DE8433615U1 - Device for determining the wall thickness and / or the speed of sound of test pieces with ultrasonic pulses - Google Patents

Description

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Krautkrämer GmbH 13. Februar 1986Krautkrämer GmbH February 13, 1986 Robert-Bosch-Str, 3 P/ClRobert-Bosch-Str, 3 P / Cl

5030 Hürth 5 (Efferen) K-182 G5030 Huerth 5 (Efferen) K-182 G

VORRICHTUNG ZUR BESTIMMUNG DER WANDSTÄRKE UND/ODER DER SCHALLGESCHWINDIGKEIT VON PRÜFSTÜCKEN MIT ULTRASCHALLIMPULSENDEVICE FOR DETERMINING THE WALL THICKNESS AND / OR THE SOUND SPEED OF TEST PIECES WITH ULTRASONIC IMPULSES

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Wandstärke und/oder Schallgeschwindigkeit von Prüfstücken mit Ultraschal 1-impulsen, deren Laufzeiten im Prüfstück gemessen werden, wobei mit Hilfe eines ersten Sende- und Empfangswandlers die Laufzeit ,tw,The invention relates to a device for determining the wall thickness and / or the speed of sound of test pieces with ultrasonic 1-pulses, the transit times of which are measured in the test piece, with with the help of a first transmit and receive converter, the running time, tw, der entsprechenden Ultraschall impulse zwischen der Schal1eintrittsflache des Prüfstückes und der der Schall eintrittsflache gegenüberliegenden Rückwand des Prüfstückes ermittelt wird und wobei mit Hilfe jeweils eines zusätzlichen Sende- und Empfangswandlers, die symmetrisch zum ersten Wandler angeordnet sind, eine zweite Laufzeitmessung vorgenommen wird.the corresponding ultrasonic impulses between the sound entry surface of the test piece and the rear wall of the test piece opposite the sound entry surface is determined and where with the help of an additional transmit and receive transducer, which are arranged symmetrically to the first transducer, a second Time of flight measurement is made.

Um die Wandstärke von Prüflingen, beispielsweise von Blechen oder Rohren, mit Hilfe von Ultraschall impulsen zu bestimmen, wird üblicherweise die Laufzeit der Schallimpulse gemessen, wobei mit -Hilfe der Schallgeschwindigkeit innerhalb des Prüflings die vom Schall zurückgelegte Entfernung bestimmt "Wird ί Hi erf Ur^sAeS" ' allerdings erforderlich, daß die Schallgeschwindigkeit im Prüfling bekannt sein muß.To the wall thickness of test objects, for example of sheet metal or To determine pipes, with the help of ultrasonic pulses, the transit time of the sound impulses is usually measured, with the aid of the speed of sound within the test object that of the Sound traveled distance determined "Will ί Hi erf Ur ^ sAeS" ' However, it is necessary that the speed of sound in the test object must be known.

Aus dem Aufsatz von M₄V. Korolev u.a. "Ultrasonic Thickness Gauging without Standards in USSR", 10th World Conference on Nondestructive Testing, Moscow (1982) Vol. 2, pp. 50-59 sowie aus den US-Patentschriften 4.398.421 und 4.413.517 sindFrom the article by M ₄ V. Korolev et al. "Ultrasonic Thickness Gauging without Standards in USSR", 10th World Conference on Nondestructive Testing, Moscow (1982) Vol. 2, pp. 50-59 and from US Patents 4,398,421 and 4,413,517 are ferner Geräte bekannt, bei denen die Schallgeschwindigkeiten der zu prüfenden Werkstücke nicht vorgegeben werden müssen. Vielmehr ist es mit diesen bekannten Geräten möglich, mit Hilfe zweier zusätzlicher Ultraschallwandler die Schallgeschwindigkeit dadurch zu ermitteln, daß die Laufzeit der entsprechenden Ultraschal!impulse entlang der Oberfläche des Werkstückesalso known devices in which the speeds of sound of the workpieces to be tested do not have to be specified. Rather, it is possible with these known devices, with the help two additional ultrasonic transducers to determine the speed of sound that the transit time of the corresponding Ultrasonic pulses along the surface of the workpiece ermittelt wird. Nachteilig ist bei diesen bekannten Anordnungen vor allem, daß die derartig ermittelte Schallgeschwindigkeit nur charakteristisch für einen oberflächennahen Bereich des Prüfstückes ist. Eine Wanddickenmessung mit ausreichender Genauigkeit ist daher nur dann möglich, wenn hinsichtlich der Schallgeschwindigkeit homogene Werkstücke vorliegen. Diese Voraussetzung ist vielfach aber nicht gegeben.is determined. The main disadvantage of these known arrangements is that the speed of sound determined in this way is only is characteristic of an area of the test piece close to the surface. A wall thickness measurement with sufficient accuracy is therefore only possible if the workpieces are homogeneous in terms of the speed of sound. This requirement but is often not given.

Bei diesen bekannten Verfahren ist ferner nachteilig, daß die Schallgeschwindigkeitsermittlung häufig nicht mit der selbenA further disadvantage of these known methods is that the sound velocity determination is often not done with the same Wellenart gemessen werden kann, wie die eigentliche Wandstärkenmessung (i.d.R.: Longitudinalwellen). Denn je nach der Oberflächenbeschaffenheit des Prüfstückes handelt es sich bei den Ultraschallwellen, die sich entlang der Oberfläche des Prüfstückes fortpflanzen, um Oberflächen- oder um Kriechwellen. Die Schallgeschwindigkeiten dieser Wellenarten können aber wesentlich verschieden sein von derjenigen, die Longitudinalwellen besitzen.The type of wave can be measured, like the actual wall thickness measurement (usually: longitudinal waves). Because depending on the surface properties of the test piece, the Ultrasonic waves traveling along the surface of the test piece propagate around surface waves or creeping waves. The speed of sound of these types of waves can, however, be significantly different from those of longitudinal waves.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde,, eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art zu entwickeln, mit der es möglich ist, trotz einer inhomogenen Schall geschwind!gkeitsverteilung in dem zu prüfenden Werkstück, eine genaue Wandstärkenbestimmung vorzunehmen, wobei sichergestellt sein soll, daß beide Laufzeitmessungen mit der gleichen Wellenart, i.d.R. Longitudinalwellen, vorgenommen werden.The present invention is therefore based on the object ,, a To develop device of the type mentioned, with which it it is possible, despite an inhomogeneous sound velocity distribution in the workpiece to be tested, to determine the exact wall thickness, whereby it should be ensured that both Time of flight measurements can be made with the same type of wave, usually longitudinal waves.

