WO2006103183A1 - Verfahren zur akustischen untersuchung eines messobjektes sowie entsprechende anordnung zur durchführung des verfahrens - Google Patents

Verfahren zur akustischen untersuchung eines messobjektes sowie entsprechende anordnung zur durchführung des verfahrens Download PDF

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WO2006103183A1
WO2006103183A1 PCT/EP2006/060874 EP2006060874W WO2006103183A1 WO 2006103183 A1 WO2006103183 A1 WO 2006103183A1 EP 2006060874 W EP2006060874 W EP 2006060874W WO 2006103183 A1 WO2006103183 A1 WO 2006103183A1
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    • G01N2291/262—Linear objects
    • G01N2291/2623—Rails; Railroads

Definitions

  • the invention relates to a method for the acoustic examination of a measurement object by means of ultrasonic radiation. Furthermore, the invention relates to an arrangement for carrying out the method.
  • Ultrasonic measurement methods have proven to be advantageous for the investigation of material properties of objects, such as railroad tracks, railway wheels or contact disks in high-voltage installations. In particular, defects and other anomalies can be determined particularly accurately and reliably.
  • an ultrasound pulse is transmitted from a sound transducer into the object to be examined, reflected there and detected by the same or a further sound transducer for further evaluation.
  • the ultrasound pulse On the way from the ultrasound transducer into the measurement object to be examined, the ultrasound pulse must as a rule pass through several interfaces. Such interfaces are present for example between the ultrasonic transducer and a coupling agent and between the coupling agent and the measurement object.
  • WO 03/016898 A2 specifies an ultrasound measuring method and an ultrasound measuring apparatus for investigating multilayer structures.
  • a plurality of ultrasound pulses are successively emitted into the object to be examined, received again and evaluated.
  • the signal obtained at a specific location is compared with a reference signal, so that a statement about the material condition of the object at the measuring location can be made.
  • the reference signal is determined by averaging a plurality of previously recorded signals, wherein the signals to be averaged should be obtained at defect-free locations, as a falsification of the reference signal is associated with the error probability.
  • all incoming signals in the calculation for the reference signal calculation must be stored, so that sufficient storage space and computing time must be available for reference signal calculation.
  • the invention is based on the object to provide a method and an arrangement with which a more flexible and more accurate acoustic examination of a measurement object by means of ultrasonic radiation, as specified in the prior art, can be made.
  • the method according to the invention is a method for the acoustic examination of a test object, in which method
  • At least one ultrasonic pulse at a measuring location of the measurement object in the measurement object is transmitted by means of at least one ultrasonic transducer transmitting / receiving unit for ultrasonic radiation, - received at least one in the direction of transmitting / receiving unit reflected portion of the at least one ultrasonic pulse by means of the transmitting / receiving unit and is converted into a reflected portion of the at least one ultrasonic pulse corresponding electrical signal U n (t), - is converted with a signal processing means the signal U n (t) to a digital signal S n (t), and from the digital signal S n (t) and a digital reference signal R n (t) a digital difference signal D n (t) is formed, and - with an evaluation of the maximum signal amplitude and a signal energy difference signal D n (t) the material properties of the measurement object is determined.
  • the digital reference signal R n (t) associated with the measuring location is iteratively by means of a weighted averaging with a weight V n (t) according to the equation I:
  • a is a scaling coefficient for value range adaptation of V n (t)
  • V n (t) has a real value range and V n (t)> 1,
  • the difference signal from the signal S n (t) and the reference signal R n (t) By the formation of the difference signal from the signal S n (t) and the reference signal R n (t) one obtains with the difference signal D n (t) a signal which as information only the signal difference of both signals S n (t) and R n (t).
  • the reference signal R n (t) can be compared with an echo signal which has been generated at an arbitrary, error-free measuring location. Signal characteristics resulting from locally unchanged features of the test object, such as interface or surface echoes, are eliminated by the difference.
  • a signal difference occurring due to an anomaly in the measurement object for example in the form of a defect, becomes clearly visible in the difference signal.
  • At least one ultrasonic pulse at a measuring location of the measuring object in the measured object can be emitted by the transmitting / receiving unit, and at least one portion of the at least one ultrasonic pulse reflected by the measured object can be received and converted into an electrical component corresponding to the reflected portion of the at least one ultrasonic pulse
  • Signal U n (t) is convertible, -
  • a signal processing means having an analog / digital converter, by means of which the signal U n (t) to a digital signal S n (t) is convertible, and with a digital signal processor unit, by means of which from the digital signal S n (t) and a digital difference signal D n (t) is brieflybar a digital reference signal R n (t), and an evaluation means having a digital signal processor unit, by means of which of the maximum signal amplitude and a signal energy having digital
  • Difference signal D n (t) the material properties of the measured object can be determined.
  • the arrangement should be characterized by iteratively by means of the signal processor unit the digital reference signal R n (t) associated with the measuring location by means of a weighted averaging with a weight V n (t) according to the equation I:
  • R n Ct is determinable, where R ° onst an associated with the site, by means of a weighted averaging with a weight W according to the equation II:
  • ⁇ ⁇ 1J ⁇ 1 is a specific signal
  • V n (t) max
  • R n (t) R n _i (t
  • l + can be iteratively determined.
  • the start signal R ° onst (t) is advantageously an arbitrary signal, a zero signal or the signal S n (t) determined at the measuring location (M n ) and / or the start reference signal R 0 (t). arbitrary signal, a zero signal or the signal S n (t) determined at the measuring location (M n ).
  • an anomaly of the material properties of the measurement object can be determined.
  • the corresponding excess can refer to the entire duration of the difference signal or else only to a specific time range.
  • the anomaly thus easily detectable can be in the form of a material defect, a material change or a geometry change. With an additional temporal determination of the maximum position, the depth of the anomaly can also be determined in a simple manner.
  • the arrangement can be provided as part of a measuring system for the examination of contact disks or railroad rails and / or railway wheels.
  • testing for near-surface defects is important because material defects and material changes in these areas are particularly critical for safety reasons.
  • near-surface defects which are hardly detectable by conventional methods, can here have far-reaching consequences.
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment of the schematic structure of a signal processing means
  • Figure 3 is a schematic overview of the mode of action of a digital signal processor of the signal processing means
  • Figure 4 flowchart for determining a reference signal
  • FIG. 1 schematically shows, as an example, an arrangement for the acoustic examination of a measurement object.
  • a transmission / reception unit S / E having an ultrasonic transducer 50 is shown.
  • the ultrasonic transducer 50 is designed here as a combined transmitter and receiver.
  • At least one ultrasonic pulse 10 is emitted perpendicularly or at a small angle from the ultrasound transducer 50 in the direction of the measurement object 30 and reflected by it.
  • the received at least one echo pulse 11 is converted into an electrical echo signal U n (t)
  • the index n stands for a measuring location M n , which is a signal, here the analog signal U n (t), is assigned and the dependence of a signal of t, here the analog signal U n (t), is merely intended to indicate that the signal is a time-dependent signal.
  • the transmitting / receiving unit S / E comprises, for example, two ultrasonic transducers 50, one for transmitting and the other for receiving ultrasonic pulses 10 and 11 may be provided ("pitch-catch" method).
