EP2673630A1 - Verfahren zur positionserfassung eines defekts in einem körper - Google Patents

Description

"Verfahren zur Positionserfassung eines Defekts in einem

Körper"

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Positionserfassung eines Defekts in einem Körper mittels akustischer Methoden.

Die Positionserfassung von Defekten in einem Körper spielt in der Technologie, insbesondere im Bereich von Fehlerdiagnose und Wartungsanwendungen eine erhebliche Rolle. Ein

wesentliches Einsatzgebiet für derartige Diagnoseverfahren ist beispielsweise bei der gegenwärtig häufig wiederkehrenden Anwendung der Wartung von Eisenbahnrädern gegeben. Auch andere Festkörper, deren strukturelle Eigenschaften wesentlich für deren Einsatzzweck verantwortlich sind, müssen auf ihre

Eigenschaften hin überprüft werden, um entsprechende

Funktionen und/oder Sicherheitsanforderungen zu erfüllen.

Aus dem Stand der Technik sind für derartige Diagnoseverfahren radiologische Anwendungen bekannt, bei welchen beispielsweise über Röntgenstrahlen oder ähnliche Anwendungen die Körper untersucht werden. Nachteilig hierbei ist, dass die zu

untersuchenden Körper stets in besondere Versuchsanlagen integriert werden müssen, wodurch eine vollständige Demontage beispielsweise von Eisenbahnrädern zu erfolgen hat. Des

Weiteren ist aus dem Stand der Technik, beispielsweise aus der DE 10 2009 017 020 AI eine Untersuchungsmethode des

vorliegenden Anmelders bekannt, bei welcher mittels eines empirischen Deduktionsverfahrens das Vorhandensein eines

Defekts in einem Körper grundsätzlich ermittelt wird. Beim letztgenannten Verfahren kommen unter anderem Laser- Interferometer zur Erfassung akustischer Signale,

BESTÄTIGUNGSKOPIE beispielsweise zur Erfassung von Oberflächenschwingungen an einem Festkörper zum Einsatz, welche vereinfacht gesagt ein extrem empfindliches und präzise erfassbares Mikrofon

darstellen .

Nachteilig an dem beschriebenen Stand der Technik ist, dass entweder ein erheblicher maschineller sowie apparativer

Aufwand zur Demontage der zu betrachtenden Körper erfolgen muss, oder dass durch das empirische Verfahren keine absolute Positionsermittlung eines Defekts innerhalb eines Körpers erfolgen kann.

Die Erfindung hat sich somit die Aufgabe gestellt, die

vorliegenden Nachteile des Standes der Technik zu verbessern, insbesondere ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, welches Zugang zu Defektpositionen im Material eines Körpers bietet.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren nach dem Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sowie zweckmäßige

Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den abhängigen

Ansprüchen gegeben.

In ihrer einfachsten Ausführung betrifft die Erfindung somit ein Verfahren zur absoluten lateralen Positionserfassung eines Defekts in einem Körper. Je nach Ausdehnung des Körpers und Anforderungen an die Präzision der Positionserfassung ist es ausreichend, die laterale, also in einer Ebene befindliche Position eines Defekts zu erfassen, beispielsweise wenn die Ausdehnung des Körpers aus dieser Erfassungsebene hinaus nahezu zu vernachlässigen ist (gegeben bei einer Scheibe) oder die entsprechende Defektbildung durch die komplette

Raumrichtung, welche aus der Ebene hinausragt, gegeben ist.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es notwendig, die Ausbreitungsgeschwindigkeit für akustische Wellen bzw. Schall im Material des jeweiligen Körpers zu kennen. Diese kann entweder Tabellenwerken entnommen werden, oder, wie im späteren Anspruch 5 angegeben, ebenfalls im Zuge der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ermittelt werden .

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es notwendig, einen Schallerzeuger an einer ersten definierten Position PI an dem Körper anzuordnen. Des Weiteren sind

Schallerfassungsvorrichtungen zur Erfassung von Schallsignalen S2 bis S4 an definierten Positionen P2 bis P4 anzuordnen. In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt die Erfassungsposition eines Schallsignals möglichst exakt am Erzeugungspunkt des Schallimpulses,

jedenfalls nur so knapp daneben, wie es technologisch möglich bzw. sinnvoll ist.

