DE2707883A1

DE2707883A1 - Verfahren zur erzeugung fokussierter schallwellen durch laserimpulse

Info

Publication number: DE2707883A1
Application number: DE19772707883
Authority: DE
Inventors: Walter Dipl Ing Kaule; Erik Dr Primbsch
Original assignee: Krautkraemer GmbH
Current assignee: Krautkraemer GmbH
Priority date: 1977-02-24
Filing date: 1977-02-24
Publication date: 1978-08-31
Also published as: JPS5746025B2; JPS53134488A; US4169662A

Description

17. Februar 1977 IG/ge - K O9Ö

Krautkrämer Grabh., Luxemburger Str . 449

3000 Köln 41 (Klettenberg)

Verfahren zur Erzeugung fokussierter Schallwellen durch Laserimpulse.

Pie Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung impulsförmiger fokussierter Schallwellen in stark Licht absorbierenden Prüfstücken zur Anwendung in der zerstörungsfreien Materialprüfung mit Ultraschall, wobei die Ultraschallwelle durch thermische Effekte in der Oberfläche des Prüfstückes berührungslos angeregt wird.

Die Schallanregung in einem das Licht absorbierenden Material ist bereits bekannt, vgl. »Werkstoffprüfung alt Ultraschall" von J. u. 11. Krautkrämer, 3 . Auflage 1975, Springer Verlag, Berlin und Heidelberg, Seiten 148 bis 150. Mit Liohtimpulaen aus einem Laser wird die Oberfläche eines Prüfstückes bestrahlt, diese Impulse werden dort absorbiert und

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führen hier zu örtlichen Erwärmungen, die eine mechanische Yerspannung des Materialgefüges zur Folge haben, wobei sich dann die Materialspannungen als elastische Welle (Schallwelle) in das Innere des Materials fortpflanzen. Bedingungen für diesen Effekt sind: die Impulsdauer des Laserlichtes mu3 kurz sein gegen die Periodendauer der erzeugten Schallwelle und die Absorption des Laserimpulses muß in der Oberfläche selbst erfolgen, d.h. die Eindringtiefe des Laserlichtes muß vernachlässigbar klein sein gegen die Wellenlänge der angeregten Schallwelle. Bei dieser thermischen Schallerzeugung ist die Ausbreitungsrichtung des Schalls immer senkrecht zur Oberfläche des Prüfstückes gerichtet. Eine schräg air Oberfläche des Prüfstückes orientierte Lichteinstrahlung würde wegen der großen Differenz zwischen der Lichtgeschwindigkeit und der Schallgeschwindigkeit immer nur zu senkrecht von der Oberfläche gerichteten Schallausbreitung führen . Eine Erzeugung fokussierter Schallstrahlen ist auf diesem einfachen Wege nicht möglich . Die bekannten Verfahren gestatten mit Laserimpulsen über große Abstände hinweg in einem Prüfstück Schallwellen anzuregen, so daß solche Verfahren bei unzugänglichen Prüfstücken oder Prüfstücken mit heißer Oberfläche benutzt werden können.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, die berührungslose Schallanregung mit den einzeln an sich bekannten Interferenzerschei-nungen und der durch das huygens ·sehe: Prinzip gegebenen Aussendung von Elementarwellen zu koppeln, um in

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einem Prüfstück einen fokussieren Schallstrahl anzuregen.

Das wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß auf der Prüfstückoberfläche ringförmige Teilflächen in Form eines Fresnel'sehen Zonenmusters durch Laserimpulse zur Aussendung von fokussierten Ultraschallwellen angeregt werden, wobei die von den einzelnen Zonen ausgehenden Elementarwellen durch Interferenz eine resultierende spärische fteilenfront bilden, die auf den Krümmungsmittelpunkt zuläuft .

Es ist in der zerstörungsfreien Materialprüfung mit Ultraschall bei schlecht zugänglichen Prüfstücken notwendig, über größere Entfernungen hinweg, das können einige Zentimeter oder einige Meter sein, den Schallimpuls in die Prüfstückoberfläche einzuleiten . Das ist direkt wegen der großen Unterschiede der Wellenwiderstände (Materialimpedanzen) zwischen dem Prüfstück und dem umgebenden Medium (allgemein Luft) nicht möglich , d.h. man kann bei diesen Abständen nicht mehr einen üblichen Prüfkopf ankoppeln. Wenn man aber die Prüfstückoberflache selbst als Schallsender benutzt . und diese Energiewandlung so ausbildet, daß sich durch Interferenzen Richtungscharakteristiken in der Ausbreitung der Schallwellen ergeben, kann man die Probleme, die sich durch die Impedanzanpassung ergeben, umgehen . Die Ausrichtung einer Ultraschallwelle zu PrUfungszwecken und ihre Fokussierung auf einen Punkt sind bei der Lösung technischer Prüfaufgaben vorteilhaft, um eine Ungänze, also

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einen Fehler, abbilden zu können, wozu eine punktueile Auflösung mit einem stark fokussierten Schallstrahl unumgänglich ist, der dann rasterförmig über die Ungänze geführt wird. Die Fokussierung des Schallstrahls kann auch vorteilhaft sein, um die zu findend« Ungänze mit möglichst hoher Schallenergie zu treffen, und damit die Empfindlichkeit des Prüfverfiiirena zu steigern.

