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DE2919335C2 - Vorrichtung zur Untersuchung eines Festkörpers mit Ultraschall - Google Patents

Vorrichtung zur Untersuchung eines Festkörpers mit Ultraschall

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DE2919335C2
DE2919335C2 DE2919335A DE2919335A DE2919335C2 DE 2919335 C2 DE2919335 C2 DE 2919335C2 DE 2919335 A DE2919335 A DE 2919335A DE 2919335 A DE2919335 A DE 2919335A DE 2919335 C2 DE2919335 C2 DE 2919335C2
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Germany
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signal
frequency
signal generator
frequencies
control device
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DE2919335A
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Norman E. Wilmington Mass. Pedersen
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Original Assignee
Panametrics LLC
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Publication date
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Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs I.
Es gibt viele Verfahren und Vorrichtungen, um Messungen an einem Festkörper durchzuführen. Der Festkörper kann beispielsweise ein aus Gußeisen gefertigtes Teii, der menschliche Körper oder die Erde (beispielsweise bei seismischen Untersuchungen) sein. Herkömmliche Verfahren und Vorrichtungen arbeiten mit Röntgenstrahlen. Ultrascnall oder optischen Mitteln. Gegebenenfalls werden dabei Explosionen ausgelöst und Zerstörungen hervorgerufen. Die F'findung befaßt sich m;t Weiterbildungen und Verbesserungen bei der Ultraschalluntersuchung von Festkörpern.
Die Ultraschalluntcrsuchung von Festkörpern wird allgemein als hochentwickelte Technik angesehen. Herkömmliche Systeme verwenden entweder ein Impulsecho-Verfahren, das am weitesten verbreitet ist. oder ein kontinuierliches Abfragcsignal unter Verwendung beispielsweise eines Rauschgenerator. Bei dem Impulsecho-Vcrfahren wird ein kurzer Impuls auf den zu untersuchenden Festkörper gerichtet und die zurückkehrenden bzw. reflektierten Echos werden empfangen und aufgezeichnet. Die Daten der zurückkehrenden Signale werden verarbeitet, um festzustellen, ob unerwünschte Risse oder andere Strukturiinrcgelmäßigkeiten vorhanden sind. Bei dieser Vorgehensweisc ist die durchschnittliche Energie, die auf den Festkörper gerichtet werden kann begrenzt, wodurch bei zunehmend korn-
ilcxer Form das zu untersuchenden Festkörpers, das LJntcrsuchungscrgebnis verschlechten wird. Weiler ist :in Breitbandempfänger erforderlich, wodurch sich ein geringer Rauschabstand ergibt.
Bei Verfahren mit kontinuierlichem Signal, wie beispielsweise gemäß der US-PS 32 28 232. werden nur in begrenztem Maße Daten erhallen, was besonders nachteilig ist, wenn die Geometrie der zu prüfenden Gegenstände kompliziert ibt.
Durch die DE-AS 20 27 333 ist eine Vorrichtung zum Untersuchen von Hindernissen und Diskontinuitäten an festen Stoffen mit Ultraschall bekanntgeworden, bei der durch einen Taktgeber gesteuerten Sender, wiederkehrende Schallimpulspakete mit mehreren Frequenzkomponenten auf den zu untersuchenden Gegenstand gerichtet werden. Aus der Laufzeit und der Amplitude der empfangenen Echosignale ergibt sich durch die Verwendung unterschiedlicher Frequen7.cn für die Dauer jeweils eines Impulses ein größerer Informationsgehalt gegenüber der Auswertung bei einem Rückstrahlvcrfahren, das nur mit einer festen Frequenz arbeilet. Wegen der den Impulsverfahren jedoch eigenen Einschwingvorgänge ist aber der er/.ielbare Störabstand auch bei dem Verfahren nach der DE-AS 20 27 333 nicht sehr groß.
Bei der US-PS 33 32 278 werden zur Auffindung von Rissen und Sprüngen eines Gegenstandes Ultraschallwellen mit einer festen Frequenz oder, aufeinanderfolgend. Ultraschallwellen unterschiedlicher Frequenz angewendet Aus der Ampliludenvcrtcilung an unter schiedlichen Empfangsorlen kann auf die Ausdehnung eines Risses oder Sprunges geschlossen werden. Die mit diesem Verfahren erreichbare Auflösung ist jedoch gering.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Untersuchungsvorrichtung für Festkörper mit Ultraschall zu schaffen, bei der das Nutzsignal einen hohen Rauschabstand besitzt und bei der die Laufzeitbestimmung auf einfache und zuverlässige Weise möglich ist, so daß eine hohe Auflösung erzielt wird.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale.
