WO2005119243A1 - Vorrichtung zur akustischen untersuchung eines messobjektes - Google Patents

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WO2005119243A1
WO2005119243A1 PCT/EP2005/052504 EP2005052504W WO2005119243A1 WO 2005119243 A1 WO2005119243 A1 WO 2005119243A1 EP 2005052504 W EP2005052504 W EP 2005052504W WO 2005119243 A1 WO2005119243 A1 WO 2005119243A1
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ultrasound
ultrasound pulse
sound
pulses
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PCT/EP2005/052504
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Hubert Mooshofer
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/34—Generating the ultrasonic, sonic or infrasonic waves, e.g. electronic circuits specially adapted therefor
    • G01N29/348—Generating the ultrasonic, sonic or infrasonic waves, e.g. electronic circuits specially adapted therefor with frequency characteristics, e.g. single frequency signals, chirp signals
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    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/26—Scanned objects
    • G01N2291/262—Linear objects
    • G01N2291/2623—Rails; Railroads

Definitions

  • the invention relates to a device for acoustically examining a measurement object, which is provided with a transmitter / receiver unit for ultrasound radiation, ultrasound pulses being emitted into the measurement object and object-related reflections of the ultrasound pulses being detectable.
  • a corresponding device for the acoustic examination of railroad tracks is shown in US 4,174,636.
  • Ultrasonic measurement methods have proven to be advantageous and reliable for the investigation of material properties of large-area objects, such as, for example, railroad tracks, in particular for the detection of defects.
  • ultrasound is sent from a sound transducer into the object to be examined, reflected there and detected by the same or another sound transducer for further evaluation.
  • US 4 174 636 discloses a device for fault detection on railroad tracks.
  • This disclosure is an ultrasound measurement device that must be passed over a rail for examination along it.
  • ultrasound transducers are arranged in the direction of the measurement object, with which ultrasound pulses can be emitted and received after reflection. Based on the transit time and the amplitude of the ultrasonic pulses, the position and size of defects in the measurement object can be determined.
  • a single ultrasound pulse is necessary, the portion of which reflected in the measurement object provides information about the material state.
  • the duration of such a single measurement is composed in particular of the transit time of the ultrasound pulse from the transmitter to the rear wall of the object to be examined and back to the receiver, plus the decay time of echoes, caused by multiple reflections at interfaces and imperfections.
  • several individual measurements must be carried out accordingly.
  • the speed at which such a large-area object can be examined is limited by the above-mentioned individual measurement duration. Because only after the echoes of the immediately preceding ultrasound pulse have subsided can a next ultrasound pulse be transmitted in order to be able to clearly interpret the received signals.
  • the maximum speed at which the entire measurement object can be examined generally results from the quotient of the dimension of the measurement range and the measurement duration of an individual measurement.
  • the invention with the features mentioned at the outset is characterized in that successive first and second ultrasound pulses with different basic frequencies, each assigned its own frequency band, can be emitted into the measurement object, and that object-related reflections of the first ultrasound pulse together with object-related reflections of the second ultrasound pulse with the Transmitter / receiver unit can be detected and assigned to the corresponding ultrasound pulses.
  • the invention is based on the knowledge that sound transducers which are designed in such a way that they can emit ultrasound pulses with frequencies in a specific frequency band can primarily only receive ultrasound pulses whose frequencies lie in this specific frequency band.
  • sound transducers which are designed in such a way that they can emit ultrasound pulses with frequencies in a specific frequency band can primarily only receive ultrasound pulses whose frequencies lie in this specific frequency band.
  • the second ultrasound pulse has to be waited until the echoes of the first ultrasound pulse have fallen to a negligible level.
  • the examination of a measurement object that is particularly extensive thus takes many times longer than with the device according to the invention.
  • the fundamental frequency of an ultrasound pulse emitted by a sound transducer is that frequency of a frequency band with the maximum intensity. It is also the frequency of a frequency band with the greatest sensitivity in the respective transducer.
  • the transmitting / receiving unit contains at least one sound transducer with at least two assigned basic frequencies. With such an particularly compact transmitter / receiver units can be implemented.
  • the transmitting / receiving unit contains several sound transducers. With a suitable arrangement of the individual sound transducers, a larger measurement range per unit of time can thus be recorded, depending on the dimensions of the measurement object to be examined.
  • the transmitter / receiver unit contains at least two sound transducers, each with an assigned fundamental frequency.
  • conventional sound transducers can be used, which are characterized by high operational reliability and simplicity.
  • At least one first sound transducer for emitting ultrasound pulses into the measurement object and at least one second sound transducer for receiving object-related reflections of the ultrasound pulses from the measurement object are provided.
  • the device according to the invention can thus be operated in the so-called “pitch-catch” mode. This has the advantage that in this mode the surface echo is weakened and thus better detection of defects near the surface is achieved
  • special sound transducers are used which are only designed for sending or receiving. Such sound transducers usually work more precisely and are more compact than combined sound transducers.
