- 3) Anschließend
wenden wir auf diese Abtastpunkte der Emissionsoberfläche eine
Interpolation des kubischen "Spline"-Typs an.
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Aufgrund
der so erhaltenen Kurve C2 (9) können wir
die Position der verschiedenen Elemente in dem Bezugssystem des
Wandlers bestimmen, das heißt
in Bezug auf das Gehäuse 14 dieses
Wandlers in dem betrachteten Beispiel.
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Betrachten
wir nun die Instrumentierung zur Messung der Position und der Ausrichtung
des Wandlers der 4 oder 6.
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Diese
mit dem Wandler verbundene Instrumentierung muss ermöglichen,
im Laufe der Verschiebung dieses Wandlers seine Position und seine Ausrichtung
in dem festen Bezugssystem des Objekts 8 zu erhalten.
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Es
gibt verschiedene für
diesen Messtyp bestimmte Sensoren.
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In
den Beispielen der 4 und 6 verwendet
man einen gelenkigen mechanischen Arm 56. Je nach dem,
ob dieser Arm passiv oder aktiv ist, misst man oder kontrolliert
man seine Ausrichtung im Laufe seiner Verschiebung im Kontakt mit
dem Objekt.
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In
den Beispielen der 4 und 6 ist dieser
Arm mit verschiedenen Sensoren 58 ausgerüstet, die
ermöglichen,
den Ultraschallwandler im Raum zu positionieren und seine Ausrichtung
im Laufe seiner Verschiebung in Bezug auf das Objekt 8 zu messen.
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Ein
Beispiel für
einen solchen Arm ist der mechanische Teil des "Sinus-Arms", vertrieben durch die Firma Metalscan
(s. Dokument [5]).
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In
den 4 und 6 sieht man auch Einrichtungen 60,
die in Abhängigkeit
von durch die Einrichtungen 24 gelieferten Positionen und
in Abhängigkeit
von der durch die Sensoren 58 gelieferten Position und
Ausrichtung die Positionen des Wandlers in Bezug auf das Objekt 8 bestimmen.
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Man
sieht auch Steuerungs- und Verarbeitungseinrichtungen 62,
um:
- – Erregungsimpulsen
der Elemente 6 zu erzeugen,
- – aufgrund
der bestimmten Positionen Verzögerungs-
bzw. Nacheilungsgesetze zu erstellen, die den Elementen 6 ermöglichen,
ein fokussiertes Ultraschallbündel
F zu erzeugen, dessen Charakteristiken in Bezug auf das Objekt 8 beherrscht werden,
und
- – diese
Nacheilungsgesetze auf die Erregungsimpulse anzuwenden.
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Die
Elemente 6 liefern dann Signale an die Einrichtungen 62,
vorgesehen um aufgrund dieser Signale Bilder bezüglich des Objekts 8 zu
liefern. Diese Bilder werden auf einem Bildschirm 64 angezeigt.
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Falls
man einen passiven Arm benutzt (ohne Sensor), verschiebt der Benutzer
den Wandler manuell, wobei seine Position und seine Ausrichtung
durch die Sensoren 58 gemessen und an die Einrichtungen 60 geliefert
werden.
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Der
Arm kann durch andere Einrichtungen ersetzt werden, zum Beispiel
durch Trägheitssensoren,
die auch fähig
sind, die Position und Ausrichtung des Wandlers zu liefern.
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Zudem
verwenden die angegebenen Beispiele zugleich Ultraschallsender und
-empfänger. Der
Fachmann kann diese Beispiele an den Fall von Wandlern anpassen,
die Elemente umfassen, die nur zum Senden von Ultraschall vorgesehen
sind, und andere Elemente, die nur zum Empfangen von Ultraschall
vorgesehen sind.
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Diese
Beispiele können
auch an einen Wandler angepasst werden, der Lambwellen emittiert.
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Zudem
werden in diesen Beispielen Wandler benutzt, die eine lineare Anordnung
von Ultraschallelementen umfassen, aber die Erfindung ist nicht
auf solche Wandler beschränkt.
Der Fachmann kann die angegebenen Beispiele an Matrix-Wandler anpassen,
zum Beispiel von der Art derer, die in den Dokumenten [1], [2] und
[4] beschrieben werden.
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Insbesondere
muss man dann jedem Hilfs-Ultraschallsender (s. 4)
nicht nur zwei sondern drei Empfänger
einer auf dem Gehäuse 14 befestigten
Ultraschallempfänger-Matix zuordnen, oder im
Falle eines Matrixwandlers, angepasst an den in der 6 dargestellten,
nicht mehr zwei sondern drei Mikrowellenantennen benutzen.
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Die
in der vorliegenden Beschreibung genannten Dokumente sind die folgenden:
- [1] D.J. Powell und G. Hayward, "Flexible ultrasonic transducer arrays
for nondestructive evaluation applications PART I: The theoretical
modeling approach", IEEE
transactions on ultrasonics, ferroelectrics, and frequency control,
Bd. 43, Nr. 3, Mai 1996, Seiten 385 bis 392
- [2] D.H. Powell und G. Hayward, "Flexible ultrasonic transducer arrays
for nondestructive evaluation applications PART I: The theoretical
modeling approach", IEEE
transactions on ultrasonics, ferroelectrics, and frequency control,
Bd. 43, Nr. 3, Mai 1996, Seiten 393-402
- [3] J. CH. Bolomey, "Die
modulierte Streuungsmethode: ein Zugang zur Aufnahme bzw. Erstellung
der Mikrowellenkarten in Echtzeit", L'onde électrique,
1982, Bd. 62, Nr. 5, Seiten 73-78
- [4] Internationale Patentanmeldung WO 94/13411, internationales
Veröffentlichungsdatum:
23. Juni 1994, für "Ultrasonic transducer", Erfindung von G. Hayward
und K.J. Powel
- [5] Veröffentlichung
der Firma METALSCAN, Grenoble, Frankreich, Referenz SINU9506MTS,
Juni 1995, "Systeme
numérique
de controle par ultrasons (digitales System zur Kontrolle durch
Ultraschallwellen) SINUS O.L. O°MTS,
Seiten 1-10.