Zweckmäßige Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Untcransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 schematisch eine Darstellung der grundsälzli chen Anordnung der Teile der Erfindung,
F i g. 2 ein elektrisches Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung,
Fi g. 3A, 3B und 3C Signalverläufc, die beim Betrieb des ersten Ausführur.gsbcispiels gemäß der Erfindung erzeugt werden,
F i g. 3D die Fourier-Transformation einer typischen Abfragesignalkomponcnte gemäß der Erfindung,
Fig. 4 schematisch ein Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung unter Verwendung mehrerer sendeseitiger und empfangsseitiger Wandler,
Fig. 5 schematisch ein Blockschaltbild eines dritten Ausführungsbeispiels der Erfindung, bei dem mehrere sendeseitige Wandler simultan bei mehreren Abfragefrequenzen arbeiten.
Gemäß F i g. 1 besitzt die crfindungsgcmäUc Vorrichtung einen Sender 10 und f inen Empfänger 12, die einen sendeseitigen Wandler 14 bzw. einen cmpfungssciligcn Wandler 16 enthalten. Die Wandler sind wie dargestellt räumlich vom Sender 10 bzw. Empfänger 12 getrennt. Der sendeseitige Wandler 14, der empfangsseitige Wandler 16 und ein zu uniersuchender Festkörper 18 sind in einen mit Wasser 22 gefüllten Tank 20 einge-■> taucht.
Der Sender IO gibt elektrische Energie zur Erregung des Sende-Ultrasehallwandlers 14 ab. Der sendeseitige Wandler 14 gibt ein Abfnigcsignal in Richtung auf den Festkörper 18 ab. Das Abfragesignal ist eine akustische IU Welle im Ultraschallbereich, die, wie weiter unten näher erläutert werden wird, mehrere diskrete Frequenzkomponenten besitzt. Der Empfangs-UItraschallwandler 16 empfängt zurückkehrende Abfragesignale, die durch den Festkörper 18 reflektiert werden. Der Empfangs-Ultraschallwandler 16 kann gegenüber dem Festkörper 18 ortsfest sein oder er kann zum Abtasten der Oberfläche des Festkörpers 16 translatorisch bewegt werden. Vorzugsweise besitzen sowohl der sendeseitige als auch der empfangsscilige Wandler 14, 16 eine ausgeprägte Richtcharakteristik, um eine hohe Auflf '-::ng zu erreichen.
Wie dargestellt, sind die Wandler 14 und 16 voneinander getrennt. Bei anderen Ausführungsbeispielen können die Wandler einen einslückigen Aufbau besitzen. 21") Schließlich können, wie erläutert werden wird, mehrere senderseitige und/oder empfangsseitige Wandler vorgesehen sein und diese können voneinander getrennten oder miteinander integrierten Aufbau besitzen.
Der Signalgeneralor 10 gemäß der Erfindung liefert - ι« wiederholt ein phasenmoduliertes Abfragesignal diskre-'er Frequenz.
Gemäß F i g. 2 bcsit/.i der Sender 10 eine Steuereinrichtung 26, einen Signalgcnerator 28 mit Frequenzsynthese (Frequenz-Synthesizer), einen Codegenerator 30, y, einen Modulator 32 und einen Verstärker 34. Bei diesem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Funktion der Steuereinrichtung 26 in vorteilhafter Weise von einem geeignet programmierten Rechner ausgeübt. Die Steuereinrichtung kann bei anderen Ausführungsbeispielen der Erfindung auch durch eine diskrete festverJrahlcie Anordnung gebildet sein. Dies trifft insbesondere zu, wenn höhere Geschwindigkeit gefordert ist. Durch die Sicuereinrichtung 26 wird am Scnde-Uliraschallwandler 14 eine Folge modulierter Ausgangssi-4r> gnale unterschiedlicher diskreter Frequenzen erzeugt. Die Steuereinrichtung 26 steuert ferner den Codegenerator 30. zur Lieferung eines Ausgangssignals mit ausgewählter veränderbarer zeitlichen Verzögerung. Dies wird später ausführlich erläutert.