  • a variant is also possible in which at least one sound transducer is provided both for sending ultrasound pulses into the measurement object and for receiving object-related reflections of the ultrasound pulses from the measurement object.
  • the device according to the invention can thus be operated in the so-called “pulse-echo” mode.
  • the ultrasound pulses of different fundamental frequency can thus also be operated vertically the measuring object are irradiated, where they are reflected and return to the sound transducer in the same way.
  • the device according to the invention is used in particular in the determination of the material condition of railroad tracks. It is particularly advantageous here to have a measuring device available whose measuring speed can be many times higher than in the prior art. Since the section of railroad track to be examined generally extends over many kilometers, an increase in the measuring speed significantly influences the total measuring time.
  • FIG. 1 shows two frequency spectra with different fundamental frequencies
  • FIG. 2 a schematically shows an examination of a measurement object with a defect by means of a transmitting / receiving unit with two sound transducers of the same fundamental frequency
  • FIG. 3 schematically represented an examination of a measurement object with a defect by means of a transmitter / receiver unit with two sound transducers of different fundamental frequency
  • FIG. 4 a) a linear arrangement of sound transducers oriented perpendicular to the direction of movement and b) a linear arrangement of sound transducers oriented parallel to the direction of movement.
  • a diagram (intensity I versus frequency f) shows two frequency spectra Iektr and I 2 with two different fundamental frequencies f x and f 2 as an example. More than two spectra with different fundamental frequencies are also conceivable.
  • the two curves corresponding to the frequency spectra 1 1 and I 2 each represent an intensity distribution of the frequencies within a corresponding frequency band ⁇ f B ⁇ and ⁇ f B2 .
  • the respective fundamental frequency fi or f 2 is the frequency which represents the maximum of the respective curve .
  • the intensity distributions Ii and I 2 can both be assigned to the ultrasound pulses emitted by the transmitter / receiver unit S / E and can also be understood as detection sensitivities of the transmitter / receiver unit S / E for the ultrasound pulses.
  • the frequency bands ⁇ f B ⁇ and ⁇ f B2 are chosen to be narrowband in particular, and are arranged relative to one another in such a way that they do not overlap or if possible overlap.
  • the relationship between the two intensity distributions with respect to the respective fundamental frequency should be considered
  • Two adjacent fundamental frequencies fi and f 2 can also be closer together.
  • the smaller the distance between the fre sequences f x and f 2 the more the corresponding two distributions I ⁇ and I 2 of the intensity and the detection sensitivity overlap, so that signals of defects, the smaller they are, are more difficult to transmit from the transmitting / receiving unit S / E can be detected and assigned.
  • the two time beams t in FIG. 2a) indicate the chronological sequence of the multiple-reflected ultrasound pulse components arriving in the respective sound transducers SW la and SW ib .
  • the time sequence indicated in FIG. 2a) is shown schematically in FIG. 2b).
  • the signal intensity I s of the reflected ultrasound pulse components received by the transmitting / receiving unit S / E is indicated on the ordinate, while the time t is plotted on the abscissa.
  • a sound transducer SW la sends an ultrasound pulse pi with the fundamental frequency fi into an error-free area of the measurement object 4 at the time t 1 o a .
  • the signals of the associated reflected ultrasound pulse portions follow one another in time in accordance with the transit times tu, t ⁇ 2 , t ⁇ 3 and t ⁇ 4 . Only after the signals of the multiply reflected ultrasound pulse components have decayed, i.e.
  • the second sound transducer SW ⁇ b emit a next ultrasound pulse pi with the same basic frequency f x into the measurement object 4 at the time t 10 b .
  • Two further signal peaks which are associated with the reflected ultrasound pulse components with the transit times t 5 and t 6 , appear in the chronological sequence and can be traced back to the defect 7 present in this area of the measurement object 4.
  • ⁇ t ia and ⁇ t ⁇ b the measuring times are indicated, which after evaluation are the desired ones Provide information about the material state of the measurement object 4.
  • the time that elapses between two ultrasonic pulses pi emitted successively by the sound transducers SW la and SW lb defines the effective measuring time Tu of a sound transducer.
  • FIG. 3a shows, analogously to FIG. 2a), as an example an examination according to the “pulse-echo” method of a measurement object 4 with a defect 7 by means of a transmitter / receiver unit S / E, but according to the invention with two sound transducers SW 1a and SW 2 different Fundamental frequencies fi and f 2.
  • the second sound converter SW 1b from FIG. 2a) was replaced by the sound converter SW 2.
  • the time sequence indicated in FIG. 3a) is shown schematically in FIG. 3b).
  • the signal intensity I s of the reflected ultrasound pulse components received by the transmitting / receiving unit S / E is indicated on the ordinate, while the time t is plotted on the abscissa.
  • the transducer SW la sends the time T I 0a an ultrasonic pulse Pi with the fundamental frequency fi in a defect-free region of the measurement object 4 from.
  • the signals of the associated reflected ultrasound pulse portions follow one another in time, corresponding to the transit times tu, t ⁇ 2 , t 13 and t i4 .