  • n 3 different measuring locations M n are given by way of example.
  • a movement of the transmitting / receiving unit S / E along the measuring object surface 31 is indicated in the direction indicated by an arrow 51.
  • the transmitting / receiving unit S / E and the ultrasonic radiation 10 and 11 are indicated at the measuring locations Mi and M 3 for clarity because of dashed lines.
  • FIG. 1 further shows that the transmission via a conductor 6
  • the switch 72 which switches the sound transducer 50 in a transmit or receive mode.
  • the switch 72 which may alternatively also be replaced by a transmitting / receiving switch, is controlled by a control means 70 via a further conductor 7.
  • the control means 70 comprises a transmission pulse and a transmission amplifier. If the arrangement is switched in the transmission mode, the transmitting / receiving unit S / E is supplied with amplified transmission pulses via the transmission pulse, which is connected to the transmission amplifier. If the arrangement, as shown in FIG. 1 as an example, is switched in receive mode, the analog electrical echo signal U n (t) generated in the ultrasound transducer 50 is transmitted from the transceiver S / E to the signal processing unit. beitungsstoff 71 transmitted.
  • the echo signal U n (t) is processed analogously, digitized and further processed.
  • the analog processing of the echo signal U n (t) may for example already include a time shift of the signal U n (t).
  • the digital signal D n (t) output by the signal processing means 71 is evaluated in software in an evaluation means 73 having a digital signal processor unit 731, in particular with the aim of registering anomalies in the measurement object 30, such as material defects, material changes or geometry changes, and the like to determine.
  • a predetermined threshold value of the maximum signal amplitude and / or the signal energy of the digital signal D n (t) is exceeded, such an anomaly of the material properties of the measurement object 30 can be determined.
  • the depth of the anomaly can also be determined in a simple manner.
  • this data is again reduced by means of digital compression.
  • the evaluation results can then be sent to a receiving unit located remotely, for example by means of an electrical connection or also contactless by means of infrared or radio.
  • FIG. 2 shows an example of the schematic structure of the signal processing means 71.
  • the signal processing means 71 provided with an input 711 and an output 716 comprises a time-domain gain amplifier 712 (TGC: Time Gain Correction), an analog filter 713, an analog / digital converter 714 with upstream antialiasing unit and a digital Signal processing unit 715.
  • TGC Time Gain Correction
  • the analog echo signal U n (t) coming from the transmitting / receiving unit S / E is amplified, normalized and filtered by the analog filter 713, thus achieving a noise reduction 2, a time shift of the echo signal U n (t) is already carried out
  • An analogue echo signal U n (t) then passes to the analog / digital converter 714 with an upstream anti-aliasing unit for digitizing and further into the digital signal processor unit 715. From the digital signal processor unit, the digital signal D n (t) is output via the output 716 transmitted to the evaluation means 73. It is also conceivable that even a time lag of the echo signal U n (t) is carried out by means of a not shown in Figure 2 unit before the digitizing the analog echo signal U n (t).
  • FIG. 3 shows a schematic overview of the mode of action of the digital signal processor unit 715 of the signal processing means 71 in a flow chart 8.
  • the digital signal processor unit 715 is supplied with the echo signal S n (t) digitized by the analog / digital converter 714 via a signal input. This corresponds to the first step Sl according to the flowchart 8, namely the input of S n (t).
  • the input echo signal S n (t) is used for the determination of a reference signal R n (t).
  • the reference signal R n (t) is to be regarded as a "typical" echo signal which is generated at any error-free measuring location M n
  • the determination of the reference signal R n (t) is effected by averaging over signals S obtained at different measuring locations M n n (t)
  • the term "averaging” as used herein is not meant to be limiting only to mathematical averaging, but rather to generally expressing the formation of a "typical" signal.
  • this time shift ⁇ t is determined and compensated.
  • the determination of the time shift ⁇ t can be done, for example, by means of correlation of the measured echo signal S n (t) with the reference signal R n (t) or a corresponding section of the respective signal S n (t) and R n (t).
  • Another possibility for determining the time shift .DELTA.t is given by the determination of the time position of the first, second or another defined zero crossing at a pronounced ultrasonic pulse echo, such as the surface echo or the echo between two interfaces.
  • the compensation of the time shift .DELTA.t then takes place either advantageously by a time shift .DELTA.t of the measured signal S n (t), so that the position of the surface or interface echo comes to lie at a fixed time, or by a time shift .DELTA.t of the reference signal R. n (t) relative to the measured signal S n (t) or both signals S n (t) and R n (t) to each other, so that the times at which the ultrasonic pulse 10 reaches the surface 31 or interface in both cases, come to cover.
  • a temporal shift by a non-integer multiple of the sampling rate for example by calculating the sampling rate, in particular based on the assumption of a maximum frequency contained in the signal or by upsampling filter.
  • a time shift by a non-integer multiple of the sampling rate can be permitted, for example by temporal interpolation of the shifted signal.
  • a difference signal D n (t) S n (t + ⁇ t) -R n (t) (A) is calculated from the time-compensated echo signal Sn (t + ⁇ t) and the reference signal R n (t) formed.
  • the output of the difference signal D n (t) is output to the evaluation means 73 for evaluation via a signal output of the digital signal processor unit 715.
  • FIG. 4 shows a flow diagram 9 for the iterative determination of the reference signal R n (t), which is determined by means of the digital signal processor unit 715 of the signal processing means 71.
  • the centering process shown here as an example can also be referred to as an adaptation of the reference signal R n (t).
  • the first method step S21 comprises the input of the signal S n (t).
  • step S22 a weighted averaging with fixed weight W of the signal S n (t) according to the equation II:
  • a weighted averaging of the signal R ° onst (t) with variable weight V n (t) is calculated according to the equation I:
  • V n (t) max (1, a • V n * (t) ⁇ (F) then enters Equation I to determine the reference signal R n (t)
  • the reference signal R n (t) it is possible with a zero signal as a reference signal R n - start I (t) and the reference signal R n (t) in a learning phase to adapt.
  • a certain number of measurements at different measuring locations M n can be used for teaching, and then the evaluation with the calculated reference signal R n (t) for the measurements at these measuring locations M n can be repeated.
  • Another possibility is, for example, to start with the measurement signal S n (t) of a measurement location M n as the reference signal R n (t), and then immediately evaluate the measurements. In principle, however, an optionally shortened training phase makes sense here as well.
  • the adaptation of the reference signal R n (t) can be continued.
  • the reference signal R n (t) can also be iteratively calculated by means of weighted averaging with fixed weight W according to the equation:
  • Equation II the equation given under (G). This can be sufficient for examinations in which small fluctuations in the measuring signal are expected.
