DE2036613B2

DE2036613B2 - Verfahren und Vorrichtung zum Analysieren von Diskontinuitäten hinsichtlich ihrer geometrischen Daten mittels eines auf die Diskontinuität gerichteten Bündels aus wiederkehrenden kurzen akustischen Impulsen

Info

Publication number: DE2036613B2
Application number: DE19702036613
Authority: DE
Inventors: Jacques Meaux Dory (Frankreich)
Original assignee: Realisations Ultrasoniques SA
Current assignee: Realisations Ultrasoniques SA
Priority date: 1969-07-24
Filing date: 1970-07-23
Publication date: 1975-01-23
Also published as: DE2036613C3; DE2036613A1; FR2056886A1; FR2056886B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Analysieren von Diskontinuitäten hinsichtlich ihrer geometrischen Daten mittels eines auf die Diskontinuität gerichteten Bündels aus wiederkehrenden kurzen akustischen Impulsen, insbesondere Ultraschail-Impulsen, und durch Auswertung der hindurchgelassenen oder reflektierten Impulse, bei dem aus jedem von der Diskontinuität beeinflußten Impuls eine Anzahl von unterschiedlich verzögerten Frequenzkomponenten, Elementarsignale genannt, abgeleitet werden. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Durchführen eines derartigen Verfahrens, mit einem Generator für wiederkehrende elektrische Impulse, einem durch diese Impulse modulierten Hochfrequenzsender. einem Sende- und Empfangswandler, einem Emplangsverstärker und einer Auswerteinrichtunu. die eine an den Wundler angeschlossene Verzögerungseinrichtung umfaßt.

Die Analyse von Diskontinuitäten dient im allgemeinen dazu, mit der größtmöglichen Genauigkeit die Lage, Gestalt und Abmessung von Hindernissen zu bestimmen. Die Untersuchung kann also das Messen von Dicken, Höhen oder Entfernungen betreffen, das Auffinden von Hindernissen und das Untersuchen von deren Beschaffenheit und Eigenschaften.

Es sind bereits zerstörungsfreie Ultrascnallprüfvorrichtungen bekannt, bei denen die Intensität der in Richtung einer Empfängersonde reflektierten akustischen Energie gemessen wird, weiche meistens auf dem Schirm einer Kathodenstrahlröhre als Funktion tier Zeit angezeigt wird. Dieses bekannte Verfahren basiert auf der sehr ungenauen Annahme, daß die Stärke eines Echosignals nur von der Größe des Hindernisses abhängt. Dies führt zu großen Fehlern, insbesondere wenn die Orientierung des riindernishes bezüglich des Ultraschallbündels beträchtlich von der normalen Lage abweicht.

Es ist bereits verschiedentlich versucht worden, derartige Vorrichtungen zu verbessern.

Ein eingangs genanntes Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung sind aus der US-PS 3 309914 bekannt. Hierbei besteht jedoch das Hauptproblem nur darin, gleichzeitig oberflächennahe und tief im Werkstück liegende Diskontinuitäten festzustellen.

Weiter ist ein Verfahren zum zerstörungsfreien Prüfen von Werkstücken bekannt (FR-PS 1 588 868). bei dem der Rauschpegel vermindert wird, der normalerweise bei der Verringerung der Dauer der Meßimpulse höher wird, wobei diese Verringerung die Genauigkeit der Analyse erhöhen soll. Bei diesem Verfahren erfolgt eine Analogmessung der Echosignale mittels einer Kondensatormatrix. In dem Zeitraum zwischen aufeinanderfo.Kjnden Meßimpulsen erfolgt keine Veränderung des Meßsignals, sondern es werden lediglich von Meßimpuls zu Meßimpuls die Verzögerung und die Amplitude des empfangenen Echosignals verändert und sodann die Summe der auf diese Weise veränderten Echosignale gebildet. Dieses Verfahren ist nicht nur sehr langsam, da eine große Zahl von Meßimpulsen ausgesendet werden muß, bevor ein Summensignal gebildet werden kann, sondern es ist auch schwer realisierbar. Es erfordert nämlich eine verhältnismäßig große Speichermatrix für eine große Anzahl von komplexen Signalen

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der sich eine schnelle und genaue Messung der geometrischen Daten von Hindernissen erzielen läßt

Die Lösung ist darin zu sehen, daß bei dem eingangs genannten Verfahren die Phasenlagen der Elenieniaisignale derart gewählt und die Amplituden der Elementarsignale derart geändert werden, daß die Amplitude mit der zeitlichen Verschiebung derselben

entsprechend der Funktion r_p = γ zusammenhängt,

Jp

wobei r_n und /,, die Laplace-Transformationen riy) und fix) sind, Hy) den Faktor angibt, entsprechend dem die Amplitude eines Elementarsignals geändert wird, und /(/) die Intensität des ausgesendeten Meßimpulses bedeutet.

