DE2036613C3

DE2036613C3 - 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: DE2036613C3
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: 1975-09-04
Also published as: DE2036613B2; DE2036613A1; FR2056886A1; FR2056886B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Analysieren von Diskontinuitäten hinsichtlich ihrer gcometrischen Daten mitteis eines auf die Diskontinuität genausten Bünde's aus wiederkehrenden kurzen akustischen Impulsen, insbesondere Ultraschall-Impulsen, und durch Auswertung der hindurchgelassenen oder reflektierten Impulse, bei dem aus jedem von der Diskontinuität beeinflußten Impuls eine Anzahl von unterschiedlich verzögerten Frequenzkomponenten, Elemcntarsignale 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,

⁶¹³ einem Empiangsverstärker und einer Auswerteinrichtung, die eine an den Wandler 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 Ultraschallprufvorrichtungen bekannt, bei denen die Intensität der In Richtung einer Empßngersonde reflektierten akustischen Energie gemessen wird, welche meistens aui dem Schirm einer Kathodenstrahlröhre als Funktion der Zeit angezeigt wird. Dieses bekannte Verfahren basiert auf der sehr ungenauen Annahme, daß die Stärke eines Echosignals nur von der Große des Hindernisses abhängt. Dies führt zu großen Fehlern, insbesondere wenn die Orientierung des Hindernisses bezüglich des Ultraschallbündels betrachtlich von der normalen Lage abweicht

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

Ein eingangs genanntes Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung sind aus der US-PS 3 309 9i4 bekannt. Hierbei besteht jedoch das Hauptproblem i.ur darin, gleichzeitig oberflächennahe und tief im Werkstück liegende Diskontinuitäten festzustellen. , .

Weiter ist ein Verfahren zum zerstörungsfreien Prüfen von Werkstücken bekannt (FR-PS 1 588 8b8). 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 aufeinanderfolgenden 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.

Dh Lösung ist darin /u sehen, daß bei dem eingangs genannten Verfahren 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,, = γ zusammenhängt,

wobei 1-,, und /,, die Laplace-Transformationen riy) und ./'(/) sind, r(y) den Faktor angibt, entsprechend dem die Amplitude eines Elemenlarsignals geändert wird, und /(/) die Intensität des ausgesendeten Meßimpulses bedeutet.

Im folgenden wird der Begriff des »Reflexionsprofils« eines Hindernisses erläutert.

Gemäß dem Prinzip von Huyghens entspricht Sin beliebiges Hindernis auf der Bahn einer Welle bezüglich der Störung einer auftreffende?i Welle einer Gesamtheit von elementaren Hindernissen kleinen Ausmaßes. Genauer ausgedrückt Ά die von dem Hindernis in Richtung der Sendequelle zurückgesandte Energie die Summe der von den elementaren Quellen abgegebenen Energien, die als nach allen Richtungen abgestrahlte Energien betrachtet werden.

Die reflektierte Energie jeder elementaren Quelle ist also proportional der Stärke der auftretenden Welle am betrachteten Punkt und eine Funktion des Reflexionsvermögsns der elementaren Quelle.

Betrachtet man die Gesamtheit der zwischen den Punkten χ und χ + dx der Sendequelle gelegenen elewentaren 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 Reflexionsprofil des Hindernisses.

Die vom Hindernis auf die Sendequelle reflektierte Energie wird also schließlich durch Integration des Produktes der Funktion R(x) 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 Faii ist. wenn die öffnung des Bündels gering und der Abstand zwischen Hindernis und Quelle weit größer als die Größe des Hindernisses ist) proportional

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

1 *

J ^Ι _χ2.Ι (ι-

Klvld.v.

Es besteht also schließlich eine gen ■ u definierte 4s Relation zwischen dem Reflexionsprofil des Hindernisses, der Funktion fit), die das Profil der Sendeimpulse definiert, und der vom Hindernis auf die Sendequelle reflektierten Energie.

Wenn die Funktion j (?) harmonisch ist und «, ihre Kreisfrequenz, ist die Funktion jr{t) eine Funktion von c», nämlich g(cj). Diese Funktion g(t») heißt übertragungsfunktion des Hindernisses.

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

Es besteht also eine einfache Relation zwischen dem Reflexionsprofil des Hindernisses und seiner übertragungsfunktion, wie sie von der Anmelderin in der DT-OS 2027 333 definiert und verwendet worden ist.

Das Verfahren nach der Anmeldung, das direkt das Reflexionsprofil zu 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 Reflexionsprofils verständlich zu machen, sei im folgenden der theoretische FaJl betrachtet, wenn der Sendeimpuls ein DIRAC-Impuls ist (unendlich kurz. Energie jedoch größer als Null).

Die Anmelderin hat gezeigt, daß in diesem Fall das Profil des Echosignals ger.au das Reflexionsprofil der 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 fuhrt auf ein Frequenzspektrum mit diskreten Frequenzen, wobei die Amplituden der einzelnen Frequenzkomponenten, in der Anmeldung auch Elementarsignale genannt, frequenzabhängig sind. Die Fourier-Zerlegung eines sogenannten DlRACschen-lmpulses, 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 Sendeimpuls ein DIRAC-Impuls gewesen wäre.

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

c = , abhängen, wobei r und / die Laplace-

' P

Transformationen der Funktionen Hy) und / (r) sind, die die Amplitude eines Elementarsignals als Funktion der Zeitverzögerung bzw. die Intensität des ausgesendeten Meßimpulses als Funktion der Zeit darstellen.