5 -5 -

Diese Aufgäbe wird erfindungsgemaß durch den kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.This task is according to the invention by the characterizing part of claim 1 solved.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden mit Hilfe von Zeichnungen und anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.Further advantages and details of the invention are set out below with the help of drawings and on the basis of exemplary embodiments explained in more detail.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1: schematisch ein UltraschallWandstärkenmeßgerät mit Prüfkopf, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitet;1: schematically, an ultrasonic wall thickness measuring device with a test head, which works according to the method according to the invention;

Fig. 2: einen auf ein Werkstück aufgesetzten erfindungsgemäßenFig. 2: an according to the invention placed on a workpiece

Prüfkopf; und 15Test head; and 15th

Fig. 3: eine perspektivische Darstellung eines Ultraschall -Schwingers mit Vorlaufkörper.3: a perspective illustration of an ultrasonic oscillator with a leading body.

In Fig. 1 ist mit 1 eine Schaltung eines Wandstärkenmeßgerätes dargestellt, das über Leitungen 2,3,4 und 5 mit einem Prüfkopf 6 verbunden ist. Der Prüfkopf 6 befindet sich auf einiim Prüfstück 7, dessert Wandstärke D ermittelt werden soll.In Fig. 1, 1 shows a circuit of a wall thickness measuring device, which is connected to a test head 6 via lines 2, 3, 4 and 5 connected is. The test head 6 is located on a test piece 7, dessert wall thickness D is to be determined.

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t ti 'ti «■

Das Wandstärkenmeßgerät 1 enthält einen Trigger 100, der denThe wall thickness measuring device 1 includes a trigger 100, the

Ultraschall sender 101 triggert. Der Ausgang des Senders 101 ist über einen ersten steuerbaren Schalter 102 mit den Leitungen und 3 verbunden. Die Leitungen 4 und 5 sind über einen zweitenUltrasonic transmitter 101 triggers. The output of transmitter 101 is connected to lines 3 and 3 via a first controllable switch 102. Lines 4 and 5 are via a second steuerbaren Schalter 103 und einem Empfangsverstärker 104controllable switch 103 and a receiving amplifier 104 mit dem Rücksetzenngang eines Flip-Flops 105, an dessen Setzeingang der Trigger 100 liegt, verbunden. Dem Flip-Flop 105 nachgeschaltet ist ein UND-Glied 106, an dessen zweitem Eingang ein Taktgenerator 107 und an dessen Ausgang ein Zähler 108 liegt. Die Zählwerte des Zählers werden in einen Mikroprozessor 109with the reset output of a flip-flop 105, at its set input the trigger 100 is connected. The flip-flop 105 is followed by an AND element 106, at the second input of which is a Clock generator 107 and at the output of which a counter 108 is located. The counts of the counter are stored in a microprocessor 109 übertragen und dort weiterverarbeitet. Der von dem Mikroprozessor berechnete Wandstärkenwert bzw. Schallgeschwindigkeitswsrt wird dann von einer Anzeigenvorrichturig 110 dargestellt.transferred and processed there. The wall thickness value or sound velocity value calculated by the microprocessor is then displayed by a display device 110.

Der Prüfkopf 6 besteht in dem dargestellten Ausführungsbeispiel aus drei elektroakustisehen Wandlern 600, 601 und 602. Dabei dient der Wandler 600 zur Erzeugung von Schallwellen (Sendewandler) und der Wandler 602 zum Empfang von Schallwellen (Empfangswandler). Mit dem Wandler 601 schließlich werden sowohl Schall-The test head 6 consists in the illustrated embodiment from three electroacoustic transducers 600, 601 and 602. Here the transducer 600 is used to generate sound waves (transmit transducer) and the transducer 602 is used to receive sound waves (receive transducer). Finally, with the transducer 601, both sound wellen erzeugt als auch die entsprechenden voü der Rückwand des Prüfstückes 7 reflektierten Echosignale empfangen. Bei allen drei Wandlern handelt es sich um Logitudinalwandler.waves generated as well as the corresponding voü the rear wall of the test piece 7 reflected echo signals received. All three converters are longitudinal converters.

Im folgenden soll die Wirkungsweise der dargestellten Schaltungsvorrichtung näher erläutert werden:The mode of operation of the circuit device shown will be explained in more detail below:

Der Trigger 100 des UltraschallWandstärkenmeßgerätes 1 erzeugt in vorgegebenen zeitlichen Abständen Impulse, die einerseits den Sender 101 veranlaßen, entsprechende elektrische Sendeimpulse zu erzeugen und andererseits das Flip-Flop 105 setzen.The trigger 100 of the ultrasonic wall thickness measuring device 1 is generated At predetermined time intervals, pulses which, on the one hand, cause the transmitter 101 to generate corresponding electrical transmission pulses and, on the other hand, set the flip-flop 105.

Ober den Schalter 102, der sich in einer ersten Stellung befindet (ausgezogene Schalterstellung),gelangt der Sendeimpuls an denVia switch 102, which is in a first position (extended switch position), the transmission pulse reaches the

, « I I t I I · · · Sf, «I I t I I · · · Sf

- 8 - ϊ.- 8 - ϊ.