Im folgenden wird der Begriff des »Reflexionsprofils« eines Hindernisses erliiuteri,

Gemiiß dem Prinzip von Huyghens entspricht ein beliebiges Hindernis auf der Bahn einer Welle bezüglich der Störung einer auftretenden Welle einer Gesamtheit von elementaren Hindernissen kleinen Ausmußes. Genauer ausgedrückt ist die von dem Hindernis in Richtung der Sendequelle zurückgesandte Energie die Summe ύκχ von den elementaren Quellen abgegebrnen Energien, die als nach allen Richtungen abgestrahlte Energien betrachtet werden.

Die reflektierte Energie jeder elementaren Quelle ist also proportional der Stärke der auftreffenden Welle am betrachteten Punki und eine Funktion des Reflexionsvermögens der elementaren Quelle.

Betrachtet man die Gesamtheit der zwischen den Punkten χ und x + dx der Sendequelle gelegenen elementaren Quellen, so ist ihr Reflexionsvermögen eine bestimmte Funktion R(x), welche proportional der Summe der Dichten der elementaren Quellen ist, die jeweils einen ihrem eigenen Reflexionskoeffizienten proportionalen Wichtungskoeffizienten aufweisen. Diese Funktion R(x) nennt man das Reflexiousprofil des Hindernisses.

Die vom Hindernis auf die Sendequelle reflektierte Energie wird also schließlich durch Integration des Produktes der Funktion RU) mit der Stärke der auftreffenden Welle im Punkt der Abszisse χ errechnet. Diese Stärke ist — unter der Annahme, daß es sich um eine ebene Welle handelt (was dann der Fall ist, wenn die öffnung des Bündels gering und der Abstand zwischen Hindernis und Quelle weit größer als die Größe des Hindernisses ist) ■— proportional

Λ¹

35

wobei C die Geschwindigkeit dieser Welle bedeutet: die gesamte reiektierte Energie ist durch folgende Formel gegeben:

folgenden der theoretische Fall betrachtet, wenn der Sendeimpiils ein DIRAC-impuls ist (unetnJIicb kurz, Energie jedoch größer als Null).

Die Anmelderin hat gezeigt, daß in diesem Fall das Profil des Echosignals genau das Reflexionsprofil des Hindernisses wiedergibt.

Diese Aussage liefert eine theoretische Erklärung der empirischen Feststellung der Tatsache, daß die Messung mit sehr kurzen Impulsen äußerst interessante Analysenergebnisse ergibt, denn die Kenntnis des Reflexionsprofils stellt schließlich, besser noch als die der übertragungsfunktion, die optimale Information dar, die man bezüglich eines Hindernisses haben kann.

Das Wesen des Anmeldungsgegenstandes liegt darin, daß das Impulsspektrum des Echosignals in gewisser Weise transformiert wird. Jeder Echoimpuls hat einen nicht idealen Verlauf, d. h., er ist nicht unendlich kurz. Die Fourier-Analyse eines derartigen nicht idealen Impulses führt auf ein Frequenzspektrum mit diskreten Frequenzen, woh :i die Amplituden der einzelnen Frequenzkomponentei;, ^;n der Anmeldung auch Elementarsignale genannt, frequenzabhängig sind. Die Fourier-Zerlegung eines sogenannten DIRACschen-Impulses, d. h. eines unendlich kurzen Impulses, führt auf diskrete Frequenzkomponenten mit gleichbleibender Amplitude. Durch die gemäß der Anmeldung vorgenommene Transformation wird erreicht, daß die Signale die gleiche Form annehmen, als wenn der verwendete bendeimpuls ein DIRAC-Impuls gewesen wäre.

Die Vorrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens zeichnet sich dadurch aus. daß ausgehend von der eingangs genannten Vorrichtung die Verzögerungseinrichtung mehrere Anzapfungen unterschiedlicher Verzögerungs^eiten aufweist, die über Amplitudeneinstellglieder an einen Summierverslärker geführt sind, und daß die Amplitudeneinslellglieder derart ausgebildet sind, daß die Ausgangsamplituden derselben von der Zeitverzögerung der zugeordneten Anzapfung entsprechend der Funktion

= I .if ('"ν-) R(*)d.v. r_p = _f abhängen, wobei r_p und J₁, die Laplace-

Es besteht also schließlich eine gfcnau definierte Relation zwischen dem Reflexionsprofil des Hindernisses, der Funktion /(/), die das Profil der Sendeimpulse definiert, und der vom Hindernis auf die Sendequelle reflektierten Energie.

