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Publication number: DES0039675MA
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BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

Tag der Anmeldung: 21. Juni 1954 Bekanntgemacht am 15. November 1956

DEUTSCHES PATENTAMT

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Aufzeichnung von. Primärimpulsfolgen und der von diesen. Primärimpulsfolgen ausgelösten. Sekundärimpulsfolgen mittels eines Kathodenstrahloszillographen,

Derartige Einrichtungen werden, z. B. bei der Ultraschallimpulsecholotung zum Ermitteln von Meerestiefen, und zum Auffinden: von Fischschwärmen, aber auch, zur Fehlersuche in, Werkstücken, verwandt.

Von, einer Impuls-Sende- und -Empfangseinrichtung wird eine Impulsfolge ausgesandt (Primärimpulsfolge), und die Folgen der einfachen, oder mehrfachen Impulsechos (Sekundärimpulsfolgen) zusammen, mit der Primärimpulsfolge mittels eines Kathodenstrahloszillographen aufgenommen. Die Zeitablenkung des Katihodenstrahloszillographen ist auf die Frequenz der Primärimpulsfolge (Impulsfolgefrequenz) synchronisiert, so> daß die Impulse der Primärimpulsfolge sich in. einem sichtbaren Impulszacken darstellen. Ebenso werden die Impulsechos der einfachen oder mehrfachen Sekundärimpulsfolgen, in je einem Echoimpulszacken gezeigt. Die Zeitablenkung wird dabei in, der Regel so vorgenommen, daß nach dem Primärimpuls nur die ersten. Echoimpulse auf dem Bildschirm des KathodenstrahlO'Szillographen erscheinen, während die restlichen Echoimpulse unterdrückt werden,. Dies wird dadurch erreicht, daß die Kippzeit der Zeitablenkung (das Reziproke der Kippfrequenz) klein gegen den zeitlichen Abstand zweier Primärimpulse gehalten ist. Bei den bekannten Einrich-

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tungert muß der zeitliche Abstand zwischen zwei Primärimpulsen der Primärimpulsfolge so groß gewählt werden, daß alle Echöimpulse eines Primärimpulses — sofern sie den Rauschpegel des Verstärkers in, der Empfangseinrichtung überschreiten — eingetroffen sind, bevor der folgende Primärimpuls ausgesandt wird; andernfalls würde die räumliche Reihenfolge der Echoimpulse auf dem Bildschirm des Kathodenstrahloszillographen, die

ίο sonst genau der Reihenfolge ihres zeitlichen Eintreffens entspricht, durcheinandergeworfen. Häufig treffen nun die letzten Echoimpulse eines Primärimpulses verhältnismäßig spät ein, Aus den erwähnten Gründen ist dann, die Impulsfolgefrequeiiz niedrig zu halten, und da diese Impulsfolgefrequenz gleich der Anzahl der Überschreibungen des Bildschirms des Kathodenstrahloszillographen pro Zeiteinheit ist, wird demgemäß das Bild der Impulse auf dem Bildschirm lichtschwach.

Es ist bekannt, diesen Nachteil dadurch zu beseitigen, daß man in der ungenutzten Zeit, die zwischen dem letzten aufzuzeichnenden Echo- und dem folgenden Sendeimpuls liegt, das gerade aufgezeichnete Bild zu wiederholten Malen aufzeichnet.

Es wird hierzu jedes Bild von Primärimpuls und Impulsechos (Hauptbild) auf einen Speicher gegeben und von diesem Speicher wieder abgenommen (Speicherbilder). Dieses Verfahren ist umständlich, schwer zu justieren und störanfällig, da Amplituden und Phasen von Hauptbild und Speicherbildern genau übereinstimmen müssen,

Erfindungsgemäß werden zur Aufhellung eines Teils der Sekundärimpulse, die den, sie auslösenden Primärimpulsen unmittelbar folgen, dann, wenn der zeitliche Abstand zweier Primärimpulse innerhalb der Primärimpulsfolge kleiner ist als die Zeit bis zur Ankunft auch des oder der letzten der Impulse einer von einem Primärimpuls ausgelösten und von dem Kathodenstrahloszillographen aufgezeichneten Sekundärimpulsfolge, die Primärimpulse in sich laufend ändernden zeitlichen Abständen erzeugt, und synchron dazu die Ablenkung des Kathodenstrahls bewirkt. In der

Fig. ι ist das Ergebnis der bisherigen Verfahrensweise, in

Fig. 2 das Ergebnis der zeitlichen Abstandsänderung der Primärimpulse veranschaulicht.