Wandler 601, der einen entsprechenden Ultraschall impuls erzeugt. | Dieser Ultraschall impuls gelangt in das Prüfstück 7 und trifft §Transducer 601, which generates a corresponding ultrasonic pulse. | This ultrasonic pulse reaches the test piece 7 and hits §

auf den Bereich 701 der Rückwand 700. Der Impuls wird von dieser Rückwand reflektiert und wiederum von dem Wandler 601 in einenon the area 701 of the rear wall 700. The pulse is from this Back wall reflected and in turn from the transducer 601 into one entsprechenden elektrischen Impuls umgewandelt. Dieser elektrische Impuls gelangt über den zweiten Schalter 103 und nach Verstärkung durch den Empfangsverstärker 104 an den Rücksetzeingang des Flip-Flops 105. Am Ausgang des Flip-Flops 105 ergibt sich also ein Torsignal, dessen Breite proportional ist zur Laufzeit dercorresponding electrical impulse converted. This electrical pulse passes through the second switch 103 and after amplification through the receiving amplifier 104 to the reset input of the flip-flop 105. The output of the flip-flop 105 thus results a gate signal, the width of which is proportional to the running time of the Ultraschall impulse zwischen der Oberfläche 702 und der Rückwand 700 des Prüfstückes 7. Dieses Torsignal wird in bekannter Weise mit Hilfe des Taktgenerators 107, des UND-Gatters 106 und des Zählers 108 ausgezählt und der entsprechende Zählwert in den Mikroprozessor 109 übertragen.Ultrasonic pulses between the surface 702 and the rear wall 700 of the test piece 7. This gate signal is known in the art Way with the help of the clock generator 107, the AND gate 106 and the counter 108 and the corresponding count in the microprocessor 109 transmitted.

Würde der Schall geschwindigkeitswert cw des Prüfstückes 7 bekannt sein, so könnte der Mikroprozessor sofort die entsprechende Wandstärke D des Prüfstückes 7 aufgrund der Beziehung:The sound velocity value cw of the test piece 7 would be known the microprocessor could immediately determine the corresponding wall thickness D of the test piece 7 based on the relationship:

D = 2 cw · tw (1)D = 2 cw tw (1)

ermitteln, wobei tw die Laufzeit der Ultraschall impulse durch das Prüfstück bedeutet.determine, where tw is the transit time of the ultrasonic pulses through the test piece means.

Es ist aber gerade der Vorteil der vorliegenden Erfindung, daß der Schallgeschwindigkeitswert cw nicht bekannt zu sein braucht bzw. durch dieses Gerät ebenfalls ermittelt werden kann.But it is precisely the advantage of the present invention that the sound velocity value cw does not need to be known or can also be determined by this device.

Um dieses zu erreichen wird eine zweite Laufzeitmessung durchgeführt. Hierzu veranlaßt der Mikroprozessor 109 die Schalter 102 und 103 zur Umschaltung in ihre zweite (gestrichelte) Stellung. Der nächste elektrische Sendeimpuls gelangt dann über die Leitung an den Sendewandler 600 und erzeugt einen entsprechenden Ultraschall-To achieve this, a second transit time measurement is carried out. The microprocessor 109 causes the switches 102 to do this and 103 for switching to its second (dashed) position. The next electrical transmission pulse then arrives on the line to the transmitting transducer 600 and generates a corresponding ultrasonic

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4 · I t 4 · I t

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* · I I I I* · I I I I

impuls. Sende- und Empfangswandler 600 und 602 sind nun so ausgelegt, daß es sich bei diesen Wandlern um Senkrechtprüfköpfe handelt, bei denen also die Einschallung in Richtung der Normalen des Prüfstückes erfolgt. Andererseits sind der Abstand a derpulse. Transmit and receive transducers 600 and 602 are now designed so that these transducers are vertical probes acts, in which the sound is sounded in the direction of the normal of the test piece. On the other hand, the distance a is the

Wandler 600 und 602 voneinander und der Divergenzwinkel (J Transducers 600 and 602 from each other and the divergence angle (J.

des Schall bündels 606 des Sendewandlers 600 und der dem Schal!bündel entsprechenden Empfangscharakteristik 607 des Empfangswandlerv so gewählt, daß sich das Schallbündel 606 und die Empfangscharakteristik 607 im Reflektionsbereich 701 der Rückwand 700 des Prüfstückes 7 überlappen. Der entsprechende Oberlappungsbereich ist in Fig. 1 gestrichelt dargestellt und mit 608 bezeichnet. Der Schall strahl mit dem kürzesten Weg zwischen Sende- und Empfangswandler ist mit 609 gekennzeichnet.of the sound bundle 606 of the transmitter transducer 600 and that of the sound bundle corresponding reception characteristic 607 of the reception transducer nerve chosen so that the sound beam 606 and the reception characteristic 607 in the reflection area 701 of the rear wall 700 of the Overlap the test piece 7. The corresponding overlap area is shown in dashed lines in FIG. 1 and denoted by 608. The sound beam with the shortest path between the transmitting and receiving transducers is marked with 609.

Aus der Forderung, daß sich das Schallbündel 606 und die Empfangscharakteristik 607 im Bereich 701 überlappen müssen, ergibt sich, daß ein von dem Sendewandler 600 erzeugtes und an der Rückwand 700 \ im Bereich 701 reflektiertes Ultraschallsignal vom Empfangs- fFrom the requirement that the acoustic beam 606 and the reception characteristic 607 must overlap in the region 701, it follows that a signal generated by the transmitting transducer 600 and reflected on the rear wall 700 \ in the range 701 ultrasonic signal from the receiving f

wandler 602 auch empfangen wird. Dieses Signal wird dann wieder- Jconverter 602 is also received. This signal is then again- J

um über den Schalter 103 dem Verstärker 104 zugeführt. Anschließend I wird mit Hilfe des Flip-Flops 105 ein Tor erzeugt, das mittels des UND-Gatters 106, des Taktgenerators 107 und des Zählers 108 ausgezählt wird. Der entsprechende Zählwert wird in den Mikroprozessor 109 übertragen und dann die Wanddicke, wie nachfolgendin order to be fed to the amplifier 104 via the switch 103. Then I a gate is generated with the help of the flip-flop 105, which by means of the AND gate 106, the clock generator 107 and the counter 108 is counted. The appropriate count is transferred to microprocessor 109 and then the wall thickness as follows beschrieben, ermittelt:described, determined:

Bezeichnet man den Weg eines Schall impulses vom Sendewandler zum Empfangswandler 602 über den Rückwandbereich 701 mit s und seine Laufzeit mit ts, so gilt: 30The path of a sound pulse from the transmitting transducer to the receiving transducer 602 via the rear wall area 701 is denoted by s and its running time with ts, then: 30th

cw = s/ts (2)cw = s / ts (2)

1 - 10 - 1 - 10 -

■ ■■ ■

I ■ ■ 11··· I ■ ■ 11 ···

- 10-- 10-

Außerdem folgt aus der geometrischen Zuordnung von s, D und a:In addition, it follows from the geometric assignment of s, D and a:

(s/2)2 = (a/2)² + D² (s / 2) 2 = (a / 2) ² + D ²

Gleichungen (2) und (3) in (1) eingesetzt ergibt:Equations (2) and (3) inserted into (1) yields:

ts² - tw² ts ² - tw ²

(3)(3)

(4)(4)

2020th 2525th

Bai bekanntem Abstand a des Sende- und Empfangswandlers 600 und bzw. bei bekanntem Abstand zwischen Schall eintrittsflache 703 und Schallaustrittsfläche 704 der Oberfläche 702 des Werkstückes 7, kann daher die Wandstärke D alleine, aufgrund der Laufzeitmessungen tw und ts, ermittelt werden.Bai known distance a of the transmit and receive transducers 600 and or if the distance between the sound entry surface 703 is known and sound exit surface 704 of the surface 702 of the workpiece 7, can therefore be the wall thickness D alone, based on the transit time measurements tw and ts, are determined.

Allerdings ist der Abstand a mit mechanischen Hilfsmitteln nur relativ ungenau meßbar, weil die Ein- und Austrittsflächen nicht punktförmige Flächen darstellen_s sondern einen mehr oder weniger großen Bereich umfassen. Als besonders vorteilhaft hat es sich daher erwiesen, nicht den mittleren mechanisch gemessenen Abstand zwischen den beiden Wandlern zu verwenden, sondern von einem effektiven Abstand ^aeff auszugehen. Dazu wird ein Kontrollkörper bekannter Dicke und beliebiger Schallgeschwindigkeit verwendet und aus Gleichung (4) ^aeff ermittelt, indem D vorgegeben und die Laufzeiten tw und ts gemessen werden. Es hat sich nämlich gezeigt, daß ^aeff praktisch unabhängig von der Dicke D des jeweiligen Werkstückes ist, so daß Gleichung (4) ersetzt werden kann durch:However, the distance a mechanical means is only relatively inaccurate measured, because the entrance and exit surfaces not punctiform areas represent _s but comprise a more or less wide range. It has therefore proven to be particularly advantageous not to use the mean mechanically measured distance between the two transducers, but to start from an effective distance ^a eff. For this purpose, a control body of known thickness and any desired speed of sound is used and ^a eff is determined from equation (4) by specifying D and measuring the transit times tw and ts. It has been shown that ^a eff is practically independent of the thickness D of the respective workpiece, so that equation (4) can be replaced by:

D =D =

^aeff ^a eff

3030th

ts² - tw² ts ² - tw ²

(5)(5)

- 11 -- 11 -

ι ι Ι ι liiiι ι Ι ι liii

C · * S ftC · * S ft

* t* t

I β · t I · ■ ·I β t I ■ ■

- 11 -- 11 -

Das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel bezieht sichThe embodiment described above relates to

allerdings nur auf den Fall, daß die Schwinger der Wandler 600, 601 und 602 direkt - oder über eine nicht dargestellte Schutzschicht - mit dem Prüfstück 7 in Berühung stehen. Vortei1hafter-but only in the event that the transducers 600, 601 and 602 are in direct contact with the test piece 7 - or via a protective layer (not shown). Advantageous- weise werden aber häufig die Schwinger des Sende- bzw. Empfangs-wisely, however, the transducers of the transmitting or receiving Wandlers über Vorlaufkörper an das Prüfstück 7 angekoppelt. Dadurch ist es u.a. möglich, Schall bündel mit relativ qroßem Divergenzwinkel CJ in dem Prüfstück zu erzeugen, was die Messung geringer Wandstärken D ermöglicht. Einen entsprechenden Prüfkc^f 60 zeigt Fig. 2.The transducer is coupled to the test piece 7 via a leading body. This makes it possible, among other things, to generate sound bundles with a relatively large divergence angle CJ in the test piece, which enables the measurement of small wall thicknesses D. A corresponding test 60 is shown in FIG. 2.

Der Schwinger des nicht in allen Einzelheiten wiedergegebenen Sendewandlers ist mit 610, der des Empfängers mit 611 und der des Sendeempfangswandlers mit 612 bezeichnet. Die Schwinger 610The transducer of the transmitter, which is not shown in detail, is at 610, that of the receiver at 611 and the of the transceiver transducer is denoted by 612. The transducer 610 und 611 sind jeweils auf Schall vor!aufkörpern 613 und 614 angeordnet, welche beispielsweise aus Plexiglas bestehen können und die die gleiche Dicke aufweisen sollten. Der Schwinger 612 berührt während des Meßvorganges direkt das Prüfstück 7. Durch die akustischen Trennschichten 615, 616 wird sichergestellt, daßand 611 are each arranged on sound front bodies 613 and 614, which can for example consist of Plexiglas and which should be the same thickness. The oscillator 612 touches the test piece 7 directly during the measuring process acoustic separation layers 615, 616 ensure that die von dem Schwinger 610 erzeugten Schall impulse nicht direkt, d.h. über den Bereich,™ dem sich der Sendeempfangsschwinger befindet, zu dem Empfangsschwinger 611 gelangen.the sound pulses generated by the transducer 610 are not directly, i.e. over the area ™ which the transceiver transducer is located to get to the receiving transducer 611.

Die Schaltung des entsprechenden Wandstärkenmeßgerätes entspricht im wesentlichen derjenigen des in Fig. 1 dargestellten Gerätes. Lediglich die Schalter 102 und 103 sind durch neue, jeweils drei Schaltstufen aufweisende Schalter 1020 und 1030 ersetzt worden. Die Bedeutung dieser Schalter wird weiter unten noch näher erläutert.The circuit of the corresponding wall thickness measuring device corresponds essentially that of the device shown in FIG. Only switches 102 and 103 are new, respectively Switches 1020 and 1030, which have three switching stages, have been replaced. The meaning of these switches is explained below explained in more detail.

- 12 -- 12 -

ί t I I I I f I Ilί t I I I I f I Il

t I ·t I

- 12 -- 12 -

Zur Ermittlung der unbekannten Wandstärke 6 des Prüfstückes 7 wird wiederum Gleichung (1) herangezogen. Es wird also die Laufzeit tw ermittelt, die ein Ultraschall impuls vom Schwinger bis zur Rückwand 700 des Prüfstückes und zurück zum Schwinger benötigt.Equation (1) is again used to determine the unknown wall thickness 6 of the test piece 7. So it will be the The transit time tw is determined by an ultrasonic pulse from the transducer to the rear wall 700 of the test piece and back to the transducer needed.