V) Der Signalgeneralor 28 mit Frequenzsynthese ist beispielsweise ein uutomalischcr Synthesizer, der abhängig von einem digitalen Eingapgsslcuersignai über Leitungen Λ6 vjn der Steuereinheit 26 eine sinusförmige Ausgangs-Welle über eine Leitung 38 abgibt, die die ger > wählte Frequenz bes,v/.t, die durch das digitale Eingangssignal über die Leitungen 36 bestimmt ist. Das sinusförmige Ausgangssignal vom Signalgenerator 28 wird dem Modulator 12 zugeführt. Vorzugsweise ist der Modulator 32 ein Ringmodulator (DBM, double balan-W) eed mixer), wie er an sieh bekannt ist,
Das modulierende Signal über eine Leitung 40 kt ein kodiertes Signal vom Codcgeneralor 30. Der Codegenerator 30 ist ein Pseudozufalls-Code-Generator, der ebenfalls an sich bekannt ist. Der Pseudozufalls-Codeb·) Generator erzeugt wiederholt eine binäre Signalfolge, die einer binär kodierten Pscudo-Zufallszahl von vorgegebener Stellenzahl entspricht mit folgenden Eigenschaften:
1. In jeder Periode der Signalfolge der Zufallszahl unterscheidet sich die Anzahl der linsen von der Anzahl der Nullen höchstens um eins;
2. in jeder Periode beträgt die Anzahl der alleinstehenden Einser und der Nullen die Hälfte der Gesamtanzahl jeder Art, die Anzahl von jeweils zwei aufeinanderfolgenden gleichen Zeichen ein Viertel und von jeweils drei aufeinanderfolgenden gleichen Zeichen ein Achtel usw. der Gesamtanzahl und
3. unterscheidet sich, wenn in einer Periode Term für Term verglichen wird mit irgendeiner zyklischen Verschiebung in bezug auf sich selbst, die Anzahl der Übereinstimmungen von der Anzahl der Unterscheidungen am höchstens eins.
Das modulierte Ausgangssignal über eine Leitung 42 wird einem an sich bekannten Verstarker 34 zugeführt. Das Ausgangssignal des Verstärkers 34 über eine Leitung 44 wird dem Scndc-Ultraschallwandler 14 zugeführt.
Der Signalverlauf des Ausgangssignals über die Leitung 44 ist somit eine sinusförmige Trägerwelle mit einer Frequenz, die sich diskret über die Zeit ändert und die durch ein sich wiederholendes pscudozufäliigcs Codesignal phasenmoduliert ist. Der Codegenerator 30 erzeugt eine Signalfolge der Zufallszahl mit der Stellenzahl 2N — 1, wobei N die Anzahl der Stellen eines die Signalfolge erzeugenden Schieberegisters ist, wobei sich die Signalfolge periodisch wiederholt und die die oben beschriebenen Zufallseigenschaficn besitzt. Die zur Erzeugung der gesamten Signalfolgc der Pseudozufallszahl erforderliche Zeit ist zu 7"» definiert (Wort-Zeit). Die Bitzeit der Signalfolge, d. h. der Kehrwert der Frequenz fn mit der die Bits der Signalfolgc erzeugt werden, ist definiert als Th = Mf, (vgl. F i g. 3A). Daher besitzt die binärkodierte Pseudo-Zufallszahl mit einer Länge von z. B. 51 i Bits, !023 Bits, 2047 Bits. usw. Eine Wortzeit von T» = (2~ — 1)7"*. Mit Wortlängen unter 511 Bits erreicht man nicht den erforderlichen Rauschabstand für eine zuverlässige Auswertung. Wort'.ängcn über 2047 Bits sind dagegen im allgemeinen schwierig echtzeitverarbeitbar.
Fig.3A zeigt einen typischen Signalvcrlauf einer Pseudo-Zufallszahl. Dieser Signalverlauf phasenmoduliert den sinusförmigen Signalverlauf des Signalgcncrators 28. Fi g. 3B zeigt ein Ausgangssignal des Signalgenerators 28. Das sich ergebende Ausgangssignal des Modulators 32 über die Leitungen 42 (F i g. 3C) besitzt eine Fourier-Transformierte gemäß Fig. 3D. Gemäß F i g. 3D besitzt das Spektrum des Ausgangssignals des Modulators 32 oder Ringmodulators eine (sin x/XJ-Hüllkurve\ innerhalb der die Spektrallinien 46 enthalten sind. Die erste und größte Keule der Hüllkurve besitzt einen Frequenzabstand zwischen »Nullpunkten« von MTb. Dies entspricht der Codebit-Wiederholfrequenz. Die Frequenzdifferenz zwischen benachbarten Spektraliinien entspricht 1/7"«, wodurch sich eine Rückbeziehung auf die V/ortlänge der sich wiederholenden Signalfolge der Pseudo-Zufallszahl ergibt. Sehr wesentlich, wie das später erläutert werden wird, besitzt das Spektrum, das um die mit /o bezeichnete Frequenz des sinusförmigen Eingangssignals zum Modulator 34 vom Signalgenerator 28 zentriert ist, keine Spektralkomponente bei der Ursprungsfrequenz /Ό.