  • the reference signal R n (t) can also be used in a further alternative, in particular with averaging methods, such as the arithmetic mean according to the equation:

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Abstract

Verfahren zur akustischen Untersuchung eines Messobjektes (30), bei welchem mittels einer mindestens einen Ultraschallwandler (50) aufweisenden Sende-/Empfangseinheit (S/E) für Ultraschallstrahlung mindestens ein Ultraschallpuls (10) in das Messobjekt (30) ausgesendet wird. Der mindestens eine Ultraschallpuls (10) wird dabei zumindest teilweise in Richtung Sende-/Empfangseinheit (S/E) reflektiert. Der reflektierte Anteil (11) des mindestens einen Ultraschallpulses (10) wird dann mittels der Sende-/Empfangseinheit (S/E) empfangen und in ein dem reflektierten Anteil (11) des mindestens einen Ultraschallpulses (10) entsprechendes elektrisches Signal Un (t) gewandelt. Mit einem Signalverarbeitungsmittel (71) wird das Signal Un (t) zu einem digitalen Signal Sn (t) gewandelt und aus dem digitalen Signal Sn (t) und einem digitalen Referenzsignal Rn (t) wird ein digitales Differenzsignal Dn (t) gebildet. Das digitale Referenzsignal Rn (t) wird dabei aus einer Anzahl n nacheinander in entsprechender Weise an n verschiedenen Messorten (Mn) des Messobjektes (30) gewonnener digitaler Signale S1 (t) bis Sn (t) durch Mittelung mittels des Signalverarbeitungsmittels (71) erzeugt, wobei n eine natürliche Zahl ist und n ≥ 2 gilt. Schließlich wird mit einem Auswertemittel (73) aus dem eine maximale Signalamplitude und eine Signalenergie aufweisenden Differenzsignal Dn (t) die Materialbeschaffenheit des Messobjektes (30) ermittelt. Ferner wird eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens angegeben.

Description

Beschreibung
Verfahren zur akustischen Untersuchung eines Messobjektes sowie entsprechende Anordnung zur Durchführung des Verfahrens
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur akustischen Untersuchung eines Messobjektes mittels Ultraschallstrahlung. Ferner betrifft die Erfindung eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens .
Ultraschallmessmethoden haben sich für die Untersuchung von Materialeigenschaften von Objekten, wie beispielsweise Eisenbahnschienen, Eisenbahnrädern oder Kontaktscheiben in Hochspannungsanlagen, als vorteilhaft erwiesen. Insbesondere Fehlstellen und anderer Anomalien lassen sich besonders genau und zuverlässig bestimmen. Dazu wird ein Ultraschallpuls von einem Schallwandler in das zu untersuchende Objekt gesendet, dort reflektiert und von demselben oder einem weiteren Schallwandler zur weiteren Auswertung erfasst. Auf dem Weg vom Ultraschallwandler in das zu untersuchende Messobjekt muss der Ultraschallpuls in der Regel durch mehrere Grenzflächen hindurch. Solche Grenzflächen liegen beispielsweise zwischen dem Ultraschallwandler und einem Koppelmittel und zwischen dem Koppelmittel und dem Messobjekt vor. An diesen Grenzflächen entstehen jedoch stets Reflexionen, die bei der Auswertung der von Messobjekt reflektierten Ultraschallpulsechos stören, indem sie den Anfang eines zur Messung interessanten Zeitbereiches des detektierten Ultraschallechosignals verdecken. Eine Detektion einer oberflächennahen Anomalie, beispielsweise in Form eines Defektes, wird damit erschwert oder gar verhindert, wenn die Amplitude des dem Defekt zugeordneten Ultraschallechos nicht ausreichend groß ist.
Mit der Reduktion der Zeitdauer des Grenzflächenechos lässt sich diese Problem im gewissen Maße abschwächen. Dabei kommen Ultraschallprüfköpfen mit hoher Bandbreite zum Einsatz, mit denen sich die Ultraschallpulsdauer verkürzt, so dass ein entsprechend kürzerer Bereich durch das Oberflächenecho ver- deckt wird. Das grundsätzliche Problem bleibt jedoch bestehen, da die Ultraschallpulsdauer nicht beliebig verkürzbar ist .
Eine andere Möglichkeit ist die Reduktion der Amplitude des Oberflächenechos durch den Einsatz von Prüfköpfen mit getrenntem Sender und Empfänger. Bei der Verwendung eines solchen Prüfkopfes ergibt sich in einem bestimmten Bereich, dem so genannten optimaler Schallwegbereich, die größte Detekti- onsempfindlichkeit . In der Nähe des Schallwandlers hingegen ist die Empfindlichkeit bedeutend geringer. Bei direktem Aufsetzten des Prüfkopfs auf das Messobjekt bzw. bei Positionierung in unmittelbare Nähe des Messobjektes, kann somit die Amplitude des Grenzflächenechos reduziert sein. Das grund- sätzliche Problem bleibt jedoch bestehen, da das Grenzflächenecho nicht vollständig eliminiert werden kann. Für den Einsatz von fokussierenden Prüfköpfen gilt Vergleichbares.
In der WO 03/016898 A2 sind ein Ultraschall-Messverfahren und eine Ultraschall-Messvorrichtung zur Untersuchung von Mehrschichtstrukturen angegeben. Hierbei werden mehrer Ultraschallpulse nacheinander in das zu untersuchende Objekt ausgesandt, wieder empfangen und ausgewertet. Bei der Auswertung wird das an einem bestimmten Ort erhaltene Signal mit einem Referenzsignal verglichen, so dass eine Aussage über den Materialzustand des Objektes am Messort gemacht werden kann. Das Referenzsignal wird durch Mittelung einer Vielzahl zuvor aufgenommener Signale bestimmt, wobei die zu mittelnden Signale möglichst an defektfreien Stellen gewonnen werden soll- ten, da eine Verfälschung des Referenzsignals mit der Fehlerwahrscheinlichkeit einhergeht. Zudem müssen alle in die Berechnung eingehenden Signale für die Referenzsignalberechnung gespeichert vorliegen, so dass zur Referenzsignalberechnung ausreichend Speicherplatz und Rechenzeit zur Verfügung stehen müssen.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und eine Anordnung anzugeben, mit welchen eine flexiblere und exaktere akustische Untersuchung eines Messobjektes mittels Ultraschallstrahlung, als im Standes der Technik angegeben, vorgenommen werden kann.
Die das Verfahren betreffende Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale in Patentanspruch 1 gelöst.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren handelt es sich um ein Verfahren zur akustischen Untersuchung eines Messobjektes, bei welchem Verfahren
- mittels einer mindestens einen Ultraschallwandler aufweisenden Sende-/Empfangseinheit für Ultraschallstrahlung mindestens ein Ultraschallpuls an einem Messort des Messobjektes in das Messobjekt ausgesendet wird, - zumindest ein in Richtung Sende-/Empfangseinheit reflektierter Anteil des mindestens einen Ultraschallpulses mittels der Sende-/Empfangseinheit empfangen und in ein dem reflektierten Anteil des mindestens einen Ultraschallpulses entsprechendes elektrisches Signal Un (t) gewandelt wird, - mit einem Signalverarbeitungsmittel das Signal Un (t) zu einem digitalen Signal Sn (t) gewandelt wird, und aus dem digitalen Signal Sn (t) und einem digitalen Referenzsignal Rn (t) ein digitales Differenzsignal Dn (t) gebildet wird, und - mit einem Auswertemittel aus dem eine maximale Signalamplitude und eine Signalenergie aufweisenden Differenzsignal Dn (t) die Materialbeschaffenheit des Messobjektes ermittelt wird.
