EP0486119B1 - Elektrodynamischer Ultraschallwandler - Google Patents

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EP0486119B1
EP0486119B1 EP91250296A EP91250296A EP0486119B1 EP 0486119 B1 EP0486119 B1 EP 0486119B1 EP 91250296 A EP91250296 A EP 91250296A EP 91250296 A EP91250296 A EP 91250296A EP 0486119 B1 EP0486119 B1 EP 0486119B1
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EP
European Patent Office
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concentrator
pole faces
workpiece surface
magnets
ultrasonic transducer
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EP91250296A
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Alfred Dipl.-Phys. Graff
Michael Wächter
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Vodafone GmbH
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Mannesmann AG
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/04—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with electromagnetism

Definitions

  • the invention relates to an electrodynamic ultrasonic transducer according to the preamble of patent claim 1.
  • Electrodynamic ultrasonic transducers are mainly used in the field of non-destructive testing of workpieces.
  • Such electrodynamic ultrasonic transducers consist of magnet systems that introduce magnetic field lines into the workpiece to be tested.
  • a coil system arranged in the vicinity of the workpiece surface is subjected to high-frequency alternating voltage and in this way generates eddy eddy currents in the workpiece surface.
  • Such an electrodynamic ultrasonic transducer of the generic type is known from German published patent application DE 32 34 424.
  • the electrodynamic ultrasound transducer consists of a magnet arrangement in which magnets with the same polarities are arranged facing one another via ferrite parts located between them.
  • the dimensions of the ferrite parts in this known embodiment parallel to the pole faces are at least as large as the cross-sectional area of the pole faces themselves.
  • magnetic field lines are concentrated on the area of the ferrite part, but only partially magnetic Draw conclusions about the workpiece to be tested. In other words, magnetic field lines also occur laterally, i.e. not directly towards the workpiece surface and make a conclusion about the air.
  • the disadvantage is that only part of the total available magnetic field can be used for ultrasonic testing.
  • the object of the invention is therefore to develop an electrodynamic ultrasound transducer of the generic type in such a way that, with little effort, a substantial increase in the magnetic field density that can be used for ultrasound testing can be generated on the workpiece surface to be tested.
  • the object is achieved according to the invention in that the cross-sectional area of the concentrator body parallel to the pole faces of the permanent magnets is made smaller than each of the pole faces of the permanent magnets, and in that the concentrator body extends over the boundary line of the cross-sectional contour of the magnets protrudes and the space remaining between the pole faces around the concentrator body is filled with a correspondingly shaped non-ferromagnetic body.
  • the advantage of the present invention is that the task of increasing the magnetic field density to be introduced into the workpiece is achieved in a very simple and yet very effective manner.
  • the proposal according to the invention to make the cross-sectional area of the concentrator body smaller than each of the pole faces of the permanent magnets leads to a constriction or collectivization of all magnetic field lines in the direction of the concentrator Concentrator body. Lateral emergence of magnetic field lines on the other sides not facing the surface to be tested is prevented in a very simple manner in this way.
  • the proposal according to the invention to arrange the concentrator body designed in this way also shifted towards the workpiece surface has the advantage that most of the magnetic field density can be directed onto the surface and then preferably forms the inference there, and can thus be used for ultrasound generation .
  • the concentrator body advantageously consists of a soft magnetic powder composite.
  • the invention enables advantageous use of permanent magnets.
  • the use of a concentrator body made of a soft magnetic powder composite material leads to an efficient use of the magnetic field for the ultrasound generation.
  • soft magnetic powder composites conduct magnetic field lines, but are electrically high-resistance.
  • the result of these properties is that the magnetic field is brought to the surface of the workpiece without weakening, but that no ultrasound is generated in the concentrator body itself. This has the advantage that the entire energy available for generating ultrasound in the workpiece itself can be used.
  • the concentrator body is provided with a bulge on the side facing the workpiece surface. This bulge causes the magnetic field lines to be concentrated in a particularly simple manner on or in the workpiece to be tested.
  • the non-ferromagnetic body is made of plastic. This advantageously results in simple workability and handling.
  • a plurality of magnet arrangements are lined up to form a test ruler. This results in a simple and compact test facility.
