EP2407251B1 - Elektromagnetischer Ultraschallwandler - Google Patents

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EP2407251B1
EP2407251B1 EP11005723.9A EP11005723A EP2407251B1 EP 2407251 B1 EP2407251 B1 EP 2407251B1 EP 11005723 A EP11005723 A EP 11005723A EP 2407251 B1 EP2407251 B1 EP 2407251B1
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EP
European Patent Office
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rows
permanent magnets
ultrasonic transducer
along
coil
Prior art date
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EP11005723.9A
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EP2407251A1 (de
Inventor
Frank Niese
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Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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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 electromagnetic ultrasonic transducer, in particular for receiving linearly polarized shear waves, so-called SH ultrasonic waves, from an electrically conductive workpiece, with a magnetization unit, which provides a side facing the workpiece, along at least two middle or immediate arranged side by side rows each having a number n permanent magnets such that the side facing and the permanent magnet assignable magnetic polarities alternate along a row periodically with a period length corresponding to a track wavelength ⁇ S , as well as with an RF coil assembly, each along the at least two rows assignable, mutually parallel conductor portions which are enforceable in the opposite direction of electricity.
  • a magnetization unit which provides a side facing the workpiece, along at least two middle or immediate arranged side by side rows each having a number n permanent magnets such that the side facing and the permanent magnet assignable magnetic polarities alternate along a row periodically with a period length corresponding to a track wavelength ⁇ S , as well as with an RF coil assembly, each along the at least two
  • Electromagnetic ultrasonic transducers are used for coupler-free coupling and decoupling of ultrasonic waves in or from workpieces, for example. For non-destructive thickness measurement or material examination to determine material inhomogeneities in the form of cracks or material dancer.
  • the excitation as well as the reception principle on which the electromagnetic ultrasonic transducers are based is based on the interaction between an electromagnetic that is close to the surface of the workpiece High frequency field and this superimposed, static or quasi-static magnetic field.
  • an electrical coil of predetermined number of geometries and turns which is acted upon near the surface by a HF current pulse / burst signal, eddy currents are induced within the so-called skin depth of the electrically conductive workpiece close to the workpiece surface whose area distribution is mirror image of the geometry of the electric coil assembly.
  • an elastic wave which propagates close to the surface of the workpiece generates, in the presence of a magnetic field proportional to the displacement of the elastic shaft, an electric field which induces a proportional electrical voltage in the way of inductive coupling with an electric coil resting on the workpiece surface. which serves as a detection signal for the ultrasonic wave within the workpiece.
  • the occurring voltage signal levels are typically in the range of a few microvolts, so that it requires a strong and low-noise preamplification of the electrical voltage signals for reliable Signalaus- and assessment, which are also subject to narrowband possible electrical filtering to generate evaluable ultrasonic wave signals.
  • the impedance of the electrical coil of an EMUS converter which is particularly suitable for the reception of ultrasonic waves, high-impedance designed to generate the highest possible level of the induced voltage signals from the ultrasonic signals.
  • the electrical coil used is due to their electrical inductance also other electromagnetic Receive signals that originate from externally inductively acting electromagnetic signal sources and as such affect the reception and detection of ultrasonic waves in a disturbing way. All, of the electric coil inductively converted into electrical voltage signals received signals, ie both useful and noise, go through the same gain and filter chain, so that a distinction between interfering and useful signals is not readily possible.
  • From the DE 42 23 470 C2 is a based on the above-described principle of coupling agent-free coupling and decoupling of ultrasonic waves in or out of a workpiece based ultrasonic probe, with which it is possible to produce linearly polarized both horizontally and vertically polarized transverse waves.
  • a permanent magnet arrangement which generates an inhomogeneous magnetic field in the near-surface region of a workpiece with a spatial direction oriented perpendicular to the workpiece surface.
  • the permanent magnet arrangement consists of individual, adjacent permanent magnet strips with each of the workpiece surface facing periodically alternating, magnetic polarities.
  • a permanent magnet arrangement with a plurality of each arranged in rows and in shape and size identically formed single permanent magnets whose magnetic polarities alternately alternate along a row periodically.
  • the individual permanent magnets, each arranged in a row are arranged offset to one another in the immediately adjacent row by half the width of a single permanent magnet.
  • EMUS converters of which two variants in the FIGS. 2a, b are shown schematically, each showing the workpiece facing side of the magnet assembly M and the RF coil assembly HF.
  • FIG. 2a In the embodiment in FIG. 2a are along two rows R 1 and R 2 permanent magnets 1 arranged such that the workpiece facing magnetic polarities in sequence along the rows R 1 , R 2 periodically alternate (see N for magnetic north and S for magnetic south).
  • An in Fig. 2a thus illustrated magnet assembly M imprints in a workpiece an inhomogeneous static magnetic field with a track wavelength ⁇ s , which is determined by the period length, ie the extension of two permanent magnets along a row.
  • an RF coil assembly HF arranged, each with along the at least two rows R 1 and R 2 and mutually parallel conductor sections L 1 , L 2 , each of which in the opposite direction of current enforceable (see current arrows).
  • the arrangement of permanent magnets 1 in each case four subdivided and juxtaposed rows R 1 to R 4 before.
  • the RF coil assembly HF is formed such that the conductor sections L 1 to L 4 in each case along the rows R 1 to R 4 are enforceable in the opposite direction of current.
