WO2008128851A1 - Method for the nondestructive determination of the size of an ultrasound-reflecting structure in the volume of a test sample by means of ultrasound, and device therefor - Google Patents

Method for the nondestructive determination of the size of an ultrasound-reflecting structure in the volume of a test sample by means of ultrasound, and device therefor Download PDF

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ultrasonic
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Wolf-Dietrich Kleinert
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Ge Inspection Technologies Gmbh
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Definitions

  • the present invention is a method for non-destructive determination of the size of an ultrasound-reflecting structure in the volume of a test specimen by means of ultrasound. Furthermore, the present invention relates to a device which is set up using a suitably selected ultrasonic probe to determine the size of an ultrasound-reflecting structure in the volume of a test specimen by means of ultrasound. Finally, the present invention relates to an arrangement which is individualized for the same purpose and which comprises a device according to the invention and a test head.
  • the invention is advantageously applicable to both biological and non-biological samples, wherein both types of samples are hereinafter referred to as "DUT".
  • the object of the present invention is therefore to specify a method for determining the size of an ultrasound-reflecting structure in the volume of a test specimen by means of ultrasound, which has an improved accuracy in comparison to the methods known from the prior art.
  • a further object of the present invention is to provide a device which is suitable for carrying out a method for the nondestructive determination of the size of an ultrasound-reflecting structure in the volume of a test object by means of ultrasound, which has an improved accuracy compared with the prior art, and to specify an arrangement. which is set up for the same purpose and which represents a complete testing system.
  • the inventive method is based on the finding that ultrasonic pulses can be generated whose time-resolved sound pressure profile is opposite to each other. So, if one pulse starts with an increase in the sound pressure, so the complementary pulse begins with a decrease in the sound pressure.
  • such complementary pulses are referred to as "pulses of different polarity.” Reflecting two ultrasound pulses of different polarity P +, P- on a reflecting structure causes the reflected pulses to overlap as they are detected, the sound pressure amplitudes of the reflected pulses are canceled out Essentially, they are mutually exclusive in their detection, ie one receives a zero signal from the regular structure.
  • the method according to the invention is now based on the use of a first and a second ultrasonic sound transmitter, which are arranged spaced apart in one spatial direction (in the following: X direction).
  • a directed first ultrasonic pulse P 1 and a second directed ultrasonic pulse P 2 are sounded into the test object, such that the first and second ultrasonic pulses P 1, P 2 propagate substantially along parallel paths S 1 and S 2 in the test object. It is now of central importance for the present invention that the pulses P1 and P2 have a different polarity P +, P-.
  • first and second ultrasonic pulses P1 and P2 in the test object meet an ultrasound-reflecting structure such as a discontinuity or a crack, they are at least partially reflected back and returned to the surface of the test object via which ultrasonic pulses P1 and P2 have been coupled into the test object were referred to below as the test area.
  • vertical scanning is used so that the pulses P1 and P2, after being reflected by the ultrasound-reflecting structure, return along the same paths S1 and S2 as reflected pulses P1, P2 to the first and second ultrasonic transmitters. Therefore, in this configuration, the first and second ultrasonic transmitters can be advantageously used as ultrasonic receivers.
  • the reflected first and second ultrasound pulses Pi, P2 are summed, which can be done acoustically by means of an ultrasound receiver, which collects both reflected pulses collectively, or electronically, eg by connecting two separately formed ultrasound receivers electrically to a receiver or by electrical signals of the receiver are summed up electronically (analog or digital).
  • each "echo pulse” has a positive and a negative maximum value AmX +, Amax-, so that the sum echo signal also has both a positive and a negative "maximum value", as illustrated by FIG. Figure 1 shows a first echo pulse £ 1 with positive polarity P +, a second echo pulse P2 with negative polarity P- and the result of a superposition of both pulses.
  • the maximum values "Amax-t" and "Amax” are also drawn in.
  • Both maximum values are basically equivalent for the present invention, but for reasons of signal quality it is preferred to use the larger maximum value for the processing in the context of the inventive method
  • the maximum value Amax + is therefore shown in the example according to Figure 1. Both maximum values are interchangeable within the scope of the invention, also a (possibly separate) evaluation of both maximum values Amax +, Amax- may be advantageous under certain circumstances.
  • the signal detected by the ultrasound receiver can be both the sound pressure and the sound intensity.
  • both sizes are basically equivalent. If reference is made in the context of this application to the determination of an echo signal amplitude, then it can be both the sound pressure amplitude and the amplitude of the sound intensity.
  • the first and second ultrasonic transmitters are displaced along the X-axis defined above by a defined amount ⁇ X. These process steps are repeated, whereby an experimental curve can be obtained which maps the course of the reflected amplitude maximum Amax +/- typical for the special test configuration as a function of the displacement ⁇ X.
  • the points of maximum curvature X1, X2 are determined in the experimentally obtained profile of the maximum amplitude over the displacement ⁇ X. If an ultrasound-reflecting structure was recorded and scanned along the crossed-out interval on the X-axis, it is possible to convert its size from the position of the points of maximum curvature X1, X2 determined in the last method step in the course of the amplitude maximum Amax to estimate the shift ⁇ X.
  • the problem may arise here that the third derivative of the experimentally determined amplitude characteristic after the displacement has a very high noise .
  • a value for the geometric size d of the measured ultrasound-reflecting structure can now be determined from the information obtained above by determining the distance between adjacent points of maximum curvature X1, X2 in the experimentally determined profile of the maximum amplitude Amax.
  • the amount of curvature is in the immediate vicinity of both points Xl, X2 on the flanks of the measured curve of the maximum amplitude, each of which is oriented maximally towards the supposedly complementary point (ie, for example, Xl- ⁇ X and X2 + 5X or Xl + ⁇ X and X2 + 5X, see Fig. 5b), substantially the same, and
  • the second criterion is based on the assumption that the reflectivity r of the detected ultrasound-reflecting structure along its entire extent along the X -Axis substantially has a constant reflectivity. It has been proven in practice that this assumption is met with good accuracy for many measured errors, so that the second criterion is well suited to finding the right and left bounds of the measured error. The two However, the criterion is not fulfilled if the reflectivity of the ultrasound-reflecting structure varies along its extent. The third criterion is intended to ensure that the maxima or minima found are actually correlated with the boundary of an ultrasound-reflecting structure.
  • the aforementioned procedure can also be combined well with a conventional pulse-echo method, as known from the prior art.
  • the conventional pulse-echo method By means of the conventional pulse-echo method, the position of the error is determined in the test object, with the subsequent inventive method, the error can thus be measured with increased accuracy.
  • the implementation of the method according to the invention is particularly simple if the first and second ultrasonic pulses P1 and P2 have substantially the same pulse height and the same pulse duration. However, this is not absolutely necessary for the process according to the invention. It is also advantageous, but not mandatory, for the first and second ultrasonic pulses P1 and P2 to be generated substantially simultaneously. In certain circumstances, a time-delayed generation of the first and second ultrasonic pulses P1 and P2 can also be advantageous. In order to realize the summation / superimposition of the reflected first and second ultrasound pulses Pi and P2 required in the context of the method according to the invention, this superimposition can take place, for example, electronically by processing the first and second ultrasound pulses separately detected by means of the ultrasound receiver.
  • the method according to the invention is particularly simple if the first and second ultrasound transmitters have substantially the same beam characteristic. However, this is likewise not absolutely necessary for the method according to the invention.
  • the method according to the invention is therefore a specially designed pulse-echo method which is based on the use of pulses of different polarity propagating in parallel.
  • the term "different polarity" of the ultrasonic pulses P1 and P2 in the context of the present invention is to be understood to mean that the chronological course of the sound pressure amplitude of the second pulse is just opposite the first pulse. is over. This means that when the first pulse begins, for example, with a pressure increase, the second pulse begins with a magnitude equal pressure drop. If you bring such pulses in phase to the superposition, they cancel each other out completely.
  • the method according to the invention can be further developed such that it is suitable for determining the reflectivity r of an ultrasound-reflecting structure in the volume of a test specimen by means of ultrasound.
  • the position of the ultrasound-reflecting structure in the volume of the test object is determined by means of a suitable ultrasound algorithm, which in turn can be based, for example, on a pulse-echo method and in particular as a method according to claim 1.
  • the first four method steps (steps a to d) of the method according to the invention according to claim 1 are repeated, in order to determine the course of the amplitude maximum Amax of the echo pulse as a function of the displacement .DELTA.X. From the experimentally determined course of the amplitude maximum Amax, the third derivative of the detected curve of the amplitude maximum can then be determined after the shift ⁇ X.
  • the magnitude of the jump in the third derivative which occurs when the first and second ultrasonic pulses injected into the device under test detect the edge of the structure, i. when the test beam collimated by the test head is symmetrically over the edge of the structure.
  • a quantification of the reflectivity r of the measured ultrasound-reflecting structure is possible, for example, by comparing the size of the above-determined jump in the third derivative with that jump occurring in the third derivative of a reference structure which has been measured by means of the method according to the invention.
  • An apparatus for non-destructive determination of the size of an ultrasound-reflecting structure in the volume of a test specimen by means of ultrasound is based on the use of a first and a second ultrasound transmitter operating in one spatial direction (hereinafter again referred to as X direction). draws) are arranged spaced from each other.
  • These first and second ultrasonic transmitters should be set up to resonate a directed first ultrasonic pulse P 1 and a directed ultrasonic pulse P 2 into the test object, the first and second ultrasonic pulses P 1 and P 2 being propagated in the test object along substantially parallel paths S 1 and S 2.
  • the first and second ultrasonic pulses P1 and P2 generated by the first and second ultrasonic transmitters should have a different polarity P +, P-.
  • the device according to the invention is intended to be used in conjunction with a means for summing the reflected first and second ultrasonic pulses £ 1, P2 and a means for detecting the amplitude maximum Amax of the summed reflected first and second ultrasonic pulses Pi, P2.
  • the first means can be realized, for example, by the first and second ultrasound transmitters, which are combined electronically into a common ultrasound receiver.
  • the device according to the invention is intended, in conjunction with a means for detecting the common displacement .DELTA.X of the first and the second ultrasonic transmitter in the direction of the X-axis on the test surface of the test object.
  • a means for detecting the common displacement .DELTA.X of the first and the second ultrasonic transmitter in the direction of the X-axis on the test surface of the test object may be configured, for example, as a path detection unit which is mechanically connected to the first and the second ultrasound transmitters and which may be designed, for example, in the form of a follower wheel.
  • the means for detecting the shift can also be embodied in a purely electronic form.
  • an array probe which has a multiplicity of ultrasound transmitters arranged side by side in a spatial direction, wherein a displacement of the first and second ultrasound transmitters can be realized by the i-th and (i + 1) in a first step ) -th ultrasonic transmitter of the array probe are controlled.
  • the i + lth as well as the (i + 2) th ultrasonic transmitter are then activated, etc.
  • this means that the sound beam emitted by the array is at each cycle by a "pitch" of the arrays, ie
  • the displacement .DELTA.X from one cycle to the next is exactly the same as the pitch of the array probe, ie the distance between two ultrasound-active elements.
  • a particular advantage of the method according to the invention and also of the device consists in the fact that based on a measured progression of the amplitude maximum Amax with relatively few or far apart measuring points on the X-axis, a size determination of the measured error with an accuracy is possible is significantly better than the distance of the measuring points on the X-axis. This is a significant advantage, especially when using array probes.
  • the device according to the invention now has a drive unit for controlling the first and second ultrasonic transmitters, so that they emit sequences of ultrasonic pulses P1 and P2 of different polarity P +, P-, respectively.
  • the device comprises an evaluation unit which is set up to detect the detected amplitude maximum Amax of the summed reflected first and second pulses Pi and P2 as a function of the displacement ⁇ X of the first and second ultrasound transmitters on the X-axis. Furthermore, the evaluation unit is set up to determine the points of maximum curvature in the course of the detected amplitude maximum Amax plotted over the displacement ⁇ X.
  • the evaluation unit of the device according to the invention is adapted to implement one or more of the advantageous embodiments of the method according to the invention with respect to the determination of the points of maximum curvature in the experimentally detected amplitude curve.
  • the drive unit included is set up to control the first and second ultrasonic transmitters in such a way that the first and second ultrasonic pulses P1 and P2 have substantially the same pulse shape, pulse height and / or pulse duration. Furthermore, advantages can result if the drive unit is set up to generate the first and second ultrasonic pulses P1 and P2 at substantially the same time. It is particularly advantageous if the drive unit is set up to set the relative timing of the first and second ultrasonic pulses P1 and P2 in a targeted manner.
  • the inventive arrangement for non-destructive determination of the size of an ultrasound-reflecting structure in the volume of a test specimen by means of ultrasound comprises a first and a second ultrasound transmitter, which are arranged spaced apart in a spatial direction, which is referred to below as the X direction.
  • the first ultrasound transmitter will be arranged directly adjacent to the second ultrasound transmitter.
  • the first and second ultrasound transmitters are set up to surround a directed first ultrasound pulse P 1 and a directed second ultrasound pulse P 2 into the test object.
  • the first and second ultrasonic transmitters are arranged and set up in such a way that the first and second ultrasonic pulses P1 and P2 propagate in the test object along substantially parallel paths S1 and S2.
  • first and second ultrasonic transmitters are configured to generate first and second ultrasonic pulses P1 and P2 of different polarity.
  • this "being set up" of the first and second ultrasound transmitters means, in particular, that they are capable of producing ultrasound pulses of different polarity Realized ultrasonic transmitter by means of the further included drive unit.
  • the arrangement according to the invention comprises a means for summing the superimposed reflected first and second ultrasonic pulses Pi, P2, wherein it has already been explained above that such a means can be realized for example in the form of a common ultrasonic receiver.
  • the ultrasonic receiver is then followed by means for detecting the amplitude maximum Amax of the summed reflected first and second ultrasonic pulses Pi, P2.
  • the first and second ultrasound transmitters can be combined to form a common reception unit, on which the first and second reflected ultrasound pulses are superimposed.
  • this superimposition can be a spatial superimposition on the large-sized detector surface of the ultrasound receiver.
  • it can also be an electronic overlay, in which the with separate ultrasonic receivers detected reflected first and second ultrasonic pulses £ i and P2 are superimposed on each other electrically (analog (raw) signal) or electronically (digitized signal).
  • the device according to the invention comprises a means for detecting a (collective) displacement ⁇ X of the first and second ultrasonic transmitters along the X-axis on the surface of the test object.
  • a means for detecting a (collective) displacement ⁇ X of the first and second ultrasonic transmitters along the X-axis on the surface of the test object Possible embodiments of the means for detecting the shift have already been discussed above.
  • the arrangement according to the invention comprises a device according to claim 11.
  • first and second ultrasonic transmitters encompassed by the arrangement have substantially the same beam characteristic.
  • the first and the second ultrasonic transmitter can advantageously be arranged in a common test head housing.
  • first and second ultrasound transmitters are each formed by an individually controllable element of an array probe. If an array probe with a plurality of individually controllable ultrasonic transmitters is used, then the first and the second ultrasonic transmitters can advantageously also be formed from a group of individually controllable ultrasonic transmitters of the array probe that are combined electronically into a common ultrasonic transmitter. This can be done for example by a phase and possibly also the same amplitude control of these individual controllable elements.
  • 1 shows a schematic representation of a first reflected test pulse
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a first exemplary embodiment of an arrangement according to the invention for nondestructive determination of the size of an ultrasound-reflecting structure in the volume of a test specimen by means of ultrasound,
  • FIG. 4 is an enlarged view of a test head of the assembly used in a second embodiment
  • FIG. 5 a shows a schematic representation of the profile of the maximum amplitude Amax, which was obtained with the arrangement according to the invention according to FIG. 2 during the scanning of an ultrasound-reflecting structure
  • 5b shows a schematic representation of the second and third derivative of the curve of the maximum amplitude Amax from FIG. 5a.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of an arrangement 1 according to the invention which comprises a device 10 according to the invention for nondestructive determination of the size of an ultrasound-reflecting structure 90 in the volume of a test object 100 and an array ultrasound test head 20.