  • the non-ferromagnetic body is provided with a through hole which is arranged perpendicular to the workpiece surface to be tested and at a distance from the concentrator body.
  • the outward-facing pole faces of the magnets are connected in a magnetically conductive manner to a short-circuit body and the short-circuit body is provided with contact surfaces which can be placed on the workpiece surface to be tested. It follows advantageously a good inference effect with regard to the magnetic field lines.
  • Figure 2 shows the concentrator body 3 and the partially encompassing non-ferromagnetic body 4 in section along the line AA.
  • the non-ferromagnetic body 4 essentially describes the cross-sectional contour of the pole faces 1 ', 2' of the permanent magnets 1, 2, in which the concentrator body 3 is then displaced in a predetermined position towards the workpiece surface 6. It is clear here that the cross section of the concentrator body 3 is considerably smaller than the cross sectional area of the pole faces 1 ', 2'.
  • the bulge 3 'of the concentrator body 3, which points towards the surface, projects somewhat beyond the boundary line of the cross-sectional contour of the magnets 1, 2 and the non-ferromagnetic body 4 to the workpiece surface there. Between this bulge 3 'and the workpiece surface 6, the transducer coil 5 is arranged, to which a high-frequency transmission pulse is applied, whereby the ultrasound is generated in the workpiece 6 to be tested.
  • FIG. 3 shows the magnet arrangement in a side view with the use of a yoke body 8.
  • the yoke body 8 lies in a magnetically conductive manner on the outward-facing pole ends of the magnets 1 and 2.
  • Via the contact surfaces 9 and 10 attached to the yoke body 8 it is possible to apply the yoke body 8 to the workpiece surface 6 to be tested.
  • d. H the return of the magnetic field lines and thus the establishment of a closed magnetic circuit.
  • the contact surfaces 9 and 10 are dimensioned such that, together with them, the transducer coil 5 is placed in a suitable position on the workpiece surface.
  • the yoke body 8 consists of a ferromagnetic material.
  • the cross-sectional area of the concentrator body cannot be reduced as desired. Care must be taken that the cross section of the concentrator body is sufficient to absorb the magnetic field density present. This ability depends on the one hand on the permeability, the saturation induction and thus on the material and on the other hand it depends on the energy product on the spatial dimensions of the magnets. In this way, depending on the material used and depending on the magnetic field strength of the magnets, there are minimum spatial dimensions of the concentrator body. These must then be observed depending on the magnetic material and spatial dimensions as well as the choice of material for the concentrator body.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen elektrodynamischen Ultraschallwandler gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1.
  • Elektrodynamische Ultraschallwandler finden ihren Einsatz hauptsächlich im Bereich der zerstörungsfreien Prüfung von Werkstücken. Solche elektrodynamischen Ultraschallwandler bestehen aus Magnetsystemen, die magnetische Feldlinien in das zu prüfende Werkstück einbringen. Ein in der Nähe der Werkstückoberfläche angeordnetes Spulensystem wird dabei mit hochfrequenter Wechselspannung beaufschlagt und erzeugt auf diese Weise induktiv Wirbelströme in der Werkstückoberfläche. Diese so bewegten Elektronen des Werkstückes wechselwirken mit dem eingebrachten Magnetfeld. Dabei entsteht eine Kopplung an das Kristaltgitter des Werkstückes, und es entsteht Schall, der zur Werkstückprüfung einsetzbar ist. Ein derartiger elektrodynamischer Ultraschallwandler der gattungsgemäßen Art ist aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 32 34 424 bekannt. Hierbei besteht der elektrodynamische Ultraschallwandler aus einer Magnetanordnung, bei der sich Magnete mit den gleichen Polaritäten über zwischen ihnen liegende Ferritteile einander zugewandt angeordnet sind.