  • the RF coil arrangement is divided in this case into two interconnected partial coils T1 and T2.
  • the invention has for its object to provide an electromagnetic ultrasonic transducer, in particular for receiving linearly polarized horizontal shear waves, so-called SH- ultrasonic waves, from an electrically conductive workpiece with a magnetization unit, which provides a side facing the workpiece along the in at least two medium - or directly juxtaposed first rows each have a number n first
  • Permanent magnets is mounted such that the side facing and the respective first permanent magnet assignable magnetic polarities alternate along a row periodically with a period length corresponding to a track wavelength ⁇ s , and an RF coil assembly with each along the at least two first rows assignable, mutually parallel conductor sections, which are enforceable in the opposite direction of current, in such a way that an effective suppression of Störsignalan turnover is possible without significantly increasing the design effort for the realization of the ultrasonic transducer and to complicate.
  • the electromagnetic ultrasonic transducer assembly with two separately trained RF coil assemblies, each of which can be assigned to a dividable into two rows permanent magnet arrangement, wherein the adjacent arranged permanent magnet arrays are arranged offset in series longitudinal extension by half a track wavelength ⁇ s relative to each other, it is possible to satisfy the phase condition for the ultrasonic signals, namely relative phase of 180 °, as well as for the interference signals, namely relative phase of 0 °.
  • the interfering signals cancel each other out with a relative phase angle of 0 °
  • the ultrasonic signals are each added with a relative phase angle of 180 °, whereby their associated voltage amplitude can be doubled.
  • the above signal evaluation can also be performed numerically in the context of a computer-based evaluation unit by the received ultrasonic and interference signals are digitized and added inversely with a numerical adder.
  • Fig. 1 schematically shows the bottom side view of a magnetization unit M with a corresponding RF coil assembly HF, which is placed on the surface of a to be examined, consisting of electrically conductive material workpiece (not shown).
  • the magnetization unit M is composed of a multiplicity of individual permanent magnets 1 of identical design and size, the end faces of which are in FIG. 1 a are shown with the specified magnetic polarities N, S.
  • the magnetization unit M can be located in the in Fig. 1 Divide a illustrated embodiment in two permanent magnet arrangements P 1 and P 2 .
  • the permanent magnet arrangement P 1 has two rows R 1 and R 2 , along each of which a number n of the first single permanent magnets 1 are arranged.
  • the magnetic polarities of the end face-ending first Einzelpermanentmagnete 1 alternate periodically (see this N for magnetic north and S for magnetic south).
  • the respectively directly adjacent first single permanent magnets 1 in the rows R 1 and R 2 ie, the line by line juxtaposed single permanent magnets, in this case also have an opposite magnetic polarity.
  • the permanent magnet arrangement P 1 is associated with a receiving coil ET 1 , which provides in series longitudinal extension two mutually parallel conductor sections L 1 and L 2 , which in the Fig. 1 a removable opposite to each other flow direction (see direction arrows) are flowed through.
  • a second permanent magnet arrangement P 2 is provided, which likewise provides an identical number n of second permanent magnets 1 along two rows R 3 and R 4 , wherein the permanent magnet arrangement P 2 relative to the permanent magnet arrangement P 1 by the width of a permanent magnet. 1 , ie offset by half the period length or by half the track wavelength ⁇ s .
  • FIG. 3a is a perspective view of the magnet assembly according to Fig. 1 a shows that it is formed by the solution according staggered arrangement of the first permanent magnets along the rows R1 and R2 relative to the second permanent magnet along the rows R3 and R4 n + 1 rows, to which the first and / or second permanent magnets in the following
  • n 7 permanent magnets are arranged in each of the rows R1, R2, R3, R4.
  • n + 1 equal to eight lines, of which in the n first row only second permanent magnets from the rows R3 and R4 and in the n + 1 equal eighth row only first permanent magnets from the rows R1 and R2 are arranged.
  • rows of n equal to two to n equal to seven, respectively first and second permanent magnets of rows R1, R2, R3, R4 are arranged.
  • the design and arrangement of the permanent magnet arrangement P 2 associated with the receiving coil ET 2 (see Fig. 1a ) is simulated according to the receiving coil arrangement ET 1 .
  • the electrical connections E 1 and E 2 of the respective receiving coils ET 1 and ET 2 are connected to the inverting or non-inverting input of a differential amplifier, not shown.
  • the remaining two terminals of the receiving coils ET 1 and ET 2 are at a common electrical potential, the ground potential.
  • the ultrasound signals received with the aid of such an EMUS converter arrangement are, by design, received with a phase shift of 180 ° in the receiving coils ET 1 and ET 2 , whereas the interference signals in two receiving coils ET 1 and ET 2 no phase difference, ie relative phase of 0 °, have.
  • the received signals After addition of the received signals with a differential amplifier thus the interfering signals average away completely, leaving only ultrasound signal components.
  • the signal-to-noise ratio can be significantly improved without having to make a metrologically significant additional effort.
  • FIG. 1b an alternative embodiment of an EMUS receiving transducer designed according to the invention is shown, which provides for interleaving the above-described permanent magnet arrangements P 1 and P 2 with the associated receiving coils ET 1 and ET 2 .
  • FIG. 3b shows a perspective view in this regard.
  • the row R 4 of the second permanent magnet arrangement P 2 according to the in Fig. 1 a illustrated and described training.