Das Verfahren soll dadurch gekennzeichnet sein, dass
- das dem Messort zugeordnete digitale Referenzsignal Rn (t) iterativ mittels einer gewichteten Mittelung mit einem Gewicht Vn (t) gemäß der Gleichung I:
bestimmt wird, wobei
Figure imgf000005_0001
- R°onst ein dem Messort zugeordnetes, mittels einer gewichteten Mittelung mit einem Gewicht W gemäß der Gleichung II:
Figure imgf000006_0001
bestimmtes Signal ist,
- W eine reelle Konstante ist und W > 1 gilt,
- Vn (t) durch die Gleichung:
Figure imgf000006_0002
- a ein Skalierungskoeffizient zur Wertebereichsanpassung von Vn (t) ist,
- Vn (t) einen reellen Wertebereich aufweist und Vn(t) > 1 gilt,
- n eine natürliche Zahl ist, für n > 2 das Referenzsignal Rn-i (t) zuvor in durch die Gleichungen I gegebener Weise und das Signal R°!iSt (t) zuvor in durch die Gleichungen II gegebener Weise an einem anderen Messort des Messobjektes bestimmt werden, und für n = l das Referenzsignal Ro (t) ein Startreferenzsignal und das Signal R°onst (t) ein Startsignal sind.
Durch die Bildung des Differenzsignals aus dem Signal Sn (t) und dem Referenzsignal Rn (t) erhält man mit dem Differenzsignal Dn (t) ein Signal, das als Information nur den Signalunterschied beider Signale Sn (t) und Rn (t) aufweist. Das Referenzsignal Rn (t) kann dabei mit einem Echosignal verglichen werden, das an einem beliebigen, fehlerfreien Messort erzeugt wurde. Signalmerkmale, die von örtlich unveränderten Merkmalen des Prüfobjektes herrühren, wie beispielsweise Grenzflächen- oder Oberflächenechos, werden durch die Differenzbildung eliminiert. Ein wegen einer Anomalie im Messobjekt, beispielsweise in Form eines Defektes, auftretender Signalunter- schied hingegen wird im Differenzsignal deutlich sichtbar.
Damit ist es beispielsweise möglich auch bei senkrechter Ein- schallung oberflächennahe Defekte zu detektieren, selbst wenn sie parallel zur Oberfläche orientierten sind. Auch eine zuverlässige Ultraschallinspektion dünner Platten bzw. dünner Schichten mittels Senkrechteinschallung ist hiermit möglich, genauso wie eine robuste Geometrieprüfung, indem beispiels- weise bei einer Störung der Kompensation von Oberflächen- und Rückwandechos auf eine Dickenänderung des Messobjektes geschlossen werden kann.
Bei der Berechnung des Referenzsignals Rn (t) werden lediglich das vorangehende Referenzsignal Rn-I (t) und das gegenwärtige Signal Sn (t) benötigt. Es wird somit Speicherplatz und auch Rechenzeit gespart, so dass Messung und Auswertung parallel erfolgen können. Mit der gewichteten Mittelung mit dem Ge- wicht Vn (t) ist darüber hinaus eine exaktere, schnellere und flexiblere Ermittlung bzw. Anpassung des Referenzsignals Rn (t) möglich. Vorteilhaft ist weiter, dass diese Mittelungsmethode sehr gut automatisierbar ist, da zur Bestimmung des Referenzsignals keine Information darüber benötigt wird, wel- che Messungen an fehlerfreien Stellen gemacht wurden. Zudem ist mit dieser Mittelungsmethode auch bei sehr vielen und/ oder großen Defekten eine zuverlässige Bestimmung des Referenzsignals möglich. Selbst wenn in Extremfällen keine zuverlässige Bestimmung des Referenzsignals möglich sein sollte, werden auch diese Stellen zuverlässig als defekt erkannt.
Die die Anordnung betreffende Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale in Patentanspruch 9 gelöst.
Bei der erfindungsgemäßen Anordnung handelt es sich um eine
Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend mindestens - eine mindestens einen Ultraschallwandler aufweisende Sende-
/Empfangseinheit für Ultraschallstrahlung, wobei mittels der Sende-/Empfangseinheit mindestens ein Ultraschallpuls an einem Messort des Messobjektes in das Messobjekt aussendbar ist, und zumindest ein vom Messobjekt reflektierter Anteil des mindestens einen Ultraschallpulses empfangbar und in ein dem reflektierten Anteil des mindestens einen Ultraschallpulses entsprechendes elektrisches Signal Un (t) wandelbar ist, - ein Signalverarbeitungsmittel mit einem Analog/Digital- Wandler, mittels welchem das Signal Un (t) zu einem digitalen Signal Sn (t) wandelbar ist, und mit einer digitalen Signalprozessoreinheit, mittels welcher aus dem digitalen Signal Sn (t) und einem digitalen Referenzsignal Rn (t) ein digitales Differenzsignal Dn (t) bildbar ist, und ein eine digitale Signalprozessoreinheit aufweisendes Auswertemittel, mittels welchem aus dem eine maximale Signal- amplitude und eine Signalenergie aufweisenden digitalen
Differenzsignal Dn (t) die Materialbeschaffenheit des Messobjektes ermittelbar ist.
Die Anordnung soll gekennzeichnet sein durch - mittels der Signalprozessoreinheit das dem Messort zugeordnete digitale Referenzsignal Rn (t) iterativ mittels einer gewichteten Mittelung mit einem Gewicht Vn (t) gemäß der Gleichung I :
RnCt) = bestimmbar ist, wobei
Figure imgf000008_0001
- R°onst ein dem Messort zugeordnetes, mittels einer gewichteten Mittelung mit einem Gewicht W gemäß der Gleichung II:
\ ¥1J ¥1 bestimmtes Signal ist,
- W eine reelle Konstante ist und W > 1 gilt, - Vn (t) durch die Gleichung:
Figure imgf000008_0002
und die Gleichung: Vn(t) = max |l, a • Vn(t)j zu bestimmen ist, - a ein Skalierungskoeffizient zur Wertebereichsanpassung von Vn (t) ist, - Vn (t) einen reellen Wertebereich aufweist und Vn(t) > 1 gilt,
- n eine natürliche Zahl ist, für n > 2 das Referenzsignal Rn-i (t) zuvor in durch die Gleichungen I gegebener Weise und das Signal Rn!"st (t) zuvor in durch die Gleichungen II gegebener Weise an einem anderen Messort des Messobjektes zu bestimmen sind, und für n = l das Referenzsignal Ro (t) ein Startreferenzsignal und das Signal R°onst (t) ein Startsignal sind.
Bei der erfindungsgemäßen Anordnung ergeben sich die gleichen Vorteile wie beim erfindungsgemäßen Verfahren.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und der Anordnung gemäß der Erfindung ergeben sich aus den von Anspruch 1 bzw. Anspruch 9 abhängigen Ansprüchen.
So kann das Gewicht Vn (t) = 1 gesetzt werden. Hierbei reduziert sich die Gleichung I zu Rn(t)= Rn onst(t) , sodass das Refe- renzsignal Rn (t) vereinfacht nur mittels gewichteter Mittelung mit festem Gewicht W gemäß der Gleichung
Rn (t) = Rn_i(t|l + iterativ ermittelt werden kann.