Wenn die Funktion f[t) harmonisch ist und 1» ihre Kreisfrequenz, ist die Funktion ^}r(f) eine Funktion von πι, nämlich g(<»). Diese Funktion g{«>) heißt Übertragungsfunktion des Hindernisses.

Die Anmelderin konnte zeigen, daß diese übertragungsfunktion bis auf einen Koeffizienten die Fourier-Transformation der Funktion R{x) ist.

Es besteht also eine einfache Relation zwischen dem Reflexionsprofil des Hindernisses und seiner Übertragungsfunktion, wie sie von der Anmelderin in der DT-OS 2 027 333 definiert und verwendet worden ist.

Das Verfahren nach der Anmeldung, das direkt das Reflexionsprofil zit erhalten trachtet, unterscheidet sich jedoch grundlegend — prinzipiell und in seiner praktischen Anwendung — von dem Verfahren der obenerwähnten Anmeldung.

Um den praktischen Nutzen des Begriffes des Reflexionsorofils verständlich zu machen, sei im Transformationen der Funktionen r{y) und fit) sind, die die Amplitude eines Elementarsignals als Funktion der Zeilverzögerung bzw. die Intensität des ausgesendeten Meßimpulses als Funktion der Zeit darstellen.

Die Erfindung ist im folgenden an Hand schcmalischer Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen ergänzend erläutert.

Fig I ist ein Blockschaltbild eines Ultraschallprüfgerätes mit einer Verzögerungsleitung im Hmpfangskreis mehrerer Anzapfungen:

F i g. 2 zeigt eine andere Ausführungsform mit einem magnetostriktiven Wandler:

Fig. 3 zeigt ilne abgeänderte Ausführungsforrr,. bei welcher die Verzögerungen der elementaren Signale über Hilfswandler von einem absorbierenden Block abgeleitet werden, und

F i g. 4 zeigt eine abgeänderte Ausiiihrungsform, bei der die elementaren Signale durch Reflexion an in einem absorbierenden Block enthaltenen Reflektororganen erhalten werden.

F i g. 1 zeigt eine zerstörungsfreie Meßvorrichtung mit einem die Fehlstelle D enthaltenden Teil P. Diese Vorrichtung umfaßt in an sich bekannter Weise einen Generator für wiederkehrende elek-

trische Impulse 1, einen durch diese Impulse modulierten Hochfrequenzsender 3, einen Sende- und Empfangswandler 4, der in Berührung mit dem zu prüfenden Teil steht, einen Empfangsverstärker 5 und eine Auswerteeinrichtung 6, weiche die aus diesem Verstärker kommenden Signale auswertet. Die Auswerteeinrichtung 6 kann ein Kathodenoszillograph sein oder irgendeine Aufzeichnungsvorrichtung.

Die Besonderheit der beschriebenen Vorrichtung besteht in einer Verzögerungsleitung 7 mit verschiedenen Anschlüssen, die jeweils über einstellbare Widerstände R, .../?„.,. R„ mit dem Eingang des als Mischer wirkenden Verstärkers 5 verbunden sind. Ein Widerstand R₀ verbindet den Eingang des Verstärkers 5 mit seinem Ausgang.

Es ist eine Verzögerungsleitung 7 mit lokalisierten Konstanten aus Kondensatoren und Induktanzspulen gebildet, die jedoch gleichermaßen durch eine Leitung mit verteilten Konstanten ersetzt sein könnte.

Die Werte der Widerstände R₁ ... R„ müssen jo beträchtlich über der für die Verzögerungsleitung charakteristischen Impedanz liegen, so daß die Weitergabe des Signals nicht gestört wird.

Die Ausgangsspannung des Verstärkers ist Die Funktion R{x) ist demnach ein Rechtecksignal.

Bei einem kreisrunden Hindernis mit einem Radius r, dessen Ebene um einen Winkel « zur Achse des Bündels geneigt und in einem Abstand d vom Sender liegt, gilt die einfache Gleichung:

«(x) = 2sin« f? -(X-(Z)²COS²Ti

ti - r < χ < ti > τ R(x) = Ofür :t > </ +r χ < ti - r.

Ji,

wobei V_t . V₂ ... V_n die Amplituden der ersten, zweiten ... η-ten Elementarsignale bedeuten. In anderen Worten, das Informationsträgersignal am Ausgang des Empfängers ist die Summe von η elementaren Signalen, deren Amplituden jeweils proportional _ = r(y,l sind, wobei v, die Verzögerung

des elementaren Signals am Anschluß i ist.