  • the row R 3 of the permanent magnet arrangement P 2 connects. From the perspective view in FIG. 3b
  • the associated to the permanent magnet arrays P 1 and P 2 receiving coils ET 1 and ET 2 are, as nested or overlapping arranged and designed such that their respective conductor sections L 1 to L 4 are assigned to the respective rows R 1 to R 4.
  • the terminals E1, E2 of the receiving coils ET 1 and ET 2 are connected to the inverting or non-inverting terminal of a differential amplifier.
  • the other two connections are connected to the same potential, the ground potential.
  • the spatially more compact structure and in particular the substantial overlap of the receiving coils ET 1 and ET 2 , by the localized noise in both receiving coils ET 1 and ET 2nd can be received approximately with the same amplitude and phase.
  • the dashed dividing line is indispensable.
  • both receiving coils ET 1 and ET 2 in shape, design and winding sense and the periodic magnet arrangement for both permanent magnet arrangements P 1 and P 2 are constructed identically or symmetrically.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)

Description

    Technisches Gebiet
  • Die Erfindung bezieht sich auf einen elektromagnetischen Ultraschallwandler, insbesondere zum Empfangen von linear polarisierten Scherwellen, so genannten SH-Ultraschallwellen, aus einem elektrisch leitfähigen Werkstück, mit einer Magnetisierungseinheit, die eine dem Werkstück zugewandte Seite vorsieht, längs der in wenigstens zwei mittel- oder unmittelbar nebeneinander angeordneten Reihen jeweils eine Anzahl n Permanentmagnete derart angebracht ist, dass sich die der Seite zugewandten und den Permanentmagneten zuordenbaren magnetischen Polaritäten längs einer Reihe periodisch mit einer Periodenlänge abwechseln, die einer Spurwellenlänge λS entspricht, sowie mit einer HF-Spulenanordnung mit jeweils längs der wenigstens zwei Reihen zuordenbaren, zueinander parallel verlaufenden Leiterabschnitten, die einander in entgegen gesetzter Richtung von Strom durchsetzbar sind.
    • Stand der Technik
  • Elektromagnetische Ultraschallwandler dienen der koppelmittelfreien Ein- und Auskopplung von Ultraschallwellen in bzw. aus Werkstücken, bspw. zur zerstörungsfreien Dickenmessung oder Materialuntersuchung, um Material-Inhomogenitäten in Form von Rissen oder Materialungänzen zu ermitteln.
  • Das den elektromagnetischen Ultraschallwandlern zugrunde liegende Anregungssowie auch Empfangsprinzip basiert auf der Wechselwirkung zwischen einem oberflächennah innerhalb des Werkstückes vorherrschenden elektromagnetischen Hochfrequenzfeldes und einem diesen überlagerten, statischen oder quasi statischen Magnetfeld. Mit Hilfe einer oberflächennah am Werkstück angeordneten elektrischen Spule vorgegebener Geometrie- und Windungszahl, die mit einem HF-Strom-Impuls / -Burst-Signal beaufschlagt wird, werden innerhalb der so genannten Skintiefe des elektrisch leitfähigen Werkstückes dicht zur Werkstückoberfläche Wirbelströme induziert, deren flächige Verteilung spiegelbildlich zur Geometrie der elektrischen Spulenanordnung ist. Werden die innerhalb der Skintiefe des Werkstückes sich ausbildenden Wirbelströme mit einem statisch oder quasi statischen Magnetfeld parallel oder senkrecht zur Materialoberfläche überlagert, so ergeben sich aufgrund von innerhalb des Werkstückes wirkenden Lorenzkräften räumliche und zeitlich periodische elastische Materialverschiebungen, die ursächlich für die Abschallung von Ultraschallwellen innerhalb des Werkstückes sind.
  • In reziproker Weise erfolgt die Detektion bzw. der Empfang von Ultraschallwellen. So erzeugt eine sich innerhalb des Werkstückes oberflächennah ausbreitende elastische Welle in Gegenwart eines in diesem Werkstückbereich vorherrschenden Magnetfeldes ein zur Verschiebungsgeschwindigkeit der elastischen Welle proportionales elektrisches Feld, das im Wege induktiver Kopplung mit einer auf der Werkstückoberfläche aufliegenden elektrischen Spule in diese eine proportionale elektrische Spannung induziert, die als Nachweissignal für die Ultraschallwelle innerhalb des Werkstückes dient. Die hierbei auftretenden Spannungssignalpegel liegen typischerweise im Bereich von einigen µV, so dass es für eine zuverlässige Signalaus- und ―bewertung einer starken und rauscharmen Vorverstärkung der elektrischen Spannungssignale bedarf, die zudem einer möglichst schmalbandigen elektrischen Filterung zu unterziehen sind, um auswertbare Ultraschallwellensignale zu generieren.