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

Fig. 1 ist ein Blockschaltbild eines Ultraschallprüfgerätes mit einer Verzögerungsleitung im Empfangskreis mehrerer Anzapfungen:

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

F i g. 3 zeigt eine abgeänderte Ausführungsform, bei welcher die Verzögerungen der elementaren Signale über Hilfswandler von einem absorbierenden Block abgeleitet werden, und

F i g. 4 zeigt eine abgeänderte Ausführungsform. 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, welche 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 R₁ ... R_n.,, R_n mit dem Eingang des als Mischer wirkenden Verstärkers 5 verbunden sind. Ein Widersland 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 Widerslände R₁ ... R„ müssen 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 α zur Achse des Bündels geneigt und in einem Abstand d vom Sender liegt, gilt die einfache Gleichung:

R(x) = 2sin „ fr¹ - (x -df cos*«

ι/ - r < χ < d + r
R(X) = Ofiir χ ></ +r
χ < (I — r.

wobei K₁, 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,) sind, wobei y, die Verzögerung

des elementaren Signals am Anschluß /" ist.

Die Anmelderin hat gefunden und durch einen Versuch bestätigt, daß dann, wenn die Koeffizienten R₁ und y_{ so gewählt werden, daß die Laplace-Transformation der Funktion r(y_f) umgekehrt der Laplace-Transformation der Funktion f(t), welche die Stärke des vom Wandler 4 abgegebenen Sendeimpulses definiert, ist. das Ausgangssignal V_s den Fehler D genau entsprechend dem Reflexionsprofil reproduziert.

Folglich kann man ausgehend von einem bekannten Sendeimpuls die Koeffizienten R^ und y, berechnen. 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.

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

Bei einem quadratischen Hindernis beispielsweise mit einer Seite α, dessen Ebene um einen Winkel « zur Achse des Bündels geneigt ist und dessen eine te Seite rechtwinklig zur Achse verläuft and dessen Mittelpunkt in einem Abstand d vom Sender liegt, gut die einfache Relation R(x) = α sin α fur

d = -ζ sin η < χ < d 4- i. cos «1

und R(x) = 0 für alle Werte von χ außerhalb dieses Intervalls.

Die Funktion R(x) 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 Berechnungsschallkreise 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 r(y) 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 R₀ die gleichen Organe wie bei Fig. 2. Der Sender 3 speist die Wicklung B₀ eines magnetostriktiven Wandlers, der aus einem Draht 8 besteht, entlang welchem Wicklungen B^. B₂ ... B_n angeordnet sind, die über Widerstände R₁. R₂ ... R_n mit dem Eingang des Mischverstärkers 3 verbunden sind.

Bei dieser Ausführungsform sind die Verzögerungen V; durch Änderung der Lage der Spulen entlang dem Draht einstellbar.

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

Eine derartige Ausfiihnmgsform ist in Fig.: dargestellt

In einen Block 10 aus ultraschallabsorbierenden Material sind diese piezoelektrischen Hilfswandte; T₁. T₂ ... T_m eingelassen and jeweils über Wider stände R_x , R₂ ... R_n mit dem Eingang des Misch Verstärkers verbunden.

Der Block 10 ruht auf der Rückseite eines piezo elektrischen Sendewandlers 9, der vom Sender'. erregt wird und mit dem zu messenden Teil P 11 Verbindung steht.

Die Ausnahme der Hilfswandler sind ausreichen« klein, um nur einen vernachlässigbaren Teil des von Wandler 9 abgegebenen akustischen Signals zu reflek tieren, so daß die Gestalt des Impulses nicht wesent lieh geändert wird.

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

F i g. 4 zeigt eine Lösung der gleichen Art. Die Hilfswandler von Fig. 3 sind durch einfache akustische Reflektoren K₁, K₂ ... K_n ersetzt, die im absorbierenden Block 10 enthalten sind. Das vom Sende-Empfänger-Wandler 9 empfangene Echosignal wird über einstellbare Widerstände R₁, R₂ ... 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 zwischen der Rückseite und den entsprechenden 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 Ausführungsforni ist kein elektrisches 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 mit anderen Mitteln zur Verzögerung und Einstellung der Amplitude der elementaren Signale verwirklicht werden. Insbesondere können statt der in den beschriebenen Ausführungsformen verwendeten Analog-Vorrichtungen numerische verwendet werden. In diesem Fall werden die Verzögerungen durch Verwendung von Schieberegistern erreicht und die Einstellung der Amplitude mittels mit diesen Registern verbundenen Amplitudenwählern.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche: 20

1. Verfahren zum Analysieren von Diskontinuitäten hinsichtlich ihrer geometrischen Daten mittels eines auf die Diskontinuität gerichteten Bündels aus wiederkehrenden kurzen akustischen Impulsen, insbesondere Ultraschall-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 wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenlagen der Elementarsignale derart gewählt und die Amplituden der Elementarsignale derart geändert werden, daß die A.aplitude mit der zeitlichen Verschiebung derselben entsprechend der

Funktion r_p = , zusammenhängt, wobei r_p und

f die Laplace-Transformalionen der Funktionen r[y) und / U) sind, r( v) den Faktor angibt, entsprechend dem die Amplitude eines Elementarsignals geändert wird, und fit) 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 Verzögerungszeiten aufweist, die über Amplitudeneinstellglieder an einen Summierverstärker gerührt sind, und daß die Amplitudeneinstellglieder derart ausgebi'det sind, daß die Ausgangsamplituden derselben von der Zeitverzögerung der zugeordneten Anzapfung ent-

sprechend der Funktion r = . abhängen, wobei

r_p und J_n die Laplace-Transformationen der I-unktionen r(v) und /'(/) sind, die die Amplitude eines Elementarsignals als Funktion der Zeitverzögerung bzw. die Intensität des ausgesandten Meßimpulses als Funktion der Zeit darstellen.