Die Anmelderin hat gefunden und durch einen Versuch bestätigt, daß dann, wenn die Koeffizienten Ri und y_t so gewählt werden, daß die Laplace-Transformation der Funktion r(y,\ umgekehrt der Laplace-Transformation der Funktion fit), welche die Stärke des vom Wandler 4 abgegebenen Sendeimpulses definiert, ist. das Ausgangssignal V, den Fehler D genau entsprechend dem Reflexionsprofil reproduziert.

Folglich kann man ausgehend von einem bekannten Sendeimpuls die Koeffizienten R_f und y, berech- nen, die im Schema der F i g. 1 verwendet werden.

Bei den praktischen Anwendungsfällen ist die Verknüpfung zwischen Form und Größe des Hindernisses einerseits und seinem Reflexionsprofil andererseits im allgemeinen sehr einfach. s°

Man kann tatsächlich zeigen, daß bei einem einheitlichen Hindernis von geringem Ausmaß und einem feinen Analysi3rbündel die Funktion R(x) als Wert die Fläche der Projektion der Oberflächenelernente dieses Hindernisses zwischen den Punkten χ und χ+ dx der Abszisse auf eine senkrecht zur Bewegungsrichtung verlaufende Ebene hat.

Bei einem quadratischen Hindernis beispielsweise mit einer Seite a, dessen Ebene um einen Winkel α zur Achse des Bündels geneigt ist und dessen eine Sehe rechtwinklig zur Achse verläuft und dessen ' Mittelpunkt in einem Abstand A vom Sender liegt, gilt die einfache Relation R(x) = α sin α für

= cos «

65

und R(X) - 0 für alle Werte von χ außerhalb dieses Intervalls.

Die Funktion Rix) ist in diesem Fall eine Ellipse.

Diese Beispiele sind in keinem Fall ausschließend, und in vielen Fällen ermöglicht die Kenntnis des Reflexionsprofils. Form, Ausmaße sowie Lage des Hindernisses sehr einfach zu bestimmen.

Das Organ 6 kann Berechnungsschaltkreise aufweisen, welche die Besonderheiten des Hindernisses direkt liefern.

Es sei hier bemerkt, daß obwohl die Berechnungsweise der obenerwähnten Parameter y, und R, theoretisch ein ganz genaues Reflexionsprofil des Hindernisses zu erhalten gestattet man sich in der Praxis mit Annäherungswerten begnügt, die mit einem vernünftigen Schaltungsaufwand des Apparates und einer diskontinuierlichen Änderung der Funktion riy) erzielt werden {wobei die Verzögerungsleitung 7 nur eine bestimmte Zahl von Anzapfungen aufweist, welche eine bestimmte Zahl unstetig steigender Verzögerungswerte j/, liefern).

Bei der abgeänderten Ausführungsform der F i g 2 bezeichnen die Bezugsziffern 1-3-5-6 und R_n die gleichen Organe wie bei F i g. 2. Der Sender 3 speist die Wicklung B₀ eines magnetostriktiven Wandlers, der aus einem Draht 8 besteht, entlang welchem Wicklungen B₁. B₂ ... B_A angeordnet sind, die über Widerstände R,. R₂ ... R„ mit dem Eingang des Mischverstärkers 3 verbunden sind.

Bei dieser Ausführungsform sind die Verzögerungen y, durch Änderung dei Lage der Spulen entlang dem Draht einstellbar.

Anstatt Verzögerungsorgane zwischen Wandler und Empfänger einzusetzen, kann man zum Erzeugen von elementaren Signalen eine Vielzahl kleiner Hilfswandier verwenden, die als akustische Empfänger dienen in Verbindung mit dem Hauptwandler, dem Sende-Empfänger

Eine derartige Ausführungsform ist in F i g. 3 dargestellt.

In einen Block 10 aus ultraschallabsorbierendem Material sind diese piezoelektrischen Hiifswandler T_t. T₂ ... T_n eingelassen und jeweils über Widerstände R₁. R₂ ... R, mit dem Eingang des Mischverstärkers verbunden.

Der Block 10 ruht auf der Rückseite eines piezoelektrischen Sendewandlers 9, der vom Sender 3 erregt wird und mit dem zu messenden Teil P in Verbindung steht.

Die Ausnahme der Hiifswandler sind ausreichend klein, um nur einen vernachlässigbaren Teil des vom Wandler 9 abgegebenen ak ustischen Signals zu reflektieren, so daß die Gestalt des Impulses nicht wesentlich geändert wird.