^ wy w
Dies hat besonders den Vorteil, dass zur Berechnung des Referenzsignals Rn (t) lediglich das vorangehende Referenzsignal Rn-I (t) und das gegenwärtige Signal Sn (t) benötigt werden. Dies spart weiteren Speicherplatz und auch Rechenzeit.
Es kann auch von Vorteil sein, das Gewicht W = I zu setzen. Hierbei reduziert sich die Gleichung II zu Rn onst(t) = Sn(t) , so- dass das Referenzsignal Rn (t) vereinfacht nur mittels gewichteter Mittelung mit variablem Gewicht Vn (t) gemäß der Glei- chung Rn(t)=Rn.l(t)1-_L) +|l jiterativ ermittelt werden
kann. Dies hat besonders den Vorteil, dass zur Berechnung des Referenzsignals Rn (t) lediglich das vorangehende Referenzsig- nal Rn.i (t) , das vorangehende Signal Sn-I (t) und das gegenwärtige Signal Sn (t) benötigt werden. Dies spart ebenfalls weiteren Speicherplatz und auch Rechenzeit.
Günstigerweise sind das Startsignal R°onst (t) ein beliebiges Signal, ein Nullsignal oder das am Messort (Mn) ermittelte Signal Sn (t) und/oder das Startreferenzsignal R0 (t) ein be- liebiges Signal, ein Nullsignal oder das am Messort (Mn) ermittelte Signal Sn (t).
Es ist insbesondere vorteilhaft, wenn bei Überschreiten eines Schwellwertes der maximalen Signalamplitude und/oder der Signalenergie eine Anomalie der Materialbeschaffenheit des Messobjektes ermittelt werden kann. Dabei kann sich die entsprechende Überschreitung auf die gesamte Dauer des Differenzsignals oder aber auch nur auf einen bestimmten Zeitbereich be- ziehen. Die damit einfach zu detektierende Anomalie kann dabei in Form eines Materialdefektes, einer Materialänderung oder einer Geometrieänderung vorliegen. Mit einer zusätzlichen zeitlichen Lagebestimmung des Maximums auf, kann außerdem auf einfache Weise die Tiefenlage der Anomalie bestimmt werden.
Dabei ist es von Vorteil, wenn eine mit einer Abstandsänderung zwischen der Sende-/Empfangseinheit und dem Messobjekt korrelierte zeitliche Verschiebung des Signals Sn (t) gegen- über dem Referenzsignal Rn (t) mittels des Signalverarbeitungsmittels kompensiert wird. Dadurch wird die gesamte Messanordnung in Betrieb unempfindlicher, da nicht auf eine exakte Einhaltung des Abstandes zwischen Sende-/Empfangseinheit und Messobjektoberfläche geachtet werden muss. Mit einer hö- heren Geschwindigkeit der Relativbewegung von Sende-/Emp- fangseinheit und Messobjektoberfläche kann insgesamt eine höhere Untersuchungsgeschwindigkeit erreicht werden.
Besonders vorteilhaft kann die Anordnung als Teil eines Mess- Systems zur Untersuchung von Kontaktscheiben oder Eisenbahnschienen und/oder Eisenbahnrädern vorgesehen sein. Gerade bei der Inspektion von Kontaktscheiben, wie sie in Hochspannungsanlagen verwendet werden, als auch bei der Inspektion von Eisenbahnschienen und/oder Eisenbahnrädern ist die Prüfung auf oberflächennahe Defekte wichtig, da Materialdefekte und Materialänderungen in diesen Bereichen aus Sicherheitsgründen besonders kritisch sind. Gerade oberflächennahe Defekte, die mit den herkömmlichen Methoden kaum zu detektieren sind, kön- nen hier weittragende Folgen haben. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Anordnung ist die zuverlässige Detektion solcher Defekte möglich.
Bevorzugte, jedoch keinesfalls einschränkende Ausführungsbeispiele des Verfahrens und der Anordnung werden nunmehr anhand der Zeichnung näher erläutert. Zur Veranschaulichung ist die Zeichnung nicht maßstäblich ausgeführt und gewisse Merkmale sind schematisiert dargestellt. Im Einzelnen zeigen
Figur 1 ein Ausführungsbeispiel für eine Anordnung zur akustischen Untersuchung eines Messobjektes, Figur 2 ein Ausführungsbeispiel für den schematischen Aufbau eines Signalverarbeitungsmittels , Figur 3 eine schematische Übersicht über die Wirkweise eines digitalen Signalprozessors des Signalverarbeitungsmittels und Figur 4 Ablaufdiagramm zur Bestimmung eines Referenzsignals
Rn mittels des digitalen Signalprozessors des Sig- nalverarbeitungsmittels .
Einander entsprechende Teile sind in den Figuren 1 bis 4 mit denselben Bezugszeichen versehen.
In Figur 1 ist als Beispiel eine Anordnung zur akustischen Untersuchung eines Messobjektes schematisch dargestellt. Es wird eine einen Ultraschallwandler 50 aufweisende Sende-/Emp- fangseinheit S/E gezeigt. Der Ultraschallwandler 50 ist hier als kombinierter Sender und Empfänger ausgeführt. Mindestens ein Ultraschallpuls 10, wird senkrecht bzw. in einem kleinen Winkel vom Ultraschallwandler 50 in Richtung Messobjekt 30 ausgesandt und von diesem reflektiert. Ein Teil des reflektierten mindestens einen Ultraschallpulses, der sog. Echopuls 11, gelangt dann zurück in denselben Ultraschallwandler 50 (,,Impuls-Echo"-Verfahren) . Im Ultraschallwandler 50 wird der empfangene mindestens eine Echopuls 11 in ein elektrisches Echosignal Un (t) umgewandelt. Der Index n steht dabei für einen Messort Mn, dem ein Signal, hier des Analogsignals Un (t), zugeordnet wird und die Abhängigkeit ein Signals von t, hier des Analogsignals Un (t), soll lediglich angeben, dass das Signal ein zeitabhängiges Signal ist.
Es ist auch denkbar, dass die Sende-/Empfangseinheit S/E beispielsweise zwei Ultraschallwandler 50 aufweist, wobei einer zum Senden und der andere zum Empfangen von Ultraschallpulsen 10 und 11 vorgesehen sein kann (,,Pitch-Catch"-Verfahren) .
Zur Untersuchung des gesamten Messobjektes 30, wird entlang eines verschiedenen Messorten Mn zugeordneten ein- oder zweidimensionalen Punktrasters, das die Messobjektoberfläche 31 hinreichend abdeckt, jeweils mindestens ein Ultraschallpuls 10 pro Messort Mn in das Messobjekt 30 eingestrahlt. In Figur 1 sind beispielhaft n = 3 verschiedene Messorte Mn angegeben. Es wird dabei eine Bewegung der Sende-/Empfangseinheit S/E entlang der Messobjektoberfläche 31 in mit einem Pfeil 51 angegebener Richtung angedeutet. Der vorherige Messort Mn ist mit n = 1, der gegenwärtige Messort Mn mit n = 2 und der fol- gende Messort Mn mit n = 3 bezeichnet. Die Sende-/Empfangs- einheit S/E und die Ultraschallstrahlung 10 und 11 sind an den Messorten Mi und M3 der Übersicht wegen gestrichelt angedeutet .