An einer ersten definierten Position PI wird sodann ein

Schallimpuls Sl erzeugt, welcher mit der

Ausbreitungsgeschwindigkeit v durch das Material des

Festkörpers voranschreitet. Um später ein als Schallsignal S2 bis S4 detektierbares Signal vorzufinden ist es notwendig, dass die Anregungsdauer des erzeugten Schallimpulses kleiner ist als die kürzeste Translationsdauer des Schallimpulses im Körper von der Anregung bis zu einem Defekt und zurück zum nächstliegenden Empfänger. Des Weiteren ist es erheblich, dass der Schallimpuls bei seiner Anregung Schwingungen mit

Frequenzen bzw. Wellenlängen enthält, welche in der

Größenordnung des zu detektierenden Defektes anzusiedeln sind. Müssen beispielsweise Defekte in der Größenordnung von 1 mm detektiert werden, so ist es notwendig, dass der Schallimpuls Schwingungen enthält, deren Wellenlänge in der Größenordnung eines Millimeters oder darunter ausgebildet sind, da ansonsten das physikalische Auflösungsvermögen zur Detektion dieses Defektes nicht ausreichend ist.

Die erfindungsgemäße Erfassung der Schallsignale S2 bis S4 erfolgt analog zum oben beschriebenen Stand der Technik, sodass Oberflächenschwingungen am Körper durch entsprechend empfindliche Mikrofone oder vergleichbare Anordnungen

aufgenommen werden. In einem weiteren Verfahrensschritt werden die Schallsignale S2 bis S4 analysiert und über mathematische Methoden dahingehend überprüft, ob sie von dem Defekt in Form einer Reflektion oder Transmission abstammen, oder ob sie eventuell als direkt von dem Signalgeber ausgesendeten

Schallimpuls zum Erfassungspunkt an den jeweiligen definierten Positionen P2 bis P4 gelangt sind. Als Analysemethode bieten sich hierbei spektrale Analysen, Phasenanalysen sowie diverse Transformationen, insbesondere eine avelet-Transformation, an .

Nach der Identifizierung der Abstammung der einzelnen

Schallsignale S2 bis S4 von einem Defekt werden die Laufzeiten der Schallsignale T2 bis T4 bis zu den jeweiligen Positionen ermittelt. Hierbei können entweder die LaufZeitdifferenzen der einzelnen ankommenden Signale an den jeweiligen definierten Positionen herangezogen werden oder es kann über die

Zeitgebung beim Anregungszeitpunkt des Schallimpulses auch eine absolute LaufZeitmessung am Ort der Anregung erfolgen.

Kern der Erfindung ist sodann, dass die Position des Defekts durch die Berechnung von Hyperbelbahnen erfolgt, wobei die Hyperbeln, welche im Inneren des Körpers liegen, zur

Betrachtung herangezogen werden.

Eine Hyperbel ist definiert als die Menge aller Punkte der Zeichenebene, für die die absolute Differenz der Abstände zu zwei gegebenen Punkten auf der Hauptachse der Hyperbel, den sogenannten Brennpunkten, konstant gleich 2a ist. Übertragen auf das erfindungsgemäße Verfahren ergibt sich daraus, dass eine erste Hyperbel Hl als Menge aller Punkte deren

Laufzeitdifferenz T2 zu T3 berechnet werden kann, wenn die Brennpunkte mit den Erfassungspunkten P2 und P3 und die erste reelle Halbachse 2ai entlang der Verbindungsgerade P2-P3 gegeben ist.

Entsprechend können mindestens eine weitere Hyperbel H2 aus der Laufzeitdifferenz T3 zu T4 mit den Brennpunkten P3 und P4 berechnet werden. Durch die Ermittlung des Schnittpunktes der ersten Hyperbel sowie der zweiten Hyperbel im Inneren des Körpers ergibt sich als Positionskoordinate der Defekt. In einer zweckmäßigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die entsprechenden

Verfahrensschritte analog für mindestens eine weitere Position P5 ausgeführt werden, und die dadurch zur Verfügung stehenden weiteren Hyperbeln H3 bis H5 berechnet und miteinander

geschnitten werden.

Auf diese Weise kann die Präzision des Verfahrens zur

Positionsermittlung weiter erhöht werden.

In einer weiteren zweckmäßigen Fortbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass mindestens zwei Positionen der Erfassung eines Schallsignals in unterschiedlichen, zueinander

parallelen Schnittebenen im Körper liegen.