  • the ultrasonic probe 20 is connected to the test apparatus 10 via a control line.
  • the ultrasound test head 20 is used for testing a test object 100, which in the exemplary embodiment shown is designed as a plane-parallel metal plate, on its upper side surface, referred to below as the test surface 110.
  • the individually controllable ultrasound transmitters 15 contained in the array test head 20 are acoustically connected to the previously known from the prior art Test surface 110 of the device under test 100 coupled, for example by using water, a hydrous gel or oil as a coupling agent.
  • the test apparatus 10 comprises an integrated drive unit 30 and an integrated evaluation unit 35, wherein the drive unit 30 is adapted to control the individually controllable ultrasound transmitters 15 contained in the test head 20 at the same time or using a controlled phase shift, the transmit amplitude and the polarity of the ultrasound pulses generated Each individually controlled ultrasonic transmitter 15 can be individually controlled by the drive unit 30.
  • the evaluation unit 35 is provided for subjecting and evaluating reflected ultrasonic pulses recorded by one or more ultrasonic receivers to digital signal processing.
  • the evaluation unit 35 is provided to process the reflected ultrasound signals received from one or more ultrasound transmitters.
  • test apparatus 10 includes a plurality of operating elements 45, which are formed in the embodiment shown as a keypad and as knobs.
  • test apparatus 10 includes a display device 40, which is configured in the embodiment shown as a high-resolution LCD display.
  • the drive unit 30, not shown in FIG. 3, of the test apparatus 10 is now set up to drive two of the twelve individually controllable ultrasonic transmitters 15 of the test head 20 according to the method according to the invention.
  • the drive unit 30 always selects two ultrasound transmitters 15 which are arranged directly adjacent to one another and are referred to below as first ultrasound transmitters 15 'and second ultrasound transmitters 15 "All ultrasound transmitters 15, including the first and second ultrasound transmitters 15' and 15 "are configured to generate high pulse repetition rate ultrasonic pulses, which may be in the range of a few megahertz, and to wave them perpendicular to the test area 110 into the test piece 100.
  • Each ultrasonic transmitter 15 produces a focused sound beam, the depth of focus being the same for all ultrasonic transmitters 15
  • the control unit 30 is now set up to control the selected first ultrasonic transmitter 15 in such a way that it samples a sequence of first ultrasonic pulses P1 into the test object 100, the ultrasonic pulses P1 having a first polarity P +
  • the polarity P + of the ultrasonic pulse P1 is selected such that the wave train of the ultrasonic pulse P1 begins with increasing sound pressure.
  • the first ultrasonic pulses P1 generated by the first ultrasonic transmitter 15 'propagate along the first S in the test object 100 Challweg Sl.
  • the second ultrasonic transmitter 15 is controlled by the drive unit 30 in such a way that it generates a sequence of ultrasonic pulses P2 which has the same pulse repetition rate as the sequence of the first ultrasonic pulses P1
  • the polarity P of the second ultrasonic pulses P2 is opposite to the polarity P + of the first ultrasonic pulses P1, ie the second pulses P2 begin with a falling sound pressure arranged that between the first ultrasonic pulses Pl and the second ultrasonic pulses P2 substantially no phase shift occurs.
  • the first and second ultrasonic pulses P1 and P2 After being coupled into the test 100, the first and second ultrasonic pulses P1 and P2 propagate along substantially parallel paths S1 and S2, which are oriented substantially perpendicular to the test surface 110 of the test object. If there is now an ultrasound-reflecting structure 90 in the sound path S1 and / or S2 of the first and second ultrasound pulses P1, P2, these are (partially) reflected back (as reflected pulses Pi, P2) and travel along the paths S1 and S2, respectively reverse direction back to the first and second ultrasonic transmitters 15 'and 15 ".
  • the evaluation unit 35 is now set up to interconnect the first and second ultrasound transmitters 15 'and 15 "selected by the drive unit 30 to a common ultrasound receiver, for this purpose the first and second ultrasound transmitters 15' and 15" reflected by the first and second ultrasound pulses reflected back Pi and P2 generated electrical signals superimposed on each other and only subsequently subjected to the aforementioned digital signal processing.
  • a separately formed ultrasonic receiver could be used whose ultrasound-sensitive element could consist of a single large-area piezoelectric element, from which both reflected pulses £ 1 and P2 are recorded.
  • the actuation unit 30 is to be realized designed to select a new pair of ultrasound transmitters 15 in successive process steps and to make the first and second ultrasound transmitters 15 'and 15 ", respectively. If the drive unit 30 in the illustration according to FIG. 2 has selected the eighth and ninth ultrasound transmitters 15 of the test head 20 as the first and second ultrasound transmitters 15 ', 15 ", then it is set up for the ninth and the tenth ultrasound transmitters 15 in the following cycle and as the second ultrasonic transmitter 15 'and 15 ", respectively.
  • the displacement of the first and second ultrasound transmitters 15 'and 15 "to be realized according to the invention is therefore implemented electronically by selecting ever new pairs of ultrasound transmitters 15, whereby the area of the test object 100 detected by the test head 20 is electronically in the X direction is scanned.
  • FIG. 5a now shows the resulting amplitude profile of the signal present at the ultrasound receiver during scanning of the ultrasound-reflecting structure 90, which lies below the test surface 110 in the volume of the test object 100.
  • the ultrasound-reflecting structure 90 has substantially constant reflection properties for the ultrasound pulses P 1 and P 2 which have been injected in, a characteristic mountain-valley profile results, as can be seen from FIG. 5 a.
  • the central zero crossing, which is marked X 0 in FIG. 5a, is In this case, it is precisely correlated with the test situation in which the first and second ultrasound pulses P1 and P2 detect the ultrasound-reflecting structure 90 equally, ie centrally.
  • a scan of the structure 90 in a direction Y perpendicular to the X direction finally provides a 2d image of the geometric dimensions of the ultrasound reflecting structure 90.
  • FIG. 5b shows the curve of the second derivative of the profile of the maximum amplitude Amax as a function of the displacement ⁇ X, the points of maximum curvature X1, X2 from FIG. 5a corresponding to the zeros of the third derivative having maxima or minima of the second derivative are correlated. If, for example, due to insufficient measurement accuracy, the extraction of a third derivative of the experimentally determined Runs the maximum amplitude Amax after the shift ⁇ X not possible, so alternatively the second derivative of the curve of the maximum amplitude Amax can be determined by the location and analyzed for adjacent pairs of points consisting of a maximum and a minimum, the second derivative in the maximum and in the minimum should not be differentiable.
  • the second derivative should have a maximum opposite sign to the minimum.
  • the display device 40 of the test apparatus 10 is set up to display, in addition to the immediate pulse-echo signal, the signal for the amplitude maximum Amax and its second or third derivative obtained during a displacement in the direction of the X-axis.
  • FIG. 4 shows the test head 20 of a second exemplary embodiment of an arrangement 1 according to the invention in an enlarged view. Except for the test head 20 and the path detection unit 15, the arrangement 1 corresponds to the arrangement according to FIG. 1.
  • the test head 20 comprises only two ultrasound transmitters 15, one of which is the first ultrasound transmitter 15 'and a second second ultrasound transmitter 15 "of the control unit 30 and the evaluation unit 35.
  • the first and second ultrasonic transmitters 15 'and 15 are configured analogously to the ultrasonic transmitters 15 of the first exemplary embodiment.
  • the drive unit 30 is set up to control the first and second ultrasound transmitters 15 'and 15 "analogously to the first exemplary embodiment.”
  • the evaluation unit 35 holds the first and second ultrasound transmitters 15' and 15 "electrically or electronically to a large ultrasonic receiver, so that the reflected first and second ultrasonic pulses Ei and P2 picked up by the first and second ultrasonic transmitters 15 'and 15 ", respectively, are superimposed by this interconnection of the first and second ultrasonic transmitters 15' and 15", respectively.
  • the resulting signal is subsequently subjected by the evaluation unit 35 to a digital signal processing analogous to the first embodiment.
  • the test head 20 of the arrangement 1 in order to carry out the method according to the invention, must be displaced in the X direction on the test surface 110 of the test object 100 in the X direction.
  • a travel detection unit 50 is attached to the test head 20. This is formed in the embodiment shown as a follower wheel whose rotation is detected by means of an angle sensor. The signals of the angle sensor are then translated by the evaluation unit 35 into the actual displacement ⁇ X of the test head 20 on the test surface 110.
  • the amplitude curve according to FIG. 4a is again obtained, which is also correlated with a curve of the second or third derivative according to FIG. The subsequent evaluation of the resulting measured amplitude curve can therefore be carried out analogously to the first exemplary embodiment.
  • an absolute value of the reflectivity of the ultrasound-reflecting structure 90 can also be obtained by means of the aforementioned method, which can be considered at least as an estimate of the reflectivity of the structure 90.

Abstract

The invention relates to a device (10) for the nondestructive determination of the size of an ultrasound-reflecting structure (90) in the volume of a test sample (100) by means of ultrasound. The device (10) is based on the use of a first and a second ultrasound transmitter (15, 15') which are spaced apart in the X direction and which are oriented to beam a directed first ultrasound pulse P1 and a directed second ultrasound pulse P2 into the test sample. The first and the second ultrasound pulses P1, P2 are propagated in the test sample along substantially parallel paths S1 and S2 and have different polarities P+, P-. Furthermore, means are provided for summing the reflected first and second ultrasound pulses P1, P2, as are means for detecting the amplitude maximums Amax of the summed reflected first and second ultrasound pulses P1, P2. Finally, the device has means for detecting a displacement (50), of a defined amount ?X, of the first and the second ultrasound transmitters (15, 15') along the X-axis.

Description

Bezeichnung: Verfahren zur zerstörungsfreien Bestimmung der Größe einer Ultraschall-reflektierenden Struktur im Volumen eines Prüflings mittels Ultraschall sowie Vorrichtung hierzu Description: Method for the non-destructive determination of the size of an ultrasound-reflecting structure in the volume of a test specimen by means of ultrasound, and device therefor
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur zerstörungsfreien Bestimmung der Größe einer Ultraschall-reflektierenden Struktur im Volumen eines Prüflings mittels Ultraschall. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung, die unter Verwendung eines geeignet ausgewählten Ultraschallprüfkopfs dazu eingerichtet ist, die Größe einer Ultraschall-reflektierenden Struktur im Volumen eines Prüflings mittels Ultraschall zu bestimmen. Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung eine Anordnung, die zur selben Bestimmung individualisiert ist und die eine erfindungsgemäße Vorrichtung sowie einen Prüfkopf umfasst.The present invention is a method for non-destructive determination of the size of an ultrasound-reflecting structure in the volume of a test specimen by means of ultrasound. Furthermore, the present invention relates to a device which is set up using a suitably selected ultrasonic probe to determine the size of an ultrasound-reflecting structure in the volume of a test specimen by means of ultrasound. Finally, the present invention relates to an arrangement which is individualized for the same purpose and which comprises a device according to the invention and a test head.
Die Erfindung ist dabei vorteilhaft sowohl auf biologische als auch auf nichtbiologische Proben anwendbar, wobei beide Typen von Proben im Folgenden als „Prüfling" bezeichnet werden.The invention is advantageously applicable to both biological and non-biological samples, wherein both types of samples are hereinafter referred to as "DUT".
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zur Bestimmung der Größe einer Ultraschall-reflektierenden Struktur im Volumen eines Prüflings mittels Ultraschall bekannt. Diese Verfahren, die auf dem Vergleich des zu vermessenden Fehlers mit einem Modellreflektor basieren, liefern eine Abschätzung der Fehlergröße. In der Praxis hat sich durchgesetzt, aus der Amplitudenhöhe des am Fehler reflektierten Ultraschallsignals eine so genannte Ersatzreflektorgröße zu bestimmen, die gegeben ist durch die Größe eines idealen Kreisscheibenreflektors, der ein äquivalentes Fehlersignal produzieren würde. In einem alternativen Ansatz wird das Fehlersignal verglichen mit einem experimentell an Prüfbohrungen gewonnenen Ultraschalsignal, wobei die Prüfbohrungen verschiedene bekannte Durchmesser aufweisen. Da die an einem natürlichen Fehler reflektierten Schallanteile nicht nur von der Größe des Fehlers beeinflusst werden, sondern auch von der Form, der Orientierung und der Oberflächenbeschaffenheit des Fehlers, stimmt die tatsächliche Größe des zu vermessenden Fehlers in der Regel nicht mit der experimentell bestimmten Ersatzreflektorgröße überein. Da bei der manuellen Ultraschallprüfung weitergehende Untersuchungen hierzu schwierig und nur wenig praktikabel sind, werden in den meisten Spezifikationen und Richtlinien zur Ultraschallprüfung deshalb die Kriterien zur Auffindung und Registrierung von Fehlstellen an eine bestimmte Ersatzreflektorgröße geknüpft. Der Prüfer ermittelt also, ob ein aufgefundener Fehler die vorgegebene maximale Ersatzreflektorgröße erreicht oder überschreitet. Darüber hinaus muss er weitere Untersuchungen durchführen, z. B. zu Registrierlänge, Echodynamik, usw., die aber an dieser Stelle nicht weiter diskutiert werden sollen. Für weitere Details zur Größenbestimmung von Fehlern im Volumen eines Prüflings mittels Ultraschall wird auf das Buch Werkstoffprüfung mit Ultraschall, Josef Krautkrämer und Herbert Krautkrämer, Springer, 5. Auflage (Februar 1998) verwiesen.Various methods for determining the size of an ultrasound-reflecting structure in the volume of a test specimen by means of ultrasound are known from the prior art. These methods, based on comparing the error to be measured with a model reflector, provide an estimate of the error magnitude. In practice, it has become common practice to determine from the amplitude level of the ultrasonic signal reflected at the error a so-called equivalent reflector size which is given by the size of an ideal circular disk reflector which would produce an equivalent error signal. In an alternative approach, the error signal is compared to an ultrasonic signal obtained experimentally on test bores, the test bores having different known diameters. Since the sound components reflected from a natural error are influenced not only by the magnitude of the error, but also by the shape, orientation and surface condition of the error, the actual size of the error to be measured is usually inconsistent with the experimentally determined spare reflector size , Because manual testing of ultrasound is difficult and impractical, most ultrasound testing specifications and guidelines place the criteria for finding and registering defects at a given substitute reflector size. The examiner thus determines whether a detected error reaches or exceeds the specified maximum spare reflector size. In addition, he must carry out further investigations, for. As to registration length, echo dynamics, etc., but not discussed further at this point. For further details on the size determination of errors in the volume of a test specimen by means of ultrasound, reference is made to the book Material Testing with Ultrasound, Josef Krautkrämer and Herbert Krautkrämer, Springer, 5th edition (February 1998).
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Bestimmung der Größe einer Ultraschall-reflektierenden Struktur im Volumen eines Prüflings mittels Ultraschall anzugeben, welches eine gegenüber den aus dem Stand der Technik vorbekannten Verfahren verbesserte Genauigkeit aufweist. Weiterhin ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung anzugeben, die dazu geeignet ist, ein Verfahren zur zerstörungsfreien Bestimmung der Größe einer Ultraschallreflektierenden Struktur im Volumen eines Prüflings mittels Ultraschalls auszuführen, welches eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Genauigkeit aufweist, sowie eine Anordnung anzugeben, die zum selben Zweck eingerichtet ist und die ein vollständiges Prüfsystem darstellt.The object of the present invention is therefore to specify a method for determining the size of an ultrasound-reflecting structure in the volume of a test specimen by means of ultrasound, which has an improved accuracy in comparison to the methods known from the prior art. A further object of the present invention is to provide a device which is suitable for carrying out a method for the nondestructive determination of the size of an ultrasound-reflecting structure in the volume of a test object by means of ultrasound, which has an improved accuracy compared with the prior art, and to specify an arrangement. which is set up for the same purpose and which represents a complete testing system.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 11 sowie durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 18.This object is achieved by a method having the features of claim 1, by an apparatus having the features of claim 11 and by an arrangement having the features of claim 18.