  • an ultrasonic pulse p 2 of frequency f 2 is emitted by the second sound converter SW 2 .
  • the signals of the ultrasound pulse components t 2i , t 22 , t 23 , t 24 , f 25 and t 26 assigned to the ultrasound pulse p 2 and reflected by the measurement object 4 follow in chronological order.
  • the measuring times ⁇ t ⁇ a and ⁇ t 2 thereby move closer together in time, so that the effective measuring time of a sound transducer in the exemplary embodiment according to the invention is T 2i .
  • the device according to the invention is in particular designed to be moved for a measurement relative to the measurement object 4 in order to be able to measure it overall. It is also possible to use the device according to the invention stationary on a measurement object, for example in order to examine dynamic processes such as cracking or bubble formation or also a melting process in a measurement object.
  • Arrangement 8 or 9 is to be moved relative to the measurement object 4 over its surface 5 in order to examine the measurement object 4 in the direction M shown. It is also conceivable to use linear arrangements whose longitudinal axes are not oriented perpendicular to the direction of movement M as in the case of the arrangement 8 or parallel to the direction of movement M but are at any angle to the direction of movement M. Multi-row arrangements Ren series of transducers or several flat transducers are also possible.
  • the transducers SW ⁇ a and SWIB or SW and SW 2 ia shown in the figure 2a and 3a are designed as "vertical ⁇ -Prüfkexcellent.
  • the surface 10 of the individual sound transducers, through which ultrasound pulses are emitted and through which their reflections are also received again, is arranged parallel to the surface 5 of the test object 4 to be examined.
  • the use of “angle” test heads as sound transducers is also conceivable, in which the respective surface 10 is arranged at an angle to the surface 5 of the measurement object 4 to be examined.
  • the two surfaces 10 of a pair of sound transducers are used in a particularly advantageous manner form-fittingly applied to one side surface of an angular wedge, which rests on the object surface, such that the surface normals of the surfaces 10 of both sound transducers overlap, in particular in the measurement object 4 to be examined.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur akustischen Un- tersuchung eines Messobjektes (4), die mit einer Sende-/Emp- fangseinheit (S/E) für Ultraschallstrahlung versehen ist. Da- bei sind jeweils aufeinander folgend erste und zweite Ultra- schallpulse (p1, p2) mit unterschiedlichen, jeweils einem eigenen Frequenzband zugeordneten Grundfrequenzen in das Mess- objekt (4) aussendbar. Darüber hinaus sind objektbedingte Re- flexionen des ersten Ultraschallpulses (p1) zusammen mit ob- jektbedingten Reflektionen des zweiten Ultraschallpulses (p2) mit der Sende-/Empfangseinheit (S/E) nachweisbar und den entprechenden Ultraschallpulsen (p1, p2) zuordenbar.

Description

Beschreibung
Vorrichtung zur akustischen Untersuchung eines Messobjektes
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur akustischen Untersuchung eines Messobjektes, die mit einer Sende-/Empfangs- einheit für Ultraschallstrahlung versehen ist, wobei Ultraschallpulse in das Messobjekt aussendbar und objektbedingte Reflektionen der Ultraschallpulse nachweisbar sind. Eine ent- sprechende Vorrichtung zur akustischen Untersuchung von Eisenbahnschienen geht aus der US 4,174,636 hervor.
Für die Untersuchung von Materialeigenschaften großflächiger Objekte, wie beispielsweise Eisenbahnschienen, insbesondere für das Feststellen von Fehlstellen haben sich Ultraschallmessmethoden als vorteilhaft und zuverlässig erwiesen. Dazu wird Ultraschall von einem Schallwandler in das zu untersuchende Objekt gesendet, dort reflektiert und von demselben oder einem weiteren Schallwandler zur weiteren Auswertung er- fasst.
Mit der US 4 174 636 ist eine Vorrichtungen zur Fehlerdetek- tion an Eisenbahnschienen offenbart. Bei dieser Offenbarungen handelt es sich um eine Ultraschallmessvorrichtung, die für eine Untersuchung entlang einer Schiene über diese geführt werden muss. Dabei sind in Richtung des Messobjektes ausgerichtete Ultraschallwandler angeordnet, mit denen Ultraschallpulse ausgesandt und nach Reflektion empfangen werden können. Anhand der Laufzeit und der Amplitude der Ultra- schallpulse können so Lage und Größe von Fehlstellen im Messobjekt bestimmt werden.