In Fig. ι bezeichnet P die Primärimpulse, die innerhalb der Primärimpulsfolge einen· stets gleichbleibenden zeitlichen Abstand aufweisen, Die Zeit: ist als Abszisse von links nach rechts und die Impulshöhe als Ordinate aufgezeichnet, S¹, S² und S^s stellen Impulse der Sekundärimpulsfolgen dar. T_k ist die Kippzeit des Kathodenstrahloszillograptien, Tp der zeitliche Abstand zwischen zwei Primärimpulsen, Auf dem Bildschirm erscheinen neben dem Primärimpuls P die SekundärimpulseS"¹ und S²,- während der Sekundärimpuls S³ unterdrückt wird. In der Fig. 2 stimmen die Bezeichnungen mit den entsprechenden. Bezeichnungen in Fig. ι überein, Während jedoch in, der Fig¹. 1 der zeitliche Abstand zwischen zwei PrimärimpulsenT_P stets konstant ist, ist dieser Abstand nach Fig. 2 im Laufe der Zeit veränderlich. Wieder werden der Primärimpuls und die Sekundärimpulse 5*¹ und S² an festen Orten auf dem Bildschirm abgebildet. Der Sekundärimpuls S³ erscheint auch dann und wann auf dem Bildschirm, aber stets an einer anderen Stelle. (Schneidet man in Fig. 2. einen Abschnitt PS¹S² aus und legt ihn auf die anderen mit P beginnenden Abschnitte, so erkennt man beson-. ders sinnfällig, daß ^³ stets an einer anderen Stelle relativ zum Bild steht.) Der Beobachter hat hierdurch den Eindruck, daß der Impuls S³ einen leichten Schleier auf dem Bildschirm hervorruft, während das zu beobachtende Bild ruhig stehenbleibt. Bei der Anwendung der erfindungsgemäßen: Einrichtung kann, daher die mittlere Impulsfolgefrequenz größer gewählt werden als die Impulsfolgefrequenz bei den bekannten Einrichtungen, j Die Bildhelligkeit der innerhalb des Zeitintervalls T_k eintreffenden Sekundärimpulse — im angeführten Beispiel der Sekundärimpulse ^¹ und S² — wird hierdurch, entsprechend dem ,Verhältnis dieser Frequenzen, erhöht.

Die zeitliche Abstandsänderung der Primärimpulse¹ kann dadurch erreicht werden, daß man von einer festen Impulsfolgefrequenz ausgeht und mit an sich bekannten Einrichtungen diese Impulsfolge phasen- oder frequenzmoduliert. Da eine derartige Verfahrensweise eine vollständige Periodizität in sich trägt, können hierbei unerwünschte Sekundärimpulse, wenn auch in größeren zeitlichen Abständen, auf der gleichen, Stelle des Bildschirmes auftreten, Diese unerwünschte Periodizität wird vermieden, wenn, man, von einer Impulsfolgefrequenz ausgeht, die statistisch unregelmäßig, aber im zeitlichen Mittel gleichmäßig moduliert wird. Hierzu kann etwa ein in an sich bekannter Weise rauschmodulierter Impulsgeber zur Modulation, der Impulsabstände verwandt werden.

Um zu gewährleisten, daß alle innerhalb des Zeitintervalls T_k auftretenden Sekundärimpulse auf dem Bildschirm erscheinen, ist es erforderlich, den zeitlichen Abstand zwischen zwei Primärimpulsen trotz der Modulation, größer oder gleich der ZeitT_ft zu halten. Um weiterhin zu verhindern, daß sich unerwünschte Sekundärimpulse nur langsam auf dem Bildschirm verschieben, wählt man zweckmäßig die Zeitdifferenz zweier aufeinanderfolgender Primärimpulsabstände größer oder gleich, der zeitlichen Breite eines Primärimpulses.

Wie bei Verwendung der bekannten Einrichtungen ist es auch bei Verwendung der erfindungsgemäßen Einrichtung nicht stets erforderlich, die Primärimpulse auf dem Bildschirm aufzuzeichnen. Die Aufzeichnung der Primärimpulse kann z. B. entfallen, wenn nur die Abstände. der Sekundärimpulse untereinander interessieren oder der Abstand des nicht sichtbaren, Primärimpulses von, der Nullmarke auf dem Bildschirm des Kathodenstrahloszillographen auf Grund einer Eichung festliegt. , In, den Fig. 3 bis 6 sind Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Einrichtung dargestellt.