Wie in den F i g. 3A. 3B. 3C dargestellt, ist der Codegenerator 30 mit dem Signalgenerator 28 synchronisiert und die Bitfrequenz 1 / Th des Codegenerators 30 ist nicht nur eleich der Frequenz des Ausgangssignals des Signalgcnerators 28, sondern zusätzlich liefert der Codegencrator 30 ein Signal mit Nullübergängen, die mit dem Ausgangssignal des Signalgencrators 28 übereinstimmen. Der C'odcguncnuor 30 für dieses besondere
r> Ausfuhrungsbeispiel kann auf diese Weise mit dem Ausgangssignal des Signalgencrators 28 synchronisiert sein wie das durch die in Slrichlinicn dargestellte Verbindung 50 angezeigt ist. Bei anderen Ausführungsbeispielen der Erfindung muß die Codeerzeugung nicht mit
in dem Signalgencrator 28 synchronisiert sein und kann asynchron ablaufen. Dies beeinflußt den Betrieb der Vorrichtung nicht nachteilig und kann die Auswertung dadurch verbessern, daß die Schwebungsfrequenz.cn zwischen den verschiedenen Signalverläufen verringert werden.
Das abfragende Ausgangssignal besitzt daher mehrere Signalkomponenten, die in zeitlicher Folge auftreten. Die /-ic Signalkomponente ergibt sich durch die Modulation eines sinusförmige;! kontinuierlichen Wellensignals der Frequenz f„ mit i — 1. 2.... M, durch ein sich wiederholendes pseudozufällig kodiertes Signal. Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel läuft das kodierte Signal asynchron ab bezüglich des Ausgangssignals des Signalgcncrutiirs 28 und das Ausgangssignal des Signal-
2"» generators 28 überdeckt einen Frequenzbereich von 1 bis 10 MHz. Vorzugsweise sind die Frequenzen /, so gewählt, daß gilt:
f,
Der Empfänger 12 gemäß F i g. 2 weist einen Verstärker 52, einen Demodulator 54 und einen Analysator 56 auf. Die zurückkehrenden Abfragesignale werden durch den F.mpfangs-Ultraschallwandler 16 in ein elektrisches
J5 Empfangssignal über eine Leitung 60 umgesetzt und durch den Verstärker 52 verstärkt. Das Ausgangssignal des Verstärkers 52 wird dem Demodulator 54 über eine Leitung 62 zugeführt. Der Demodulator 54 demoduliert das zurückkehrende Signal und er trägt gleichzeitig bei, eine Aussage über die Laufzeit des Ultraschallsignals zu liefern. Daiicr empfängt der Demodulator 54, der ein an sich bekannter Ringmodulalor sein kann, über Leitungen 64 eine verzögerte Version oder Nachbildung des Ausgangssignals des Codegenerators 30, das ursprünglieh zum Modulieren des Ausgangssignals des Signalgenerators 28 verwendet worden war. Daher wird das phasenmodulierte zurückkehrende Signal erneut phasenmoduliert oder demoduliert durch eine geeignete verzögerte Nachbildung des gleichen Codesignals.
Wenn die Verzögerung der Umlauf- oder Gesamt-Laufzeit vom scndcsciligen Wandler 14 zur reflektiere.;-Jen Stelle und dann zum cmpfangsseitigen Wandler 16 entspricht, entspricht das Ausgangssignal über eine Leitung 66 dem ursprünglichen sinusförmigen Träger der Frequenz fo- Wenn auch andere zurückkehrende Signale, die durch andere Strukturen des Festkörpers 18 reflektiert worden sind, ebenfalls vorhanden sind, besitzt das demoduliertc Signal den gewünschten Signalverlauf bei der ursprünglichen Frequenz /ö zuzüglich unerwünschter Signale bei anderen Spektralfrequenzen. Ein Filter im Analysator 56 trennt die Spektrallinie bei der Frequenz in von anderen unerwünschten Frequenzen ab. Durch Verändern der Verzögerung der Signalfolge der Pseudo-Zufallszahl über die Leitung 64 wird erreicht.
&5 daß ausgewählte Abschnitte des Festkörpers 18 geprüft werden können. Jeder ausgewählte Abschnitt, den man als Prüfungs- oder Abfragezelle bezeichnen kann, entspricht im wesentlichen einem Volumen mit einem
Querschnitt, der durch den Durchmesser des gesendeten Strahls bestimmt ist, und eine Tiefe, clic im wesentlichen gleich der Hälf'c des Abstands ist, der von dem Ultraschallsignal im Festkörper 18 in einer Zeil von 7* zurückgelegt wird. Die Lage der ausgewählten Zelle entspricht einer Laufzeit, die gleich der Hälfte der Verzögerung Her Codewort-Nachbildung ist.