Bei der zweiten Laufzeitmessung,bei der die Laufzeit ermittelt wird, die die vom Sendeschwinger 610 erzeugten Impulse benötigen, um über den Reflektionsbereich 701 des Prüfstückes 7 zu dem Empfangsschwinger 611 zu gelangen ist zu berücksichtigen, daß die Schallimpulse nicht nur das Prüfstück 7 sondern auch die Vorlaufkörper 613 und 614 durchlaufen. Im folgenden soll näher auf die entsprechenden funktionellen Zusammenhänge zwischen den Laufzeiten tw und ts sowie dem Abstand a zwischen dem Sende- und Empfangsschwinger 610 und 611 und der Wandstärke D eingegangen werden:For the second transit time measurement, in which the transit time is determined, which require the pulses generated by the transmitter transducer 610 to reach the receiver transducer 611 via the reflection area 701 of the test piece 7, it must be taken into account that the Sound pulses not only pass through the test piece 7 but also the leading bodies 613 and 614. The following is intended to take a closer look at the corresponding functional relationships between the transit times tw and ts as well as the distance a between the transmitting and receiving transducers 610 and 611 and the wall thickness D are considered:

Dazu ist in Fig. 2 ein Schall strahl 617 dargestellt, der von dem Sendeschwinger 610 ausgeht und über den Bereich 701 der Rückwand des Prüfstückes 7 zu dem Empfangsschwinger 611 gelangt. Dieser Strahl möge unter einem Einfallswinkel «£ auf die Schallaustrittsflache des Vorlaufkörpers 613 fallen und aufgrund der unterschiedlichen Schallgeschwindigkeiten in dem Vorlaufkörper (cv) und in dem Prüfstück (cw) einen Einschallwinkel β besitzen, der sich aufgrund der Beziehung:For this purpose, a sound beam 617 is shown in FIG. 2, which emanates from the transmitting transducer 610 and arrives at the receiving transducer 611 via the area 701 of the rear wall of the test piece 7. Let this beam fall at an angle of incidence on the sound exit surface of the leading body 613 and, due to the different sound velocities in the leading body (cv) and in the test piece (cw), have an angle of incidence β , which is based on the relationship:

sin (dC)sin (dC)

sinsin

cvcv

CWCW

(6)(6)

errechnet.calculated.

- 13 -- 13 -

t ■t ■

■ 1(11■ 1 (11

Neben Gleichung (6) müssen noch die Bedingungen über die Gesamtlaufzeit des Schall strahl es 617 vom Punkt 618 über dem Bereich zu dem Punkt 619 auf dem Empfangsschwinger sowie die Bedingung über die geometrische Lage der Punkte 618, 701 und 619 erfüllt sein. Diese Bedingungen werden durch die Gleichungen (7) und (8) beschrieben:In addition to equation (6), the conditions must also apply to the total running time of the sound radiates 617 from point 618 over the area at point 619 on the receiving transducer and the condition for the geometric position of points 618, 701 and 619 is met be. These conditions are described by equations (7) and (8):

ts¹ = tv/cos (oC ) + tw'/cos ( β ) (7)ts ¹ = tv / cos (oC) + tw '/ cos ( β) (7)

a = 2-tv'iCV-tan (X) + 2-tw'-cw.tan (/3 ) (8)a = 2-tv'iCV-tan (X) + 2-tw'-cw.tan (/ 3) (8)

Dabei bedeuten: ts¹ = Halbe Schallaufzeit von Punkt 618 überThe following mean: ts ¹ = half the sound propagation time from point 618 over

Punkt 701 zu Punkt 619. (ts¹ = J ts).Point 701 to point 619. (ts ¹ = J ts).

tv = Halbe Schallaufzeit für die Senkrechteintv = half the sound propagation time for the vertical

schan ung in den Vor!aufkörper 606 bzw. 607.hinge in the front body 606 or 607.

tw¹ = Halbe Schallaufzeit für die Senkrechtein-tw ¹ = half the sound propagation time for the perpendicular

schallung in das Werkstück (tw¹ = £ tw). 20sound in the workpiece (tw ¹ = £ tw). 20th

a = Abstand der Punkte 618 und 619.a = distance between points 618 and 619.

Durch Auflösen der Gleichungen (6) und (8) nach cw und Gleichsetzen, können mit Hilfe von Gleichung (7) JZ und /3 berechnet werden.By solving equations (6) and (8) for cw and equating them, JZ and / 3 can be calculated using equation (7).

Gleichung (6) liefert dann bei Kenntnis der Schallgeschwindigkeit im Vorlaufkörper die Schallgeschwindigkeit im Prüfstück 7. Bei bekanntem Abstand a und bekannter Schallgeschwindigkeit im Vorlauf, kann also die Schallgeschwindigkeit im Werkstück allein aus den drei Zeitmessungen ts¹, tw¹ und tV ermittelt werden. Mit der berechneten Schallgeschwindigkeit cw im Werkstück und der gemessenen Zeit tw ist damit auch die Dicke des Werkstückes, gemäß Gleichung (1) bekannt.Equation (6) then provides the speed of sound in the test piece 7 if the speed of sound in the lead body is known. With a known distance a and a known speed of sound in the lead, the speed of sound in the workpiece can be determined from the three time measurements ts ¹ , tw ¹ and tV alone. With the calculated speed of sound cw in the workpiece and the measured time tw, the thickness of the workpiece is known according to equation (1).

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Wie in dem oben beschriebenen ersten ÄUsfÜhrungsbeispiel auch, ist der Abstand a mit mechanischen Hilfsmitteln relativ Ungenau meßbar. Es hat sich daher auch bei diesem Ausführungsbeispiel als besonders vorteilhaft erwiesen, nicht den mittleren mechanisch gemessenen Abstand zwischen den beiden Schwingern 610 und 611 zu verwenden, sondern von einem berechneten effektiven Abstand ^aeff auszugehen. Dazu wird wiederum ein Kontrollkörper bekannter Dicke und beliebiger Schallgeschwindigkeit verwendet.As in the first example described above, the distance a can be measured relatively inaccurately with mechanical aids. It has therefore also proven to be particularly advantageous in this exemplary embodiment not to use the mean mechanically measured distance between the two oscillators 610 and 611, but to start from a calculated effective distance ^a eff. For this purpose, a control body of known thickness and any desired speed of sound is used.