  • Typischerweise wird die Impedanz der elektrischen Spule eines EMUS-Wandlers, der insbesondere für den Empfang von Ultraschallwellen geeignet ist, hochohmig ausgeführt, um möglichst große Pegel der induzierten Spannungssignale von den Ultraschallsignalen zu generieren. Jedoch eignet sich die eingesetzte elektrische Spule aufgrund ihrer elektrischen Induktivität auch andere elektromagnetische Signale zu empfangen, die von extern induktiv einwirkenden elektromagnetischen Signalquellen herrühren und als solche den Empfang und Nachweis von Ultraschallwellen in störender Weise beeinflussen. Sämtliche, von der elektrischen Spule induktiv in elektrische Spannungssignale umgesetzte Empfangssignale, d.h. sowohl Nutz- als auch Störsignale, durchlaufen die gleiche Verstärkungs- und Filterkette, so dass eine Unterscheidung zwischen Stör- und Nutzsignalen nicht ohne weiteres möglich ist.
  • Aus der DE 42 23 470 C2 ist ein auf dem vorstehend beschriebenen Prinzip der koppelmittelfreien Ein- und Auskopplung von Ultraschallwellen in bzw. aus einem Werkstück basierender Ultraschall-Prüfkopf zu entnehmen, mit dem es möglich ist, linear polarisierte sowohl horizontal als auch vertikal polarisierte Transversalwellen zu erzeugen. Hierbei bedient man sich einer Permanentmagnetanordnung, die in den oberflächennahen Bereich eines Werkstückes ein inhomogenes Magnetfeld mit einer senkrecht zur Werkstückoberfläche orientierten Raumrichtung erzeugt. Die Permanentmagnetanordnung besteht aus einzelnen, nebeneinander liegenden Permanentmagnetstreifen mit jeweils der Werkstückoberfläche zugewandten sich periodisch abwechselnden, magnetischen Polaritäten.
  • Eine weitere Anordnung zur koppelmittelfreien Einschallung und Detektion von Ultraschallwellen in ferromagnetische Werkstücke, wie beispielsweise Rohrleitungen, ist der DE 195 43 481 C2 zu entnehmen. Um horizontal polarisierte Transversalwellen innerhalb eines zu prüfenden Werkstückes mit einer räumlich vorgegebenen Richtcharakteristik abschallen zu können, sieht eine in Fig. 3 illustrierte Ausführungsform für einen Ultraschallwandler eine Permanentmagnetanordnung mit einer Vielzahl jeweils in Reihen angeordnete und in Form und Größe identisch ausgebildete Einzelpermanentmagneten vor, deren magnetische Polaritäten sich jeweils längs einer Reihe periodisch abwechseln. Um eine räumlich gerichtete Abstrahlcharakteristik zu erhalten sind die jeweils in einer Reihe angeordneten Einzelpermanentmagnete, zu denen in der unmittelbar benachbarten Reihe um die halbe Breite eines einzelnen Permanentmagneten zueinander versetzt angeordnet. Dies entspricht einem Viertel der so genannten Spurwellenlänge λs. Zudem sind längs der einzelnen Einzelpermanentmagnetreihen Leiterabschnitte zweier HF-Spulenanordnungen angebracht, die jeweils in entgegengesetzter Richtung von Strom durchflossen werden. Weitere Einzelheiten können der vorstehend genannten Druckschrift entnommen werden.
  • Besonders zum Empfang von SH-Ultraschallwellen aus einem elektrisch leitfähigen Werkstück eignen sich EMUS-Wandler, von denen zwei Ausführungsvarianten in den Figuren 2a, b schematisch dargestellt sind, die jeweils die dem Werkstück zugewandte Seite der Magnetanordnung M und der HF-Spulenanordnung HF zeigen.
  • In dem Ausführungsbeispiel in Figur 2a sind längs zweier Reihen R1 und R2 Permanentmagnete 1 derart angeordnet, dass sich die dem Werkstück zugewandten magnetischen Polaritäten in Abfolge längs der Reihen R1, R2 periodisch abwechseln (siehe N für magnetisch Nord und S für magnetisch Süd). Eine in Fig. 2a illustrierte Magnetanordnung M prägt somit in ein Werkstück ein inhomogenes statisches Magnetfeld mit einer Spurwellenlänge λs ein, die durch die Periodenlänge, d.h. die Ausdehnung zweier Permanentmagneten längs einer Reihe bestimmt ist.
  • Ferner ist an der in Fig. 2a dargestellten dem Werkstück zugewandten Seite der Magnetisierungseinheit M eine HF-Spulenanordnung HFangeordnet, jeweils mit längs der wenigstens zwei Reihen R1 und R2 und zueinander parallel verlaufenden Leiterabschnitten L1, L2, die jeweils einander in entgegen gesetzter Richtung von Strom durchsetzbar sind (siehe Strompfeile).
  • In analoger Weiterbildung zu der in Fig. 2a illustrierten Ausführungsform sieht eine in Fig. 2b illustrierte Ausführungsform die Anordnung von Permanentmagneten 1 in jeweils vier unterteilbare und nebeneinander liegend angeordnete Reihen R1 bis R4 vor. Auch in diesem Fall ist die HF-Spulenanordnung HF derart ausgebildet, dass die Leiterabschnitte L1 bis L4 jeweils längs der Reihen R1 bis R4 einander in entgegen gesetzter Richtung von Strom durchsetzbar sind. Die HF-Spulenanordnung ist in diesem Fall in zwei miteinander verbundene Teilspulen T1 und T2 aufgeteilt.