Durch die Anordnung der Erfassungspositionen außerhalb einer einzigen Ebene wird die Möglichkeit gegeben, die Position des Defekts im Volumen, also nicht mehr rein lateral, sondern nun dreidimensional zu ermitteln.

In einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Erzeugung des Schallimpulses

mechanisch, vorzugsweise durch einen Impulshammer und/oder thermisch, vorzugsweise durch elektromagnetische Induktion und/oder durch Ausrichtung magnetischer Momente, vorzugsweise durch supraleitungstechnisch erzeugte Magnetfelder erfolgt.

Wie eingangs beschrieben ist es wichtig, den später zur

Analyse herangezogenen Schallimpuls mit definierten

Eigenschaften an einer ersten Position PI am Körper zu

erzeugen. Eine erste technische Realisierungsmöglichkeit zur Erzeugung eines entsprechenden Schallimpulses ist durch einen Impulshammer gegeben. Der Impulshammer erzeugt ein ausreichend präzises Schallsignal, welches jedoch keinen definierten

Wellenzug enthält, sondern als Überlagerung einer Vielzahl von Frequenzen anzusehen ist. Die Reproduzierbarkeit zweier aufeinanderfolgender Impulse stellt hierbei ein technisches Problem dar, wobei insbesondere im Bezug auf die

Auftreffenergie, die Auftreffdauer, die Kontaktfläche sowie andere impulsrelevante Parameter mittlerweile ausreichend hohe Reproduzierbarkeiten erfüllt sind.

Problematisch bei der Anregung mittels eines Impulshammers ist, dass stets eine stehende Welle in Material zu erwarten sein wird, welche sich aufgrund der Vielzahl der vorhandenen Anregungsfrequenzen ausbildet. Die Messung des Schallsignals an den zu erfassenden Positionen sollte daher in einem

Zeitraum erfolgen, welcher gegenüber dem Zeitpunkt der

Ausbildung einer stehenden Welle im Körper verkürzt ist.

Um eine Analyse des entsprechenden Schallimpulses auch zu einem späteren Zeitpunkt durchführen zu können, sind

gegebenenfalls höhere mathematische Methoden anzuwenden, um beispielsweise aus dem erfassten Signal die bestehenden stehenden Wellen oder andere Störsignale herauszufiltern .

Um eine Erfassung eines entsprechenden Schallimpulses an den Erfassungspositionen einfacher und damit aussagekräftiger zu machen wäre es von Vorteil, den Schallimpuls als eine Art Rechteckimpuls auszubilden, wobei dem Rechtseckimpuls im

Bereich seiner vorliegenden oberen Amplitude eine

Frequenzmodulation überlagert ist und diese Frequenz eine Wellenlänge im Größenordnungsbereich des zu erfassenden

Defekts aufweist.

Um einen derart angestrebten Impuls als Schallsignal

ansatzweise zu erzeugen, schlägt die Erfindung zwei weitere Anregungsweisen, welche neben dem Impulshammer zur Verfügung stehen können, vor.

Zum einen besteht die Möglichkeit, einen Schallimpuls mittels einer thermischen Schockwelle im Material zu erzeugen. Eine thermische Schockwelle kann beispielsweise durch die

punktuelle Anregung bzw. Erwärmung des Materials mittels eines Lasers generiert werden, oder aber bei ausreichenden

Materialeigenschaften durch eine magnetische Induktion und eine daraus resultierende Erwärmung erfolgen. Relevant dabei ist stets, dass die Anregungsdauer, und somit die Ausdehnung des als Rechteckimpuls loszuschickenden

Wellenpakets sehr kurz gegenüber der Wärmeleit-Zeitskala ausgebildet ist, sodass keine Verbreiterung aufgrund von

Wärmeleitungseffekten des zu analysierenden Schallimpulses erfolgt. Zur Abstimmung der Erzeugungsparameter des jeweiligen Anregungsverfahrens, insbesondere des Anregungsverfahrens der magnetischen Induktion ist es notwendig, die Resonanzfrequenz der Gitterschwingungen im Körper zu kennen und diese mit derjenigen Anregungsamplitude abzustimmen, welche eine

zerstörungsfreie Anregung (ohne thermische Gitterdefekte zu erzeugen) zulässt. Als aufmodulierte Schwingungsfrequenz ist sodann die Eigenfrequenz der Gitterpunkte zu wählen, welche sodann als auch den Anregungsimpuls aufmodulierte

Ultraschallschwingung sich als Schallsignal durch den Körper fortsetzt. Zur Erzeugung eines Schallimpulses mittels

magnetischer Induktion, welche auf thermische Effekte

innerhalb des Körpers zielt, ist es notwendig, dass der Körper eine entsprechende Magnetisierbarkeit und Leitfähigkeit aufweist, um durch die magnetische Induktion eine thermische Schockwelle erzeugen zu können.