Zur Berechnung von ^aeff werden die drei Schal laufzeiten ts, tw und tv an dem Kontrollkörper gemessen. Aus der Dicke des Kontrollkörpers kann mit Hilfe der Laufzeit tw die Schallgeschwindigkeit des Kontrollkörpers berechnet werden. Mit diesen Werten kann nun der Abstand ^aeff ermittelt werden, indem aus den Gleichungen (6) und (7) oC und β berechnet werden. Gleichung (8) - in der a durch ^aeff ersetzt wurde - liefert dann ^aeff.To calculate ^a eff, the three switching times ts, tw and tv are measured on the control body. From the thickness of the control body, the speed of sound of the control body can be calculated with the aid of the transit time tw. With these values, the distance ^a eff can now be determined by calculating oC and β from equations (6) and (7). Equation (8) - in which a has been replaced by ^a eff - then yields ^a eff.

Das Lösen des genannten Gleichungssystems ist sehr aufwendig. Häufig können aber aufgrund der konkreten Aufgabenstellung an die erfindungsgemäßen Vorrichtung, das erwähnte GleichungssystemSolving the aforementioned system of equations is very time-consuming. Often, however, due to the specific task at hand, the device according to the invention, the aforementioned system of equations wesentlich vereinfacht werden. Vor allem vier Fälle lassen si (Λ unterscheiden:be simplified significantly. Four cases in particular allow si (Λ differentiate:

1. Es sollen nur Werkstücke mit erheblich größerer Schallgeschwindigkeit als im Vorlauf gemessen werden. Dann gilt:1. Only workpieces with a significantly higher speed of sound than in the advance should be measured. Then the following applies:

also mit Gleichung (6) sin ( <=C)/sinso with equation (6) sin (<= C) / sin

Bei in Abhängigkeit vom zu messenden Dickenbereich sinnvoll gewähltem a ist/4 nicht größer als ca. 20 Grad. In diesem Falle kann ©C in hinreichender Näherung gleich 0 gesetzt werden. Dadurch vereinfacht sich das o.e. Gleichungssystem zu:This makes sense depending on the thickness range to be measured selected a / 4 is not greater than approx. 20 degrees. In this Fall can be set to 0 in a sufficient approximation will. This simplifies the o.e. System of equations for:

- 15 -- 15 -

I titI tit

• I 1 I ·• I 1 I ·

* Ill»* Ill »

• Ii iiti* i lit• Ii iiti * i lit

ι ι ι j » »ι ι ι j »»

- 15 -- 15 -

tS¹ = tV - tW¹ / GOS (β) tS ¹ = tV - tW ¹ / GOS (β)

^aeff = 2«tw'.cw.tan ^a eff = 2 «tw'.cw.tan

(8¹)(8 ¹ )

Gleichung (9) in Gleichung (10) eingesetzt liefert: ^aeff = 2-cw- \/ (ts¹ - tv)2 - tw'² Equation (9) inserted into equation (10) yields: ^a eff = 2-cw- \ / (ts ¹ - tv) 2 - tw ' ²

(9)(9)

Diese Gleichung dient wie oben beschrieben zur Ermittlung von ^aeff in einem Justiervorgang. Das so berechnete ^aeff stimmt allerdings nicht genau mit dem nach dem allgemeinen Gleichungssystem berechneten ^aeff überein. Es wird vielmehr ein kleinerer Wert ermittelt. Trotzdem ergeben sich unter der genannten Einschränkung noch recht genaue Wert für die Schallgeschwindigkeiten. As described above, this equation is used to determine ^a eff in an adjustment process. ^{However, the a} eff calculated in this way does not exactly match the ^a eff calculated using the general system of equations. Rather, a smaller value is determined. Nevertheless, with the mentioned restriction, there are still quite precise values for the speed of sound.

Wird Gleichung (9) nach cw aufgelöst, dient sie zur Berechnung von cw aus den drei Laufzeitmessungen ts¹, tw¹ imd tv:If equation (9) is solved for cw, it is used to calculate cw from the three transit time ^{measurements ts 1} , tw ¹ and tv:

= a_eff / (2-1/(ts¹ - tv)2 - tw'2')= a _e ff / (2-1 / (ts ¹ - tv) 2 - tw'2 ')

(10)(10)

2. Es sollen nur Werkstücke größerer Dicke gemessen werden, so daß auf Vorlaufkörper 613, 614 - bis auf eine dünne Schutzschicht verzichtet werden kann. In diesem Fall ergibt sich das oben zu Fig. 1 beschriebene Beispiel.2. Only workpieces of greater thickness should be measured so that on leading body 613, 614 - except that a thin protective layer can be dispensed with. In this case the above arises too Example described in Fig. 1.

3. Es sollen nur Werkstücke gemessen werden, deren Schallgeschwindigkeiten ih derselben Größenordnung liegen wie die Schall geschwind!gkeit in den Vor!aufkörpern 613,614.3. Only workpieces should be measured whose sound velocities are They are of the same order of magnitude as the speed of sound in the front bodies 613,614.

t H 1 1 I JJl ι «t H 1 1 I JJl ι «

* > ■> * I ti III III*> ■> * I ti III III

II. t ·t

it · rit r

c t · ι t ιc t · ι t ι

- 16 -- 16 -

In diesem Falle verändert sich das Gleichungssystem zu:In this case the system of equations changes to:

sin (X) /sin (/S) ~ 1 bzw. sin (<£) = sin (/?) (6") und damit gilt:sin (X) / sin (/ S) ~ 1 or sin (<£) = sin (/?) (6 ") and thus:

ts¹ = (tw' + tv)/cos (/) (7")ts ¹ = (tw '+ tv) / cos (/) (7 ")

^aeff = 2-tan (ß ) · (tv-cv + tw'.cw) (8") ^a eff = 2-tan (ß ) · (tv-cv + tw'.cw) (8 ")