Figur 1 zeigt weiter, dass über einen Leiter 6 die Sende-
/Empfangseinheit S/E mit einem Schalter 72 verbunden ist, der den Schallwandler 50 in einen Sende- oder Empfangsmodus schaltet. Der Schalter 72, der alternativ auch durch eine Sende-/Empfangsweiche ersetzt sein kann, wird über einen wei- teren Leiter 7 von einem Steuermittel 70 gesteuert. Das Steuermittel 70 umfasst dabei einen Sendepulser und einen Sendeverstärker. Ist die Anordnung im Sendemodus geschaltet, wird über den Sendepulser, der mit dem Sendeverstärker verbunden ist, die Sende-/Empfangseinheit S/E mit verstärkten Sendepul- sen versorgt. Ist die Anordnung, wie in Figur 1 als Beispiel dargestellt, im Empfangsmodus geschaltet, wird das im Ultraschallwandler 50 erzeugte analoge elektrische Echosignal Un (t) von der Sende-/Empfangseinheit S/E an das Signalverar- beitungsmittel 71 übermittelt. Hier wird das Echosignal Un (t) analog aufgearbeitet, digitalisiert und weiterverarbeitet. Die analoge Aufarbeitung des Echosignals Un (t) kann beispielsweise bereits eine zeitliche Verschiebung des Signals Un (t) umfassen. Das vom Signalverarbeitungsmittel 71 ausgegeben digitale Signal Dn (t) wird in einem eine digitale Signalprozessoreinheit 731 aufweisendes Auswertemittel 73 mit einer Software ausgewertet, insbesondere mit dem Ziel, Anomalien im Messobjekt 30, wie beispielsweise Materialdefekte, Material- änderungen oder Geometrieänderungen, zu registrieren und zu bestimmen. So kann beispielsweise bei Überschreiten eines vorbestimmten Schwellwertes der maximalen Signalamplitude und/oder der Signalenergie des digitalen Signals Dn (t) eine solche Anomalie der Materialbeschaffenheit des Messobjektes 30 ermittelt werden. Mit einer zusätzlichen Lagebestimmung des Maximums, kann außerdem auf einfache Weise die Tiefenlage der Anomalie bestimmt werden. Zur Reduzierung der Datenrate werden diese gewonnenen Daten wiederum mittels digitaler Kompression reduziert. Mit Hilfe eines Übertragers beispielswei- se können dann die Auswerteergebnisse an eine entfernt befindliche Empfangseinheit, beispielsweise mittels einer e- lektrischen Verbindung oder auch berührungslos mittels Infrarot oder Funk, gesendet werden.
In Figur 2 ist ein Beispiel für den schematischen Aufbau des Signalverarbeitungsmittels 71 dargestellt. Das mit einem Eingang 711 und einem Ausgang 716 versehene Signalverarbeitungsmittel 71 umfasst dabei einen Empfangsverstärker 712 mit zeitlich gesteuertem Verstärkungsfaktor (TGC: „Time-Gain- Correction") , einen Analogfilter 713, einen Analog/Digitalwandler 714 mit vorgeschalteter Antialiasing-Einheit und eine digitale Signalprozessoreinheit 715. Im Empfangsverstärker 712 wird das von der Sende-/Empfangseinheit S/E kommenden a- naloge Echosignal Un (t) verstärkt, normalisiert und vom Ana- logfilter 713 gefiltert, womit eine Störreduktion erreicht wird. Denkbar ist zudem, dass mittels einer in Figur 2 nicht dargestellten Einheit bereits eine zeitliche Verschiebung des Echosignals Un (t) vorgenommen wird. Das so aufgearbeitete analoge Echosignal Un (t) gelangt dann zum Digitalisieren in den Analog/Digitalwandler 714 mit vorgeschalteter Antialia- sing-Einheit und weiter in die digitale Signalprozessoreinheit 715. Von der digitalen Signalprozessoreinheit aus wird das digitale Signal Dn (t) über den Ausgang 716 an das Auswertemittel 73 übermittelt. Denkbar ist auch, dass mittels einer in Figur 2 nicht dargestellten Einheit noch vor dem Digitalisieren des analogen Echosignals Un (t) bereits eine zeitliche Verschiebung des Echosignals Un (t) vorgenommen wird.
In Figur 3 ist eine schematische Übersicht über die Wirkweise der digitalen Signalprozessoreinheit 715 des Signalverarbeitungsmittels 71 in einem Ablaufdiagramm 8 aufgezeigt. Der digitalen Signalprozessoreinheit 715 wird über einen Signalein- gang das vom Analog/Digitalwandler 714 digitalisierte Echosignal Sn (t) zugeführt. Dies entspricht dem ersten Schritt Sl gemäß dem Ablaufdiagramm 8, und zwar der Eingabe von Sn (t) .
In einem folgenden Schritt S2 gemäß dem Ablaufdiagramm 8 in Figur 3 wird das eingegebene Echosignal Sn (t) für die Bestimmung eines Referenzsignals Rn (t) verwendet. Das Referenzsignal Rn (t) ist dabei als ein „typisches" Echosignal anzusehen, das an einem beliebigen, fehlerfreien Messort Mn erzeugt wird. Die Bestimmung des Referenzsignals Rn (t) erfolgt durch Mittelung über an verschiedenen Messorten Mn gewonnene Signale Sn (t) . Der hier verwendete Begriff der Mittelung soll nicht einschränkend nur als mathematische Mittelwertbildung verstanden werden, sondern vielmehr im Allgemeinen die Bildung eines „typischen" Signals ausdrücken. Bei einer Ab- Standsänderung zwischen der Sende-/Empfangseinheit S/E bzw. dem Ultraschallwandler 50 und der Messobjektoberfläche 31 des zu untersuchenden Messobjekts 30 während der Untersuchung gemäß des vorgegebene Rasters entsteht eine zeitliche Verschiebung Δt von Echosignal Sn (t) zu Echosignal Sm(t) (m φ n) .
In einem weiteren Schritt S3 gemäß dem Ablaufdiagramm 8 in Figur 3 wird diese zeitlichen Verschiebung Δt bestimmt und kompensiert. Die Bestimmung der zeitlichen Verschiebung Δt kann beispielsweise mittels Korrelation des gemessene Echosignals Sn (t) mit dem Referenzsignal Rn (t) bzw. eines entsprechenden Ausschnittes des jeweiligen Signals Sn (t) und Rn (t) erfolgen. Eine andere Möglichkeit zur Bestimmung der zeitlichen Verschiebung Δt ist durch die Ermittlung der zeitlichen Position des ersten, zweiten oder eines weiteren definierten Nulldurchgangs bei ausgeprägtem Ultraschallpulsecho, wie beispielsweise dem Oberflächenecho oder dem Echo zwischen zwei Grenzflächen, gegeben. Die Kompensation der zeitlichen Verschiebung Δt erfolgt dann entweder vorteilhafter Weise durch zeitliche Verschiebung Δt des gemessenen Signals Sn (t), so dass die Position des Oberflächen- bzw. Grenzflächenechos an einem festen Zeitpunkt zu liegen kommt, oder durch zeitliche Verschiebung Δt des Referenzsignals Rn (t) gegenüber dem gemessenen Signal Sn (t) oder beider Signale Sn (t) und Rn (t) zueinander, so dass die Zeitpunkte, zu denen der Ultraschallpuls 10 in beiden Fällen die Oberfläche 31 bzw. Grenzfläche erreicht, zur Deckung kommen. Dabei ist es wichtig auch eine zeitliche Verschiebung um ein nicht ganzzahliges Vielfaches der Abtastrate beispielsweise durch rechnerische Erhöhung der Abtastrate insbesondere beruhend auf der Annahme einer maximalen im Signal enthaltenen Frequenz oder durch Upsampling- Filter zuzulassen. Alternativ kann eine zeitliche Verschiebung um ein nicht ganzzahliges Vielfaches der Abtastrate bei- spielsweise durch zeitliche Interpolation des verschobenen Signals zugelassen werden.