Zur Untersuchung eines Messobjektbereiches, der durch den Öffnungswinkel der abgestrahlten Ultraschallstrahlung gegeben ist, ist lediglich ein einziger Ultraschallpuls nötig, dessen im Messobjekt reflektierter Anteil Informationen über den Materialzustand liefert. Die Dauer einer solchen Einzelmessung setzt sich insbesondere zusammen aus der Laufzeit des Ultraschallpulses vom Sender bis zur Rückwand des zu untersuchenden Objektes und zurück zum Empfänger, zuzüglich der Abklingzeit von Echos, hervorgerufen durch Mehrfachreflektionen an Grenzflächen und Fehlstellen. Bei der Untersuchung großflächiger Objekte müssen entsprechend mehrere Einzelmessungen flächendeckend durchgeführt werden. Die Geschwindigkeit, mit der ein solches großflächiges Objekt untersucht werden kann, ist durch die voranstehend genannte Einzelmessdauer be- schränkt. Denn erst nach Abklingen der Echos des unmittelbar zuvor ausgesandten Ultraschallpulses kann ein nächster Ultra— schallpuls ausgesandt werden, um die empfangenen Signale eindeutig interpretieren zu können. Wird der nächste Ultraschallpuls noch in der Abklingphase des vorangehenden Ultra- schallpulses ausgesandt, so geht dies auf Kosten der Nachweiswahrscheinlichkeit. Die maximale Geschwindigkeit, mit der das gesamte Messobjekt untersucht werden kann, ergibt sich dabei im Allgemeinen aus dem Quotienten aus der Abmessung des Messbereiches und der Messdauer einer Einzelmessung.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die gegenüber dem Stand der Technik eine höhere Untersuchungsgeschwindigkeit bei gleicher örtlicher Auflösung und eine damit einhergehende Zeit- und Kostenersparnis ermöglichen kann.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung mit den in Patentanspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst .
Die Erfindung mit den eingangs genannten Merkmalen ist gekennzeichnet dadurch, dass jeweils aufeinander folgend erste und zweite Ultraschallpulse mit unterschiedlichen, jeweils einem eigenen Frequenzband zugeordneten Grundfrequenzen in das Messobjekt aussendbar sind, und dass objektbedingte Re- flektionen des ersten Ultraschallpulses zusammen mit objektbedingten Reflektionen des zweiten Ultraschallpulses mit der Sende-/Empfangseinheit nachweisbar und den entsprechenden Ultraschallpulsen zuordenbar sind.
Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass Schall- wandler, die derart ausgestaltet sind, dass sie Ultraschallpulse mit Frequenzen eines bestimmten Frequenzbandes aussenden können, in erster Linie nur Ultraschallpulse empfangen können deren Frequenzen in diesem bestimmten Frequenzband liegen. Dies ermöglicht bei einem Aussenden beispielsweise zweier Ultraschallpulse unterschiedlicher Grundfrequenz in ein Messobjekt eine Zuordnung der aus dem Messobjekt empfangenen Reflektionen, selbst wenn diese nahezu zeitgleich von der Sende-/Empfangseinheit registriert werden. So kann insbesondere ein reflektierter Ultraschallpuls ausgewertet werden, während gleichzeitig noch Echos des unmittelbar vorher mit unterschiedlicher Grundfrequenz ausgesandten Ultraschallpulses von der Sende-/Empfangseinheit nachgewiesen werden. Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Messvorrichtungen muss hingegen mit dem zweiten Ultraschallpuls gewartet wer- den, bis die Echos des ersten Ultraschallpulses auf ein vernachlässigbares Niveau gefallen sind. Die Untersuchung eines insbesondere ausgedehnten Messobjektes dauert damit um ein vielfaches länger als mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die Grundfrequenz eines von einem Schallwandler ausgesandten Ultraschallpulses ist diejenige Frequenz eines Frequenzbandes mit der maximalen Intensität. Sie ist damit gleichzeitig auch diejenige Frequenz eines Frequenzbandes, mit der größten Nachweisempfindlichkeit im jeweiligen Schallwandler.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung gemäß der Erfindung ergeben sich aus den von Patentanspruch 1 abhängigen Ansprüchen .
Es ist insbesondere vorteilhaft, dass die Sende-/Empfangs- einheit mindestens einen Schallwandler mit mindestens zwei zugeordneten Grundfrequenzen enthält. Mit einer solchen Aus- führungsform lassen sich besonders kompakte Sende-/Emρfangs- einheiten realisieren.
So kann bei der Vorrichtung vorgesehen sein, dass die Sende- /Empfangseinheit mehrere Schallwandler enthält . Damit kann durch eine geeignete Anordnung der einzelnen Schallwandler, abhängig von den Abmessungen des zu untersuchenden Messobjektes, ein größerer Messbereich pro Zeiteinheit erfasst werden.
Weiter ist es vorteilhaft, dass die Sende-/Empfangseinheit mindestens zwei Schallwandler mit jeweils einer zugeordneten Grundfrequenz enthält. Bei dieser Ausführungsform kann auf herkömmliche Schallwandler zurückgegriffen werden, die sich durch hohe Betriebssicherheit und Einfachheit auszeichnen.
Dabei ist vorteilhaft, dass mindestens ein erster Schallwandler zum Aussenden von Ultraschallpulsen in das Messobjekt und mindestens ein zweiter Schallwandler zum Empfangen von objektbedingten Reflektionen der Ultraschallpulse aus dem Mess- Objekt vorgesehen sind. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann so im sogenannten „pitch-catch"-Modus betrieben werden. Dies hat den Vorteil, dass in diesem Modus das Obe flächenecho abgeschwächt wird und somit eine bessere Detektion von oberflächennahen Fehlern erreicht wird. Auch können bei dieser Aus- führung der erfindungsgemäßen Vorrichtung spezielle Schallwandler benutzt werden, die nur zum Senden bzw. nur zum Empfangen ausgelegt sind. Solche Schallwandler arbeiten meist präziser und sind kompakter ausgebildet als kombinierte Schallwandler .