Fig. 3 a gibt einen periodisch frequenzmodulierten Impulsgeber wieder;

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Fig. 3b, 3c und 3d zeigen den Spannungsverlauf an den Orten A, B, C in der Einrichtung nach Abb. 3a;

Fig. 4 stellt einen rauschmodulierten Impulsgeber dar; *

Fig. 5 gibt einen frequenzmodulierten Multivibrator wieder;

Fig. 6 zeigt einen der Fig. 5 ähnlichen frequenzmodulierten Multivibrator, der unter Verwendung einfacherer Schaltelemente aufgebaut ist,

In Fig. 3 a ist ein in bekannter Weise geschalteter Hochfrequenzgenerator 30 dargestellt, in dessen Schwingkreis ein von einem Motor 31 angetriebener veränderbarer Kondensator 32 liegt. Die Eigenfrequenz des Schwingkreises ändert sich damit periodisch, und die von der Hochfrequenzgeneratorstufe 30 erzeugte Hochfrequenz ist daher frequenzmoduliert. Die von dem Leitungszug A geführten frequenzmodulierten Hochfrequenzschwingungen sind in Fig. 3 b dargestellt. Diese frequenzmodulierten Hochfrequenzschwingungen werden einer aus zwei Dioden 33 bestehenden Begrenzerstufe zugeführt und hierdurch in einen frequenzmodulierten Rechteckwellenzug umgewandelt. Dieser von dem Leitungszug B geführte frequenzmodulierte Rechteckwellenzug ist in Fig. 3 c wiedergegeben. Dieser Rechteckwellenzug wird einem Röhrenverstärker 34 zugeführt und an einer Widerstand-Konden,-sator-Kombination 35 differenziert. Hierdurch ergeben sich steile kurze Impulse an den Sprungsteilen des Rechteckwelleiizuges, die einem weiteren Röhrenverstärker 36 zugeleitet werden, Während die positiven Impulse durch den in dem Röhrenverstärker! 36 einsetzenden Gitterstrom unterdrückt werden, werden die negativen Impulse verstärkt und erfindungsgemäß zur Erzeugung von Impulsen in sich laufend ändernden zeitlichen. Abständen verwendet, Die Folge der an der Röhrenverstärkerstufe 36 verstärkten und durch den Leitungszug C geführten Impulse ist in Fig. 3 d abgebildet.

In Fig. 4 ist eine der Fig. 3 a ähnliche Schaltung dargestellt. Die in Fig. 4 und 3 a gleichartigen Schaltelemente sind gleich bezeichnet und haben die gleiche Funktion, An Stelle des mechanisch veränderbaren Kondensators 32 nach Fig. 3 a sind in Fig. 4 Schaltmittel zur Rauschmodulation dargestellt. Die Anode einer dem Schwingungskreis des Hochfrequenzgenerators parallel geschalteten Elektronenröhre 40 ist über die Widerstand-Kondensatoi'-Kombination 41 auf ihr Gitter rückgekoppelt. Eine derartige Röhre verhält sich bekanntlich in ihren Widerstandseigeiischaften wie eine Induktivität, Die Größe der Induktivität ist gegeben durch die Gittervorspannung der Elektronenröhre 40. Zur Erzeugung einer periodisch frequenzmodulierten Hochfrequenz ist es daher z. B. möglich, eine periodische Wechselspannung an das Gitter der Elektronenröhre 40 zu legen, Nach Fig. 4 wird eine Rauschspannung an das Gitter der Elektronenröhre 40 gelegt und hierdurch eine statistisch schwankende Frequenzmodulation erzeugt. Als Rauschquelle dient eine Glimmlampe 42, deren Spannungsschwankungen durch einen Verstärker 43 auf eine solche Höhe gebracht werden, daß sie die Induktivität der Röhre 40 wirksam beeinflussende Spannungsschwankungen am Gitter der Röhre 40 hervorrufen. Die Umwandlung der frequenzmodulierten Hochfrequenz erfolgt in einer Begrenzerstufe 33 wie nach Fig. 3 a. Die Differentiation und Verstärkung der von der Begrenzerstufe abgegebenen Rechteckimpulse ist nicht dargestellt; sie gleicht ebenfalls der Schaltung nach Fig. 3 a.