Die Dosierung der Amplitude der von den akustischen Hilfsempfangern aufgefangenen Echosignale geschieht mittels Widerständen R₁, R₂ ... R_n, aber die Lage dieser Empfänger bestimmt ein für allemal die Werte der Verzögerungen > >,. Diese entsprechen bei dieser Ausführungsform den Fortpflanzungszeiten der Ultraschallwellen in dem absorbierenden Material zwischen den Hilfsempfangern.

Fig. 4 zeigt eine Lösung der gleichen Art. Die Hilfswandler von Fig. 3 sind durch einfache aku- !tische Reflektoren K₁, K₂ ... K_n ersetzt, die im absorbierenden Block 10 enthalten sind. Das vom Sende-Empfanger-Wandler 9 empfangene Echosignal wird über einstellbare Widerstände R₁, R₁ ... R_n an den Misch-Verstärker 5 geleitet.

Das vom Wandler 9 abgegebene Signal ist die Summe mehrerer elementarer Impulse, nämlich

des direkt von der mit dem Teil P in Verbindung stehenden Seite des Wandlers,
der von der Rückseite des Wandlers durch verschiedene Reflektoren reflektierten ausgesendeten Impulse, die also um Zeitabstände verzögert sind, die jeweils proportional den Fortpflanzungszeiten

20. zwischen der Rückseite und den entsprechender Reflektoren sind.

Die Amplituden dieser verschiedenen Impulse sind eine Funktion der Oberflächen der Reflektoren.

Das vom Wandler 9 erzeugte und an den Eingang des Verstärkers 5 gelegte Echosignal ist ebenfalls die Summe von elementaren Echosignalen, die den ausgesandten elementaren Impulsen entsprechen.

Bei dieser Ausfiihrungsform ist kein elektrische« Element zum Einstellen der Amplituden und Verzögerungen der elementaren Signale vorgesehen, die nur durch die Berechnung ein für allemal festgelegt werden können.

Das Verfahren nach der Erfindung kann auch mil anderen Mitteln zur Verzögerung und Einstellung der Amplitude der elementaren Signale verwirklichl werden. Insbesondere können statt der in den beschriebenen Ausführungsformen verwendeten Analog-Vorrichtungen numerische verwendet werden. Ir diesem Fall werden die Verzögerungen durch Verwendung von Schieberegistern erreicht und die Einstellung der Amplitude mittels mit diesen Registerr verbundenen Amplitudenwählern.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen «09584/2<

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Analysieren von Diskontinuitäten hinsichtlich ihrer geometrischen Daten s mittels eines auf die Diskontinuität gerichteten Bündels aus wiederkehrenden kurzen akustischen Impulsen, insbesondere Ultraschall-Impulsen, und durch Auswertung der hindurchgelassencn ud*~r reflektierten Impulse, bei dem aus jedem von der Diskontinuität beeinflußten Impuls eine Anzahl von unterschiedlich verzögerten Frequenzkomponenten, Eleraentarsignale genannt, abgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenlagen der Elementarsignale derart gewählt und die Amplituden der Elementarsignale derart geändert werden, daß die Amplitude mit der zeitlichen Verschiebung derselben entsprechend der

Funktion r_p — γ zusammenhängt, wobei r,, und f_p die Laplace Transformalionen der Funktionen Hy) und /(/) sind, Hy) den Faktor angibt, entsprechend dem die Amplitude eines Elementarsignals geändert wird, und /(/) die Intensität des ausgesendeten Meßimpulses bedeutet.

2. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem Generator für wiederkehrende elektrische Impulse, einen durch diese Impulse modulierten Hochfrequenzsender, einen Sende- und Empfangswandler, einem Empfangsverstärker und einer Auswerteinrichtung, die eine an den Wandler angeschlossene Verzögerungseinrichtung umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungseinrichtung mehrere Anzapfungen unterschiedlicher Verzögerun^szeiten aufweist. die über Amplitudeneinstellglieder an einen Summierverstärker geführt sind, und daß die Amplitudeneinstellglieder derart ausgebildet sind, daß die Ausgangsamplituden derselben von der Zeilverzögerung der zugeordneten Anzapfung ent-

sprechend der Funktion r = , abhängen, wobei

Jp

r und f_p die Laplace-Transformationen der Funktionen r(v) und /(/) sind, die die Amplitude eines Elementarsignals als Funktion der Zeitverzögerung bzw. die Intensität des ausgesandten Meßimpulses als Funktion der Zeit darstellen.