Ebenso ist eine Variante möglich, bei der mindestens ein Schallwandler sowohl zum Aussenden von Ultraschallpulsen in das Messobjekt als auch zum Empfangen von objektbedingten Reflektionen der Ultraschallpulse aus dem Messobjekt vorgesehen ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann so im sogenannten „pulse-echo"-Modus betrieben werden. Damit können die Ultraschallpulse unterschiedlicher Grundfrequenz auch senkrecht in das Messobjekt eingestrahlt werden, wo sie reflektiert werden und auf demselben Weg zurück zum Schallwandler gelangen. Weiter ist es möglich, das erfindungsgemäße Sensorrad mit mehreren solchen kombinierten Schallwandlern sowohl im „pulse- echo"-Modus als auch im „pitch-catch"-Modus gleichzeitig zu betreiben.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung findet insbesondere Verwendung bei der Materialzustandsbestimmung von Eisenbahnschie- nen. Hier ist es besonders von Vorteil eine Messvorrichtung zur Verfügung zu haben, deren Messgeschwindigkeit gegenüber dem Stand der Technik um ein vielfaches höher liegen kann. Da sich der zu untersuchenden Eisenbahnschienenabschnitt in der Regel über viele Kilometer erstreckt, beeinflusst ein Erhöh- nung der Messgeschwindigkeit deutlich die Gesamtmesszeit.
Dies ist wiederum mit einer erheblichen Kostenersparnis verbunden .
Bevorzugte, jedoch keinesfalls einschränkende Ausführungsbei- spiele der Erfindung werden nunmehr anhand der Zeichnung näher erläutert . Zur Verdeutlichung ist die Zeichnung nicht maßstäblich ausgeführt, und gewisse Merkmale sind nur schematisiert dargestellt. Im Einzelnen zeigt die
Figur 1 zwei Frequenzspektren mit unterschiedlichen Grundfrequenzen, Figur 2 a) schematisch dargestellt eine Untersuchung eines Messobjektes mit einer Fehlstelle mittels einer Sende-/Emρfangseinheit mit zwei Schallwandlern gleicher Grundfrequenz und b) schematisch dargestellt den zeitlichen Ablauf der in a) schematisch dargestellten Untersuchung, Figur 3 a) schematisch dargestellt eine Untersuchung eines Messobjektes mit einer Fehlstelle mittels einer Sende-/Emρfangseinheit mit zwei Schallwandlern unterschiedlicher Grundfrequenz und b) schematisch dargestellt den zeitlichen Ablauf der in a) schematisch dargestellten Untersuchung, Figur 4 a)eine lineare Anordnung von Schallwandlern senkrecht zur Bewegungsrichtung ausgerichtet und b)eine lineare Anordnung von Schallwandlern parallel zur Bewegungsrichtung ausgerichtet.
Einander entsprechende Teile sind in den Figuren 1 bis 4 mit denselben Bezugszeichen versehen.
In Figur 1 sind in einem Diagramm (Intensität I über Frequenz f) als Beispiel zwei Frequenzspektren Iχ und I2 mit zwei unterschiedlichen Grundfrequenzen f x und f2 abgebildet . Auch mehr als zwei Spektren mit unterschiedlichen Grundfre- quenzen sind denkbar. Die beiden den Frequenzspektren 11 und I2 entsprechenden Kurven stellen hier jeweils eine Intensitätsverteilung der Frequenzen innerhalb eines entsprechenden Frequenzbandes ΔfBι und ΔfB2 dar. Die jeweilige Grundfrequenz fi bzw. f2 ist dabei diejenige Frequenz, die das Maximum der jeweiligen Kurve darstellt. Die Intensitätsverteilungen Ii und I2 können sowohl den von der Sende-/Empfangseinheit S/E ausgesandten Ultraschallpulsen zugeordnet werden als auch als Nachweisempfindlichkeiten der Sende-/Empfangseinheit S/E für die Ultraschallpulse verstanden werden. Erfindungsgemäß wer- den die Frequenzbänder ΔfBι und ΔfB2 insbesondere schmalbandig gewählt, und zwar relativ zueinander derart angeordnet, dass sie sich nicht oder möglichst wenig überlappen. Insbesondere sollte dabei für das Verhältnis der beiden Intensitätsverteilungen bezüglich der jeweiligen Grundfrequenz
Figure imgf000008_0001
gelten.