  • Um dem eingangs erläuterten Problem des überlagerten Empfangs von Ultraschallsignalen und Störsignalen entgegen zu treten und ein verbessertes Signal zu Rauschverhältnis zu erhalten, könnte ausgehend von der in Fig. 2b illustrierten Variante der Einsatz eines Differenzverstärkers zur Signalverstärkung erwogen werden. In dem Zusammenhang ist der Versuch unternommen worden, die zwei in Fig. 2b illustrierte linke und rechte Teilspule T1, T2 aufzutrennen und mit einem Differenzverstärker zu kombinieren. Aus Fig. 2c ist ein derartiger Aufbau zu entnehmen. Die Anschlüsse E1 und E2 der Teilspulen sind an den jeweils invertierenden und nicht invertierenden Eingang eines Differenzverstärkers (nicht dargestellt) angeschlossen. Die beiden anderen Anschlüsse der Teilspulen T1 und T2 sind im dargestellten Beispiel auf Masse zusammengelegt. Ein derartiger Ansatz führt jedoch nicht zum erwünschten Ziel einer effektiven Rausch- bzw. Störunterdrückung. Zwar weisen die Spannungssignale, die von empfangenen Ultraschallimpulsen herrühren, bei entsprechender Polung der Spulen T1 und T2 in der in Fig. 2c angegebenen Empfangssituation eine relative Phase von 180° auf, doch gilt dies auch für die Störsignale, die über eine gleiche Phasenverschiebung von 180° verfügen. Der einzige mit der in Fig. 2c illustrierten Ausführungsvariante verbundene Vorteil liegt darin, dass durch die Addition der beiden Empfangssignale im Rahmen des Differenzverstärkers die Spannungsamplitude nahezu verdoppelt wird, wodurch die weitere Signalauswertung mittels Digitalisierung der Signalpegel verbessert werden kann. Dennoch werden die Signalpegel der Störsignale in gleicher Weise verstärkt, so dass keine Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses erzielt werden kann.
    • Darstellung der Erfindung
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektromagnetischen Ultraschallwandler, insbesondere zum Empfang von linear polarisierten horizontalen Scherwellen, so genannten SH- unter Ultraschallwellen, aus einem elektrisch leitfähigen Werkstück mit einer Magnetisierungseinheit, die eine dem Werkstück zugewandte Seite vorsieht, längs der in wenigstens zwei mittel- oder unmittelbar nebeneinander angeordneten ersten Reihen jeweils eine Anzahl n erste
  • Permanentmagnete derart angebracht ist, dass sich die der Seite zugewandten und den jeweils ersten Permanentmagneten zuordenbaren magnetischen Polaritäten längs einer Reihe periodisch mit einer Periodenlänge abwechseln, die einer Spurwellenlänge λs entspricht, und einer HF-Spulenanordnung mit jeweils längs der wenigstens zwei ersten Reihen zuordenbaren, zueinander parallel verlaufenden Leiterabschnitten, die einander in entgegen gesetzter Richtung von Strom durchsetzbar sind, derart weiterzubilden, dass eine effektive Unterdrückung von Störsignalanteilen möglich wird, ohne dabei den konstruktiven Aufwand zur Realisierung des Ultraschallwandlers erheblich zu steigern sowie zu verkomplizieren.
  • Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Den Erfindungsgedanken weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der weiteren Beschreibung unter Bezugnahme auf das Ausführungsbeispiel zu entnehmen.
  • Ein lösungsgemäß ausgebildeter elektromagnetischer Ultraschallwandler, insbesondere zum Empfangen von linear polarisierten horizontalen Scherwellen, so genannten SH-Ultraschallwellen aus einem elektrisch leitfähigen Werkstück, mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1, zeichnet sich lösungsgemäß dadurch aus, dass längs wenigstens zwei mittel- oder unmittelbar nebeneinander angeordneter zweiter Reihen jeweils eine Anzahl n zweiter Permanentmagnete derart angebracht ist, dass sich die der Seite zugewandten und den jeweils zweiten Permanentmagneten zuordenbaren magnetischen Polaritäten längs einer zweiten Reihe periodisch mit einer der Spurwellenlänge λs entsprechenden Periodenlänge abwechseln, dass jeweils längs der wenigstens zwei zweiten Reihen zueinander parallel verlaufende Leiterabschnitte einer weiteren HF-Spulenanordnung angeordnet sind, die einander in entgegengesetzter Richtung von Strom durchsetzbar sind, und dass die wenigstens zwei zweiten Reihen mit den jeweils n zweiten Permanentmagneten um eine halbe Spurwellenlänge λs versetzt neben den wenigstens zwei ersten Reihen mit den n ersten Permanentmagnete unter Ausbildung von n+1 Zeilen derart angeordnet sind, dass in der zweiten bis n-1-ten Zeile jeweils erste und zweite Permanentmagnete aus den jeweils ersten und zweiten Reihen und in der ersten Zeile ausschließlich erste und in der n+1-ten Zeile ausschließlich zweite Permanentmagnete enthalten sind.