Das erfindungsgemäße Verfahren basiert auf der Erkenntnis, dass Ultraschallpulse erzeugt werden können, deren zeitaufgelöster Schalldruckverlauf zueinander entgegengesetzt ist. Beginnt also der eine Puls mit einem Anstieg des Schall- drucks, so beginnt der komplementäre Puls mit einer Abnehme des Schalldrucks. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden solche komplementären Pulse als „Pulse unterschiedlicher Polarität" bezeichnet. Reflektiert man zwei Ultraschallpulse unterschiedlicher Polarität P+, P- an einer reflektierenden Struktur und bringt die reflektierten Pulse bei ihrer Detektion zur Überlagerung, so löschen sich die Schalldruckamplituden der reflektierten Pulse bei ihrer Detektion im Wesentlichen gegenseitig aus, d. h. man erhält von der regelmäßigen Struktur ein Null-Signal.The inventive method is based on the finding that ultrasonic pulses can be generated whose time-resolved sound pressure profile is opposite to each other. So, if one pulse starts with an increase in the sound pressure, so the complementary pulse begins with a decrease in the sound pressure. In the context of the present invention, such complementary pulses are referred to as "pulses of different polarity." Reflecting two ultrasound pulses of different polarity P +, P- on a reflecting structure causes the reflected pulses to overlap as they are detected, the sound pressure amplitudes of the reflected pulses are canceled out Essentially, they are mutually exclusive in their detection, ie one receives a zero signal from the regular structure.
Das erfindungsgemäße Verfahren basiert nun auf der Verwendung eines ersten und eines zweiten Ultraschallschallsenders, die in einer Raumrichtung (im Folgenden: X- Richtung) voneinander beabstandet angeordnet sind.The method according to the invention is now based on the use of a first and a second ultrasonic sound transmitter, which are arranged spaced apart in one spatial direction (in the following: X direction).
In einem ersten Verfahrensschritt werden ein gerichteter erster Ultraschallpuls Pl sowie ein zweiter gerichteter Ultraschallpuls P2 in den Prüfling eingeschallt, dergestalt, dass der erste und der zweite Ultraschallpuls Pl, P2 im Wesentlichen entlang paralleler Wege Sl und S2 im Prüfling propagieren. Von zentraler Bedeutung für die vorliegende Erfindung ist es nun, dass die Pulse Pl und P2 eine unterschiedliche Polarität P+, P- aufweisen.In a first method step, a directed first ultrasonic pulse P 1 and a second directed ultrasonic pulse P 2 are sounded into the test object, such that the first and second ultrasonic pulses P 1, P 2 propagate substantially along parallel paths S 1 and S 2 in the test object. It is now of central importance for the present invention that the pulses P1 and P2 have a different polarity P +, P-.
Treffen die ersten und zweiten Ultraschallpulse Pl und P2 im Prüfling auf eine Ultraschall-reflektierende Struktur wie eine Ungänze oder einen Riss, so werden sie zumindest teilweise zurückreflektiert und gelangen zurück an die Oberfläche des Prüflings, über die Ultraschallpulse Pl und P2 in den Prüfling eingekoppelt worden waren, die im Folgenden als Prüffläche bezeichnet wird. Bevorzugt -aber nicht notwendig - wird hier mittels Senkrechteinschallung gearbeitet, so dass die Pulse Pl und P2 nach ihrer Reflektion an der Ultraschall-reflektierenden Struktur längs derselben Wege Sl und S2 als reflektierte Pulse Pi, £2 zu den ersten und zweiten Ultraschallsendern zurückkehren. In dieser Konfiguration können die ersten und zweiten Ultraschallsender daher vorteilhaft auch als Ultraschallempfänger verwendet werden.If the first and second ultrasonic pulses P1 and P2 in the test object meet an ultrasound-reflecting structure such as a discontinuity or a crack, they are at least partially reflected back and returned to the surface of the test object via which ultrasonic pulses P1 and P2 have been coupled into the test object were referred to below as the test area. Preferably, but not necessarily, vertical scanning is used so that the pulses P1 and P2, after being reflected by the ultrasound-reflecting structure, return along the same paths S1 and S2 as reflected pulses P1, P2 to the first and second ultrasonic transmitters. Therefore, in this configuration, the first and second ultrasonic transmitters can be advantageously used as ultrasonic receivers.
In einer alternativen Konfiguration wir in Schrägeinschallung gearbeitet, wobei ggf. getrennt ausgebildete Ultraschallsender und -empfänger zum Einsatz kommen. Im nachfolgenden Verfahrensschritt werden die reflektierten ersten und zweiten Ultraschallpulse Pi, P2 summiert, was zum Beispiel akustisch mittels eines Ultraschallempfängers geschehen kann, der beide reflektierte Pulse gemeinschaftlich aufnimmt, oder elektronisch, z.B. indem zwei getrennt ausgebildete Ultraschallempfänger elektrisch zu einem Empfänger zusammengeschaltet werden oder indem die elektrischen Signale der Empfänger elektronisch (analog oder digital) summiert werden.In an alternative configuration, we worked in oblique sound, possibly using separately trained ultrasonic transmitter and receiver are used. In the subsequent method step, the reflected first and second ultrasound pulses Pi, P2 are summed, which can be done acoustically by means of an ultrasound receiver, which collects both reflected pulses collectively, or electronically, eg by connecting two separately formed ultrasound receivers electrically to a receiver or by electrical signals of the receiver are summed up electronically (analog or digital).
Im resultierenden Summensignal der reflektierten Pulse wird im nachfolgenden Verfahrensschritt der Wert des Amplitudenmaximums Amax bestimmt, z.B. durch eine geeignete digitale Signalverarbeitung des Summensignals. Es sei darauf hingewiesen, dass jeder „Echopuls" einen positiven und einen negativen Maximalwert AmX+, Amax- aufweist, so dass auch das Summenechosignal sowohl einen positiven als auch einen negativen „Maximalwert" aufweist, wie anhand von Figur 1 illustriert wird. Figur 1 zeigt einen ersten Echopuls £1 mit positiver Polarität P+, einen zweiten Echopuls P2 mit negativer Polarität P- und das Ergebnis einer Überlagerung beider Pulse. Weiterhin sind die vorstehend in Bezug genommenen „Maximalwerte" Amax-t- sowie Amax- eingezeichnet. Beide Maximalwerte sind für die vorliegende Erfindung grundsätzlich gleichwertig, bevorzugt wird aus Gründen der Signalqualität aber der betragsmäßig größere Maximalwert für die Verarbeitung im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens herangezogen werden. Im Beispiel gemäß Figur 1 handelt es sich also um den Maximalwert Amax+. Beide Maximalwerte sind im Rahmen der Erfindung austauschbar, auch eine (ggf. getrennte) Auswertung beider Maximalwerte Amax+, Amax- kann unter Umständen vorteilhaft sein.In the resulting sum signal of the reflected pulses, the value of the amplitude maximum Amax is determined in the subsequent method step, e.g. by a suitable digital signal processing of the sum signal. It should be noted that each "echo pulse" has a positive and a negative maximum value AmX +, Amax-, so that the sum echo signal also has both a positive and a negative "maximum value", as illustrated by FIG. Figure 1 shows a first echo pulse £ 1 with positive polarity P +, a second echo pulse P2 with negative polarity P- and the result of a superposition of both pulses. The maximum values "Amax-t" and "Amax" are also drawn in. Both maximum values are basically equivalent for the present invention, but for reasons of signal quality it is preferred to use the larger maximum value for the processing in the context of the inventive method The maximum value Amax + is therefore shown in the example according to Figure 1. Both maximum values are interchangeable within the scope of the invention, also a (possibly separate) evaluation of both maximum values Amax +, Amax- may be advantageous under certain circumstances.
Bei dem vom Ultraschallempfänger detektierten Signal kann es sich je nach Konfiguration des Empfängers sowohl um den Schalldruck als auch um die Schallintensität handeln. Für die vorliegende Erfindung sind beide Größen grundsätzlich gleichwertig. Wenn im Kontext dieser Anmeldung Bezug genommen wird auf die Bestimmung einer Echosignal-Amplitude so kann es sich also sowohl um die Schalldruckamplitude als auch um die Amplitude der Schallintensität handeln.Depending on the configuration of the receiver, the signal detected by the ultrasound receiver can be both the sound pressure and the sound intensity. For the present invention, both sizes are basically equivalent. If reference is made in the context of this application to the determination of an echo signal amplitude, then it can be both the sound pressure amplitude and the amplitude of the sound intensity.
Nachfolgend werden der erste und zweite Ultraschallsender entlang der vorstehend definierten X-Achse um einen definierten Betrag ΔX verschoben. Diese Verfahrensschritte werden wiederholt durchlaufen, wodurch eine experimentelle Kurve gewonnen werden kann, die den für die spezielle Prüfkonfiguration typischen Verlauf des reflektierten Amplitudenmaximums Amax+/- als Funktion der Verschiebung ΔX abbildet.Subsequently, the first and second ultrasonic transmitters are displaced along the X-axis defined above by a defined amount ΔX. These process steps are repeated, whereby an experimental curve can be obtained which maps the course of the reflected amplitude maximum Amax +/- typical for the special test configuration as a function of the displacement ΔX.
Erfindungsgemäß werden nun in einem nachfolgenden Verfahrensschritt die Punkte maximaler Krümmung Xl, X2 im experimentell gewonnen Verlauf der Maximalamplitude über der Verschiebung ΔX bestimmt. Wurde entlang des über- strichenen Intervalls auf der X-Achse eine Ultraschall-reflektierende Struktur er- fasst und abgescannt, so ist es möglich, deren Größe aus der Lage der im letzten Verfahrensschritt bestimmten Punkte maximaler Krümmung Xl, X2 im Verlauf des Amplitudenmaximums Amax über der Verschiebung ΔX abzuschätzen.According to the invention, in a subsequent method step, the points of maximum curvature X1, X2 are determined in the experimentally obtained profile of the maximum amplitude over the displacement ΔX. If an ultrasound-reflecting structure was recorded and scanned along the crossed-out interval on the X-axis, it is possible to convert its size from the position of the points of maximum curvature X1, X2 determined in the last method step in the course of the amplitude maximum Amax to estimate the shift ΔX.
Als besonders vorteilhaft hat es sich herausgestellt, wenn zur Bestimmung der Punkte maximaler Krümmung Xl, X2 im gewonnenen Verlauf des Amplitudenmaximums Amax die Sprungstellen mit Vorzeichenwechsel in der dritten Ableitung des detektierten Amplitudenmaximums Amax nach der Verschiebung ΔX bestimmt werden. Aufgrund theoretischer Untersuchungen hat es sich herausgestellt, dass in den erfindungsgemäß zu bestimmenden Punkten maximaler Krümmung Xl, X2 tatsächlich ein „Knick" in der Krümmung des Verlaufs des Amplitudenmaximums auftritt, d.h. die zweite Ableitung des Verlaufs des Amplitudenmaximums nach der Verschiebung ΔX ist an diesem Punkt stetig, aber nicht differenzierbar. Dies führt dazu, dass die dritte Ableitung des Verlaufs des Amplitudenmaximums Amax nach der Verschiebung ΔX an diesem Punkt eine Unstetigkeit, d.h. eine Sprungstelle aufweist, bei der gleichzeitig ein Vorzeichenwechsel in der dritten Ableitung auftritt. Die Größe des an den Sprungstellen auftretenden Sprungs kann als Maß für die Reflektivität r der Ultraschall-reflektierenden Struktur herangezogen werden.It has proven to be particularly advantageous if, for the determination of the points of maximum curvature X1, X2 in the obtained curve of the amplitude maximum Amax, the discontinuities with change of sign in the third derivative of the detected amplitude maximum Amax are determined after the displacement ΔX. On the basis of theoretical investigations, it has been found that in the points of maximum curvature X1, X2 to be determined according to the invention a "kink" actually occurs in the curvature of the course of the amplitude maximum, ie the second derivative of the course of the amplitude maximum after the shift ΔX is at this point The result of this is that the third derivative of the curve of the maximum amplitude Amax after the shift ΔX at this point has a discontinuity, ie a discontinuity at which a sign change in the third derivative occurs at the same time Jumping points occurring jump can be used as a measure of the reflectivity r of the ultrasound-reflecting structure.
Aufgrund der Tatsache, dass der gemessene Amplitudenverlauf in der Regel nicht als kontinuierliche Kurve vorliegt, sondern vielmehr durch eine Mehrzahl diskrete Messwerte wiedergegeben wird, kann sich hier das Problem ergeben, dass die dritte Ableitung des experimentell ermittelten Amplitudenverlaufs nach der Verschiebung ein sehr starkes Rauschen aufweist. In solchen Fällen hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn zur Bestimmung der Punkte maximaler Krümmung im Amplitudenverlauf die Maxima und Minima der zweiten Ableitung der detektierten reflektierten Amplitude nach der Verschiebung ΔX bestimmt werden. Auch wenn an den gesuchten Punkten tatsächlich ein „Knick" in der zweiten Ableitung auftritt, so treten diese Knickstellen doch als (ggf. lokale) Maxima und Minima in der zweiten Ableitung auf (vgl. hierzu insbesondere Fig. 5b der nachfolgenden Ausführungsbeispiele).Due to the fact that the measured amplitude characteristic is generally not present as a continuous curve, but rather is represented by a plurality of discrete measured values, the problem may arise here that the third derivative of the experimentally determined amplitude characteristic after the displacement has a very high noise , In such cases, it has proved to be advantageous if, to determine the points of maximum curvature in the amplitude curve, the maxima and minima of the second derivative of the detected reflected amplitude after the shift .DELTA.X be determined. Even if a "kink" in the second derivative actually occurs at the desired points, these kinks nevertheless appear as (possibly local) maxima and minima in the second derivative (compare in particular FIG. 5b of the following exemplary embodiments).
Ein Wert für die geometrische Größe d der vermessenen Ultraschallreflektierenden Struktur kann nun aus den vorstehend gewonnenen Informationen ermittelt werden, indem der Abstand benachbarter Punkte maximaler Krümmung Xl, X2 im experimentell ermittelten Verlauf der Maximalamplitude Amax bestimmt wird.A value for the geometric size d of the measured ultrasound-reflecting structure can now be determined from the information obtained above by determining the distance between adjacent points of maximum curvature X1, X2 in the experimentally determined profile of the maximum amplitude Amax.
Um ein Paar von benachbarten Punkten maximaler Krümmung Xl, X2 als zu einer einzigen Ultraschall-reflektierenden Struktur gehörend zu identifizieren, kann eines oder mehrere der folgenden Kriterien angewendet werden :To identify a pair of adjacent points of maximum curvature X1, X2 as belonging to a single ultrasound-reflecting structure, one or more of the following criteria may be used:
1. Zwischen dem ersten und dem zweiten Punkt maximaler Krümmung Xl, X2 wechselt die Krümmung das Vorzeichen (d.h. von „rechtsgekrümmt" zu „linksgekrümmt" oder umgekehrt),1. Between the first and second maximum curvature points X1, X2, the curvature changes sign (i.e., from "right-curved" to "left-curved" or vice versa),
2. der Betrag der Krümmung ist in der unmittelbaren Umgebung beider Punkte Xl, X2 an den Flanken des gemessenen Verlaufs der Maximalamplitude, die jeweils zum vermeintlich komplementären Punkt maximaler hin orientiert sind (d.h. z.B. Xl-δX und X2+5X bzw. Xl+δX und X2+5X, vgl. Fig. 5b), im Wesentlichen gleich, und2. The amount of curvature is in the immediate vicinity of both points Xl, X2 on the flanks of the measured curve of the maximum amplitude, each of which is oriented maximally towards the supposedly complementary point (ie, for example, Xl-δX and X2 + 5X or Xl + δX and X2 + 5X, see Fig. 5b), substantially the same, and
3. die zweite Ableitung des Verlaufs des Amplitudenmaximums Amax nach der Verschiebung ΔX ist in beiden Punkten Xl, X2 stetig, aber nicht differenzierbar.3. the second derivative of the course of the amplitude maximum Amax after the shift ΔX is continuous in both points X1, X2, but not differentiable.