Eine weitere Anregungsmethode zur Erzeugung eines definierten Schallimpulses ist durch die erzwungene Ausrichtung der magnetischen Momente, vorzugsweise durch

supraleitungstechnisch erzeugte Magnetfelder, gegeben. Jeder Gitterpunkt im Inneren eines Festkörpers besitzt ein lokales magnetisches Moment. Dieses lokale magnetische Moment lässt sich durch ein starkes lokales Magnetfeld, welches in der Größenordnung von vier Tesla oder mehr anzusiedeln ist, und lokal auf einen Bereich von wenigen Kubikmillimetern

beschränkt ist (10 bis 50 mm³) ausrichten. Bei bekannter

Resonanzfrequenz und bekannter zerstörungsfreier

Anregungsamplitude für das entsprechende Gitter ist es

möglich, durch supraleitungstechnisch erzeugte magnetische Wechselfelder, wobei die magnetischen Wechselfelder auch anderweitig in der benötigten Stärke erzeugt werden können, eine lokale Ausrichtung der magnetischen Momente

herbeizuführen, welche nach -einer extrem kurzen Zeitdauer, in der Regel im Bereich von wenigen Nanosekunden, erfolgt- Auf diese Weise werden lokale Gitterschwingungen erzeugt, welche sodann als Schwingungsimpuls bzw. Schallimpuls durch den

Körper voranschreiten und an vorliegenden Defekten, bzw.

Grenzflächen, Reflektionen oder Transmissionen erfahren, die sodann nach dem erfindungsgemäßen Verfahren detektiert werden können .

In einer zweckmäßigen Ausführung des erfindungsgemäßen

Verfahrens ist vorgesehen, dass die Wellenlänge des

Schallsignals im Körper ca. 0,1 mm bis 3 mm, vorzugsweise 0,5 mm bis 1 mm beträgt, und die Frequenz des Schallsignals > 200 MHz ist. Als zweckmäßig herausgestellt haben sich

Wellenlängen im Bereich von 1 mm, und Frequenzen im Bereich von ca. 100 MHz .

In einer überdies zweckmäßigen Ausführung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Erfassung des Schallsignals mittels mindestens einem Laser-Interferometer erfolgt. Die

Schallsignalerfassung bedarf einer erheblichen Präzision, sodass sich die bereits aus dem Stand der Technik bekannten Laser-Interferometer anbieten, auch in diesem Fall zum Einsatz zu kommen. Grundsätzlich sind jedoch auch andere

Schallerfassungsmethoden möglich, welche die ausreichende Präzision und Signalempfindlichkeit aufweisen.

In einer überdies zweckmäßigen Ausführung des

erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Anordnung von

mindestens drei Erfassungspositionen in einem radialen Sektor von 120° und/oder mindestens eine Erfassungsposition axial versetzt, vorzugsweise auf einer gegenüber einer ersten

Erfassungsposition veränderten Erfassungsfläche gerichtet vorgesehen .

Eine diesbezügliche Anordnung der Erfassungspositionen

ermöglicht es, den ausgesendeten Schallimpuls an allen

Erfassungspositionen zu detektieren, bevor eine vollständige Translation durch den gesamten Körper erfolgt ist. Auf diese Weise werden Störeffekte durch ausbildende stehende Wellen oder Oberflächengrenzen des Körpers reduziert.

In einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die berechneten Hyperbeln durch

geometrische Rotation in Hyperboloide überführt werden, deren Schnittlinien im Inneren des Körpers die Positionskoordinate des Defekts liefern.

Zur Positionsermittlung eines Defekts in einem Körper kann es notwendig sein, anstatt der Berechnung von zweidimensionalen Hyperbeln in unterschiedlich zueinander ausgerichteten Ebenen dreidimensionale Hyperboloide heranzuziehen, um somit auf die Betrachtung der Ebenen, in welchen sich die Hyperbeln

ausbilden, verzichten zu können. Dies erleichtert

gegebenenfalls den notwendigen Rechenaufwand bei der Analyse und der Ermittlung der Defektposition.