  • Durch die lösungsgemäße Ausbildung der elektromagnetischen Ultraschallwandleranordnung mit zwei getrennt zueinander ausgebildeten HF-Spulenanordnungen, die jeweils einer in zwei Reihen unterteilbaren Permanentmagnetanordnung zuordenbar sind, wobei die benachbart angeordneten Permanentmagnetanordnungen in Reihenlängserstreckung jeweils um eine halbe Spurwellenlänge λs relativ zueinander versetzt angeordnet sind, ist es möglich, die Phasenbedingung für die Ultraschallsignale, nämlich relative Phase von 180°, sowie für die Störsignale, nämlich relative Phase von 0°, zu erfüllen. So heben sich im Rahmen der Differenzverstärkung die Störsignale mit einer relativen Phasenlage von 0° gegenseitig auf, wohingegen die Ultraschallsignale mit jeweils einer relativen Phasenlage von 180° aufaddiert werden, wodurch ihre zugehörige Spannungsamplitude verdoppelt werden kann. Alternativ zur Verwendung eines Differenzverstärkers kann die vorstehende Signalauswertung auch numerisch im Rahmen einer rechnerbasierten Auswerteeinheit erfolgen, indem die empfangenen Ultraschall- und Störsignale digitalisiert und mit einem numerischen Addierer invers addiert werden.
  • Zur Realisierung des lösungsgemäßen elektromagnetischen Ultraschallwandlers werden zwei konkrete Ausführungsformen vorgeschlagen, die zur weiteren Beschreibung in den Fig. 1 a und b abgebildet sind.
    • Kurze Beschreibung der Erfindung
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
    • Fig. 1 a, b
    lösungsgemäß ausgebildete Ultraschallempfänger
    Fig. 2a bis c
    elektromagnetische Ultraschallwandler nach Stand der Technik sowie
    Fig. 3a, b
    perspektivische Darstellungen der in den Figuren 1a, b dargestellten Magnetanordnungen..
    Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
  • Fig. 1 zeigt in schematisierter Weise die untere Seitenansicht einer Magnetisierungseinheit M mit einer entsprechenden HF-Spulenanordnung HF, die auf die Oberfläche eines zu untersuchenden, aus elektrisch leitendem Material bestehenden Werkstückes (nicht dargestellt) aufsetzbar ist. Die Magnetisierungseinheit M setzt sich aus einer Vielzahl in Form und Größe identisch ausgebildeter Einzelpermanentmagnete 1 zusammen, deren Stirnseiten in Figur 1 a mit den angegebenen magnetischen Polaritäten N, S dargestellt sind.
  • Die Magnetisierungseinheit M lässt sich in dem in Fig. 1 a illustrierten Ausführungsbeispiel in zwei Permanentmagnetanordnungen P1 und P2 unterteilen. Die Permanentmagnetanordnung P1 weist zwei Reihen R1 und R2 auf, längs derer jeweils eine Anzahl n erste Einzelpermanentmagnete 1 angeordnet sind. Jeweils längs der Reihen R1, R2 wechseln sich die magnetischen Polaritäten der stirnseitig endenden ersten Einzelpermanentmagnete 1 periodisch ab (siehe hierzu N für magnetisch Nord und S für magnetisch Süd). Die jeweils unmittelbar aneinander grenzenden ersten Einzelpermanentmagnete 1 in den Reihen R1 und R2, d.h. die zeilenweise nebeneinander liegenden Einzelpermanentmagnete, weisen hierbei ebenfalls eine entgegen gesetzte magnetische Polarität auf.
  • Ferner ist der Permanentmagnetanordnung P1 eine Empfangsspule ET1 zugeordnet, die in Reihenlängserstreckung zwei zueinander parallel verlaufende Leiterabschnitte L1 und L2 vorsieht, die in der aus Fig. 1 a entnehmbaren zueinander entgegen gesetzter Stromrichtung (siehe Stromrichtungspfeile) durchflossen werden. Unmittelbar angrenzend an die Permanentmagnetanordnung P1 ist eine zweite Permanentmagnetanordnung P2 vorgesehen, die ebenfalls längs zweier Reihen R3 und R4 eine identische Anzahl n zweite Permanentmagnete 1 vorsieht, wobei die Permanentmagnetanordnung P2 relativ zur Permanentmagnetanordnung P1 um die Breite eines Permanentmagneten 1, d.h. um die halbe Periodenlänge bzw. um die halbe Spurwellenlänge λs versetzt angeordnet ist.
  • Aus der Figurendarstellung in Fig. 1a, aber auch aus der Figur 3a, die eine perspektivische Ansicht der Magnetanordnung gemäß Fig. 1 a zeigt, geht hervor, dass durch die lösungsgemäß versetzte Anordnung der ersten Permanentmagnete längs der Reihen R1 und R2 gegenüber den zweiten Permanentmagneten längs der Reihen R3 und R4 n+1 Zeilen gebildet werden, zu denen die ersten und/oder zweiten Permanentmagnete in der nachfolgenden Weise zuordenbar sind: In dem dargestellten Beispiel sind n=7 Permanentmagnete in jeder der Reihen R1, R2, R3, R4 angeordnet. Durch die lösungsgemäß versetzte Reihenanordnung bilden sich n+1 gleich acht Zeilen aus, von denen in der n gleich ersten Zeile lediglich zweite Permanentmagnete aus den Reihen R3 und R4 und in der n+1 gleich achten Zeile lediglich erste Permanentmagnete aus den Reihen R1 und R2 angeordnet sind. In den Zeilen von n gleich zwei bis n gleich sieben sind jeweils erste und zweite Permanentmagnete aus Reihen R1, R2, R3, R4 angeordnet.