Während das erste Kriterium im Wesentlichen dazu dient sicherzustellen, dass es sich bei den ausgewählten Punkten tatsächlich um benachbarte Punkte handelt, basiert das zweite Kriterium auf der Annahme, dass die Reflektivität r der erfass- ten Ultraschall-reflektierenden Struktur längs ihrer gesamten Ausdehnung entlang der X-Achse im Wesentlichen eine konstante Reflektivität aufweist. Es hat sich in der Praxis erwiesen, dass diese Annahme für viele vermessene Fehler mit guter Genauigkeit erfüllt ist, so dass das zweite Kriterium gut dazu geeignet ist, die rechten und linken Grenzen des vermessenen Fehlers aufzufinden. Das zwei- te Kriterium ist jedoch gerade nicht erfüllt, wenn die Reflektivität der Ultraschallreflektierenden Struktur längs ihrer Ausdehnung variiert. Das dritte Kriterium soll sicherstellen, dass die aufgefundenen Maxima bzw. Minima tatsächlich mit der Berandung einer Ultraschall-reflektierenden Struktur korreliert sind.While the first criterion essentially serves to ensure that the selected points are actually adjacent points, the second criterion is based on the assumption that the reflectivity r of the detected ultrasound-reflecting structure along its entire extent along the X -Axis substantially has a constant reflectivity. It has been proven in practice that this assumption is met with good accuracy for many measured errors, so that the second criterion is well suited to finding the right and left bounds of the measured error. The two However, the criterion is not fulfilled if the reflectivity of the ultrasound-reflecting structure varies along its extent. The third criterion is intended to ensure that the maxima or minima found are actually correlated with the boundary of an ultrasound-reflecting structure.
Die vorgenannte Verfahrensweise lässt sich ebenfalls gut mit einem konventionellen Puls-Echo-Verfahren kombinieren, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist. Mittels des konventionellen Puls-Echo-Verfahrens wird die Lage des Fehlers im Prüfling bestimmt, mit dem nachfolgenden erfindungsgemäßen Verfahren kann der Fehler damit mit erhöhter Genauigkeit vermessen werden.The aforementioned procedure can also be combined well with a conventional pulse-echo method, as known from the prior art. By means of the conventional pulse-echo method, the position of the error is determined in the test object, with the subsequent inventive method, the error can thus be measured with increased accuracy.
Die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gestaltet sich besonders einfach, wenn der erste und der zweite Ultraschallpuls Pl und P2 im Wesentlichen dieselbe Pulshöhe und dieselbe Pulsdauer aufweisen. Dies ist für das erfindungsgemäße Verfahren aber nicht zwingend erforderlich. Ebenfalls vorteilhaft aber nicht zwingend erforderlich ist, dass der erste und zweite Ultraschallpuls Pl und P2 im Wesentlichen zeitgleich erzeugt werden. Unter bestimmten Umständen kann auch eine zeitversetzte Erzeugung der ersten und zweiten Ultraschallpulse Pl und P2 vorteilhaft sein. Um die im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens erforderliche Summierung / Überlagerung des reflektierten ersten und zweiten Ultraschallpulses Pi und P2 zu realisieren, kann diese Überlagerung beispielsweise auf elektronischem Wege durch Verarbeitung der mittels des Ultraschallempfängers getrennt detektierten ersten und zweiten Ultraschallpulse geschehen.The implementation of the method according to the invention is particularly simple if the first and second ultrasonic pulses P1 and P2 have substantially the same pulse height and the same pulse duration. However, this is not absolutely necessary for the process according to the invention. It is also advantageous, but not mandatory, for the first and second ultrasonic pulses P1 and P2 to be generated substantially simultaneously. In certain circumstances, a time-delayed generation of the first and second ultrasonic pulses P1 and P2 can also be advantageous. In order to realize the summation / superimposition of the reflected first and second ultrasound pulses Pi and P2 required in the context of the method according to the invention, this superimposition can take place, for example, electronically by processing the first and second ultrasound pulses separately detected by means of the ultrasound receiver.
Das erfindungsgemäße Verfahren gestaltet sich wiederum besonders einfach, wenn der erste und der zweite Ultraschallsender im Wesentlichen dieselbe Strahlcharakteristik aufweisen. Dies ist jedoch für das erfindungsgemäße Verfahren ebenfalls nicht zwingend erforderlich.In turn, the method according to the invention is particularly simple if the first and second ultrasound transmitters have substantially the same beam characteristic. However, this is likewise not absolutely necessary for the method according to the invention.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren handelt es sich also um ein speziell ausgebildetes Puls-Echo-Verfahren, welches unter der Verwendung von parallel propagierenden Pulsen unterschiedlicher Polarität basiert. Wie erwähnt soll unter „unterschiedlicher Polarität" der Ultraschallpulse Pl und P2 im Rahmen der vorliegenden Erfindung verstanden werden, dass der zeitliche Verlauf der Schalldruckamplitude des zweiten Pulses gegenüber dem ersten Puls gerade umge- kehrt ist. Dies bedeutet, dass wenn der erste Puls beispielsweise mit einem Druckanstieg beginnt, der zweite Puls mit einem betragsmäßig gleichen Druckabfall beginnt. Bringt man solche Pulsen phasengleich zur Überlagerung, so löschen sie sich gegenseitig vollständig aus.The method according to the invention is therefore a specially designed pulse-echo method which is based on the use of pulses of different polarity propagating in parallel. As mentioned above, the term "different polarity" of the ultrasonic pulses P1 and P2 in the context of the present invention is to be understood to mean that the chronological course of the sound pressure amplitude of the second pulse is just opposite the first pulse. is over. This means that when the first pulse begins, for example, with a pressure increase, the second pulse begins with a magnitude equal pressure drop. If you bring such pulses in phase to the superposition, they cancel each other out completely.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann dahingehend weitergebildet werden, dass es dazu geeignet ist, die Reflektivität r einer Ultraschall-reflektierenden Struktur im Volumen eines Prüflings mittels Ultraschall zu bestimmen. Hierzu wird in einem ersten Schritt mittels eines geeigneten Ultraschallalgorithmus, welcher beispielsweise wiederum auf einem Puls-Echo-Verfahren basieren kann und insbesondere als Verfahren gemäß des Anspruchs 1 ausgestaltet sein kann, die Lage der Ultraschall-reflektierenden Struktur im Volumen des Prüflings bestimmt.The method according to the invention can be further developed such that it is suitable for determining the reflectivity r of an ultrasound-reflecting structure in the volume of a test specimen by means of ultrasound. For this purpose, in a first step, the position of the ultrasound-reflecting structure in the volume of the test object is determined by means of a suitable ultrasound algorithm, which in turn can be based, for example, on a pulse-echo method and in particular as a method according to claim 1.
Nachfolgend werden die ersten vier Verfahrensschritte (Schritte a bis d) des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß Anspruch 1 wiederholt durchlaufen, um damit den Verlauf des Amplitudenmaximums Amax des Echopulses als Funktion der Verschiebung ΔX zu bestimmen. Aus dem experimentell ermittelten Verlauf des Amplitudenmaximums Amax kann dann die dritte Ableitung des detektierten Verlaufs des Amplitudenmaximums nach der Verschiebung ΔX ermittelt werden.Subsequently, the first four method steps (steps a to d) of the method according to the invention according to claim 1 are repeated, in order to determine the course of the amplitude maximum Amax of the echo pulse as a function of the displacement .DELTA.X. From the experimentally determined course of the amplitude maximum Amax, the third derivative of the detected curve of the amplitude maximum can then be determined after the shift ΔX.
Im letzten Verfahrensschritt wird schließlich die Größe des Sprungs in der dritten Ableitung ermittelt, der dann auftritt, wenn die in den Prüfling eingeschallten ersten und zweiten Ultraschallpulse den Rand der Struktur erfassen, d.h. wenn der vom Prüfkopf eingeschallte Prüfstrahl symmetrisch über dem Rand der Struktur steht.Finally, in the last step of the process, the magnitude of the jump in the third derivative, which occurs when the first and second ultrasonic pulses injected into the device under test detect the edge of the structure, i. when the test beam collimated by the test head is symmetrically over the edge of the structure.
Eine Quantifizierung der Reflektivität r der vermessenen Ultraschall- reflektierenden Struktur ist beispielsweise möglich über einen Größenvergleich des vorstehend ermittelten Sprungs in der dritten Ableitung demjenigen Sprung, welcher in der dritten Ableitung einer Referenzstruktur auftritt, die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß Anspruch 1 vermessen wurde.A quantification of the reflectivity r of the measured ultrasound-reflecting structure is possible, for example, by comparing the size of the above-determined jump in the third derivative with that jump occurring in the third derivative of a reference structure which has been measured by means of the method according to the invention.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur zerstörungsfreien Bestimmung der Größe einer Ultraschall-reflektierenden Struktur im Volumen eines Prüflings mittels Ultraschall basiert auf der Verwendung eines ersten und eines zweiten Ultraschallsenders, die in einer Raumrichtung (im Folgenden wiederum als X-Richtung be- zeichnet), voneinander beabstandet angeordnet sind. Diese ersten und zweiten Ultraschallsender sollen dazu eingerichtet sein, einen gerichteten ersten Ultraschallpuls Pl sowie einen gerichteten Ultraschallpuls P2 in den Prüfling einzu- schallen, wobei der erste und der zweite Ultraschallpuls Pl und P2 im Prüfling entlang im Wesentlichen paralleler Wege Sl und S2 propagieren sollen. Weiterhin sollen die vom ersten und zweiten Ultraschallsender erzeugten ersten und zweiten Ultraschallpulse Pl und P2 eine unterschiedliche Polarität P+, P- aufweisen.An apparatus according to the invention for non-destructive determination of the size of an ultrasound-reflecting structure in the volume of a test specimen by means of ultrasound is based on the use of a first and a second ultrasound transmitter operating in one spatial direction (hereinafter again referred to as X direction). draws) are arranged spaced from each other. These first and second ultrasonic transmitters should be set up to resonate a directed first ultrasonic pulse P 1 and a directed ultrasonic pulse P 2 into the test object, the first and second ultrasonic pulses P 1 and P 2 being propagated in the test object along substantially parallel paths S 1 and S 2. Furthermore, the first and second ultrasonic pulses P1 and P2 generated by the first and second ultrasonic transmitters should have a different polarity P +, P-.
Weiterhin ist die erfindungsgemäße Vorrichtung dazu vorgesehen, in Verbindung mit einem Mittel zum Summieren der reflektierten ersten und zweiten Ultraschallpulse £1, P2 sowie einem Mittel zum Detektieren des Amplitudenmaximums Amax der summierten reflektierten ersten und zweiten Ultraschallpulse Pi, P2 verwendet zu werden. Ersteres Mittel kann beispielsweise realisiert sein durch die ersten und zweiten Ultraschallsender, welche auf elektronischem Wege zu einem gemeinsamen Ultraschallempfänger zusammengefasst werden.Furthermore, the device according to the invention is intended to be used in conjunction with a means for summing the reflected first and second ultrasonic pulses £ 1, P2 and a means for detecting the amplitude maximum Amax of the summed reflected first and second ultrasonic pulses Pi, P2. The first means can be realized, for example, by the first and second ultrasound transmitters, which are combined electronically into a common ultrasound receiver.
Weiterhin ist die erfindungsgemäße Vorrichtung dazu vorgesehen, in Verbindung mit einem Mittel zur Erfassung der gemeinsamen Verschiebung ΔX des ersten und des zweiten Ultraschallsenders in Richtung der X-Achse auf der Prüffläche des Prüflings. Solche Mittel können beispielsweise ausgestaltet sein als mit dem ersten und dem zweiten Ultraschallsender mechanisch verbundene Wegerfassungseinheit, die beispielsweise in Form eines mitlaufenden Rads ausgestaltet sein kann. Die Mittel zur Erfassung der Verschiebung können aber auch in rein elektronischer Form verkörpert sein. Beispielhaft sei hierfür die Verwendung eines Array-Prüfkopfs genannt, der eine Vielzahl von in einer Raumrichtung nebeneinander angeordneten Ultraschallsendern aufweist, wobei eine Verschiebung der ersten und zweiten Ultraschallsender dadurch realisiert werden kann, dass in einem ersten Schritt der i-te und (i+l)-te Ultraschallsender des Array-Prüfkopfs angesteuert werden. Im nachfolgenden Schritt werden dann der i+l-te sowie der (i+2)-te Ultraschallsender angesteuert, usw.. Praktisch bedeutet dies, dass das vom array ausgesandte Schallbündel bei jedem Zyklus um einen „pitch" des ar- rays, d.h. ein Element des Arrays in X-Richtung verschoben wird. Somit entspricht beträgt die Verschiebung ΔX von einem Zyklus zum nächsten genau dem pitch des Array-Prüfkopfs, also dem Abstand zweier Ultraschall-aktiver Elemente. Ein besonderer Vorteil des erfindungemäßen Verfahrens und auch der Vorrichtung besteht aber gerade darin, dass basierend auf einem gemessenen Verlauf des Amplitudenmaximums Amax mit relativ wenigen bzw. weit voneinander entfernten Messpunkten auf der X-Achse eine Größenbestimmung des vermessenen Fehlers mit einer Genauigkeit möglich ist, die deutlich besser ist als der Abstand der Messpunkte auf der X-Achse. Dies ist besonders bei der Verwendung von Ar- ray- Prüfköpfen ein wesentlicher Vorteil.Furthermore, the device according to the invention is intended, in conjunction with a means for detecting the common displacement .DELTA.X of the first and the second ultrasonic transmitter in the direction of the X-axis on the test surface of the test object. Such means may be configured, for example, as a path detection unit which is mechanically connected to the first and the second ultrasound transmitters and which may be designed, for example, in the form of a follower wheel. The means for detecting the shift can also be embodied in a purely electronic form. An example of this is the use of an array probe, which has a multiplicity of ultrasound transmitters arranged side by side in a spatial direction, wherein a displacement of the first and second ultrasound transmitters can be realized by the i-th and (i + 1) in a first step ) -th ultrasonic transmitter of the array probe are controlled. In the following step, the i + lth as well as the (i + 2) th ultrasonic transmitter are then activated, etc. Practically, this means that the sound beam emitted by the array is at each cycle by a "pitch" of the arrays, ie Thus, the displacement .DELTA.X from one cycle to the next is exactly the same as the pitch of the array probe, ie the distance between two ultrasound-active elements. However, a particular advantage of the method according to the invention and also of the device consists in the fact that based on a measured progression of the amplitude maximum Amax with relatively few or far apart measuring points on the X-axis, a size determination of the measured error with an accuracy is possible is significantly better than the distance of the measuring points on the X-axis. This is a significant advantage, especially when using array probes.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist nun eine Ansteuereinheit zur Ansteuerung der ersten und zweiten Ultraschallsender auf, so dass diese jeweils Folgen von Ultraschallpulsen Pl und P2 verschiedener Polarität P+, P- aussenden.The device according to the invention now has a drive unit for controlling the first and second ultrasonic transmitters, so that they emit sequences of ultrasonic pulses P1 and P2 of different polarity P +, P-, respectively.
Weiterhin umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Auswerteeinheit, die dazu eingerichtet ist, das detektierte Amplitudenmaximum Amax der summierten reflektierten ersten und zweiten Pulse Pi und P2 als Funktion der Verschiebung ΔX der ersten und zweiten Ultraschallsender auf der X-Achse zu erfassen. Weiterhin ist die Auswerteeinheit dazu eingerichtet, die Punkte maximaler Krümmung im über der Verschiebung ΔX aufgetragenen Verlauf des detektierten Amplitudenmaximums Amax zu bestimmen.Furthermore, the device according to the invention comprises an evaluation unit which is set up to detect the detected amplitude maximum Amax of the summed reflected first and second pulses Pi and P2 as a function of the displacement ΔX of the first and second ultrasound transmitters on the X-axis. Furthermore, the evaluation unit is set up to determine the points of maximum curvature in the course of the detected amplitude maximum Amax plotted over the displacement ΔX.