In einer zweckmäßigen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass der zu analysierende Körper ein scheibenförmiger Rotationskörper, insbesondere ein

Eisenbahnrad ist und an mindestens drei definierten Positionen zur Schallerfassung radial, vorzugsweise in einem radialen Sektor von 90° bis 120°, sowie mindestens einer weiteren definierten Position zur Schallerfassung axial versetzt analysiert wird.

Auf diese Weise kann mit der geringsten notwendigen Anzahl von Erfassungsvorrichtungen eine Untersuchung an einen

scheibenförmigen Rotationskörper, insbesondere einem

Eisenbahnrad erfolgen, und eine Lokalisierung von darin befindlichen Defekten herbeigeführt werden.

Ergänzend zu den oben getroffenen Ausführungen des

erfindungsgemäßen Verfahrens ist klarzustellen, dass Defekte jegliche Art von Schall-Reflektionssteilen im und/oder an dem zu analysierenden Körper darstellen. So ist beispielsweise bei einem Eisenbahnrad auch die Durchführung der Radachse, die Radnabe oder andere Grenzflächen in der Lage, Schallimpulse zu reflektieren. Es liegt somit in der Natur des Verfahrens, dass im Rahmen der Analyse des erfassten Schallsignals auch dessen Abstammung von einem Defekt die Information ermittelt wird, ob sich dieser Defekt nunmehr auf ein konstruktiv bedingtes

Grenzflächenphänomen zurückführen lässt oder ob ein

tatsächlicher Materialdefekt im Inneren des Körpers vorhanden ist. Selbstverständlich besteht auch die Möglichkeit, den entsprechenden Körper zuerst auf seine konstruktiv bedingten akustischen Grenzflächen hin zu untersuchen und somit ein entsprechendes Volumenbild bereitzustellen.

Zum besseren Verständnis bzw. zur näheren Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens sollen im folgenden

Ausführungsbeispiel einige Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens exemplarisch dargestellt werden. Die Erfindung ist jedoch nicht auf das gezeigte Ausführungsbeispiel beschränkt, sie umfasst vielmehr all diejenigen Ausführungen, welche von erfindungsgemäßen Gedanken Gebrauch machen.

Es zeigen im Rahmen des Ausführungsbeispiels

Figur 1 eine schematische Darstellung der Anregung bzw.

Erfassungspositionen an einem Eisenbahnrad

Figur 2 eine Anordnung entsprechender

Erfassungsvorrichtungen an einem Eisenbahnwagon

Figur 3 eine Detaildarstellung eines Eisenbahnrads

Figur 4 eine schematische Darstellung eines idealen

Schallimpulses

Figur 5 eine schematische Darstellung eines reellen

Schallimpulses .

Im Einzelnen zeigt Figur 1 eine schematisch-exemplarische Darstellung der auszuführenden Anordnung der

verfahrensrelevanten Positionen an einem Radreifen 1 eines Eisenbahnwagons . Aufgrund der verbesserten Übersichtlichkeit wurde auf eine Anordnung eines Schallimpulsgebers 2 und der dazugehörigen Position PI Entdeckung mit einer der zu

betrachtenden Erfassungspositionen verzichtet.

Figur 1 zeigt somit die Anordnung eines Schallimpulsgebers 2 in einer Position PI, welcher ein Schallsignal Sl aussendet. Das Schallsignal breitet sich im Radreifen 1 als Kugelwelle aus und erreicht nach einer LaufZeitdauer Tl einen Defekt 3, wobei es an dem Defekt 3 derart reflektiert wird, dass es nach dem Huygensschem Prinzip vom Defekt 3 ausgehend als neue

Kugelwelle im Körper des Radreifens 1 voranschreitet.

Ausgehend vom Defekt 3 erreicht das Schallsignal die weiteren Erfassungspositionen P2 bis P4 über den Weg der

Schallsignale S2, S3, S4. An den Erfassungspositionen P2 bis P4 sind entsprechende Laser-Interferometer LI bis L3

angeordnet, welche das Schallsignal an der Oberfläche des Radreifens 1, insbesondere an seiner Lauffläche 4 erfassen. Die Anordnung der Erfassungspositionen P2 bis P4 erfolgt in einem Halbraum des Radreifens 1, sodass eine Detektion der Schallsignale S2 bis S4 erfolgt, bevor reflektierte

Schallsignale von einer Achse 5 des Radreifens 1 an den

Erfassungspositionen P2 bis P4 ankommen.