  • Die Ausbildung und Anordnung der der Permanentmagnetanordnung P2 zugeordneten Empfangsspule ET2 (siehe Fig. 1a) ist entsprechend der Empfangsspulenanordnung ET1 nachgebildet. Die elektrischen Anschlüsse E1 und E2 der jeweiligen Empfangsspulen ET1 und ET2 sind an den invertierenden bzw. nicht-invertierenden Eingang eines nicht weiter dargestellten Differenzverstärkers angeschlossen. Die übrigen beiden Anschlüsse der Empfangsspulen ET1 und ET2 befinden sich auf einem gemeinsamen elektrischen Potential, dem Massepotential.
  • Die mit Hilfe einer derartigen EMUS-Wandleranordnung empfangenen Ultraschallsignale werden konstruktionsbedingt mit einer Phasenverschiebung von 180° in den Empfangsspulen ET1 und ET2 empfangen, wohingegen die Störsignale in beiden Empfangsspulen ET1 und ET2 keinen Phasenunterschied, d.h. relative Phase von 0°, aufweisen. Nach Addition der Empfangssignale mit einem Differenzverstärker mitteln sich somit die Störsignale vollständig weg, übrig bleiben ausschließlich Ultraschallsignalanteile. Hierdurch kann das Signal-Rausch-Verhältnis erheblich verbessert werden, ohne dabei einen messtechnisch bedeutsamen Zusatzaufwand leisten zu müssen.
  • In Fig. 1b ist eine alternative Ausbildungsform für einen lösungsgemäß ausgebildeten EMUS-Empfangswandler dargestellt, der eine Verschachtelung der vorstehend beschriebenen Permanentmagnetanordnungen P1 und P2 mit den dazu gehörigen Empfangsspulen ET1 und ET2 vorsieht. Figur 3b zeigt eine diesbezügliche perspektivische Darstellung. So befindet sich zwischen den Reihen R1 und R2 der ersten Permanentmagnetanordnung P1 die Reihe R4 der zweiten Permanentmagnetanordnung P2, gemäß der in Fig. 1 a illustrierten und beschriebenen Ausbildung. Unmittelbar rechts neben der Reihe R2 schließt sich die Reihe R3 der Permanentmagnetanordnung P2 an. Aus der perspektivischen Darstellung in Figur 3b sind zudem die Zeilenzahlen von n=1 bis n+1 und die in den jeweiligen Zeilen angeordneten Permanentmagnete klar ersichtlich.
  • Die zu den Permanentmagnetanordnungen P1 und P2 zugehörigen Empfangsspulen ET1 und ET2 sind gleichsam verschachtelt bzw. überlappend angeordnet und ausgebildet, so dass ihre zugehörigen Leiterabschnitte L1 bis L4 zu den jeweiligen Reihen R1 bis R4 zugeordnet sind.
  • Auch in diesem Fall werden die Anschlüsse E1, E2 der Empfangsspulen ET1 und ET2 an den invertierenden bzw. nicht-invertierenden Anschluss eines Differenzverstärkers angeschlossen. Die beiden übrigen Anschlüsse werden auf gleiches Potenzial, dem Massepotential gelegt.
  • Die in Fig.1b illustrierte Ausführungsform weist gegenüber der in Fig. 1 a gezeigten Ausführungsform Vorteile auf, so beispielsweise der räumlich kompaktere Aufbau und insbesondere die weitgehende Überlappung der Empfangsspulen ET1 und ET2, durch die lokal begrenzte Störsignale in beiden Empfangsspulen ET1 und ET2 annähernd mit gleicher Amplitude und Phase empfangen werden können. Hinzu kommt, dass die Grundempfindlichkeit durch eine mögliche Zusammenfassung der in den Zeilen von n=2 bis n angeordneten Permanentmagnetkörper der Reihen R4 und R2 verbessert werden kann, zumal besonders bei kleinen Magnetabmessungen die magnetische Feldstärke sehr stark mit dem Magnetvolumen zunimmt und die Empfangsamplitude direkt proportional zur magnetischen Feldstärke ist. In diesem Fall ist die strichliert eingetragene Trennlinie wegzudenken. Wichtig für die Ausführung gemäß der in Fig. 1b gezeigten Ausführungsform ist jedoch, dass sowohl beide Empfangsspulen ET1 und ET2 in Form, Ausführung und Wickelsinn sowie die periodische Magnetanordnung für beide Permanentmagnetanordnungen P1 und P2 identisch bzw. symmetrisch aufgebaut sind.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Permanentmagnete
    R1, R2, R3, R4
    Reihen
    M
    Magnetisierungseinheit
    T1, T2
    Teilspulen,
    L1, L2, L3, L4
    Leiterabschnitte
    HF
    HF-Spulenanordnung
    ET1, ET2
    Empfangsspulen
    P1, P2
    Permanentmagnetanordnung

Claims (8)

  1. Elektromagnetischer Ultraschallwandler, insbesondere zum Empfangen von linear polarisierten horizontalen Scherwellen, so genannten SH-Ultraschallwellen, aus einem elektrisch leitfähigen Werkstück, mit
    - einer Magnetisierungseinheit (M), die eine dem Werkstück zugewandte Seite vorsieht, längs der in wenigstens zwei mittel- oder unmittelbar nebeneinander angeordnete erste Reihen (R1, R2) jeweils eine Anzahl n erste Permanentmagnete (1) derart angebracht ist, dass sich die der Seite zugewandten und den jeweils ersten Permanentmagneten (1) zuordenbaren magnetischen Polaritäten sowohl längs einer Reihe (R1, R2) periodisch mit einer Periodenlänge, die einer Spurwellenlänge λs entspricht, als auch längs einer zeilenweise nebeneinander liegenden Anordnung abwechseln, und