In vorteilhaften Ausgestaltungen ist die Auswerteeinheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung dazu eingerichtet, einzelne oder mehrere der vorteilhaften Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens bezüglich der Bestimmung der Punkte maximaler Krümmung in der experimentell erfassten Amplitudenkurve zu implementieren.In advantageous embodiments, the evaluation unit of the device according to the invention is adapted to implement one or more of the advantageous embodiments of the method according to the invention with respect to the determination of the points of maximum curvature in the experimentally detected amplitude curve.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die umfasste Ansteuereinheit dazu eingerichtet, den ersten und den zweiten Ultraschallsender so anzusteuern, dass der erste und der zweite Ultraschallpuls Pl und P2 im Wesentlichen dieselbe Pulsform, Pulshöhe und/oder dieselbe Pulsdauer aufweisen. Weiterhin können sich Vorteile ergeben, wenn die Ansteuereinheit dazu eingerichtet ist, den ersten und den zweiten Ultraschallpuls Pl bzw. P2 im Wesentlichen zeitgleich zu erzeugen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Ansteuereinheit dazu eingerichtet ist, das relative Timing des ersten und zweiten Ultraschallpulses Pl und P2 gezielt einzustellen. Die erfindungsgemäße Anordnung zur zerstörungsfreien Bestimmung der Größe einer Ultraschall-reflektierenden Struktur im Volumen eines Prüflings mittels Ultraschall umfasst einen ersten und einen zweiten Ultraschallsender, die in einer Raumrichtung, die im Folgenden wiederum als X-Richtung bezeichnet wird, voneinander beabstandet angeordnet sind. In der Regel wird der erste Ultraschallsender unmittelbar angrenzend an den zweiten Ultraschallsender angeordnet sein. Dabei sind der erste und der zweite Ultraschallsender dazu eingerichtet, einen gerichteten ersten Ultraschallpuls Pl sowie einen gerichteten zweiten Ultraschallpuls P2 in den Prüfling einzuschallen. Insbesondere sind die ersten und zweiten Ultraschallsender so angeordnet und eingerichtet, dass der erste und der zweite Ultraschallpuls Pl und P2 im Prüfling entlang im Wesentlichen paralleler Wege Sl und S2 propagieren. Weiterhin sind der erste und der zweite Ultraschallsender dazu eingerichtet, erste und zweite Ultraschallpulse Pl und P2 unterschiedlicher Polarität zu erzeugen. Im Kontext der vorliegenden Erfindung bedeutet dieses „eingerichtet sein" der ersten und zweiten Ultraschallsender insbesondere, dass diese grundsätzlich dazu in der Lage sind, Ultraschallpulse unterschiedlicher Polarität zu erzeugen. Die Erzeugung von Ultraschallpulsen unterschiedlicher Polarität wird praktisch i.d.R. durch eine entsprechende Ansteuerung der ersten und zweiten Ultraschallsender mittels der weiterhin umfassten Ansteuereinheit realisiert.In a further advantageous embodiment of the device according to the invention, the drive unit included is set up to control the first and second ultrasonic transmitters in such a way that the first and second ultrasonic pulses P1 and P2 have substantially the same pulse shape, pulse height and / or pulse duration. Furthermore, advantages can result if the drive unit is set up to generate the first and second ultrasonic pulses P1 and P2 at substantially the same time. It is particularly advantageous if the drive unit is set up to set the relative timing of the first and second ultrasonic pulses P1 and P2 in a targeted manner. The inventive arrangement for non-destructive determination of the size of an ultrasound-reflecting structure in the volume of a test specimen by means of ultrasound comprises a first and a second ultrasound transmitter, which are arranged spaced apart in a spatial direction, which is referred to below as the X direction. As a rule, the first ultrasound transmitter will be arranged directly adjacent to the second ultrasound transmitter. In this case, the first and second ultrasound transmitters are set up to surround a directed first ultrasound pulse P 1 and a directed second ultrasound pulse P 2 into the test object. In particular, the first and second ultrasonic transmitters are arranged and set up in such a way that the first and second ultrasonic pulses P1 and P2 propagate in the test object along substantially parallel paths S1 and S2. Furthermore, the first and second ultrasonic transmitters are configured to generate first and second ultrasonic pulses P1 and P2 of different polarity. In the context of the present invention, this "being set up" of the first and second ultrasound transmitters means, in particular, that they are capable of producing ultrasound pulses of different polarity Realized ultrasonic transmitter by means of the further included drive unit.
Weiterhin umfasst die erfindungsgemäße Anordnung ein Mittel zum Summieren der überlagerten reflektierten ersten und zweiten Ultraschallpulse Pi, P2 , wobei vorstehend schon ausgeführt wurde, dass ein solches Mittel beispielsweise in Form eines gemeinsamen Ultraschallempfängers realisiert werden kann. Dem Ultraschallempfänger nachgeschaltet sind dann Mittel zum Detektieren des Amplitudenmaximums Amax der summierten reflektierten ersten und zweiten Ultraschallpulse Pi, P2.Furthermore, the arrangement according to the invention comprises a means for summing the superimposed reflected first and second ultrasonic pulses Pi, P2, wherein it has already been explained above that such a means can be realized for example in the form of a common ultrasonic receiver. The ultrasonic receiver is then followed by means for detecting the amplitude maximum Amax of the summed reflected first and second ultrasonic pulses Pi, P2.
In einer insbesondere für die Senkrechteinschallung geeigneten Prüfkonfiguration können der erste und der zweite Ultraschallsender zu einer gemeinschaftlichen Empfangseinheit zusammengefasst werden, auf der die ersten und zweiten reflektierten Ultraschallpulse Überlagerung gebracht werden. Dabei kann diese Ü- berlagerung eine räumliche Überlagerung auf der groß dimensionierten Detektorfläche des Ultraschallempfängers sein. Es kann sich aber auch um eine elektronische Überlagerung handeln, bei der die mit getrennten Ultraschallempfängern detektierten reflektierten ersten und zweiten Ultraschallpulse £i und P2 einander elektrisch (analoges (Roh-)Signal) oder elektronisch (digitalisiertes Signal) überlagert werden.In a test configuration suitable in particular for perpendicular sounding, the first and second ultrasound transmitters can be combined to form a common reception unit, on which the first and second reflected ultrasound pulses are superimposed. In this case, this superimposition can be a spatial superimposition on the large-sized detector surface of the ultrasound receiver. But it can also be an electronic overlay, in which the with separate ultrasonic receivers detected reflected first and second ultrasonic pulses £ i and P2 are superimposed on each other electrically (analog (raw) signal) or electronically (digitized signal).
Weiterhin umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung ein Mittel zur Erfassung einer (gemeinschaftlichen) Verschiebung ΔX des ersten und zweiten Ultraschallsenders entlang der X-Achse auf der Oberfläche des Prüflings. Auf mögliche Ausgestaltungen der Mittel zur Erfassung der Verschiebung wurde vorstehend bereits eingegangen.Furthermore, the device according to the invention comprises a means for detecting a (collective) displacement ΔX of the first and second ultrasonic transmitters along the X-axis on the surface of the test object. Possible embodiments of the means for detecting the shift have already been discussed above.
Schließlich umfasst die erfindungsgemäße Anordnung eine Vorrichtung gemäß Anspruch 11.Finally, the arrangement according to the invention comprises a device according to claim 11.
Besondere Vorteile ergeben sich, wenn die von der Anordnung umfassten ersten und zweiten Ultraschallsender im Wesentlichen dieselbe Strahlcharakteristik aufweisen. Dabei können der erste und der zweite Ultraschallsender vorteilhaft in einem gemeinsamen Prüfkopfgehäuse angeordnet werden.Particular advantages arise when the first and second ultrasonic transmitters encompassed by the arrangement have substantially the same beam characteristic. In this case, the first and the second ultrasonic transmitter can advantageously be arranged in a common test head housing.
Besondere Vorteile ergeben sich, wenn der erste und zweite Ultraschallsender jeweils von einem einzeln ansteuerbaren Element eines Array- Prüfkopfs gebildet werden. Kommt ein Array-Prüfkopf mit einer Vielzahl von einzeln ansteuerbaren Ultraschallsendern zum Einsatz, so können der erste und der zweite Ultraschallsender vorteilhaft auch aus einer Gruppe von einzeln ansteuerbaren Ultraschallsendern des Array- Prüfkopfs gebildet werden, die elektronisch zu einem gemeinsamen Ultraschallsender zusammengefasst sind. Dies kann beispielsweise durch eine phasen- und ggf. auch amplitudengleiche Ansteuerung dieser einzelnen ansteuerbaren Elemente geschehen.Particular advantages arise when the first and second ultrasound transmitters are each formed by an individually controllable element of an array probe. If an array probe with a plurality of individually controllable ultrasonic transmitters is used, then the first and the second ultrasonic transmitters can advantageously also be formed from a group of individually controllable ultrasonic transmitters of the array probe that are combined electronically into a common ultrasonic transmitter. This can be done for example by a phase and possibly also the same amplitude control of these individual controllable elements.
Weitere Vorteile und Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens, der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie der erfindungsgemäßen Anordnung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie den Ausführungsbeispielen, die nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert werden : In dieser zeigen :Further advantages and features of the method according to the invention, the device according to the invention and the arrangement according to the invention will become apparent from the subclaims and the exemplary embodiments, which are explained in more detail below with reference to the drawing: In this show:
Fig. 1 : eine schematische Darstellung eines ersten reflektierten Prüfpulses1 shows a schematic representation of a first reflected test pulse
Pi mit einer ersten Polarität P+, eines zweiten reflektierten Prüfpul- ses P2 mit einer entgegen gesetzten Polarität P- sowie die Überlagerung dieser beiden Pulse,Pi with a first polarity P +, a second reflected test pulse this P2 with an opposite polarity P and the superimposition of these two pulses,
Figur 2: eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Anordnung zur zerstörungsfreien Bestimmung der Größe einer Ultraschall-reflektierenden Struktur im Volumen eines Prüflings mittels Ultraschall,2 shows a schematic representation of a first exemplary embodiment of an arrangement according to the invention for nondestructive determination of the size of an ultrasound-reflecting structure in the volume of a test specimen by means of ultrasound,
Fig. 3: eine vergrößerte Darstellung des im ersten Ausführungsbeispiel verwendeten Prüfkopfs der Anordnung,3 shows an enlarged view of the test head of the arrangement used in the first exemplary embodiment,
Fig. 4: eine vergrößerte Darstellung eines in einem zweiten Ausführungsbeispiel verwendeten Prüfkopfs der Anordnung,4 is an enlarged view of a test head of the assembly used in a second embodiment;
Fig. 5a : eine schematische Darstellung des Verlaufs der Maximalamplitude Amax, welcher mit der erfindungsgemäßen Anordnung gemäß Figur 2 gewonnen wurde beim Scannen einer Ultraschall-reflektierenden Struktur, und5 a shows a schematic representation of the profile of the maximum amplitude Amax, which was obtained with the arrangement according to the invention according to FIG. 2 during the scanning of an ultrasound-reflecting structure, and FIG
Fig. 5b: eine schematische Darstellung der zweiten und dritten Ableitung des Verlaufs der Maximalamplitude Amax aus Fig. 5a.5b shows a schematic representation of the second and third derivative of the curve of the maximum amplitude Amax from FIG. 5a.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung 1, die eine erfindungsgemäße Vorrichtung 10 zur zerstörungsfreien Bestimmung der Größe einer Ultraschall-reflektierenden Struktur 90 im Volumen eines Prüflings 100 sowie einen Array-Ultraschallprüfkopf 20 umfasst. Der Array- Prüfkopf 20 umfasst im gezeigten Ausführungsbeispiel eine Mehrzahl N = 12 von einzeln ansteuerbaren Ultraschallsendern 15, die in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind. Der Ultraschallprüfkopf 20 ist über eine Steuerleitung mit der Prüfvorrichtung 10 verbunden.FIG. 2 shows a schematic representation of an arrangement 1 according to the invention which comprises a device 10 according to the invention for nondestructive determination of the size of an ultrasound-reflecting structure 90 in the volume of a test object 100 and an array ultrasound test head 20. In the exemplary embodiment shown, the array test head 20 comprises a plurality N = 12 of individually controllable ultrasound transmitters 15, which are arranged in a common housing. The ultrasonic probe 20 is connected to the test apparatus 10 via a control line.
Der Ultraschallprüfkopf 20 ist zur Prüfung eines Prüflings 100, der im gezeigten Ausführungsbeispiel als planparallele Metallplatte ausgebildet ist, auf dessen im Folgenden als Prüffläche 110 bezeichnete oberseitige Oberfläche aufgesetzt. Die im Array- Prüfkopf 20 enthaltenen einzeln ansteuerbaren Ultraschallsender 15 sind auf die aus dem Stand der Technik vorbekannte Weise akustisch an die Prüffläche 110 des Prüflings 100 angekoppelt, beispielsweise durch eine Verwendung von Wasser, einem wasserhaltigem Gel oder Öl als Koppelmittel.The ultrasound test head 20 is used for testing a test object 100, which in the exemplary embodiment shown is designed as a plane-parallel metal plate, on its upper side surface, referred to below as the test surface 110. The individually controllable ultrasound transmitters 15 contained in the array test head 20 are acoustically connected to the previously known from the prior art Test surface 110 of the device under test 100 coupled, for example by using water, a hydrous gel or oil as a coupling agent.
Die Prüfvorrichtung 10 umfasst eine integrierte Ansteuereinheit 30 sowie eine integrierte Auswerteeinheit 35, wobei die Ansteuereinheit 30 dazu eingerichtet ist, die im Prüfkopf 20 enthaltenen einzeln ansteuerbaren Ultraschallsendern 15 zeitgleich oder unter Anwendung einer kontrollierten Phasenverschiebung anzusteuern, wobei die Sendeamplitude sowie die Polarität der erzeugten Ultraschallpulse für jeden einzeln angesteuerten Ultraschallsender 15 von der Ansteuereinheit 30 individuell gesteuert werden kann.The test apparatus 10 comprises an integrated drive unit 30 and an integrated evaluation unit 35, wherein the drive unit 30 is adapted to control the individually controllable ultrasound transmitters 15 contained in the test head 20 at the same time or using a controlled phase shift, the transmit amplitude and the polarity of the ultrasound pulses generated Each individually controlled ultrasonic transmitter 15 can be individually controlled by the drive unit 30.
Die Auswerteeinheit 35 ist dazu vorgesehen, von einem oder mehreren Ultraschallempfängern aufgenommene reflektierte Ultraschallpulse einer digitalen Signalverarbeitung zu unterziehen und auszuwerten. Insbesondere ist die Auswerteeinheit 35 dazu vorgesehen, die von einen oder mehreren Ultraschallsendern empfangenen reflektierten Ultraschallsignalen zu verarbeiten.The evaluation unit 35 is provided for subjecting and evaluating reflected ultrasonic pulses recorded by one or more ultrasonic receivers to digital signal processing. In particular, the evaluation unit 35 is provided to process the reflected ultrasound signals received from one or more ultrasound transmitters.
Weiterhin umfasst die Prüfvorrichtung 10 eine Mehrzahl von Bedienelementen 45, die im gezeigten Ausführungsbeispiel als Tastenfeld sowie als Drehknöpfe ausgebildet sind. Schließlich umfasst die Prüfvorrichtung 10 eine Anzeigevorrichtung 40, die im gezeigten Ausführungsbeispiel als hochauflösende LCD-Anzeige ausgestaltet ist.Furthermore, the test apparatus 10 includes a plurality of operating elements 45, which are formed in the embodiment shown as a keypad and as knobs. Finally, the test apparatus 10 includes a display device 40, which is configured in the embodiment shown as a high-resolution LCD display.