Die Laser-Interferometer LI bis L3 weisen jeweils einen einfallenden Laserstrahl 6, welcher auf das zu analysierende Objekt, insbesondere auf die Erfassungsposition gerichtet ist, auf. Von der jeweiligen Erfassungsposition wird der

einfallende Laserstrahl 6 reflektiert und als reflektierter Laserstrahl 7 zum Laser-Interferometer zurückgeführt. Über den Versatz der analysierten Oberfläche an der jeweiligen

Position P2 bis P4 und die Interferenz der einfallenden

Laserstrahlen 6 und reflektierten Laserstrahlen 7 kann eine Information über die Schwingung der Oberfläche an der

Position P2 bis P4 erhalten werden, welche wiederum

Rückschluss auf das dort ankommende akustische Schallsignal bietet .

Ausgehend von den Signalen, welche an den Laser- Interferometern LI bis L3 ermittelt werden, und der zueinander im Verhältnis gebrachten Zeitdauer bis zur Ermittlung der jeweiligen Signale, lassen sich die Laufzeiten der

Schallsignale S2 bis S4, und damit die Abstände des Defekts 3 von den Erfassungspunkten P2 bis P4 ermitteln. Die Abstände wären damit dahingehend gegeben, dass der Defekt 3 auf

Kugelkappen um die Erfassungspositionen P2 bis P4 zu finden sein muss, wobei der Radius der jeweiligen Kugelkappen aus der Laufzeit des Schallimpulses vom Defekt 3 zu der jeweiligen Erfassungsposition P2 bis P4 und der Schallgeschwindigkeit im Radreifen 1 zu ermitteln wäre. Aus Gründen der

Übersichtlichkeit wurde auf eine Einzeichnung der

entsprechenden Radien in der Figur 1 verzichtet.

Eine Analyse der Position des Defekts 3 aufgrund der eben diskutierten Kugelkappen ist jedoch nicht ohne Weiteres möglich, da einerseits keine eindeutige Lösung eines

Schnittpunktes gegeben ist, andererseits auch die Laufzeit des Schallsignals Sl vom Schallimpulsgeber 2 zum Defekt 3 eine Unbekannte darstellt. Die entsprechenden Kugelkappen bieten jedoch Aufschluss darüber, in welchem Raumabschnitt der Defekt zu lokalisieren ist, sodass im Rahmen der Auswertung bereits entsprechende unrealistische Größen verworfen werden und damit nicht berechnet werden müssen.

Über die mathematische Lösung einer Hyperbelgleichung besteht sodann die Möglichkeit, eine erste Hyperbel Hl zu berechnen, deren Brennpunkte durch P2 und P3 gegeben ist, und auf deren Verlauf im entsprechend zu betrachtenden Volumenabschnitt des Radreifens 1 der Defekt 3 vorliegen muss. Die erste Hyperbel Hl ist vorliegend als gestrichelte Linie dargestellt.

Des Weiteren besteht die Möglichkeit zur Berechnung einer zweiten Hyperbel H2, deren Brennpunkte durch P3 sowie P4 gegeben sind. Die zweiten Hyperbel H2 ist vorliegend durch eine Strich-Punkt-Linie dargestellt.

Der Schnittpunkt der ersten Hyperbel Hl und der zweiten

Hyperbel H2 ergibt die Position des Defekts 3 im Radreifen 1. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurde im Rahmen der Figur 1 auf die Darstellung weiterer Erfassungspunkte sowie die

Einzeichnung weiterer Hyperbeln verzichtet. Auf die

Ausführungen im Rahmen der Diskussion des

erfindungswesentlichen Gegenstandes wird hiermit verwiesen.

Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines

Eisenbahnwagons 20 mit einer an seiner Unterseite angeordneten Achse 21, an deren Ende ein Radreifen 1 mit einer Lauffläche 4 angeordnet ist. Der Radreifen 1 läuft mit seiner Lauffläche 4 auf einer Schiene 22, wobei dies für die Analyse nicht

zwingend erforderlich ist. Schematisch dargestellt ist die Anordnung eines Laser-Interferometers LI in Richtung der

Lauffläche 4 sowie eines Laser-Interferometers L4 an einer weiteren Position P5, welche in axialer Richtung versetzt angeordnet ist. Auf diese Weise kann die dreidimensionale Koordinate eines Defekts in einem Eisenbahnrad analysiert werden. Es besteht jedoch die Möglichkeit, entsprechende

Laser-Interferometer auch in Analysevorrichtungen einzubauen, welche beispielsweise nicht fest an einem Eisenbahnwagon 20 montiert sind, sondern in einer Wartungsstation an einen

Radreifen 1 eines Eisenbahnwagons oder einer Lokomotive angebracht werden können und somit eine Wartung bzw.