  • Die Ferritteile sind in dieser bekannten Ausführung in ihrer dimensionalen Erstreckung parallel zu den Polflächen mindestens so groß wie die Querschnittsfläche der Polflächen selbst. Bei dieser bekannten Anordnung ist jedoch festzustellen,daß Magnetfeldlinien zwar auf den Bereich des Ferritteiles konzentriert sind, aber nur zum Teil einen magnetischen Rückschluß über das zu prüfende Werkstück selbst bilden. Mit anderen Worten, es treten Magnetfeldlinien auch seitlich, d.h. nicht direkt zur Werkstückoberfläche hin aus und machen einen Rückschluß über die Luft. Der Nachteil ist also, daß hierbei nur ein Teil des gesamt verfügbaren Magnetfeldes für die Ultraschallprüfung nutzbar ist.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen elektrodynamischen Ultraschallwandler der gattungsgemäßen Art derart weiterzubilden, daß bei geringem Aufwand eine wesentliche Steigerung der für die Ultraschallprüfung nutzbaren magnetischen Felddichte an der zu prüfenden Werkstückoberfläche erzeugt werden kann.
  • Bei einem elektrodynamischen Ultraschallwandler der gattungsgemäßen Art wird die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die zu den Polflächen der Permanent-Magnete parallele Querschnittsfläche des Konzentratorkörpers kleiner als jede der Polflächen der Permanent-Magnete ausgebildet ist und daß der Konzentratorkörper über die Grenzlinie der Querschnitteskontur der Magnete ragt und der zwischen den Polflächen um den Konzentratorkörper herum verbleibende Raum mit einem entsprechend geformten nichtferromagnetischen Körper ausgefüllt ist.
  • Bei der vorliegenden Erfindung ergibt sich der Vorteil, daß die Aufgabe der Steigerung der in das Werkstück einzubringenden Magnetfelddichte auf sehr einfache und doch sehr wirkungsvolle Weise gelöst ist. Der erfindungsgemäße Vorschlag, den Konzentratorkörper in seiner Querschnittsfläche kleiner als jede der Polflächen der Permanent-Magnete auszubilden, führt im Bereich des Konzentrators zu einer Einschnürung bzw. Kollektivierung aller Magnetfeldlinien in Richtung des Konzentratorkörpers. Ein seitliches Austreten von Magnetfeldlinien an den übrigen nicht der zu prüfenden Oberfläche zugewandten Seiten wird auf diese Weise in sehr einfacher Art verhindert. Durch den erfindungsgemäßen Vorschlag, den so ausgestalteten Konzentratorkörper dann auch noch zur Werkstückoberfläche hin verschoben anzuordnen, hat den Vorteil, daß der weitgehendste Teil der magnetischen Felddichte auf die Oberfläche gerichtet werden kann und dort dann bevorzugt den Rückschluß bildet, und somit für die Ultraschallerzeugung nutzbar ist.
  • In vorteilhafter Weise besteht bei der Erfindung der Konzentratorkörper aus einem weichmagnetischen Pulververbundwerkstoff. Die Erfindung ermöglicht durch die Ausnutzung der nahezu gesamten magnetischen Felddichte für die Ultraschallprüfung einen vorteilhaften Einsatz von Permanentmagneten. Die Verwendung eines Konzentratorkörpers aus einem weichmagnetischen Pulververbundwerkstoff führt zu einer effizienten Ausnutzung des Magnetfeldes für die Ultraschallerzeugung. Dies liegt darin begründet, daß weichmagnetische Pulververbundwerkstoffe zwar Magnetfeldlinien leiten, aber elektrisch hochohmig sind. Diese Eigenschaften haben zur Folge, daß das Magnetfeld ohne Schwächung an die Oberfläche des Werkstückes herangeführt wird, daß jedoch kein Ultraschall im Konzentratorkörper selbst erzeugt wird. Dies hat den Vorteil, daß die gesamte verfügbare Energie zur Ultraschallerzeugung im Werkstück selbst genutzt werden kann.
  • Der Zusammenbau eines solchen Magnetsystems, bei dem sich die Polflächen gleicher Polarität gegenüberliegen, ist aufgrund der Kraftwirkung der Magnete untereinander schwierig. Die Magnete sind dabei bestrebt, bei einer solchen Ausrichtung der Polflächen einander auszuweichen, wobei die dabei wirkenden Kräfte sich mit verringerndem Abstand der Polflächen erhöhen. Aus diesem Grunde bewirkt der erfindungsgemäße Vorschlag, den zwischen den Polflächen um den Konzentratorkörper herum verbleibenden Raum mit einem entsprechend geformten nicht ferromagnetischen Körper auszufüllen, zur Erleichterung der Positionierung der Magnete zueinander und des Konzentratorkörpers. Im Betriebszustand bewirkt dieser nicht ferromagnetische Körper zudem eine positionsmäßige Sicherung des Konzentratorkörpers.