Anhand von Figur 3 wird nun die Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mittels des ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Anordnung erläutert, wobei diese Anordnung 1 einen Array- Prüf köpf 20 umfasst, welcher N = zwölf einzeln ansteuerbare Ultraschallsender 15 umfasst. Diese einzeln ansteuerbaren Ultraschallsender 15 bestehen aus demselben piezoelektrischen Material und weisen im Wesentlichen identische Sende- und Empfangseigenschaften auf. Die in Figur 3 nicht dargestellte Ansteuereinheit 30 der Prüfvorrichtung 10 ist nun dazu eingerichtet, jeweils zwei der insgesamt zwölf einzeln ansteuerbaren Ultraschallsender 15 des Prüfkopfs 20 gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens anzusteuern. Dabei wählt die Ansteuereinheit 30 stets zwei unmittelbar aneinander angrenzend angeordnete Ultraschallsender 15 aus, die nachfolgend als erste Ultraschallsender 15' und zweiter Ultraschallsender 15" bezeichnet werden. Alle Ultraschallsender 15, also auch die ersten und zweiten Ultraschallsender 15' und 15", sind dazu eingerichtet, Ultraschallpulse hoher Pulsfolgefrequenz, die im Bereich von einigen Megaherz liegen kann, zu erzeugen und diese senkrecht zur Prüffläche 110 in den Prüfling 100 einzuschallen. Dabei erzeugt jeder Ultraschallsender 15 ein fokussiertes Schallbündel, wobei die Fokustiefe bei allen Ultraschallsendern 15 im Wesentlichen identisch ist. Die Ansteuereinheit 30 ist nun dazu eingerichtet, den ausgewählten ersten Ultraschallsender 15 so anzusteuern, dass dieser eine Folge von ersten Ultraschallpulsen Pl in den Prüfling 100 einschallt, wobei die Ultraschallpulse Pl eine erste Polarität P+ aufweisen. In Figur 3 ist der Amplitudenverlauf der Ultraschallpulse Pl und P2 schematisch angedeutet. Die Polarität P+ des Ultraschallpulses Pl ist dabei so gewählt, dass der Wellenzug des Ultraschallpulses Pl mit ansteigendem Schalldruck beginnt. Die vom ersten Ultraschallsender 15' erzeugten ersten Ultraschallpulse Pl propagieren dabei im Prüfling 100 längs des ersten Schallwegs Sl.The embodiment of the method according to the invention by means of the first exemplary embodiment of an arrangement according to the invention will now be explained with reference to FIG. 3, this arrangement comprising an array test head 20, which comprises N = twelve individually controllable ultrasonic transmitters 15. These individually controllable ultrasonic transmitters 15 are made of the same piezoelectric material and have substantially identical transmission and reception properties. The drive unit 30, not shown in FIG. 3, of the test apparatus 10 is now set up to drive two of the twelve individually controllable ultrasonic transmitters 15 of the test head 20 according to the method according to the invention. In this case, the drive unit 30 always selects two ultrasound transmitters 15 which are arranged directly adjacent to one another and are referred to below as first ultrasound transmitters 15 'and second ultrasound transmitters 15 "All ultrasound transmitters 15, including the first and second ultrasound transmitters 15' and 15 "are configured to generate high pulse repetition rate ultrasonic pulses, which may be in the range of a few megahertz, and to wave them perpendicular to the test area 110 into the test piece 100. Each ultrasonic transmitter 15 produces a focused sound beam, the depth of focus being the same for all ultrasonic transmitters 15 The control unit 30 is now set up to control the selected first ultrasonic transmitter 15 in such a way that it samples a sequence of first ultrasonic pulses P1 into the test object 100, the ultrasonic pulses P1 having a first polarity P + The polarity P + of the ultrasonic pulse P1 is selected such that the wave train of the ultrasonic pulse P1 begins with increasing sound pressure. The first ultrasonic pulses P1 generated by the first ultrasonic transmitter 15 'propagate along the first S in the test object 100 Challweg Sl.
Der zweite Ultraschallsender 15" wird von der Ansteuereinheit 30 so angesteuert, dass er eine Folge von Ultraschallpulsen P2 erzeugt, die die gleiche Pulsfolgerate wie die Folge der ersten Ultraschallpulse Pl aufweist. Die zweiten Ultraschallpulse P2 weisen im Wesentlichen dieselbe Schalldruckamplitude auf wie die ersten Ultraschallpulse Pl, auch die Pulsdauer ist identisch mit der der ersten Ultraschallpulse Pl. Hingegen ist die Polarität P- der zweiten Ultraschallpulse P2 entgegengesetzt zu der Polarität P+ der ersten Ultraschallpulse Pl, d.h. die zweiten Pulse P2 beginnen mit einem abfallenden Schalldruck. Dabei ist die Ansteuereinheit 30 so eingerichtet, dass zwischen den ersten Ultraschallpulsen Pl und den zweiten Ultraschallpulsen P2 im Wesentlichen keine Phasenverschiebung auftritt.The second ultrasonic transmitter 15 "is controlled by the drive unit 30 in such a way that it generates a sequence of ultrasonic pulses P2 which has the same pulse repetition rate as the sequence of the first ultrasonic pulses P1 On the other hand, the polarity P of the second ultrasonic pulses P2 is opposite to the polarity P + of the first ultrasonic pulses P1, ie the second pulses P2 begin with a falling sound pressure arranged that between the first ultrasonic pulses Pl and the second ultrasonic pulses P2 substantially no phase shift occurs.
Nach ihrer Einkopplung in den Prüfung 100 propagieren die ersten und zweiten Ultraschallpulse Pl und P2 längs im Wesentlichen paralleler Wege Sl und S2, die im Wesentlichen senkrecht zur Prüffläche 110 des Prüflings orientiert sind. Befindet sich nun eine Ultraschall-reflektierende Struktur 90 im Schallweg Sl und / oder S2 der ersten und zweiten Ultraschallpulse Pl, P2, so werden diese (teilweise) zurückreflektiert (als reflektierte Pulse Pi, P2) und gelangen längs der Wege Sl bzw. S2 in umgekehrter Richtung zurück zu den ersten und zweiten Ultraschallsendern 15' und 15". Die Auswerteeinheit 35 ist nun dazu eingerichtet, die von der Ansteuereinheit 30 ausgewählten ersten und zweiten Ultraschallsender 15' und 15" zu einem gemeinsamen Ultraschallempfänger zusammenzuschalten. Hierzu werden die an den ersten und zweiten Ultraschallsendern 15' und 15" von den zurückreflektierten ersten und zweiten Ultraschallpulsen Pi und P2 erzeugten elektrischen Signale einander überlagert und erst nachfolgend der erwähnten digitalen Signalverarbeitung unterworfen. Bei einer Schrägeinschallung könnte anstelle der ersten und zweiten Ultraschallsender 15' und 15" ein separat ausgebildeter Ultraschallempfänger Verwendung finden, dessen ultraschallsensitives Element aus einem einzigen großflächigen piezoelektrischen Element bestehen könnte, von dem beide reflektierten Pulse £1 und P2 aufgenommen werden.After being coupled into the test 100, the first and second ultrasonic pulses P1 and P2 propagate along substantially parallel paths S1 and S2, which are oriented substantially perpendicular to the test surface 110 of the test object. If there is now an ultrasound-reflecting structure 90 in the sound path S1 and / or S2 of the first and second ultrasound pulses P1, P2, these are (partially) reflected back (as reflected pulses Pi, P2) and travel along the paths S1 and S2, respectively reverse direction back to the first and second ultrasonic transmitters 15 'and 15 ". The evaluation unit 35 is now set up to interconnect the first and second ultrasound transmitters 15 'and 15 "selected by the drive unit 30 to a common ultrasound receiver, for this purpose the first and second ultrasound transmitters 15' and 15" reflected by the first and second ultrasound pulses reflected back Pi and P2 generated electrical signals superimposed on each other and only subsequently subjected to the aforementioned digital signal processing. In the case of oblique sounding, instead of the first and second ultrasonic transmitters 15 'and 15 ", a separately formed ultrasonic receiver could be used whose ultrasound-sensitive element could consist of a single large-area piezoelectric element, from which both reflected pulses £ 1 and P2 are recorded.
Um nun die im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens erforderliche Verschiebung der ersten und zweiten Ultraschallsender 15' und 15" in Richtung der in Figur 3 gekennzeichneten X-Achse, die mit der Längsachse des Array- Prüfkopfs 20 zusammenfällt, zu realisieren, ist die Ansteuereinheit 30 dazu ausgebildet, in aufeinander folgenden Verfahrensschritten ein neues Paar von Ultraschallsendern 15 auszuwählen und zum ersten bzw. zweiten Ultraschallsender 15' bzw. 15" zu machen. Hat die Ansteuereinheit 30 in der Darstellung gemäß Figur 2 den achten und den neunten Ultraschallsender 15 des Prüfkopfs 20 als ersten und zweiten Ultraschallsender 15', 15" ausgewählt, so ist sie dazu eingerichtet, im nachfolgenden Zyklus den neunten und den zehnten Ultraschallsender 15 als ersten und als zweiten Ultraschallsender 15' bzw. 15" auszuwählen. Die erfindungsgemäß zu realisierende Verschiebung des ersten und zweiten Ultraschallsenders 15' bzw. 15" wird im gezeigten Ausführungsbeispiel also auf elektronischem Wege durch Auswahl immer neuer Paare von Ultraschallsendern 15 realisiert, wodurch der vom Prüfkopf 20 erfasste Bereich des Prüflings 100 also elektronisch in X-Richtung gescannt wird.In order to realize the displacement of the first and second ultrasonic transmitters 15 'and 15 "in the direction of the X-axis marked in FIG. 3, which coincides with the longitudinal axis of the array probe 20, the actuation unit 30 is to be realized designed to select a new pair of ultrasound transmitters 15 in successive process steps and to make the first and second ultrasound transmitters 15 'and 15 ", respectively. If the drive unit 30 in the illustration according to FIG. 2 has selected the eighth and ninth ultrasound transmitters 15 of the test head 20 as the first and second ultrasound transmitters 15 ', 15 ", then it is set up for the ninth and the tenth ultrasound transmitters 15 in the following cycle and as the second ultrasonic transmitter 15 'and 15 ", respectively. The displacement of the first and second ultrasound transmitters 15 'and 15 "to be realized according to the invention is therefore implemented electronically by selecting ever new pairs of ultrasound transmitters 15, whereby the area of the test object 100 detected by the test head 20 is electronically in the X direction is scanned.
Figur 5a zeigt nun den sich ergebenden Amplitudenverlauf des am Ultraschallempfänger anliegenden Signals beim Scannen der Ultraschall-reflektierenden Struktur 90, welche unterhalb der Prüffläche 110 im Volumen des Prüflings 100 liegt. Weist die Ultraschall-reflektierende Struktur 90 im Wesentlichen konstante Reflektionseigenschaften für die eingeschallten Ultraschallpulse Pl und P2 auf, so ergibt sich ein charakteristischer Berg-Tal-Verlauf, wie er aus Figur 5a ersichtlich ist. Der zentrale Nulldurchgang, welcher in Figur 5a mit X0 gekennzeichnet ist, ist dabei gerade mit der Prüfsituation korreliert, in der die ersten und zweiten Ultraschallpulse Pl und P2 die Ultraschall-reflektierende Struktur 90 gleichermaßen, d.h. zentral erfassen. Diese Situation ist gegeben, wenn die ersten und zweiten Ultraschallsender 15' und 15" symmetrisch zur Symmetrieachse der Struktur 90 angeordnet sind, die Figur 3 mit S0 bezeichnet ist. Rechts und links des zentralen Nulldurchgangs X0 ergibt sich im Verlauf des Amplitudenmaximums Amax ein charakteristisches Krümmungsverhalten, welches mit Sprungstellen mit Nulldurchgang der dritten Ableitung des Amplitudenverlaufs nach ΔX verbunden ist. Diese können je nach experimenteller Auflösung auch als einfache Nulldurchgänge erscheinen. Figur 5b zeigt entsprechend den Verlauf der dritten Ableitung des Verlaufs der Maximalamplitude Amax gemäß Figur 5a, wobei die dritte Ableitung charakteristische Nulldurchgänge aufweist, die symmetrisch zur Position X0 angeordnet sind.FIG. 5a now shows the resulting amplitude profile of the signal present at the ultrasound receiver during scanning of the ultrasound-reflecting structure 90, which lies below the test surface 110 in the volume of the test object 100. If the ultrasound-reflecting structure 90 has substantially constant reflection properties for the ultrasound pulses P 1 and P 2 which have been injected in, a characteristic mountain-valley profile results, as can be seen from FIG. 5 a. The central zero crossing, which is marked X 0 in FIG. 5a, is In this case, it is precisely correlated with the test situation in which the first and second ultrasound pulses P1 and P2 detect the ultrasound-reflecting structure 90 equally, ie centrally. This situation exists when the first and second ultrasonic transmitters 15 'and 15 "are arranged symmetrically with respect to the axis of symmetry of the structure 90, which is denoted by S 0 in Figure 3. Right and left of the central zero crossing X 0 results in the amplitude maximum Amax Depending on the experimental resolution, these may also appear as simple zero crossings Figure 5b shows correspondingly the course of the third derivative of the curve of the maximum amplitude Amax according to Figure 5a, wherein the third derivative has characteristic zero crossings, which are arranged symmetrically to the position X 0 .
Im Rahmen aufwendiger theoretischer und experimenteller Untersuchungen konnte festgestellt werden, dass diese Extremwerte mit Knick in der Krümmung des gemessenen Verlaufs der Maximalamplitude Amax genau dann auftreten, wenn die Ultraschall-reflektierende Struktur 90 gerade nicht mehr einem der ersten und zweiten Ultraschallpulse Pl, P2 erfasst wird. Indem der Abstand der vorgenannten Punkte ermittelt wird, kann ein Maß für die tatsächliche geometrische Abmessung d der Struktur 90 in Richtung der X-Achse angegeben werden. Experimentelle Untersuchungen haben gezeigt, dass der auf diese Weise gewonnene Wert eine hohe Korrelation mit den tatsächlichen Abmessungen der Struktur 90 zeigt, wobei die tatsächlichen geometrischen Abmessungen nachfolgend mittels zerstörender Verfahren ermittelt wurden.In the context of complex theoretical and experimental investigations, it has been found that these extreme values with kink occur in the curvature of the measured curve of the maximum amplitude Amax precisely when the ultrasound-reflecting structure 90 is no longer detected in any one of the first and second ultrasound pulses P1, P2 , By determining the distance of the aforementioned points, a measure of the actual geometric dimension d of the structure 90 in the direction of the X-axis can be given. Experimental studies have shown that the value obtained in this way shows a high correlation with the actual dimensions of the structure 90, wherein the actual geometric dimensions were subsequently determined by means of destructive methods.
Ein Scan der Struktur 90 in einer Richtung Y, die senkrecht zur X-Richtung ist, liefert schließlich ein 2d-Abbild der geometrischen Abmessungen der Ultraschallreflektierenden Struktur 90.A scan of the structure 90 in a direction Y perpendicular to the X direction finally provides a 2d image of the geometric dimensions of the ultrasound reflecting structure 90.