Defektanalyse an dem Radreifen 1 vorzunehmen.

Figur 3 zeigt eine vergrößerte Darstellung des Radreifens 1 mit seiner Lauffläche 4 und der Achse 21. Dem Radreifen 1 ist in Figur 3 schematisch ein Defekt 3 dargestellt, welcher auf einen Segment eines Hyperboloiden 30 um eine

Erfassungsposition P angeordnet ist. Auf die Einzeichnung entsprechender weiterer Erfassungspositionen und dazugehöriger Hyperboloidenschnitte wurde vorliegend verzichtet. Deren

Schnittpunkte wurden jedoch zur Koordinate des Defekts 3 führen .

Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung eines idealen zu erzeugenden Schallimpulses 40, welcher vorliegend als

Amplitudensignal A über der Zeit t aufgetragen ist. Das

Amplitudensignal A weist an seiner Anregungsflanke 41 einen steilen, nahezu sprunghaften Anstieg auf eine gewünschte Amplitude AI auf, wobei sodann auf der Amplitude AI aufmoduliert ein Schallsignal 42 mit einer definierten

Wellenlänge vorgesehen ist. Nach Ablauf der Zeitdauer At für die Anregungsdauer des Signalimpulses 40 fällt die Amplitude ausgehend von der Anregungsamplitude AI über die

Abklingflanke 43 nahezu sprunghaft ab, sodass das erzeugte Wellenpaket in Form eines Schallimpulses durch den zu

analysierenden Körper voranschreiten kann.

Figur 5 zeigt eine schematische Darstellung eines reellen Signalimpulses 50, welcher ebenfalls einen Anstieg auf eine Anregungsamplitude AI aufweist. Die Anregungsflanke 51 ist hierbei steil jedoch nicht sprunghaft ausgebildet, da sich ein entsprechendes Anregungssignal im Körper erst ausbilden muss. Das aufmodulierte Schallsignal 52 entspricht in seiner

Wellenlänge ebenfalls der Größenordnung der zu analysierenden Defekte. Soweit nach erfolgter Anregung des Signalimpulses 50 die Anregung einfach abgeschaltet wird, ergibt sich eine reelle Abklingflanke 53, welche aufgrund der gegebenen

Materialgrößen, wie beispielsweise Gitterelastizität oder ähnliches erklärt werden kann. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit durch Anlegung eines entsprechenden statischen Feldes, beispielsweise eines Magnetfeldes zur Fixierung der lokalen magnetischen Momente ohne aufmoduliertes Wechselfeld eine Art festhalten der Gitterschwingungen vorzunehmen, wodurch sich eine wesentlich steilere Abklingflanke 54 bei angelegtem Haltefeld ergibt.

Je nach Anwendungsfall können die entsprechenden

Anregungssignale aufgrund ihrer jeweilig vorteilhaften

Eigenschaften eingesetzt werden und bieten somit Zugang zur notwendigen Analysepräzision. Bezugszeichenliste :

Sl Schallimpuls

S2, S3, S4 Schallsignal

Tl, T2, T3,_T4 Schalllaufzeit

PI Anregungsposition

P, P2, P3, P4, Erfassungsposition

LI, L2, L3, L4 Laser- Interferometer

Hl, H2 Hyperbeln

1 Radreifen

2 Schall-Impulsgeber

3 Defekt

4 Lauffläche

5 Achse

6 Einfallender Laserstrahl

7 Reflektierter Laserstrahl

20 Eisenbahnwagon

21 Achse

22 Schiene

30 Hyperboloid-Schnitt

40 Signalimpuls (ideal)

41 Anregungsflanke

42 Schallsignal

43 Abklingflanke

AI Anregungsamplitude

A Amplitude

t Zeit

At Impulsdauer

50 Signalimpuls (reell)

51 Anregungsflanke

52 Schallsignal

53 Abklingflanke (reell) 54 Abklingflanke bei Haltefeld

Claims

Ansprüche :