  • Um das Magnetfeld in geeigneter Weise an die Werkstückoberfläche heranzuführen, ist in vorteilhafter Ausgestaltung der Konzentratorkörper an der zur Werkstückoberfläche zugewandten Seite mit einer Ausbuchtung versehen. Diese Ausbuchtung bewirkt in besonders einfacher Weise ein Konzentrieren der magnetischen Feldlinien auf bzw. in das zu prüfende Werkstück. In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist der nicht ferromagnetische Körper aus Kunststoff. Hierbei ergibt sich in vorteilhafter Weise eine einfache Bearbeitbarkeit und Handhabung. In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist eine Mehrzahl von Magnetanordnungen zu einem Prüflineal aneinandergereiht. Hieraus ergibt sich eine einfache und kompakte Prüfeinrichtung.
  • In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist der nicht ferromagnetische Körper mit einer Durchgangsbohrung versehen, die senkrecht zu der zu prüfenden Werkstückoberfläche und bezüglich des Konzentratorkörpers beabstandet angeordnet ist. Dies hat den Vorteil, daß die für die Wandlerspule nötigen Anschlußleitungen durch diese Bohrung hindurch verlegt werden können.
  • In letzter vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sind die nach außen weisenden Polflächen der Magnete mit einem Rückschlußkörper magnetisch leitend verbunden und der Rückschlußkörper ist mit an die zu prüfende Werkstückoberfläche anlegbaren Anlageflächen versehen. Daraus ergibt sich vorteilhafterweise eine gute Rückschlußwirkung bezüglich der Magnetfeldlinien.
  • Ein Ausgestaltungsbeispiel ist in der Zeichnung dargestellt und im folgenden näher erläutert.
  • Es zeigen:
    • Fig. 1
    Draufsicht auf eine Magnetanordnung mit Konzentratorkörper,
    Fig. 2
    Schnittdarstellung zur Linie A-A.
    Fig. 3
    Magnetanordnung mit Rückschlußkörper (Seitenansicht)
    Figur 1 zeigt die Anordnung der Permanent-Magnete 1, 2, die mit Polflächen 1', 2' gleicher Polarität einander gegenüberliegen. Dazwischen ist der Konzentratorkörper 3 eingesetzt, der dann von dem teilweise umfassenden nicht ferromagnetischen Körper 4 gehalten wird. Praktischerweise ist der nicht ferromagnetische Körper 4 so ausgelegt, daß er bündig mit den Außenkonturen der Permanentmagnete 1, 2 abschließt.
  • Figur 2 zeigt den Konzentratorkörper 3 und den teilweise umfassenden nicht ferromagnetischen Körper 4 im Schnitt entlang der Linie A-A. Der nicht ferromagnetische Körper 4 beschreibt im wesentlichen die Querschnittskontur der Polflächen 1', 2' der Permanentmagnete 1, 2, in dem dann in vorgegebener Position zur Werkstückoberfläche 6 hin verschoben der Konzentratorkörper 3 angeordnet ist. Hierbei wird deutlich, daß der Querschnitt des Konzentratorkörpers 3 erheblich kleiner als die Querschnittsfläche der Polflächen 1', 2' ist. Die Ausbuchtung 3' des Konzentratorkörpers 3, die zur Oberfläche hin weist, ragt etwas über die Grenzlinie der Querschnittskontur der Magnete 1, 2 und des nicht ferromagnetischen Körpers 4 hinaus zur Werkstückoberfläche hin. Zwischen dieser Ausbuchtung 3' und der Werkstückoberfläche 6 ist die Wandlerspule 5 angeordnet, die mit einem hochfrequenten Sendeimpuls beaufschlagt wird, wodurch der Ultraschall im zu prüfenden Werkstück 6 erzeugt wird.