Zusammenfassend besitzt das Ausgangssignal des Demodulators 54 über die Leitung 66 daher eine Spektralkomponente bei der Frequenz /Ό, der Frequenz des Ausgangssignals des Signalgenerators 28 für diejenige Zeit, die der Verzögerungszeit entspricht, die Struktur-Unregelmäßigkeiten in einer ausgewählten Zelle wiedergibt und ein Ausgangssignal mit einem Spektrum, das keine Komponente der Frequenz (a für diejenigen zurückkehrenden Signale besitzt, die nicht von der ausgewählten Zelle stammen. Durch Verändern der Verzögerungszeit können aufeinanderfolgende Zellen des Festkörpers 18 untersucht werden.
Das Ausgangssignal des Demodulators 54 über die Leitung 66 wird dem Analysator 56 zugeführt. Der Analysator 56 wird auch über eine Leitung 68 mit einem Bezugssignal versorgt, das dem Ausgangssignal des Signalgenerators 28 über die Leitung 38 entspricht. Das Ausgangssignal des Analysators 56 über Leitungen 70, 72 entspricht beim bevorzugten Ausführungsbeispiel der Größe und der Phase des Eingangssignals über die Leitung 66 bei der Frequenz /ö bezüglich des Ausgangssignals des Signalgenerators 28. Die Ausgangsdaten werden der Steuereinrichtung 26 zur Speicherung und Verarbeitung zugeführt.
Gemäß der Erfindung wird ein wesentlicher Vorteil dadurch erhalten, daß mit Signalen unterschiedlicher Frequenz abgefragt werden kann und daß die zurückkehrenden Signale empfangen und aufgezeichnet werden. Zu diesem Zweck veranlaßt die Steuereinrichtung 26 den Signalgenerator 28 zyklisch zur Abgabe mehrerer Frequenzen im Bereich von beispielsweise 1 bis 10 M Hz, vorzugsweise von 1 bis 5 M Hz. Die Anzahl der verschiedenen bzw. unterschiedlichen Frequenzen kann zwischen 2 und 100, vorzugsweise zwischen 30 und 100 liegen. Daher veranlaßt die Steuereinrichtung 26 die Aussendung eines Steuersignals über die Leitung 36 zum diskreten Verändern der Frequenz des Signalgencrators 28 gemäß vorbestimmter Kriterien derart, daß mehrere diskrete sinusförmige Ausgangssignale dem Modulator 32 zugeführt werden. Simultan kann die Steuereinrichtung 26 über eine Leitung 74 für jede diskrete Ausgangsfrequenz des Signalgencrators 28 die erforderliche Verzögerung des Pseudozufalls-Codc-Ausgangssignals über die Leitung 64 veranlassen. Auf diese Weise richtet gemäß der Erfindung die Vorrichtung gemäß F i g. 2 einen kontinuierlichen Energiestrom auf einen Festkörper 18 und empfängt und verarbeitet die zurückkehrenden Signale, um mehrere Amplituden- und Phasendaten für jede von mehreren Abfragezellen und bei jeder von mehreren Frequenzen zu erreichen. Die Datenansammlung oder -summierung wird vorzugsweise in mehrere Diskriminanten geformt, die durch eine Datenverarbeitungseinrichtung analysierbar sind, um diejenigen Zellen zu identifizieren, für die der Wert von mindestens einer der Diskriminanten außerhalb eines vorgegebenen Wertebereichs fällt. Diese Vorgehensweise identifiziert strukturelle oder Aufbauschwankungen im Festkörper mit hoher Zuverlässigkeit
Die besonderen Diskriminanten, die zweckmäßig sind, sind z. B. die absolute Phase und die Änderungsgeschwindigkeit der Phase innerhalb einer Abfragezelle bezüglich der Frequenz; die Signalgröße und die Änderungsgeschwindigkeit der Signalgröße innerhalb einer Zelle bezüglich der Frequenz; die über den Gesarmfre quenzbercich integrierte Signalgröße; die inverse Fou- rier-Transformicrte der Signale und der räumliche Gradient der Phase oder der Signalgrößc als Funktion der Frequenz. Wie bereits erwähnt, besitzt die Abfragezelle eine »Tiefe«, die von der Bitrate bzw. -frequenz fc des modulierenden Codeworts abhängt. Daher bleibt selbst dann, wenn sich die Trägerfrequenz ändert, die Größe der Abfrage/eile konstant solange die Bitfrequenz fc konstant bleibt. Daher kann der Codegeneraior 30 vorzugs- weise bei fester Bitfrequenz betrieben werden, um eine feste Zcllenauflösungsgröße aufrechtzuerhalten. Daher soll die Bitfrequenz des Codegenerators 30 konstant bleiben, unabhängig von der Ausgangsfrequenz des Signalgencrators 28. weshalb folglich die Bit-Übergänge beim asynchron arbeitenden Codegenerator 30 nicht nur an Nullpunktsübergängen, sondern allgemein auch, abhängig von eier Wahl der Bitfrequenz und der Trägerfrequenzen, an anderen Stellen auftreten. Gemäß einem anderen Merkmal der Erfindung kön nen, um die Abfragezeit zu verringern, wenn eine große Anzahl von Frequenzen verwendet wird, mehrere sendcscitige und empfangsseilige Wandler verwendet werden. Folglich werden bei einem zweiten besonderen Ausführungsbeispiel der Erfindung mehrere sendeseiti-
jo ge oder Scndcwandler und empfangsseitige oder Empfangswandlcr selektiv paarweise betrieben, d. h. gleichzeitig ein Sende- und ein Empfangswandler. Auf diese Weise wird eine körperliche Bewegung des Sende- oder des Empfangswandlers vermieden.