1. Verfahren zur absoluten lateralen Positionserfassung eines Defekts in einem Körper mit einer bekannten

Ausbreitungsgeschwindigkeit für akustische Wellen bzw. Schall, wobei folgende Verfahrensschritte umfasst werden: a) Erzeugen eines Schallimpulses Sl an einer ersten

definierten Position PI an dem Körper;

b) Erfassen eines Schallsignals S2 an einer zweiten

definierten Position P2 an dem Körper;

c) Erfassen eines Schallsignals S3 an einer dritten

definierten Position P3 an dem Körper;

d) Erfassen eines Schallsignals S4 an einer vierten

definierten Position P4 an dem Körper, wobei die

Positionen PI bis P4 einen Abstand voneinander aufweisen; e) Analysieren der Schallsignale S2 sowie S3 und S4 in Bezug auf deren Abstammung von dem Defekt in Form einer

Reflexion oder Transmission;

f) Ermittlung der Laufzeiten T2 sowie T3 und T4 der

Schallsignale S2 bis S4 ausgehend vom Defekt zur

jeweiligen Position P2 bis P4;

g) Berechnung einer ersten Hyperbel Hl als Menge aller

Punkte deren Laufzeitdifferenz T2 zu T3 ist, mit den Brennpunkten P2 und P3 und einer ersten reellen Halbachse 2ai entlang der Verbindungsgerade P2-P3;

h) Berechnung einer zweiten Hyperbel H2 als Menge aller

Punkte deren Laufzeitdifferenz T3 zu T4 ist, mit den Brennpunkten P3 und P4 und einer zweiten reellen

Halbachse 2a₂ entlang der Verbindungsgerade P3-P4;

i) Ermitteln eines Schnittpunktes der ersten Hyperbel Hl und der zweiten Hyperbel H2 im Inneren des Körpers als

Positionskoordinate des Defekts.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahrensschritte c) bis i) analog für mindestens eine weitere Position P5 ausgeführt werden, wobei mindestens eine dritte Hyperbel H3 als Menge aller Punkte deren Laufzeitdifferenz T4 zu T5 ist, mit den Brennpunkten P4 und P5 und/oder eine vierte Hyperbel H4 als Menge aller Punkte deren Laufzeitdifferenz T2 zu T5 ist, mit den Brennpunkten P2 und P5 und/oder eine fünfte Hyperbel H5 als Menge aller Punkte deren Laufzeitdifferenz T3 zu T5 ist, mit den Brennpunkten P3 und P5 berechnet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 zur Erfassung einer absoluten Position eines Defekts im Volumen, dadurch

gekennzeichnet, dass mindestens zwei Positionen zur Erfassung eines Schallsignals in unterschiedlichen, zueinander

parallelen Schnittebenen in dem Körper liegen.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugung des Schallimpulses

mechanisch, vorzugsweise durch einen Impulshammer und/oder thermisch, vorzugsweise durch elektromagnetische Induktion und/oder durch Ausrichtung magnetischer Momente, vorzugsweise durch supraleitungstechnisch erzeugte Magnetfelder erfolgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, das in einem vorangehenden Verfahrensschritt die Schallgeschwindigkeit in dem Körper gemessen, insbesondere über eine LaufZeitmessung im Körper ermittelt wird, und

vorzugsweise weitere Materialkonstanten bestimmt werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlänge des Schallsignals im

Körper ca. 0,1 mm bis 3 mm, vorzugsweise 0,5 mm bis 1mm

nd/oder die Frequenz des Schallsignals größer 2,5 MHz ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassung des Schallsignals mittels mindestens einem Laser-Interferometer erfolgt.

8. Verfahren nach Anspruch 2 und einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung von mindestens drei der Erfassungspositionen in einem radialen Sektor von 120° und/oder mindestens eine Erfassung axial versetzt, vorzugsweise auf eine gegenüber einer anderen

Erfassungsposition veränderten Erfassungsfläche gerichtet sind .

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die berechneten Hyperbeln durch

geometrische Rotation in Hyperboloide überführt werden, deren Schnittlinien im Inneren des Körpers die Positionskoordinate des Defekts liefern.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper ein scheibenförmiger

Rotationskörper, insbesondere ein Eisenbahnrad ist und an mindestens drei definierten Positionen zur Schallerfassung radial, vorzugsweise in einem radialen Sektor von 90° bis 120°, sowie mindestens eine weitere definierte Position zur Schallerfassung axial angeordnet ist.