Zwei benachbarte Grundfrequenzen fi und f2 können auch näher beieinander liegen. Je kleiner der Abstand zwischen den Fre- quenzen fx und f2 ist, desto mehr überlappen sich jedoch die entsprechenden beiden Verteilungen Iχ und I2 der Intensität bzw. der Nachweisempfindlichkeit, so dass Signale von Fehlstellen, je kleiner sie sind, schwieriger von der Sende-/Emp- fangseinheit S/E nachgewiesen und zugeordnet werden können.
In Figur 2a) ist zur Verdeutlichung der im Stand der Technik üblichen Vorgehensweise eine Untersuchung nach der „pulse- echo"-Methode eines Messobjektes 4 mit einer Fehlstelle 7 mittels einer Sende-/Empfangseinheit S/E mit zwei Schallwandlern SWia und SWχb gleicher Grundfrequenz fi schematisch dargestellt. Denkbar ist auch nur ein Schallwandler SWla, der sich zur Messung entsprechend entlang der Messobjektoberfläche 5 weiterbewegt. Als Beispiel und aus Gründen der Über- sichtlichkeit sind nur einige mögliche Schallwege schematisch dargestellt, die ein ausgesandter Ultraschallpuls nehmen kann, bevor er mehrfach reflektiert von der Sende-/Empfangs- einheit S/E anteilig nachgewiesen wird. Die in Figur 2a) mit Pfeilen angedeuteten Schallwege des mehrfachreflektierten Ultraschallpulses pi führen zu entsprechenden unterschiedlichen Laufzeiten der Ultraschallpulsanteile. In Figur 2a) sind bezeichnet
mit Pi ein vom Schallwandler SWla bzw. S ιb zum Zeitpunkt tioa bzw. tiob in Richtung des Messobjektes 4 ausgesandter Ultraschallpuls der Frequenz fl r mit tu die Laufzeit eines von der Oberfläche 5 des Messobjektes 4 zurück zur Sende-/Empfangseinheit S/E reflektierten Anteils des ausgesandten Ultraschallpulses pi, mit ti2, ti3 und tχ4 die Laufzeiten der von der Rückwand 6 des Messobjektes 4 zurück zur Sende-/Empfangseinheit S/E reflektierten Anteile des ausgesandten Ultraschallpulses
mit pi3< und p14< innerhalb des Messobjektes 4 von der Oberflä- ehe 5 in Richtung Rückwand 6 reflektierte Anteile des Ultraschallpulses i, mit tis die Laufzeit eines direkt von einer Fehlstelle 7 zurück zur Sende-/Empfangseinheit S/E reflektierten Anteils des ausgesandten Ultraschallpulses Pi, mit i6 innerhalb des Messobjektes 4 von der Fehlstelle 7 in Richtung Rückwand 6 reflektierter Anteil des Ultraschallpulses pi und mit ti6 die Laufzeit eines zuvor von der Fehlstelle 7 zur Rückwand 6 reflektierten, in Richtung Sende-/Empfangseinheit S/E wiederum reflektierten Anteils des ausgesand- ten Ultraschallpulses pi.
Mit den beiden Zeitstrahlen t in Figur 2a) ist die zeitliche Abfolge der in den jeweiligen Schallwandlern SWla und SWib ankommenden mehrfachreflektierten Ultraschallpulsanteile ange- deutet.
In Figur 2b) ist der in Figur 2a) angedeutete zeitliche Ablauf schematisch dargestellt. Auf der Ordinate ist die von der Sende-/Empfangseinheit S/E empfangene Signalintensität Is der reflektierten Ultraschallpulsanteile angegeben, während auf der Abszisse die Zeit t aufgetragen ist. Zunächst sendet ein Schallwandler SWla zum Zeitpunkt tιoa einen Ultraschallpuls pi mit der Grundfrequenz fi in einen fehlerfreien Bereich des Messobjektes 4 aus. Zeitlich aufeinander folgen die Signale der zugehörigen reflektierten Ultraschallpulsanteile entsprechend der Laufzeiten tu, tι2, tι3 und tι4. Erst nach Abklingen der Signale der mehrfach reflektierten Ultraschallpulsanteile, also nach Ankunft der reflektierten Ultraschallpulsanteile mit den Laufzeiten t13 und tχ4, kann der zweite Schallwandler SWχb zum Zeitpunkt t10b einen nächsten Ultraschallpuls pi mit derselben Grundfrequenz fx in das Messobjekt 4 aussenden. Hier tauchen in der zeitlichen Abfolge zwei weitere, den reflektieren Ultraschallpulsanteilen mit den Laufzeiten tι5 und tι6 zugeordnete Signalspitzen auf, die auf die in diesem Bereich des Messobjektes 4 vorhandenen Fehlstelle 7 zurückgeführt werden können. Mit Δtia und Δtχb sind die Messzeiten angegeben, die nach Auswertung die gewünschten Informationen über den Materialzustand des Messobjektes 4 liefern. Das jeweilige Signal, das beim Aussenden des Ultraschallpulses pi zum Zeitpunkt tι0a bzw. ι0 in der Sende- /Empfangseinheit hervorgerufen wird und die Signale der mehr- fach reflektierten Ultraschallpulsanteile mit den entsprechenden Laufzeiten t13, ti4, t15 und tχ6 werden dabei außer Acht gelassen. Die Zeit, die zwischen zwei nacheinander von den Schallwandlern SWla und SWlb ausgesandten Ultraschallpulsen pi vergeht, definiert die effektive Messzeit Tu eines Schallwandlers.