    - einer an der dem Werkstück zugewandten Seite der Magnetisierungseinheit (M) angebrachten HF-Spulenanordnung (HF) mit jeweils längs der wenigstens zwei ersten Reihen (R1, R2) zuordenbaren, zueinander parallel verlaufenden Leiterabschnitten (L1, L2), die einander in entgegengesetzter Richtung von Strom durchsetzbar sind,
    dadurch gekennzeichnet, dass längs wenigstens zwei mittel- oder unmittelbar nebeneinander angeordneter zweiter Reihen (R3, R4) jeweils eine Anzahl n zweiter Permanentmagnete (1) derart angebracht ist, dass sich die der Seite zugewandten und den jeweils zweiten Permanentmagneten (1) zuordenbaren magnetischen Polaritäten längs einer zweiten Reihe (R3, R4) periodisch mit einer Periodenlänge,
    die der Spurwellenlänge λs entspricht, als auch längs einer zeilenweise nebeneinander liegenden Anordnung abwechseln, dass jeweils längs der wenigstens zwei zweiten Reihen (R3, R4) zueinander parallel verlaufende Leiterabschnitte (L3, L4) einer weiteren HF-Spulenanordnung angeordnet sind, die einander in entgegengesetzter Richtung von Strom durchsetzbar sind, und
    dass die wenigstens zwei zweiten Reihen (R3, R4) mit den jeweils n zweiten Permanentmagneten (1) um eine halbe Spurwellenlänge λs versetzt neben den wenigstens zwei ersten Reihen (R1, R2) mit den n ersten Permanentmagneten unter Ausbildung von n+1 Zeilen derart angeordnet sind, dass in der zweiten bis n-1-ten Zeile jeweils erste und zweite Permanentmagnete aus den jeweils ersten und zweiten Reihen und in der ersten Zeile ausschließlich erste und in der n+1-ten Zeile ausschließlich zweite Permanentmagnete enthalten sind.
  2. Elektromagnetischer Ultraschallwandler nach Anspruch 1, wobei die in den ersten und zweiten Reihen (R1, R2, R3, R4) angeordneten n ersten und zweiten Permanentmagnete (1) jeweils in Form und Größe identisch ausgebildet sind.
  3. Elektromagnetischer Ultraschallwandler nach Anspruch 1 oder 2, wobei die zwei ersten Reihen (R1, R2) unmittelbar nebeneinander angeordnet sind, und
    dass die zwei zweiten Reihen (R3, R4) unmittelbar nebeneinander angeordnet sind und unmittelbar an einer der zwei ersten Reihen (R1, R2) angrenzen.
  4. Elektromagnetischer Ultraschallwandler nach Anspruch 1 oder 2, wobei die ersten und zweiten Reihen (R1, R2, R3, R4) mit den jeweils n Permanentmagneten (1) jeweils verschachtelt, d.h. mit abwechselnder Reihenabfolge, jeweils unmittelbar aneinander angrenzend angeordnet sind.
  5. Elektromagnetischer Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die den ersten und zweiten Permanentmagneten (1) zuordenbaren HF-Spulenanordnungen (ET1, ET2) jeweils wenigstens eine durchgängige Spulenwicklung mit den jeweils zwei parallel zueinander verlaufenden Leiterabschnitten (L1, L2, L3 L4) vorsehen und jeweils in Form, Wicklungsanzahl und Wicklungssinn identisch ausgebildet sind.
  6. Elektromagnetischer Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein Differenzverstärker mit einem invertierenden und einem nicht invertierenden Anschluss vorgesehen ist,
    dass die HF-Spulenanordnungen (ET1, ET2) über jeweils zwei Leitungsanschlüsse verfügen,
    dass ein Leitungsanschluss der einen HF-Spulenanordnung an den invertierenden und ein Leitungsanschluss der anderen HF-Spulenanordnung an den nichtinvertierenden Anschluss angeschlossen sind, und
    dass die jeweils anderen Leitungsanschlüsse beider HF-Spulenanordnungen miteinander verbunden sind oder auf gleichem elektrischem Potenzial liegen.
  7. Elektromagnetischer Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die HF-Spulenanordnungen (ET1, ET2) über jeweils zwei Leitungsanschlüsse verfügen,
    dass ein Leitungsanschluss der einen HF-Spulenanordnung und ein Leitungsanschluss der anderen HF-Spulenanordnung an einen AD-Wandler angeschlossen sind, der mit einer Numerischen Auswerteeinheit angeschlossen ist,
    die die Signalanteile beider Leitungsanschlüsse jeweils invers addiert, und
    dass die jeweils anderen Leitungsanschlüsse beider HF-Spulenanordnungen miteinander verbunden sind oder auf gleichem elektrischem Potenzial liegen.
  8. Elektromagnetischer Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei der Ultraschallwandler als Ultraschallempfänger dient und die HF-Spulenanordnungen jeweils Empfangsspulen (ET1, ET2) darstellen, deren parallel zueinander ausgerichteten Leiterabschnitten (L1, L2, L3 L4) in Schallausbreitungsrichtung orientiert sind.
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