In einem nächsten Schritt S4 gemäß dem Ablaufdiagramm 8 in Figur 3 wird ein Differenzsignal: Dn (t) = Sn (t+ Δt) - Rn (t) (A) aus dem zeitlich kompensierten Echosignal Sn (t+ Δt) und dem Referenzsignal Rn (t) gebildet. Anschließend wird in einem letzten Schritt S5, der Ausgabe des Differenzsignals Dn (t), über einen Signalausgang der digitalen Signalprozessoreinheit 715 das Differenzsignal Dn (t) zur Auswertung an das Auswertemittel 73 ausgegeben. In Figur 4 ist ein Ablaufdiagramm 9 zur iterativen Bestimmung des Referenzsignals Rn (t), das mittels der digitalen Signalprozessoreinheit 715 des Signalverarbeitungsmittels 71 bestimmt wird, gezeigt. Der hier als Beispiel dargestellte Mit- telungsprozess kann auch als Adaption des Referenzsignals Rn (t) bezeichnet werden. Der erste Verfahrensschritt S21 um- fasst die Eingabe des Signals Sn (t) . Im folgenden Schritt S22 wird eine gewichtete Mittelung mit festem Gewicht W des Signals Sn (t) gemäß der Gleichung II:
Figure imgf000016_0001
vorgenommen, wobei W eine konstante reelle Zahl ist und W ≥ 1 gilt. Das Ergebnis dieser Gleichung ergibt ein rechnerisches Signal R°onst(t) . Das Gewicht W gibt dabei allgemein die „Geschwindigkeit" an, mit der sich ein Signal, hier das Signal R°onst(t), dem Eingangssignal, hier dem Signal Sn (t) nähert.
In einem nächsten Verfahrensschritt S27 gemäß dem Ablaufdiagramm 9 in Figur 4 wird eine gewichtete Mittelung des Signals R°onst(t) mit variablem Gewicht Vn (t) gemäß der Gleichung I:
(C)
Figure imgf000016_0002
vorgenommen. Das Ergebnis dieser Mittelung ist das zu bestimmende Referenzsignal Rn (t).
Die Bestimmung des variablen Gewichts Vn (t) geschieht in vier Zwischenschritten S23 bis S26. Zunächst wird im ersten Zwischenschritt S23 die Änderung ΔR°onst(t) des Signals R°onst(t) zum vorherigen Signals R°!"st(t) gemäß der Gleichung:
ΔRrst(t) = Rc n°nst(t) - κ°τ(t) <D> bestimmt. Es folgt darauf der nächsten Zwischenschritt S24 mit der Bildung des Betrags der Änderung ΔR°onst(t1. Im dritten
Zwischenschritt S25 wird mittels gewichteten Abklingens des Betrages der Änderung ΔR°onst(t)j das variable Gewicht Vn * (t) gemäß der Gleichung:
Figure imgf000017_0001
bestimmt. Im letzten Zwischenschritt S26 kann das variable Gewicht Vn * (t) zur Skalierung bzw. Anpassung des Wertebereichs mit einem Skalierungskoeffizient a multipliziert werden. Das so erhaltene variable Gewicht:
Vn(t) = max (l, a • Vn *(t)} (F) geht dann in Gleichung I zur Bestimmung des Referenzsignals Rn (t) ein. Der letzte Schritt S28 gemäß dem Ablaufdiagramm 9 in Figur 4 umfasst dann die Ausgabe des Referenzsignals Rn (t).
Bei der Bestimmung des Referenzsignals Rn (t) ist es möglich, mit einem Nullsignal als Referenzsignal Rn-I (t) zu starten, und das Referenzsignal Rn (t) im Rahmen einer Einlernphase zu adaptieren. So kann beispielsweise eine bestimmte Anzahl von Messungen an unterschiedlichen Messorten Mn zum Einlernen benutzt werden, und anschließend die Auswertung mit dem berechneten Referenzsignal Rn (t) für die Messungen an diesen Messorten Mn wiederholt werden. Eine weitere Möglichkeit ist bei- spielsweise, mit dem Messsignal Sn (t) eines Messorts Mn als Referenzsignal Rn (t) zu starten, und anschließend sofort die Messungen auszuwerten. Grundsätzlich ist jedoch auch hier eine gegebenenfalls verkürzte Einlernphase sinnvoll. Während der Auswertung der Signale Sn (t) weiterer Messorte Mn kann die Adaption des Referenzsignals Rn (t) fortgesetzt werden.
Alternativ zur iterativen Referenzsignalbestimmung gemäß dem Ablaufdiagramm 9 in Figur 4, kann das Referenzsignal Rn (t) iterativ auch mittels gewichteter Mittelung mit festem Ge- wicht W gemäß der Gleichung:
R„(t) = Rn^t(I -I) + ^ (G)
^ wy w ermittelt werden. Hierbei ist in Gleichung I das variable Gewicht Vn (t) = 1 gesetzt, sodass Rn(t)= R°onst(t) gilt. In Verbindung mit der vorhergehenden Gleichung II ergibt sich somit die unter (G) angegebene Gleichung. Diese kann für Untersuchungen genügen, bei denen kleine Fluktuationen im Messsignal erwartet werden.