J5 Gemäß einem anderen Merkmal der Erfindung, bei dem mehrere Sende- und Empfangswandler verwendet werden, werden die Sendewaridier simultan oder in jeder geeigneten Kombination mit verschiedenen diskreten modulierten Frequenzen betrieben. Bei diesem drit- ten besonderen Ausführungsbeispiel sind mehrere Modulatoren erforderlich, und ein Signalgenerator, oder alternativ mehrere quarzgesteuerte Oszillatoren, mit der Möglichkeit simultan mehrere sinusförmige Ausgangsfrequenzen zu erzeugen, liefert kontinuierliche Wellensignalc für die Modulatoren. Am Empfangselement bzw. F.mpfänger werden getrennte Demodulatoren. deren jeweils einer mit dem aktiven Empfangswandlcr verbunden ist, und eine entsprechende Menge von Quarzfiliern verwendet, um die informationstra gendcn gewünschten Signale vom Rauschen zu trennen, wie das ausführlich weiter oben erläutert worden ist.
Gemäß Fig.4 steuert bei dem zweiten besonderen Ausführungsbeispiel der Erfindung die Steuereinrichtung 26 nicht nur die Ausgangsfrequenz des Signalgene- rators 28 und die Verzögerung des Codegenerators 30, sondern weiter auch Schalteinrichtungen 80, 82, 84, 86 und 87 und zwar über nicht dargestellte Verbindungen.
Der Sender 10 des zweiten besonderen Ausführungsbeispicls ist entsprechend dem Sender gemäß Fig.2 ausgebildet. Die Steuereinrichtung 26 leitet das Ausgangssignal des Demodulators 32 und Verstärkers 34 über die Schalteinrichtung 80 zu einem von drei Sende-Ultraschallwandlern 14a, 146,14c, die zur Untersuchung des interessierenden Volumens des Festkörpers 18 posi tioniert sind. Bei diesem Ausführungsbeispiei ist der Co degenerator 30 gemäß F i g. 2 in einen Codegenerator 30a mit einem Codeausgangssignal über eine Leitung 88 und einer mit Abgriffen versehenen digitalen Verzöge-
rungsleitung 30b mit mehreren Verzögerungsausgängen über Leitungen 90 zur Schalteinrichtung 87 aufgeteilt.
In ähnlicher Weise ist der Aufbau des Empfängers entsprechend dem in Fig. 2 verwendeten ausgebildet. Ein ausgewählter Empfangs-Ultraschallwandler 16a, 16b, 16c ... 16/7 ict. mit dem Verstärker 52 über die Schalteinrichtung 82 verbunden. Der Verstärker 52 führt das empfangene Wandlersignal zum Demodulator 54, und das Ausgangssignal des Demodulators 54 wird bei diesem besonderen Ausführungsbeispiel über ein ausgewähltes schmalbandiges Quarzfilter 94;/, 94b ... 94/7 geführt entsprechend der jeweiligen Abfragefrequenz vom Signalgenerator 28. Schaltcinrichtungen 84 und 86 werden synchron betrieben zur Auswahl des richtigen Quarzfilters. Das Ausgangssignal des ausgewählten Quarzfilters 94a. 94b ... 94n wird über eine Schalteinrichtung 86 zum Analysator 56 geführt, der die erforderlichen Phaxpn- und Größensignalc zur späteren Verarbeitung ober Leitungen 70,72 abgibt.
Daher steuert die Steuereinrichtung 26 für jedes ausgewählte Paar von Sende- und Empfangswandler das System zyklisch durch die ausgewählten Frequenzen und Verzögerungen, um die notwendigen Daten für die spätere Analyse und die Diskriminantcnberechnungcn zu erzeugen.