Figur 3a) zeigt analog zu Figur 2a) als Beispiel eine Untersuchung nach der „pulse-echo"-Methode eines Messobjektes 4 mit einer Fehlstelle 7 mittels einer Sende-/Empfangseinheit S/E, jedoch erfindungsgemäß mit zwei Schallwandlern SWla und SW2 unterschiedlicher Grundfrequenzen fi und f2. Der zweite Schallwandler SWlb aus Figur 2a) wurde dabei durch den Schallwandler SW2 ersetzt. In Figur 3a) sind weiter bezeichnet
mit p2 ein vom Schallwandler SW2 zum Zeitpunkt t20 in Richtung des Messobjektes 4 ausgesandter Ultraschallpuls der Frequenz f2, mit t2i die Laufzeit eines von der Oberfläche 5 des Messob- jektes 4 zurück zur Sende-/Empfangseinheit S/E reflektierten Anteils des ausgesandten Ultraschallpulses p2, mit t22, t23 und t24 die Laufzeiten der von der Rückwand 6 des Messobjektes 4 zurück zur Sende-/Empfangseinheit S/E reflektierten Anteile des ausgesandten Ultraschallpulses p2, mit p^ und p24» innerhalb des Messobjektes 4 von der Oberfläche 5 in Richtung Rückwand 6 reflektierte Anteile des Ultraschallpulses p2, mit t2S die Laufzeit eines direkt von einer Fehlstelle 7 zu- rück zur Sende-/Empfangseinheit S/E reflektierten Anteils des ausgesandten Ultraschallpulses p2, mit p26> innerhalb des Messobjektes 4 von der Fehlstelle 7 in Richtung Rückwand 6 reflektierten Anteils des Ultraschallpulses p2 und mit t26 die Laufzeit eines zuvor von der Fehlstelle 7 zur Rückwand 6 re lektierten, in Richtung Sende-/Empfangseinheit S/E wiederum reflektierten Anteils des ausgesandten Ultraschallpulses p2.
Mit den beiden Zeitstrahlen t in Figur 3a) ist wie in Figur 2a) die zeitliche Abfolge der in den jeweiligen Schallwandlern SWla und SW2 ankommenden mehrfachreflektierten Ultraschallpulsanteile angedeutet.
In Figur 3b) ist der in Figur 3a) angedeutete zeitliche Ab- lauf schematisch dargestellt. Auf der Ordinate ist die von der Sende-/Empfangseinheit S/E empfangene Signalintensität Is der reflektierten Ultraschallpulsanteile angegeben, während auf der Abszisse die Zeit t aufgetragen ist. Zunächst sendet der Schallwandler SWla zum Zeitpunkt tι0a einen Ultraschall- puls Pi mit der Grundfrequenz fi in einen fehlerfreien Bereich des Messobjektes 4 aus. Zeitlich aufeinander folgen die Signale der zugehörigen reflektierten Ultraschallpulsanteile entsprechend der Laufzeiten tu, tι2, t13 und ti4. Noch bevor die mehrfach reflektierten Ultraschallpulsanteile mit den Laufzeiten tχ3 und tχ4 zur Sende-/Empfangseinheit S/E gelangen, wird vom zweiten Schallwandler SW2 ein Ultraschallpuls p2 der Frequenz f2 ausgesandt. Entsprechend folgen in zeitlicher Abfolge die Signale der dem Ultraschallpuls p2 zugeordneten, vom Messobjekt 4 reflektierten Ultraschallpulsanteile t2i, t22, t23, t24, f25 und t26. Die Messzeiten Δtχa und Δt2 rücken dadurch zeitlich näher zusammen, so dass die effektive Messzeit eines Schallwandlers im erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel mit T2i gegeben ist.
Der Vergleich der Figur 2b) mit der Figur 3b) verdeutlicht, dass die effektive Messzeit T2i deutlich kürzer ist als die effektive Messzeit Tu. Es ist nahezu eine Halbierung der ef- fektive Messzeit T21 gegenüber der effektive Messzeit Tu zu erkennen.
Bei längerer Abklingzeit eines Ultraschallpulses Pi bzw. p2 ist darüber hinaus denkbar, weitere Schallwandler mit unterschiedlicher Grundfrequenz zu verwenden. Die Grenze der Erweiterung um zusätzliche Schallwandler unterschiedlicher Frequenzen wird hier allein durch den zur Verfügung stehenden Frequenzbereich beschränkt, der für Ultraschallmessungen in Abhängigkeit vom jeweils zu prüfenden Material sinnvoll ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist insbesondere dafür ausgelegt, für eine Messung relativ zum Messobjekt 4 bewegt zu werden, um dieses insgesamt vermessen zu können. Weiter ist es möglich, die erfindungsgemäße Vorrichtung auch stationär an einem Messobjekt zu verwenden, um beispielsweise dynamische Prozesse, wie Riss- oder Blasenbildung oder auch einen Schmelzprozess in einem Messobjekt zu untersuchen.