Aus den beiden Gleichungen (7") und (8") folgt:From the two equations (7 ") and (8") it follows:

a_cff _ 2· V (ts'² - (tv+tw')2 · (tvcv + tw'-cw) (11)a _cff _ 2 V (ts ' ² - (tv + tw') 2 (tvcv + tw'-cw) (11)

tv + tw¹ tv + tw ¹

Diese Gleichung dient wieder zur Ermittlung von ^aeff mit Hilfe der Messungen der Laufzeiten ts¹, tw' und tv an einem Kontrollkörper bekannter Dicke bzw. Schallgeschwindigkeit. Gleichung (11) umgeformt nach cw dient zur Berechnung der Dicke bzw. Schallgeschwindigkeit im Werkstück:This equation is again used to determine ^a eff with the aid of the measurements of the transit times ts ¹ , tw 'and tv on a control body of known thickness or speed of sound. Equation (11) transformed according to cw is used to calculate the thickness or the speed of sound in the workpiece:

_{cw =} !giL ,*^{V + tW}' - *v .cv 2-tw' V (ts'2 - (tv+tw¹)^ tw' _{cw =} ! giL, * ^{V + tW} '- * v .cv 2-tw' V (ts'2 - (tv + tw ¹ ) ^ tw '

4* Es sollen nur Werkstücke vermessen werden, deren Wanddicken in derselben Größenordnung liegen.4 * Only workpieces with a wall thickness should be measured are of the same order of magnitude.

Bei den bisher beschriebenen Fällen werden Schwinger 610, verwendet, deren Breite b wesentlich kleiner ist als die Breite B der Vorlaufkörper 613, 614,auf denen die Schwinger angeordnet sind. Derartige Vorlaufkörper haben den Vorteil, daß sich der Schallverlauf an die Wanddicke anpaßt. D.h., bei großen Wanddicken ist der Abstand von Schalleintritts-In the cases described so far, transducers 610 are used whose width b is significantly smaller than that Width B of the lead body 613, 614 on which the transducers are arranged. Such leading bodies have the advantage that the course of the sound adapts to the wall thickness. I.e., in the case of large wall thicknesses, the distance from the sound entry point

-¹⁷-- ¹⁷ -

* · * Uli Hu Il ι |4«|* · * Uli Hu Il ι | 4 «|

■ l| ( ι· 111■ l | (ι 111

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• ■ I• ■ I

punkt zu Schall austrittspunkt auf der Prüfstücksoberfläche größer als bei geringen Wanddicken. Dadurch wird eine höhere Meßgenauigkeit erreicht. Werden nur Prüfstücke 7 mit Wanddicken in der selben Größenordnung vermessen, so kann durch Wahlpoint to sound exit point on the test piece surface larger than with small wall thicknesses. This creates a higher Measurement accuracy achieved. If only test pieces 7 with wall thicknesses in the same order of magnitude are measured, then by choice eines geeigneten Abstandes a auf diesen Vorteil verzichtet werden.a suitable distance a can be waived this advantage.

Benutzt man in diesem Fall für jeden Schwinger einen eigenen Vorlaufkörper, der die gleichen Breiten- und LängenabmessungenIn this case, you use a separate lead body for each transducer that has the same width and length dimensions wie der Wandler aufweist, so erfolgt die Auswertung, wie unter Fall 1. beschrieben. Die Höhe h des Vor!aufkörpers soll dabei vorzugsweise der Nahfeldlänge des Schwingers entsprechen. Ein Ausführungsbeispiel zeigt Fig. 3. Dabei ist mit 6100 ein Schwinger der Breite b und der Länge 1 und mit 6130 der ervtas shown in the converter, the evaluation is carried out as described in case 1. The height h of the front body should be preferably correspond to the near field length of the transducer. An exemplary embodiment is shown in FIG. 3. Here, 6100 is a Transducer of width b and length 1 and with 6130 the ervt sprechende, an die Abmessungen des Schwingers angepaßte Vor!auf- körper bezeichnet. Durch einen derartigen Vorlaufkörper kann Gleichung (6) nicht erfüllt werden. Hier ist der schnellste Weg des Schall impulses derjenige, welcher den Vor!aufkörper 6130 senkrecht durchläuft. Es gilt also, daß im Fall 1. angegebenespeaking, adapted to the dimensions of the transducer! body called. Equation (6) cannot be fulfilled by such a leading body. Here is the fastest Path of the sound impulse is that which the front body 6130 runs through vertically. It is therefore true that in case 1

Gleichungssystem.System of equations.

Hinsichtlich der Wandlerform haben sich bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung vor allem rechteckige Strahler, wie sie Fig. 3 zeigt, bewährt. Dabei sollte die schmale Seite der Schwinger 610,611 (Fig. 2) auf der beide Schwinger direkt verbindenden Linie (Z-Achse) liegen. Dadurch wird in dieser Richtung ein großer¹ Divergenzwinkel U erzielt. In der Richtung senkrecht zur Z-Achse hat das Schal!bündel dagegen eine wesentlich geringere Divergenz, wodurch sich eine Erhöhung der Empfindlichkeit ergibt.With regard to the shape of the transducer, rectangular emitters, as shown in FIG. 3, have proven particularly useful in the device according to the invention. The narrow side of the transducers 610,611 (Fig. 2) should lie on the line directly connecting the two transducers (Z-axis). As a result, a large ¹ divergence angle U is achieved in this direction. In the direction perpendicular to the Z-axis, on the other hand, the bundle of scarf has a significantly lower divergence, which results in an increase in sensitivity.

- 18 -- 18 -

- 18 -- 18 -

Die große Divergenz in Richtung der Z-Achse kann durch die Wahl einer niedrigen Frequenz noch erhöht werden.The large divergence in the direction of the Z-axis can be increased by choosing a low frequency.

Allerdings ist dabei darauf zu achten, daß die starken Nebenkeulen (sowohl Transversal - als auch Longitudinalwelleinanteile), die bei großen 31./D Verhältnissen entstehen, keine Oberflächen- oder Kriechwellen auf der Werkstückoberfläche erzeugen können. Da diese Nebenkeulen: direkt am Wandler entstehen, genügt es zur VermeidungHowever, it is important to ensure that the strong side lobes (both transverse and longitudinal wave components), the with large 31./D ratios, no surface waves or creeping waves can be generated on the workpiece surface. This one Side lobes: arise directly on the converter, it is sufficient to avoid them

p störender Einflüsse die Seiten des Vorlaufkörpers mit einemp disturbing influences the sides of the leading body with a

Dämpfungsmaterial zu versehen, so daß diese Nebenkeulen nicht durch Reflexion in das Werkstück gelangen können.To provide damping material so that these side lobes do not come through Reflection can get into the workpiece.