Gemäß F i g. 5 werden beim dritten besonderen Ausführungsbeispiel der Erfindung die mehreren Scnde-Ultraschallwandler 14a, 14b ... 14/7 simultan erregt und zwar jeweils mit einer im allgemeinen verschiedenen diskreten Frequenz und die mehreren Empfangswandier 16a, 16b... 16n sind simultan betreibbar zum Empfang zurückkehrender Signale, die von dem jeweils untersuchten Festkörper 18 reflektiert werden, und um über getrennte parallele Signalverarbeitungswege Phasen- und Amplitudendaten der Steuereinrichtung 26 zuzuführen. Gemäß zunächst der Sendescite der Schaltung nach der Ausiührungsform nach Fig.5 führt die Steuereinrichtung 26 den Signalgeneratoren 95a. 95b... 95n Dateninformationen über Leitungen % zu. um über Ausgangsleitungen 38a, 38b ... 38n mehrere unterschiedliche diskrete sinusförmige Frequenzen f\, h ... f„ abzugeben. Diese sinusförmigen Signale werden getrennten Modulatoren 32a. 32b ... 32n zugeführt, die aile einen einem Ringmodulator entsprechenden Schaltungsaufbau besitzen. Die Modulatoren 32a, 32b... 32π empfangen das Codegenerator-Ausgangssignal über Leitungen 88 und geben das jeweilige phasenmodulierte Ausgangssignal über Leitungen 42a. 42b... 42n an Verstärker 34a, 34b ... 34n ab. Die Ausgangssignale der Verstärker 34a, 34b ... 34/7 werden jeweils getrennten Sende-Ultraschallwandlern 14a. 14b... 14n zum Abfragen und zum Untersuchen des Prüflings zugeführt.
An der Empfängerseite führen unabhängig voneinander positionierte Empfangs-Ultraschallwandler 16a. 16b ... 16/7 über Leitungen 60a, 60b ... 6On die jeweiligen reflektierten empfangenen Signale Verstärkern 52a, 52b . . 52/7 zu. Im allgemeinen enthält jedes der empfangenen Signale, die vom Empfangs-Ultraschallwandler abgegeben werden, Reflektionen nicht nur von einem interessierenden Sende-Ultraschallwandler. sondern auch Reflektionen und Rauschen von den anderen simultan betriebenen Sendewandlern.
Die Ausgangssignale der Verstärker 52a. 52b... 52n werden jeweiligen Demodulatoren 54a. 54b ... 54n zugeführt. Die Demodulatoren 54 empfangen jeweils über eine Leitung 98 eine verzögerte Nachbildung der .Signalfolgder binärkodierten Pseudo-Zufalls/ahl zur Bestimmung der Laufzeit des reflektierten empfangenen Signals, wie da: zuvor beschrieben worden ist. Das Ausgangssignal jedes Demodulators 54 enthält daher mehrere Spektralfrequenzen, die nicht nur der gewunsch'cn interessierenden Frequenz /, entsprechen, sondern auch Stör- oder Rauschsignalverläufen. Folglich sind die Demodulatorausgänge mit Schmalband-Quarzfiltcrn 99. beispielsweise einem 1-kHz-Bandpaß, zugeführt, um lediglich die interessierende Frequenz /,
ίο zu erhalten. Es ist wieder insbesondere wesentlich, festzustellen, daß die Codewortlängc Tw des Codegenerators 30 so ausreichend kurz gewählt werden muß, daß sie nicht die Fähigkeiten der Quarzfilter 99 übersteigt. Wenn daher die Codewortlänge zu groß gemacht wird.
kann das Ausgangssignal des Demodulators Spektrallinicn enthalten, die so nahe aneinander sind, daß, unter Berücksichtigung, daß der Abstand der Spektrallinien 1/Γ» entspricht, mehr als eine Spektrallinie durch ein Quarzfilter hindurchtreten kann, wodurch ein fehlerhaftes Ausgangssignal erzeugt wird. Jedoch ist für Wortlängcn im Bereich von 500 bis 2000 Bit der Spektrallinienabstand zulässig zur Verwendung bei Quarzbandpaßfiltern.
Die Ausgangssignale der Quarzfilter 99a, 99b ... 99n werden dem Analysator 56 zugeführt. Der Analysator 56 führt über Leitungen 102 der Steuereinrichtung 26 die Phase und die Signalgröße jedes der Eingangssignale von den Kristallfiltern 99a. 99b. 99n zu. Auf diese Weise ist ein parallel verarbeitendes System gegeben, das die Prüfzeit erheblich verringert.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:
1. Vorrichtung zur Untersuchung eines Festkörpers mittels Ultraschall mit einem Signalgenerator zum Erzeugen von elektrischen Schwingungen, deren Frequenzen im Ultraschallbereich liegen.