Mittels der digitalen Signalprozessoreinheit 715 des Signalverarbeitungsmittels 71 kann das Referenzsignal Rn (t) aber auch in einer weiteren Alternative insbesondere mit Mittelungsmethoden, wie beispielsweise dem arithmetischen Mittel gemäß der Gleichung:
Rn(t) = - ∑ Si(t) (II) n i=l oder der Medianbildung, über eine bestimmte Anzahl n vorangehender Signale Si (t) bis Sn(t) bestimmt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur akustischen Untersuchung eines Messobjektes (30) , bei welchem Verfahren - mittels einer mindestens einen Ultraschallwandler (50) aufweisenden Sende-/Empfangseinheit (S/E) für Ultraschallstrahlung mindestens ein Ultraschallpuls (10) an einem Messort (Mn) des Messobjektes (30) in das Messobjekt (30) ausgesendet wird, - zumindest ein in Richtung Sende-/Empfangseinheit (S/E) reflektierter Anteil (11) des mindestens einen Ultraschallpulses (10) mittels der Sende-/Empfangseinheit (S/E) empfangen und in ein dem reflektierten Anteil (11) des mindestens einen Ultraschallpulses (10) entsprechendes elektri- sches Signal Un (t) gewandelt wird,
- mit einem Signalverarbeitungsmittel (71) das Signal Un (t) zu einem digitalen Signal Sn (t) gewandelt wird, und aus dem digitalen Signal Sn (t) und einem digitalen Referenzsignal Rn (t) ein digitales Differenzsignal Dn (t) gebildet wird, und
- mit einem Auswertemittel (73) aus dem eine maximale Signalamplitude und eine Signalenergie aufweisenden Differenzsignal Dn (t) die Materialbeschaffenheit des Messobjek- tes (30) ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass
- das dem Messort (Mn) zugeordnete digitale Referenzsignal Rn (t) iterativ mittels einer gewichteten Mittelung mit einem Gewicht Vn (t) gemäß der Gleichung I:
bestimmt wird, wobei
Figure imgf000019_0001
- R°onst ein dem Messort (Mn) zugeordnetes, mittels einer gewichteten Mittelung mit einem Gewicht W gemäß der Gleichung II :
Figure imgf000019_0002
bestimmtes Signal ist, - W eine reelle Konstante ist und W > 1 gilt,
- Vn (t) durch die Gleichung:
Figure imgf000020_0001
und die Gleichung: Vn(t) = max [l, a • Vn(t)| bestimmt wird, - a ein Skalierungskoeffizient zur Wertebereichsanpassung von Vn (t) ist, - Vn (t) einen reellen Wertebereich aufweist und Vn(t) > 1 gilt,
- n eine natürliche Zahl ist, für n > 2 das Referenzsignal Rn-i (t) zuvor in durch die Gleichungen I gegebener Weise und das Signal R°°"st (t) zuvor in durch die Gleichungen II gegebener Weise an einem anderen Messort (Mn_i) des Messobjektes (30) bestimmt werden, und für n=l das Referenzsignal R0 (t) ein Startreferenzsignal und das Signal R°onst (t) ein Startsignal sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewicht Vn (t) = 1 ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewicht W = I ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Startsignal R°onst (t) ein beliebiges Signal, ein Nullsignal oder das am Messort (Mn) ermittelte Signal Sn (t) ist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Startreferenzsignal Ro (t) ein belie- biges Signal, ein Nullsignal oder das am Messort (Mn) ermittelte Signal Sn (t) ist.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Überschreiten eines Schwellwertes der maximalen Signalamplitude eine Anomalie der Materialbeschaffenheit des Messobjektes (30) ermittelt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Überschreiten eines Schwellwertes der Signalenergie eine Anomalie der Materialbeschaffenheit des Messobjektes (30) ermittelt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit einer Abstandsänderung zwischen der Sende-/Empfangseinheit (S/E) und dem Messobjekt (30) korrelierte zeitliche Verschiebung des Signals Sn (t) gegenüber dem Referenzsignal Rn (t) mittels des Signalverarbeitungsmittels (71) kompensiert wird.
9. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend mindestens - eine mindestens einen Ultraschallwandler (50) aufweisende Sende-/Empfangseinheit (S/E) für Ultraschallstrahlung, wobei mittels der Sende-/Empfangseinheit (S/E) - mindestens ein Ultraschallpuls (10) an einem Messort
(Mn) des Messobjektes (30) in das Messobjekt (30) aus- sendbar ist, und zumindest ein vom Messobjekt (30) reflektierter Anteil (11) des mindestens einen Ultraschallpulses (10) empfangbar und in ein dem reflektierten Anteil (11) des mindestens einen Ultraschallpulses (10) entsprechendes elektrisches Signal Un (t) wandelbar ist,
- ein Signalverarbeitungsmittel (71) mit einem Analog/ Digital-Wandler (714), mittels welchem das Signal Un (t) zu einem digitalen Signal Sn (t) wandelbar ist, und mit einer digitalen Signalprozessoreinheit (715) , mittels welcher aus dem digitalen Signal Sn (t) und einem digitalen Referenzsignal Rn (t) ein digitales Differenzsignal Dn (t) bildbar ist, und
- ein eine digitale Signalprozessoreinheit (731) aufweisendes Auswertemittel (73) , mittels welchem aus dem eine maximale Signalamplitude und eine Signalenergie aufweisenden digitalen Differenzsignal Dn (t) die Materialbeschaffenheit des Messobjektes (30) ermittelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass - mittels der Signalprozessoreinheit (715) das dem Messort
(Mn) zugeordnete digitale Referenzsignal Rn (t) iterativ mittels einer gewichteten Mittelung mit einem Gewicht Vn (t) gemäß der Gleichung I:
bestimmbar ist, wobei
Figure imgf000022_0001
- R°onst ein dem Messort (Mn) zugeordnetes, mittels einer gewichteten Mittelung mit einem Gewicht W gemäß der Gleichung II:
Figure imgf000022_0002
bestimmtes Signal ist,
- W eine reelle Konstante ist und W > 1 gilt,
- Vn (t) durch die Gleichung:
Figure imgf000022_0003
Figure imgf000022_0004
• Vn(t)| zu bestimmen ist, - a ein Skalierungskoeffizient zur Wertebereichsanpassung von Vn (t) ist, - Vn (t) einen reellen Wertebereich aufweist und Vn(t) > 1 gilt,
- n eine natürliche Zahl ist, für n > 2 das Referenzsignal Rn-i (t) zuvor in durch die Gleichungen I gegebener Weise und das Signal R„!"st (t) zuvor in durch die Gleichungen II gegebener Weise an einem anderen Messort (Mn_i) des Messobjektes (30) zu bestimmen sind, und für n=l das Referenzsignal Ro (t) ein Startreferenzsignal und das Signal R=onst (t) ein Startsignal sind.
10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewicht Vn (t) = 1 ist.
11. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewicht W = I ist.
12. Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Startsignal R°onst (t) ein beliebiges Signal, ein Nullsignal oder das am Messort (Mn) ermittelte Signal Sn (t) ist.
13. Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch ge- kennzeichnet, dass das Startreferenzsignal Ro (t) ein beliebiges Signal, ein Nullsignal oder das am Messort (Mn) ermittelte Signal Sn (t) ist.
14. Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch ge- kennzeichnet, dass mittels der digitalen Signalprozessoreinheit (731) des Auswertemittels (73) bei Überschreiten eines Schwellwertes der maximalen Signalamplitude eine Anomalie der Materialbeschaffenheit des Messobjektes (30) ermittelbar ist.
15. Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der digitalen Signalprozessoreinheit (731) des Auswertemittels (73) bei Überschreiten eines Schwellwertes der Signalenergie eine Anomalie der Materialbeschaffenheit des Messobjektes (30) ermittelbar ist.
16. Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der digitalen Signalprozessoreinheit (715) des Signalverarbeitungsmittels (71) eine mit einer Abstandsänderung zwischen der Sende-/Empfangseinheit (S/E) und dem Messobjekt (30) korrelierte zeitliche Verschiebung des Signals Sn (t) gegenüber dem Referenzsignal Rn (t) kompensierbar ist.
17. Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Anordnung als Teil eines Messsystems zur Untersuchung von
- Kontaktscheiben oder
- Eisenbahnschienen und/oder Eisenbahnrädern vorgesehen ist.
PCT/EP2006/060874 2005-03-31 2006-03-20 Verfahren zur akustischen untersuchung eines messobjektes sowie entsprechende anordnung zur durchführung des verfahrens WO2006103183A1 (de)

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