Weiterhin ist aus Figur 5b der Verlauf der zweiten Ableitung des Verlaufs der Maximalamplitude Amax als Funktion der Verschiebung ΔX dargestellt, wobei die Punkte maximaler Krümmung Xl, X2 aus Figur 5a, welche den Nullstellen der dritten Ableitung entsprechen, mit Maxima bzw. Minima der zweiten Ableitung korreliert sind. Ist beispielsweise aus Gründen einer unzureichenden Messgenauigkeit die Gewinnung einer dritten Ableitung des experimentell ermittelten Ver- laufs der Maximalamplitude Amax nach der Verschiebung ΔX nicht möglich, so kann alternativ auch die zweite Ableitung des Verlaufs der Maximalamplitude Amax nach dem Ort ermittelt und auf einander angrenzende Punkte-Paare bestehend aus einem Maximum und einem Minimum analysiert werden, wobei die zweite Ableitung im Maximum und im Minimum nicht differenzierbar sein sollte. Weiterhin sollte die zweite Ableitung im Maximum ein zum Minimum entgegen gesetztes Vorzeichen aufweisen. Um sicherzustellen, dass ein betrachtetes Punktepaar, an dem jeweils ein Extremwert der Krümmung im Amplitudenverlauf auftritt und die zueinander benachbart sind, tatsächlich mit den äußeren Begrenzungen einer Ultraschall-reflektierenden Struktur 90 kontrolliert sind, ist es möglich, die in den Unteransprüchen genannten Prüf- Kriterien anzuwenden, was beispielsweise softwareimplementiert in der Auswerteeinheit 35 geschehen kann.Furthermore, FIG. 5b shows the curve of the second derivative of the profile of the maximum amplitude Amax as a function of the displacement ΔX, the points of maximum curvature X1, X2 from FIG. 5a corresponding to the zeros of the third derivative having maxima or minima of the second derivative are correlated. If, for example, due to insufficient measurement accuracy, the extraction of a third derivative of the experimentally determined Runs the maximum amplitude Amax after the shift ΔX not possible, so alternatively the second derivative of the curve of the maximum amplitude Amax can be determined by the location and analyzed for adjacent pairs of points consisting of a maximum and a minimum, the second derivative in the maximum and in the minimum should not be differentiable. Furthermore, the second derivative should have a maximum opposite sign to the minimum. In order to ensure that a considered pair of points, at which in each case an extreme value of the curvature occurs in the course of amplitude and which are adjacent to each other, are actually controlled with the outer boundaries of an ultrasound-reflecting structure 90, it is possible to have the test criteria mentioned in the subclaims apply what may be done, for example software implemented in the evaluation unit 35.
Im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 ist die Anzeigevorrichtung 40 der Prüfvorrichtung 10 dazu eingerichtet, neben dem unmittelbaren Puls-Echo-Signal auch das bei einer Verschiebung in Richtung der X-Achse gewonnene Signal für das Amplitudenmaximum Amax sowie dessen zweite oder dritte Ableitung anzuzeigen.In the exemplary embodiment according to FIG. 2, the display device 40 of the test apparatus 10 is set up to display, in addition to the immediate pulse-echo signal, the signal for the amplitude maximum Amax and its second or third derivative obtained during a displacement in the direction of the X-axis.
Figur 4 zeigt schließlich den Prüfkopf 20 eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Anordnung 1 in einer vergrößerten Darstellung. Die Anordnung 1 entspricht bis auf den Prüfkopf 20 und der Wegerfassungseinheit 15 der Anordnung gemäß Figur 1. Der Prüfkopf 20 umfasst im zweiten Ausführungsbeispiel nur zwei Ultraschallsender 15, von denen einer als erster Ultraschallsender 15' und ein zweiter als zweiter Ultraschallsender 15" von der Ansteuereinheit 30 bzw. der Auswerteeinheit 35 identifiziert wird. Die ersten und zweiten Ultraschallsender 15' bzw. 15" sind analog zu den Ultraschallsendern 15 des ersten Ausführungsbeispiels ausgestaltet. Auch hier ist die Ansteuereinheit 30 dazu eingerichtet, die ersten und zweiten Ultraschallsender 15' bzw. 15" analog zum ersten Ausführungsbeispiel anzusteuern. Auch im zweiten Ausführungsbeispiel fasst die Auswerteeinheit 35 den ersten und den zweiten Ultraschallsender 15' bzw. 15" elektrisch bzw. elektronisch zu einem großen Ultraschallempfänger zusammen, so dass die von dem ersten und zweiten Ultraschallsender 15' bzw. 15" aufgenommenen reflektierten ersten und zweiten Ultraschallpulse Ei und P2 durch diese Zusammenschaltung der ersten und zweiten Ultraschallsender 15' bzw. 15" zur Überlagerung gebracht werden. Das hierbei entstehende Signal wird nachfolgend von der Auswerteeinheit 35 einer digitalen Signalverarbeitung unterworfen analog zum ersten Ausführungsbeispiel.Finally, FIG. 4 shows the test head 20 of a second exemplary embodiment of an arrangement 1 according to the invention in an enlarged view. Except for the test head 20 and the path detection unit 15, the arrangement 1 corresponds to the arrangement according to FIG. 1. In the second exemplary embodiment, the test head 20 comprises only two ultrasound transmitters 15, one of which is the first ultrasound transmitter 15 'and a second second ultrasound transmitter 15 "of the control unit 30 and the evaluation unit 35. The first and second ultrasonic transmitters 15 'and 15 "are configured analogously to the ultrasonic transmitters 15 of the first exemplary embodiment. Here, too, the drive unit 30 is set up to control the first and second ultrasound transmitters 15 'and 15 "analogously to the first exemplary embodiment." In the second exemplary embodiment too, the evaluation unit 35 holds the first and second ultrasound transmitters 15' and 15 "electrically or electronically to a large ultrasonic receiver, so that the reflected first and second ultrasonic pulses Ei and P2 picked up by the first and second ultrasonic transmitters 15 'and 15 ", respectively, are superimposed by this interconnection of the first and second ultrasonic transmitters 15' and 15", respectively. The resulting signal is subsequently subjected by the evaluation unit 35 to a digital signal processing analogous to the first embodiment.
Im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel muss jedoch zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens der Prüfkopf 20 der Anordnung 1 in X- Richtung auf der Prüffläche 110 des Prüflings 100 in X-Richtung verschoben werden. Um die hierbei auftretende Verschiebung ΔX zu erfassen, ist am Prüfkopf 20 eine Wegerfassungseinheit 50 befestigt. Diese ist im gezeigten Ausführungsbeispiel als mitlaufendes Rad ausgebildet, dessen Drehung mittels eines Winkelsensors erfasst wird. Die Signale des Winkelsensors werden dann von der Auswerteeinheit 35 in die tatsächliche Verschiebung ΔX des Prüfkopfs 20 auf der Prüffläche 110 übersetzt. Bei einer Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich bei einer Verschiebung des Prüfkopfs 20 auf der Prüffläche 110 wiederum der Amplitudenverlauf gemäß der Figur 4a, welcher ebenso mit einem Verlauf der zweiten bzw. dritten Ableitung gemäß Figur 4b korreliert ist. Die nachfolgende Auswertung des sich ergebenen gemessenen Amplitudenverlaufs kann also analog zum ersten Ausführungsbeispiel ausgeführt werden.In contrast to the first exemplary embodiment, however, in order to carry out the method according to the invention, the test head 20 of the arrangement 1 must be displaced in the X direction on the test surface 110 of the test object 100 in the X direction. In order to detect the shift ΔX that occurs in this case, a travel detection unit 50 is attached to the test head 20. This is formed in the embodiment shown as a follower wheel whose rotation is detected by means of an angle sensor. The signals of the angle sensor are then translated by the evaluation unit 35 into the actual displacement ΔX of the test head 20 on the test surface 110. When carrying out the method according to the invention, when the test head 20 is displaced on the test surface 110, the amplitude curve according to FIG. 4a is again obtained, which is also correlated with a curve of the second or third derivative according to FIG. The subsequent evaluation of the resulting measured amplitude curve can therefore be carried out analogously to the first exemplary embodiment.
Vorteilhaft an der erfindungsgemäßen Anordnung 1 gemäß des zweiten Ausführungsbeispiels ist, dass stets dieselben ersten und zweiten Ultraschallsender 15' bzw. 15" zum Einsatz kommen Variationen in Sende- bzw. Empfangseigenschaften demnach keine Rolle spielen. Nachteilig hingegen ist die fehlerbehaftete mechanische Erfassung des Verschiebewegs ΔX des Prüfkopfs 20 auf der Prüffläche 110.It is advantageous with the arrangement 1 according to the invention according to the second exemplary embodiment that the same first and second ultrasound transmitters 15 'and 15 "always play no part in variations in the transmission or reception characteristics, however, the faulty mechanical detection of the displacement path ΔX is disadvantageous the test head 20 on the test surface 110th
Aus dem Verlauf der dritten Ableitung beim Überstreichen der Ultraschallreflektierenden Struktur 90, welche aus Figur 4b ersichtlich ist, lässt sich auch eine Information über die Reflektivität der Ultraschall-reflektierenden Struktur 90 extrahieren. Es hat sich im Rahmen experimenteller und theoretischer Untersuchungen herausgestellt, dass der bei der Erfassung der Ultraschallreflektierenden Struktur 90 durch die ersten und zweiten Ultraschallpulse Pl und P2 auftretende Sprung in der dritten Ableitung, welche in Figur 4b mit A gekennzeichnet ist, unmittelbar mit der Reflektivität der Ultraschall-reflektierenden Struktur 90 korreliert ist. Insbesondere ist es möglich, die Reflektivität verschiedener Ultraschall-reflektierender Strukturen 90 innerhalb eines Prüflings 100 miteinander ins Verhältnis zu setzen. Insbesondere kann hierüber auch eine Va- riation der Reflektivität innerhalb einer einzigen reflektierenden Struktur 90 zumindest qualitativ erfasst werden.From the course of the third derivative when sweeping over the ultrasound-reflecting structure 90, which can be seen from FIG. 4 b, information about the reflectivity of the ultrasound-reflecting structure 90 can also be extracted. It has been found in experimental and theoretical investigations that the jump in the third derivative, which is marked A in FIG. 4b when the ultrasound reflecting structure 90 is detected by the first and second ultrasound pulses P1 and P2, directly correlates with the reflectivity of the Ultrasound-reflecting structure 90 is correlated. In particular, it is possible to correlate the reflectivity of different ultrasound-reflecting structures 90 within a device under test 100. In particular, this may also include a riation of the reflectivity within a single reflecting structure 90 are recorded at least qualitatively.
Durch Vergleich mit einer Referenzstruktur, deren Reflektivität quantitativ aus Voruntersuchungen bekannt ist, kann mittels der vorgenannten Methode auch ein Absolutwert der Reflektivität der Ultraschall-reflektierenden Struktur 90 gewonnen werden, welcher zumindest als Abschätzung für die Reflektivität der Struktur 90 angesehen werden kann. By comparison with a reference structure whose reflectivity is quantitatively known from preliminary investigations, an absolute value of the reflectivity of the ultrasound-reflecting structure 90 can also be obtained by means of the aforementioned method, which can be considered at least as an estimate of the reflectivity of the structure 90.
Anordnung Vorrichtung Ultraschallsender ' erster Ultraschallsender " zweiter Ultraschallsender Prüfkopf Array- Prüf köpf Element Ansteuereinheit Auswerteeinheit Anzeigevorrichtung Bedienelemente Wegerfassungseinheit Ultraschall-reflektierende Struktur0 Prüfling 0 Prüffläche Arrangement Device Ultrasonic transmitter 'first ultrasonic transmitter' Second ultrasonic transmitter Test head Array test element Control unit Evaluation unit Display device Operating elements Distance detection unit Ultrasonic reflective structure0 DUT 0 Test surface

Claims

Patentansprücheclaims
1) Verfahren zur zerstörungsfreien Bestimmung der Größe d einer Ultraschallreflektierenden Struktur (90) im Volumen eines Prüflings (100) mittels Ultraschall, unter Verwendung eines ersten und eines zweiten Ultraschallsenders (15', 15"), die in X-Richtung voneinander beanstandet angeordnet sind, die folgenden Verfahrensschritte umfassend:1) A method for non-destructive determination of the size d of an ultrasound-reflecting structure (90) in the volume of a specimen (100) by means of ultrasound, using a first and a second ultrasonic transmitter (15 ', 15 ") spaced apart in the X direction , comprising the following method steps:
a) Einschallen eines gerichteten ersten Ultraschallpulses Pl sowie eines gerichteten zweiten Ultraschallpulses P2 in den Prüfling, wobei der erste und der zweite Ultraschallpuls Pl, P2: i) im Prüfling (100) entlang im Wesentlichen paralleler Wege Sl und S2 propagieren, und ii) eine unterschiedliche Polarität P+, P- aufweisen, und b) Summieren der reflektierten ersten und zweiten Ultraschallpulse Pi, P2, c) Detektieren des Amplitudenmaximums Amax der summierten reflektierten ersten und zweiten Ultraschallpulse Pi, P2, d) Verschieben des ersten und des zweiten Ultraschallsenders (15, 15') auf der Prüffläche (110) entlang der X-Achse um einen definierten Betrag ΔX, e) Wiederholtes Ausführen der Verfahrensschritte a) bis d), und f) Bestimmung der Punkte maximaler Krümmung Xl, X2 des über der Verschiebung ΔX aufgetragenen detektierten Amplitudenmaximums Amax.a) einschallen a directed first ultrasonic pulse Pl and a directed second ultrasonic pulse P2 in the sample, the first and the second ultrasonic pulse Pl, P2: i) propagate in the test piece (100) along substantially parallel paths Sl and S2, and ii) a different polarity P +, P-, and b) summing the reflected first and second ultrasonic pulses Pi, P2, c) detecting the amplitude maximum Amax of the summed reflected first and second ultrasonic pulses Pi, P2, d) shifting the first and second ultrasonic transmitters (15 , 15 ') on the test surface (110) along the X axis by a defined amount .DELTA.X, e) Repeatedly carrying out the method steps a) to d), and f) determining the points of maximum curvature Xl, X2 of the applied over the displacement .DELTA.X detected amplitude maximum Amax.
2) Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Punkte maximaler Krümmung Xl, X2 des über der Verschiebung ΔX auf- getragenen detektierten Amplitudenmaximums Amax die Sprungstellen mit Vorzeichenwechsel der dritten Ableitung des detektierten Amplitudenmaximums Amax nach der Verschiebung ΔX bestimmt werden.2) A method according to claim 1, characterized in that for determining the points of maximum curvature Xl, X2 of above the shift ΔX supported amplitude maximum Amax the jump points with sign change of the third derivative of the detected amplitude maximum Amax are determined after the shift .DELTA.X.
3) Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Punkte maximaler Krümmung Xl, X2 des über des Verschiebung ΔX aufgetragenen detektierten Amplitudenmaximums Amax die Maxima und Minima der zweiten Ableitung des detektierten Amplitudenmaximums Amax nach der Verschiebung ΔX bestimmt werden, an denen das detektierte Amplitudenmaximum Amax als Funktion der Verschiebung ΔX einen Knick aufweist.3) Method according to claim 1, characterized in that for determining the points of maximum curvature X1, X2 of the amplitude maximum Amax plotted over the displacement ΔX, the maxima and minima of the second derivative of the detected amplitude maximum Amax are determined after the displacement ΔX at which detected amplitude maximum Amax as a function of the displacement ΔX has a kink.
4) Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe d der Ultraschall-reflektierenden Struktur im Volumen des Prüflings (100) ermittelt wird, indem der Abstand benachbarter Punkte maximaler Krümmung Xl, X2 bestimmt wird.4) A method according to claim 1, characterized in that the size d of the ultrasound-reflecting structure in the volume of the test piece (100) is determined by the distance between adjacent points of maximum curvature Xl, X2 is determined.
5) Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Identifikation eines Paars von benachbarten Punkten maximaler Krümmung Xl, X2 als zu einer Ultraschall-reflektierenden Struktur gehörend eines order mehrere der folgenden Kriterien angewendet wird : a) zwischen dem ersten und dem zweiten Punkt maximaler Krümmung Xl, X2 wechselt die Krümmung das Vorzeichen (d.h. von „rechtsgekrümmt" zu „linksgekrümmt" oder umgekehrt), b) der Betrag der Krümmung ist in der unmittelbaren Umgebung beider Punkte Xl, X2 an den Flanken des gemessenen Verlaufs des Amplitudenmaximums Amax, die jeweils zum vermeintlich komplementären Punkt maximaler Krümmung hin orientiert sind, im Wesentlichen gleich, und c) die zweite Ableitung des Verlaufs des Amplitudenmaximums Amax nach der Verschiebung ΔX ist in beiden Punkten Xl, X2 stetig, aber nicht differenzierbar.5) Method according to claim 4, characterized in that for identifying a pair of adjacent points of maximum curvature Xl, X2 as belonging to an ultrasound-reflecting structure one or more of the following criteria is applied: a) between the first and the second point maximum Curvature X1, X2, the curvature changes sign (ie from "right curved" to "left curved" or vice versa), b) the amount of curvature is in the immediate vicinity of both points Xl, X2 on the edges of the measured curve of the amplitude maximum Amax, the are respectively substantially equal to the supposedly complementary point of maximum curvature, and c) the second derivative of the course of the amplitude maximum Amax after the displacement ΔX is continuous, but not differentiable, in both points X1, X2.
6) Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Ultraschallpuls Pl, P2 im Wesentlichen dieselbe Pulshöhe und Pulsdauer aufweisen. 7) Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Ultraschallpuls Pl, P2 im Wesentlichen zeitgleich erzeugt werden.6) Method according to claim 1, characterized in that the first and the second ultrasonic pulse Pl, P2 have substantially the same pulse height and pulse duration. 7) Method according to claim 1, characterized in that the first and the second ultrasonic pulse P 1, P 2 are generated substantially simultaneously.
8) Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Ultraschallsender (15', 15") im Wesentlichen dieselbe Strahlcharakteristik aufweisen.8) Method according to claim 1, characterized in that the first and the second ultrasonic transmitter (15 ', 15 ") have substantially the same beam characteristic.
9) Verfahren zur zerstörungsfreien Bestimmung der Reflektivität einer Ultra- schall-reflektierenden Struktur (90) im Volumen eines Prüflings (100) mittels Ultraschall, dadurch gekennzeichnet, dass: a) die Lage der Struktur (90) mittels eines geeigneten Ultraschall- Algorithmus ermittelt wird, b) die Verfahrensschritte a) bis d) des Verfahrens gemäß Anspruch 1 wiederholt durchlaufen werden, um den Verlauf der dritten Ableitung des detek- tierten Amplitudenmaximums Amax nach der Verschiebung ΔX im Bereich der Ultraschall-reflektierenden Struktur zu ermitteln, c) Bestimmen der Größe des Sprungs in der dritten Ableitung, der auftritt, wenn die in den Prüfling eingeschallten ersten und zweiten Ultraschallpulse Pl, P2 den Rand der Struktur (90) erfassen.9) A method for non-destructive determination of the reflectivity of an ultrasound-reflecting structure (90) in the volume of a test specimen (100) by means of ultrasound, characterized in that: a) the position of the structure (90) is determined by means of a suitable ultrasound algorithm , b) the method steps a) to d) of the method according to claim 1 are repeated to determine the course of the third derivative of the detected amplitude maximum Amax after the displacement ΔX in the region of the ultrasound-reflecting structure, c) determining the size the jump in the third derivative, which occurs when the first and second ultrasonic pulses P 1, P 2, which are immersed in the test object, detect the edge of the structure (90).
10) Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe des Sprungs in der dritten Ableitung relativ zu einer Referenzstruktur in einem Referenzkörper bestimmt wird, indem a) die Größe des Sprungs in der dritten Ableitung des detektierten Amplitudenmaximums Amax des Prüflings nach der Verschiebung ΔX mit der Größe des Sprungs in der dritten Ableitung bestimmt wird, b) die Größe des Sprungs in der dritten Ableitung des detektierten Amplitudenmaximums Amax des Referenzkörpers nach der Verschiebung ΔX bestimmt wird, der auftritt, wenn die in den Referenzkörper eingeschallten ersten und zweiten Ultraschallpulse den Rand der Referenzstruktur erfassen, c) die in den Schritten a) und b) ermittelten Sprunggrößen miteinander ins Verhältnis gesetzt werden. 11) Vorrichtung (10) zur zerstörungsfreien Bestimmung der Größe d einer UIt- raschall-reflektierenden Struktur (90) im Volumen eines Prüflings (100) mittels Ultraschall unter Verwendung von : a) einem ersten und einem zweiten Ultraschallsender (15', 15"), die i) in X-Richtung voneinander beanstandet angeordnet und ii) dazu eingerichtet sind einen gerichteten ersten Ultraschallpuls Pl sowie einen gerichteten zweiten Ultraschallpuls P2 in den Prüfling einzuschal- len, wobei der erste und der zweite Ultraschallpuls Pl, P2 (l) im Prüfling entlang im Wesentlichen paralleler Wege Sl und S2 propagieren, und (2)eine unterschiedliche Polarität P+, P- aufweisen, b) einem Mittel zum Summieren der reflektierten ersten und zweiten Ultraschallpulse Pi, P2, c) einem Mittel zum Detektieren des Amplitudenmaximums Amax der summierten reflektierten ersten und zweiten Ultraschallpulse £!, P2, d) eines Mittels zur Erfassung einer Verschiebung (50) des ersten und des zweiten Ultraschallsenders (15, 15') auf der X-Achse um einen definierten Betrag ΔX,10) A method according to claim 9, characterized in that the size of the jump in the third derivative is determined relative to a reference structure in a reference body by a) the size of the jump in the third derivative of the detected amplitude maximum Amax of the specimen after the shift ΔX is determined with the magnitude of the jump in the third derivative, b) the magnitude of the jump in the third derivative of the detected amplitude maximum Amax of the reference body is determined after the displacement .DELTA.X which occurs when the first and second ultrasonic pulses injected into the reference body determine the edge capture the reference structure, c) the jump variables determined in steps a) and b) are set in relation to one another. 11) Apparatus (10) for nondestructive determination of the size d of a UIt- fast-reflecting structure (90) in the volume of a test specimen (100) by means of ultrasound using: a) a first and a second ultrasonic transmitter (15 ', 15 ") i) arranged in the X-direction spaced from one another and ii) arranged to be a directed first ultrasonic pulse Pl and a directed second ultrasonic pulse P2 in the DUT, wherein the first and the second ultrasonic pulse Pl, P2 (l) in the DUT propagate along substantially parallel paths Sl and S2, and (2) have a different polarity P +, P-, b) a means for summing the reflected first and second ultrasonic pulses Pi, P2, c) means for detecting the amplitude maximum Amax of the summed reflected first and second ultrasonic pulses £!, P2, d) of a displacement detecting means (50) of the first and second ultrasonic transmitters (15, 15, 15). 15 ') on the X-axis by a defined amount ΔX,
wobei die Vorrichtung (10) die folgenden Merkmale aufweist:the device (10) having the following features:
e) eine Ansteuereinheit (30) zur Ansteuerung der ersten und zweiten Ultraschallsender (15, 15'), dergestalt dass diese jeweils Folgen von Ultraschallpulsen Pl, P2 aussenden, f) eine Auswerteeinheit (35), die dazu eingerichtet ist: i) das detektierte Amplitudenmaximum Amax als Funktion der Verschiebung auf der X-Achse zu erfassen, und ii) die Punkte maximaler Krümmung Xl, X2 des über der Verschiebung ΔX aufgetragenen detektierten Amplitudenmaximums Amax zu bestimmen.e) a drive unit (30) for controlling the first and second ultrasound transmitters (15, 15 ') such that they each emit sequences of ultrasound pulses P1, P2, f) an evaluation unit (35) which is set up to: i) the detected one To detect amplitude maximum Amax as a function of the displacement on the X axis, and ii) to determine the points of maximum curvature X1, X2 of the detected amplitude maximum Amax plotted over the displacement ΔX.
12) Vorrichtung (10) gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (35) dazu eingerichtet ist, zur Bestimmung der Punkte maximaler Krümmung Xl, X2 des über der Verschiebung ΔX aufgetragenen detektierten Amplitudenmaximums Amax die Sprungstellen mit Vorzeichenwechsel in der dritten Ableitung des detektierten Amplitudenmaximums Amax nach der Verschiebung ΔX zu bestimmen.12). Device (10) according to claim 11, characterized in that the evaluation unit (35) is set up to determine the points of maximum curvature X1, X2 of the amplitude amplitude maximum Amax plotted over the displacement ΔX, the jump points with sign change in the third derivative of detected amplitude maximum Amax after the shift ΔX to determine.
13) Vorrichtung (10) gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (35) dazu eingerichtet ist, zur Bestimmung der Punkte maximaler Krümmung Xl, X2 des über der Verschiebung ΔX aufgetragenen de- tektierten Amplitudenmaximums Amax die Maxima und Minima der zweiten Ableitung des detektierten Amplitudenmaximums Amax nach der Verschiebung ΔX zu bestimmen, an denen das detektierte Amplitudenmaximum Amax als Funktion der Verschiebung ΔX einen Knick aufweist13) Device (10) according to claim 11, characterized in that the evaluation unit (35) is adapted to determine the maximum deflection points Xl, X2 of the applied over the shift .DELTA.x detected amplitude maximum Amax the maxima and minima of the second derivative of the detected amplitude maximum Amax after the shift ΔX at which the detected amplitude maximum Amax has a kink as a function of the displacement ΔX
14) Vorrichtung (10) gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (35) dazu eingerichtet ist, die Größe d der Ultraschallreflektierenden Struktur (90) im Volumen des Prüflings (100) zu ermitteln wird, indem der Abstand eines Paars benachbarter Punkte maximaler Krümmung Xl, X2 bestimmt wird.14) Device (10) according to claim 11, characterized in that the evaluation unit (35) is adapted to determine the size d of the ultrasound-reflecting structure (90) in the volume of the test piece (100) by the distance of a pair of adjacent points maximum curvature Xl, X2 is determined.
15) Vorrichtung (10) gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (35) dazu eingerichtet ist, zur Identifikation eines Paars von benachbarten Punkten maximaler Krümmung Xl, X2 als zu einer Ultraschallreflektierenden Struktur (90) gehörend eines order mehrere der folgenden Kriterien anzuwenden : a) zwischen dem ersten und dem zweiten Punkt maximaler Krümmung Xl, X2 wechselt die Krümmung das Vorzeichen (d.h. von „rechtsgekrümmt" zu „linksgekrümmt" oder umgekehrt), b) der Betrag der Krümmung ist in der unmittelbaren Umgebung beider Punkte Xl, X2 an den Flanken des gemessenen Verlaufs des Amplitudenmaximums Amax, die jeweils zum vermeintlich komplementären Punkt maximaler Krümmung hin orientiert sind, im Wesentlichen gleich, und c) die zweite Ableitung des Verlaufs des Amplitudenmaximums Amax nach der Verschiebung ΔX ist in beiden Punkten Xl, X2 stetig, aber nicht differenzierbar.15) Device (10) according to claim 14, characterized in that the evaluation unit (35) is adapted for identifying a pair of adjacent points of maximum curvature Xl, X2 as belonging to an ultrasound-reflecting structure (90) one or more of the following criteria apply: a) between the first and the second point of maximum curvature X1, X2, the curvature changes sign (ie from "right curved" to "left curved" or vice versa), b) the amount of curvature is in the immediate vicinity of both points Xl, X2 on the flanks of the measured curve of the amplitude maximum Amax, which are respectively oriented towards the supposedly complementary point of maximum curvature, substantially equal, and c) the second derivative of the curve of the amplitude maximum Amax after the shift ΔX is continuous in both points X1, X2 but not differentiable.
16) Vorrichtung (10) gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuereinheit (30) dazu eingerichtet ist, den ersten und den zweiten Ultraschallsender (15', 15") so anzusteuern, dass der erste und der zweite Ultra- schallpuls Pl, P2 im Wesentlichen dieselbe Pulshöhe und Pulsdauer aufweisen.16) device (10) according to claim 11, characterized in that the drive unit (30) is adapted to the first and the second ultrasonic transmitter (15 ', 15 ") to control so that the first and the second ultrasonic transmitter (15', 15"). sonic pulse Pl, P2 have substantially the same pulse height and pulse duration.
17) Vorrichtung (10) gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuereinheit (30) dazu eingerichtet ist, den ersten und den zweiten Ultraschallpuls Pl, P2 im Wesentlichen zeitgleich zu erzeugen.17) Device (10) according to claim 11, characterized in that the drive unit (30) is adapted to generate the first and the second ultrasonic pulse Pl, P2 substantially simultaneously.
18) Anordnung (1) zur zerstörungsfreien Bestimmung der Größe d einer Ultra- schall-reflektierenden Struktur (90) im Volumen eines Prüflings (100) mittels Ultraschall, die folgenden Merkmale aufweisend : a) einen ersten und einen zweiten Ultraschallsender (15', 15"), die i) in X-Richtung voneinander beanstandet angeordnet und ii) dazu eingerichtet sind einen gerichteten ersten Ultraschallpuls Pl sowie einen gerichteten zweiten Ultraschallpuls P2 in den Prüfling einzuschal- len, wobei der erste und der zweite Ultraschallpuls Pl, P2 (l) im Prüfling entlang im Wesentlichen paralleler Wege Sl und S2 propagieren, und (2)eine unterschiedliche Polarität P+, P- aufweisen, b) ein Mittel zum Summieren der reflektierten ersten und zweiten Ultraschallpulse Pi, P2, c) ein Mittel zum Detektieren des Amplitudenmaximums Amax der summierten reflektierten ersten und zweiten Ultraschallpulse Pi, P2, d) ein Mittel zur Erfassung einer Verschiebung (50) des ersten und des zweiten Ultraschallsenders (15, 15') auf der Oberfläche des Prüflings (110) entlang der X-Achse um einen definierten Betrag ΔX, und e) eine Vorrichtung (10) gemäß Anspruch 11.18) Arrangement (1) for nondestructive determination of the size d of an ultrasound-reflecting structure (90) in the volume of a test specimen (100) by means of ultrasound, comprising the following features: a) a first and a second ultrasound transmitter (15 ', 15 i) arranged in the X-direction spaced apart from one another and ii) arranged to introduce a directed first ultrasonic pulse P 1 as well as a directed second ultrasonic pulse P 2 into the test object, the first and the second ultrasonic pulses P 1, P 2 (1) in the DUT along substantially parallel paths Sl and S2, and (2) have a different polarity P +, P-, b) means for summing the reflected first and second ultrasonic pulses Pi, P2, c) means for detecting the amplitude maximum Amax the summed reflected first and second ultrasonic pulses Pi, P2, d) comprise means for detecting a displacement (50) of the first and second ultrasonic transmitters (1 5, 15 ') on the surface of the test piece (110) along the X-axis by a defined amount ΔX, and e) a device (10) according to claim 11.
19) Anordnung (1) gemäß Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Ultraschallsender (15', 15") im Wesentlichen dieselbe Strahlcharakteristik aufweisen.19) Arrangement (1) according to claim 18, characterized in that the first and the second ultrasonic transmitter (15 ', 15 ") have substantially the same beam characteristic.
20) Anordnung gemäß Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Ultraschallsender (15', 15") in einem gemeinsamen Prüfkopfgehäuse angeordnet sind.20) Arrangement according to claim 18, characterized in that the first and the second ultrasonic transmitter (15 ', 15 ") are arranged in a common probe housing.
21) Anordnung gemäß Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Ultraschallsender (15', 15") jeweils von einem Element (27) eines Array- Prüfkopfs (25) gebildet werden.21) Arrangement according to claim 18, characterized in that the first and the second ultrasonic transmitter (15 ', 15 ") in each case by an element (27) an array probe (25) are formed.
22) Anordnung gemäß Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Ultraschallsender (15', 15") jeweils von einer Gruppe von E- lementen (27) eines Array- Prüf kopfs (25) gebildet werden, die elektronisch zu einem Ultraschallsender (15, 15') zusammengefasst sind. 22) Arrangement according to claim 18, characterized in that the first and the second ultrasonic transmitter (15 ', 15 ") each of a group of ele- ments (27) of an array test head (25) are formed electronically to a Ultrasonic transmitters (15, 15 ') are summarized.
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