Durch die Schaltung nach Fig. 5 werden unmittelbar Rechteckwellenzüge erzeugt. Sie besteht im wesentlichen aus einem Multivibrator 50, dessen einer Rückkopplungswiderstand. veränderbar ist. Dieser veränderbare Widerstand besteht aus einer über eine große Kapazität 53 einem Gitterwiderstand des Multivibrators parallel geschalteten Elektronenröhre 51, deren Innenwiderstand durch die an ihr liegende Gittervorspannung gegeben ist. Legt man etwa an die zum Gitter der Elektronenröhre führenden Anschlußklemme 52 eine periodische Wechselspannung an, so ändert sich die unter anderem durch den .Innenwiderstand der Röhre 51 bestimmte Zeitkonstante des Multivibrators periodisch, und der Multivibrator erzeugt daher Rechteckwellenzüge periodisch schwankender Frequenz, die von dem Multivibrator in bekannter Weise abgenommen und daraufhin, wie in Fig. 3 a dargestellt, differenziert und verstärkt werden,

In Fig. 6 ist eine vereinfachte Schaltung eines frequenzmodulierten Multivibrators dargestellt, Der Gittervorspannung ,einer der Röhren des Multivibrators 60 werden über einen Transformator 61 Spannungsschwankungen überlagert und derart die gewünschte Frequenzmodulation durchgeführt.

Die Anwendung der erfindungsgemäßen Einrichtung ist besonders vorteilhaft bei der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung nach dem Ultraschall-Impuls-Renexionsverfahren. Da die Absorption von Ultraschall in vielen Werkstoffen äußerst gering ist und daher Sekundärimpulse — verursacht durch Reflexionen im Werkstoff — noch lange Zeit nach dem sie auslösenden Primärimpuls auftreten, muß die Primärimpulsfolgefrequenz .bei den bekannten Einrichtungen sehr niedrig gehalten werden; die Bildhelligkeit der auf dem Kathodenstrahl-Oszillographen sichtbaren Impulse ist dementsprechend gering. Da eine große Bildhelligkeit der Impulse auf dem Kathodenstrahloszillographen, bei der vielfach gewünschten Werkstoffprüfung im Tageslicht erforderlich ist, bietet die Erfindung hier einen besonderen Fortschritt, Es ist daher ebenfalls ein Verfahren zur Prüfung von Werkstoffen mittels Ultraschallimpulsen Gegenstand der Erfindung,, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die zeitlichen Abstände der in. den Werkstoff gesandten Ultraschallimpulse laufend geändert werden,

Pate N ta N s ρ R 0 c η E-.

i. Verfahren zur Aufzeichnung von Primärimpulsfolgen und der von ■ diesen Primär-Impulsfolgen ausgelösten Sekundärimpulsfolgen

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mittels eines Kathodenstrahloszillographen zur Echolotung zum Ermitteln von Meerestiefen, Auffinden von Fischschwärmen, Fehlersuche in Werkstücken, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufhellung eines Teils der Sekundärimpulse, die den sie auslösenden Primärimpulsen unmittelbar folgen, dann, wenn der zeitliche Abstand zweier Primärimpulse innerhalb der Primärimpulsfolge kleiner ist als die Zeit bis zur

ίο Ankunft auch des oder der letzten der Impulse

einer von einem Primärimpuls ausgelösten und von dem Kathodenstrahloszillographen. aufgezeichneten. Sekundärimpulsfolge, die Primärimpulse in sich laufend ändernden zeitlichen Abständen erzeugt werden, und synchron dazu die Ablenkung des Kathodenstrahls bewirkt wird.
2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Impulsgeber zur Erzeugung von. Primärimpulsen in sich laufend ändernden zeitlichen Abständen.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen phasen- oder frequenzmodulierten Impulsgeber zur periodischen Änderung der zeitlichen Abstände der Primärimpulse.
4. Einrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch Verwendung eines rauschmodulierten Impulsgebers zur statistisch unregelmäßigen, aber im zeitlichen Mittel gleichmäßigen Änderung der zeitlichen Abstände der Primärimpulse.
5. Einrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch Mittel, die den kleinsten zeitlichen Abstand zwischen zwei Primärimpulsen größer oder gleich der Zeit halten, die der Kathodenstrahl zum einmaligen Überqueren des Bildschirmes des Kathodenstrahloszillographen bedarf.
6. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zeitliche Differenz zweier aufeinanderfolgender Primärimpulsabstände größer oder gleich der zeitlichen Breite eines Primärimpulses gehalten ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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