  • Figur 3 zeigt die Magnetanordnung in Seitenansicht mit der Verwendung eines Rückschlußkörpers 8. Der Rückschlußkörper 8 liegt magnetisch leitend an den nach außen weisenden Polenden der Magnete 1 und 2 an. Über die am Rückschlußkörper 8 angebrachten Anlageflächen 9 und 10 ist ein Anlegen des Rückschlußkörpers 8 an die zu prüfende Werkstückoberfläche 6 möglich. Hierdurch wird der Rückschluß, d. h. die Rückführung der Magnetfeldlinien und damit ein Herstellen eines geschlossenen magnetischen Kreises ermöglicht. Die Anlageflächen 9 und 10 sind dabei so bemessen, daß gemeinsam mit diesen auch die Wandlerspule 5 in geeigneter Lage an die Werkstückoberfläche angelegt wird. Der Rückschlußkörper 8 besteht aus einem ferromagnetischen Material.
  • Die Querschnittsfläche des Konzentratorkörpers ist, bezogen auf die Querschnittsfläche der Magnete bzw. der Polflächen, nicht beliebig verkleinerbar. Es ist dabei darauf zu achten, daß der Querschnitt des Konzentratorkörpers ausreicht, die vorliegende magnetische Felddichte aufzunehmen. Dieses Vermögen hängt zum einen von der Permeabilität, der Sättigungsinduktion und damit vom Stoff ab und zum anderen ist dies abhängig vom Energieprodukt von den räumlichen Dimensionen der Magnete. Auf diese Weise ergibt sich je nach verwendetem Material und abhängig von der magnetischen Feldstärke der Magnete, räumliche Mindestdimensionen des Konzentratorkörpers. Diese sind dann je nach Magnetmaterial und räumlichen Dimensionen sowie je nach Wahl des Materials des Konzentratorkörpers zu beachten.

Claims (5)

  1. Elektrodynamischer Ultraschallwandler mit einer an eine zu prüfende Werkstückoberfläche (6) anzulegenden Permanentmagnetanordnung, bei der Magnete (1, 2) mit den Polflächen (1', 2') gleicher Polarität über einen zwischenliegenden Konzentratorkörper (3) einander zugewandt angeordnet sind und einer an der zur Werkstückoberfläche (6) hinweisenden Seite des Konzentratorkörpers angeordneten Wandlerspule (5),
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die zu den Polflächen (1', 2') der Permanentmagnete (1, 2) parallele Querschnittsfläche des Konzentratorkörpers (3) kleiner als jede der Polflächen (1', 2') der Permanentmagnete (1, 2) ausgebildet ist und daß der Konzentratorkörper (3) über die Grenzlinie der Querschnittskontur der Magnete (1, 2) ragt und daß der zwischen den Polflächen (1', 2') um den Konzentratorkörper (3) herum verbleibende Raum mit einem entsprechend geformten nichtferromagnetischen Körper (4) ausgefüllt ist.
  2. Elektrodynamischer Ultraschallwandler nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Konzentratorkörper (3) aus einem weichmagnetischen Pulverver` bundwerkstoff besteht und an der zur Werkstückoberfläche zuzuwendenden Seite eine Ausbuchtung (3') aufweist, in dessen Nähe die Wandlerspule (5) angeordnet ist.
  3. Elektrodynamischer Ultraschallwandler nach Anspruch 1 und 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der nichtferromagnetische Körper (4) aus einem Kunststoff besteht.
  4. Elektrodynamischer Ultraschallwandler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der nichtferromagnetische Körper (4) mit einer Durchgangsbohrung (7) versehen ist, die senkrecht zu der zur Werkstückoberfläche (6) zuzuwendenden Konzentratorkörperoberfläche und bezüglich des Konzentratorkörpers (3) beabstandet angeordnet ist.
  5. Elektrodynamischer Ultraschallwandler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die nach außen weisenden Polflächen der Permanentmagnete (1,2) mit einem Rückschlußkörper (8) magnetisch leitend verbunden sind und der Rückschlußkörper (8) mit an die zu prüfende Werkstückoberfläche (6) anlegbaren Anlageflächen (9,10) versehen ist.
EP91250296A 1990-11-06 1991-10-29 Elektrodynamischer Ultraschallwandler Expired - Lifetime EP0486119B1 (de)

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DE4035592A DE4035592C1 (de) 1990-11-06 1990-11-06

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