Da in den oben erwähnten mit 1,3 und 4 bezeichneten Ausführungsbeispielen die Zeit tv bekannt sein muß, während der die Schallimpulse die Vorlaufkörper durchlaufen, sind in Fig. 2 zwei dreistufige ?;halter 1020 und 1030 vorgesehen.Since in the above-mentioned with 1, 3 and 4 designated embodiments, the time tv must be known during which the sound pulses pass through the leading bodies, two three-stage holders 1020 and 1030 are provided in FIG.

Befindet sich Schalter 1020 in der Schaltstellung (a) und Schalter 1030 in Stellung (c) bzw. Schalter 1020 in Stellung (c) und Schalter 1030 in Stellung (a), so kann der jeweilige Wert tv mit dem Wandstärkenmeßgerät 1 (Fig. 1) ermittelt werden. Dabei erfolgt das Rücksetzen des Flip-Flops 105 durch das an der Unterseite des jeweiligen Vor!aufkörpers 613,614 reflektierte Echosignal.Switch 1020 is in switch position (a) and Switch 1030 in position (c) or switch 1020 in position (c) and switch 1030 in position (a), the respective value tv can be determined with the wall thickness measuring device 1 (Fig. 1). This takes place the resetting of the flip-flop 105 by the echo signal reflected on the underside of the respective front body 613,614.

Sind die Schalter 1020 und 1030 jeweils in Stellung (a) kann ts und sind beide Schalter jeweils in Stellung (b) kann tw ermittelt werden.If the switches 1020 and 1030 are each in position (a) ts and if both switches are in position (b) tw can be determined will.

Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern umfaßt auch ähnliche, einem Durchschnittsfachmann naheliegende Ausführungsformen. So ist es insbesondere naheliegend zur Messung von oberflächennähen Fehlern auch den Schwinger 612 des Prüfkopfes 60 (Fig. 2) auf einem Vorlaufkörper anzuordnen.The invention is of course not limited to the above Embodiments described is limited, but also includes similar embodiments obvious to a person skilled in the art. Thus, it is particularly obvious to measure defects close to the surface also to use the transducer 612 of the test head 60 (Fig. 2) to be arranged on a lead body.

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Claims (5)

Krautkrämer GmbH 13. Februar 1986 Robert-Bosch-Str. 3 P/Cl Hürth 5 (Efferen) K-182 G SchutzansprücheKrautkrämer GmbH February 13, 1986 Robert-Bosch-Str. 3 P / Cl Hürth 5 (Efferen) K-182 G protection claims 1. Vorrichtung zur Bestimmung der Wandstärke und/oder Schallgeschwindigkeit von Prüfstücken mit Ul traschall impulsen, deren Laufzeiten im Prüfstück gemessen werden, wobei mit Hilfe eines ersten Sende- und Empfangswandlers die Laufzeit ,tw, der entsprechenden Ultraschall impulse zwischen der Schalleintrittsfläche des Prüfstückes und der der SchaHeintrittsfläche gegenüberliegenden Rückwand des Prüfstückes ermittelt wird und wobei mit Hilfe jeweils eines zusätzlichen Sende- und Empfangswandlers, die symmetrisch zum ersten Wandler angeordnet sind, eine zweite Laufzeitmessung vorgenommen wird, dadurch gekennzeichnet,1. Device for determining the wall thickness and / or the speed of sound of test pieces with ultrasonic pulses, whose transit times are measured in the test piece, with the aid of a first transmit and receive transducer, the transit time, tw, the corresponding ultrasonic impulses between the sound entry surface of the test piece and that of the SchaH entry surface opposite rear wall of the test piece is determined and with the help of an additional transmit and receive transducer, which are arranged symmetrically to the first transducer, a second transit time measurement is carried out, characterized in that - daß es sich bei den zusätzlichen Sende- und Empföngswandlern (600 und 602) um Senkrechtprüfköpfe handelt, wobei der Abstand ,a, der Wandler (600 und 602) voneinander und der Divergenzwinkel , , des Schallbündels (606) des Sendewandlers (600) im Prüfstück (7) und der dem Schall bündel entsprechenden Empfangscharakteristik (607) des Empfangswandlers (602) so gewählt sind, daß sich das Schal!bündel und die Empfangscharakteristik im Reflektionsbereich (701) der Rückwand (700) des Prüfstückes (7), dessen Wandstärke noch gerade gemessen werden soll, überlappen.- That it is with the additional transmit and receive transducers (600 and 602) are vertical probes, where the distance, a, the transducers (600 and 602) from each other and the divergence angle,, of the sound beam (606) of the transmitter transducer (600) in the test piece (7) and the reception characteristics (607) corresponding to the sound bundle of the receiving transducer (602) are selected so that the bundle of sound and the receiving characteristics are in the reflection area (701) of the rear wall (700) of the test piece (7), the wall thickness of which is still to be measured, overlap. Mil · *
ti Mil *
ti 4. Vorrichtung nach Anspruch 1,4. Apparatus according to claim 1, dadurch gekennzeichnet,characterized, daß zwischen den zusätzlichen Sende- und Empfangswandlernthat between the additional transmit and receive transducers (600, 602) und der Prüfstücksoberfläche (702) Schallvorlaufkörper (606, 607) vorgesehen sind.(600, 602) and the test piece surface (702) sound leading body (606, 607) are provided. 5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,5. Apparatus according to claim 1 or 2, dadurch gekennzeichnet,characterized, daß die Schwingerelemente (610, 611) der zusätzlichen Sende- und Empfangswändler (600, 602) Rechteckstrahler sind.that the oscillating elements (610, 611) of the additional transmitting and receiving transducers (600, 602) are rectangular radiators. • t t ι » ι t ι ι j• t t ι »ι t ι ι j lit Ilit I • »ti I t t till) t• »ti I t t till) t ■ > I I I I■> I I I I ft I ti Ilft I ti Il