Bei ausreichender Trennung der auszusendenden unterschiedlichen Frequenzbänder ΔfB1 und ΔfB2 ist es überdies auch denkbar, Pulse unterschiedlicher Grundfrequenz £x und f2 auch gleichzeitig in das Messobjekt auszusenden. Hierzu wäre von Vorteil, mehrere Ultraschallwandler zu verwenden, die bei- spielsweise linear angeordnet sind. Zwei Beispiele einer solche Ausführungsform sind in Figur 4a) und Figur 4b) dargestellt. Beide Figuren 4a) und 4b) zeigen jeweils eine lineare Anordnung 8 bzw. 9 mit vier Schallwandlern, wobei jeweils zwei Schallwandlern SWia und SW2 mit der jeweiligen Grundfre- quenz fx bzw. f2 abwechselnd angeordnet sind. Die jeweilige
Anordnung 8 bzw. 9 ist zur Untersuchung des Messobjektes 4 in dargestellter Richtung M relativ zum Messobjekt 4 über dessen Oberfläche 5 hinwegzubewegen. Es ist auch denkbar, lineare Anordnungen zu verwenden, deren Längsachse nicht wie bei der Anordnung 8 senkrecht bzw. bei der Anordnung 9 parallel zur Bewegungsrichtung M ausgerichtet sind, sondern in beliebigem Winkel zur Bewegungsrichtung M stehen. Anordnungen mit mehreil ren Schallwandlerreihen bzw. mehrere flächig angeordnete Schallwandler sind ebenfalls möglich.
Die in der Figur 2a bzw. Figur 3a dargestellten Schallwandler SWιa und SWib bzw. SWia und SW2 sind als „SenkrechtΛ-Prüfköpfe ausgeführt. Die Fläche 10 der einzelnen Schallwandler, durch die Ultraschallpulse ausgesendet werden und durch die deren Reflektionen auch wieder empfangen werden, ist dabei parallel zur Oberfläche 5 des zu untersuchenden Messobjektes 4 ange- ordnet. Alternativ ist aber auch die Verwendung von „Winkel"- Prüfköpfen als Schallwandler denkbar, bei denen die jeweilige Fläche 10 in einem Winkel zur Oberfläche 5 des zu untersuchenden Messobjektes 4 angeordnet ist. Dazu werden in besonders vorteilhafte Weise die beiden Flächen 10 eines Schall- wandlerpaares formschlüssig auf jeweils eine Seitenfläche eines Winkelkeils, der auf der Objektoberfläche aufliegt, derart aufgebracht, dass sich die Oberflächennormalen der Flächen 10 beider Schallwandler insbesondere im zu untersuchenden Messobjekt 4 überschneiden.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur akustischen Untersuchung eines Messobjektes (4), die mit einer Sende-/Empfangseinheit (S/E) für Ult- raschallstrahlung versehen ist, wobei jeweils aufeinander folgend erste und zweite Ultraschallpulse (px, p2) mit unterschiedlichen, jeweils einem eigenen Frequenzband (ΔfBι, ΔfB2) zugeordneten Grundfrequenzen (flf f2) in das Messobjekt (4) aussendbar sind, und dass objektbedingte Reflexionen des ers- ten Ultraschallpulses (pi) zusammen mit objektbedingten Reflexionen des zweiten Ultraschallpulses (p2) mit der Sende-/ Empfangseinheit (S/E) nachweisbar und den entsprechenden Ultraschallpulsen (pi, p2) zuordenbar sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sende-/Empfangseinheit (S/E) mindestens einen Schallwandler (SWla, SWlb, SW2) mit mindestens zwei zugeordneten Grundfrequenzen (fi, f2) enthält.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sende-/Empfangseinheit (S/E) mehrere Schallwandler (SWla, SWi, SW2) enthält.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sende-/Empfangseinheit (S/E) mindestens zwei Schallwandler
(SWia, S ^, SW2) mit jeweils einer zugeordneten Grundfrequenz (fi, f2) enthält.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, gekenn- zeichnet dadurch, dass mindestens ein erster Schallwandler
(SWia, SWi) zum Aussenden von Ultraschallpulsen (plf p2) in das Messobjekt (4) und mindestens ein zweiter Schallwandler
(SW2) zum Empfangen von objektbedingten Reflexionen der Ultraschallpulse (pi, p2) aus dem Messobjekt (4) vorgesehen sind.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, gekennzeichnet durch mindestens einen Schallwandler (SWia, SWlb, SW2) sowohl zum Aussenden von Ultraschallpulsen (pi, p2) in das Messobjekt (4) als auch zum Empfangen von objektbedingten Re- flexionen der Ultraschallpulse (px, p2) aus dem Messobjekt (4) .
7. Verwendung der Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche zur Materialzustandsbestimmung von Eisenbahnschie- nen.
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