einer Steuereinrichtung zum Einstellen vorbestimmter Frequenzen am Signalgenerator. einem Sende-Ultraschallwandler, der die elektrischen Schwingungen des Signalgenerators in Ultraschallwellen umwandelt, und
einem Empfangs-Ultraschallwandler zur Rückwandlung der Ultraschallwellen in elektrische Signale, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Signalgenerator (28) gelieferte elektrische Schwingung mit der Frequenz /} (i = 1,2,... n) durch einen Modulator (32) mit einer von einem Codegenerator<10) erzeugten binären Signalfolge phascnrnodüüen wird, die einer binär codierten Pseudo-Zufallszahl entspricht,
daß die Frequenz der vom Signalgenerator (28) gelieferten Schwingung während der Dauer des Modulationszyklus bei der Modulation mit der binären Signalfolge entsprechend der Pseudo-Zufallszahl konstant bleibt und nach Ablauf des Modulationszyklus durch die Steuereinrichtung (26) geändert wird und sich ein neuer Modulationszyklus anschließt, daß die vom Empfangs-Ultrasehallwandlcr (16) stammenden c'ektrischen Signale einem Demodulator (54) zugeführt werden,
daß am Demodulator (b4) ferner die binäre Signalfolge anliegt (über Leitung 04). mit der die Schwingungen des Signalgenerators (28> moduliert werden, j5 verzögert um eine Zeitspanne, die durch die Steuereinrichtung (26) festgelegt (über Leitung 74) ist, und daß durch einen Analysator (56) das demodulierte Signal bei der Frequenz f, hinsichtlich des Betrags und der Phase, letzteres in bezug auf das vom Signalgenerator (28) gelieferte (über Leitung 68) Signal mit der Frequenz f„ ausgewertet wird und die Meßergebnisse (über 70 und 72) der Steuereinrichtung (26) zugeleitet werden (Fig. 2).
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß mehrere Sende-Ultraschallwandler (14a, 14b— \4n) vorgesehen sind, die über eine vorgeschaltete Sende-Schalteinrichtung (80) angesteuert werden, daß mehrere Empfangs-Ultraschallwandler (16a ... \6n) vorgesehen sind, von denen einer durch eine nachgeschaltete Empfangs-Schalteinriehtung (82) an den Demodulator (54) durchgeschaltct wird, daß am Demodulator (54) außerdem die verzögerte binäre Signalfolge, mit der das Signal des Signalgenerators (28) phasenmoduliert ist. über eine Verzögerungsleitung mit Abgriffen (30tyüber eine Verzögerungsleitungs-Schalteinrichtung (87) anliegt, daß über eine Filtereingangs-Schalteinrichtung (84) und über eine Filterausgangs-Schalteinrichtung (86) t>o Filter (94a ... 94n) für die Frequenzen f\ ausgewählt werden und
daß die Sende- und Empfangs-Schaltcinrichtiingen (80 und 82) sowie die Filtercingangs- und -ausgangs-Schalteinrichtungen (84 und 86) und die Verzöge- h5 rungsleitungs-Schalteinrichtung (87) gemeinsam von der Steuereinrichtung (26) gesteuert werden (Fiß.4V
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß mehrere Signalgeneratoren (95a... %5n) vorgesehen sind, deren Schwingungen mit den Frequenzen f\... f„ gleichzeitig mit zugeordneten Modulatoren (32a ... 32/IJ mit der im Codesignalgenerator (3OaJ erzeugten binären Signalfolge phasenmoduliert werden.
daß diese modulierten Schwingungen gleichzeitig den an den Modulatorausgängen angeschlossenen mehreren Sende-Ultraschallwandlern (14a ... 14n; zugeführt werden,
daß cmpfangsseitig mehrere Empfangs-Ultraschallwandler (16a... \%n) angeordnet sind, deren elektrische Signale diesen zugeordneten Demodulatoren (54a... 54n) zugeführt werden, an denen zugleich die verzögerte binäre Signalfolge (98) anliegt, mit der die Schwingungen der Signalgeneratoren (32a ... 32n) phasenmoduliert sind, und
daß an die Ausgänge der Demodulatoren (54a ... 54n) Filter (99a ... 99λ) zur Aussiebung jeweils einer der Frequenzen f\ ... f„ angeschlossen sind und in einem daran anschließenden Mehrfachanalysator (56) die Empfangssignale mit den Frequenzen f\...fn nach Betrag und Phase, letzteres in bezug auf die von den Signalgeneratoren (95a ... 95n) gelieferten Schwingungen, au»bewertet werden (F i g. 5).
4. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die verwendeten Modulatoren und Demodulatoren Ringmodulatoren sind.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzeinstellung durch die Steuereinrichtung (26) an den Signalgencratoren (28; 95a... 95n; über digitale Signale erfolgt.
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