Der Teil der Prüfstückoberfläche, der zu fokussierten Schallwellen angeregt werden soll, wird nicht gleichmäßig mit einem Laserimpuls bestrahlt, sondern der Laserimpuls prägt der Oberfläche ein Fresnel'sches Zonenmuster auf. An diesen Stellen der Prüfstückoberfläche entstehen durch die thermischen Effekte Schallwellen, die miteinander interferieren und sich nur mit sphärisch gekrümmten Wellenfronten ausbreiten können . Die Wellenfronten haben einen gemeinsamen Mittelpunkt, der den Brennpunkt der Schallwelle bildet.

Werden die Fresnel- 2enen durch einen modulierten Laserimpuls gleichzeitig erzeugt, so entsteht eine aus mehreren Wellenzügen bestehende Schallwelle. Erzeugt man die Zonen nacheinander, so ist es möglich, einen einzelnen Wellenzug (Stoßwelle) anzuregen.

Eine Ausführungsform der Erfindung ist schematisch in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert. Es zeigen:

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Fig. 1 eine Seitenansicht der Laseranordnung und des Prüfstückes, um den Verlauf der Lichtquellen und der Schallwellen darzustellen.

Fig. 2 eine abgewandelte Anordnung hiervon, wobei das sequentielle Anregen mit mehreren LASERN dargestellt ist.

Unter dem Begriff "Muster aufbelichten¹¹ soll verstanden werden, daß das Laserlicht nur dem Verfahren entsprechende Teilflächen auf der Oberfläche des Prüfstückes belichtet, die dann durch die thermischen Effekte die Quellen von Schallwellen sind.

Mit dem Laser 1 wird die Zonenmaske 2 beleuchtet. Sie Zonenmaske wird von der Sammellinse 3 auf die Prüfstückoberfläche 4 abgebildet. Es werden demzufolge in diesem Oberflächenbereich Fresnel'sehe Zonen 5, die hier aus Darstellungsgründen erhaben gezeichnet sind, aufbelichtet. Von diesen aufbelichteten Zonen gehen Elementarwellen 6 aus, die sich nach an sich bekannten physikalischen Gesetzen ale sphärische resultierende Wellenfront 7 ausbreiten. Diese Wellenfront 7 bat den Punkt 8 als Mittelpunkt und ist auf diesen fokussiert. Die resultierende Welle besteht aus mindestens soviel Wellenzügen, wie Zonen aufbelichtet sind. In einer anderen Ausgestaltung des Verfahrens kann die Zonenmaske 2 direkt auf die Prüfstückoberfläche 4- aufgelegt werden und schattet damit die nicht anzuregenden Teile der Prüfstückoberfläche gegenüber dem Laserimpuls ab.

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Auch kann durch Aufteilung des Laserstrahles in mindestens 2 kohärente Teilstrahlen und durch Interferenz zwischen den wiedervereinigten Teilstrahlen das Zonenmuster erzeugt werden.

Weiterhin ist es auch möglich, die Zonen nicht gleichzeitig aufzubelichten, sondern von außen nach innen in einer bestimmten Zeitfolge (sequentiell) wie in Fig. 2 gezeigt. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Schallwelle nicht aus mehreren Wellenzügen bestehen, sondern als Stoßwelle erzeugt werden soll.

Vom LASER 10a wird der Strahlengang 11a von der Zonenblende 12a ausgeblendet, vom Spiegel 14a umgelenkt, über die Sammellinse auf die Prüfstückoberfläche 4 als Zone 5a abgebildet und erzeugt an dieser Stelle durch den thermischen Effekt die Elementarwelle 6a. Etwas später, die Zeit ergibt sich aus den an sich bekannten physikalischen Gesetzen für die Konstruktion Fresnelseher Zonen, wird der LASER 10b ausgelost« Aus seinem Strahlengang wird von der Zonenblende 12b der Strahl 11b ausgeblendet, vom Spiegel 14b umgelenkt, über die genannte Sammellinse 13 auf die Prüfstückoberfläche 4 als Zone 5b abgebildet und erzeugt an dieser Stelle durch den thermischen Effekt die Elementarwelle 6b. Weitere LASER erzeugen weitere Fresnelsche Zonen sinngemäß nach innen fortschreitend bis zur letzten als 5e bezeichneten. Die resultierende Wellenfront ist auf den Punkt 8 fokussiert.

Die Taktzeiten zur Auslösung der LASER sind abhängig vom Durch-

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messer der Fresnelzonen, der gewünschten Brennweite, der Anzahl der Zonen, und der Schallgeschwindigkeit. Physikalische Erörterung ist int Buch "Einführung in die Theoretische Physik" von Clemens Schäfer, 3. Band 1. Teil, Seite 585 ff, Verlag Walter de Gruyter, Berlin 1932, beschrieben.

Mit diesem Verfahren ist es möglich, in vorteilhafter Weise berühungslos einen fokussierten Schallwellenxnpuls (Stoßwelle zur Peststellung und Ortung von Ungänzen) in einem z.B. metallischen Prüfstück ohne Berühung mit diesem Prüfstück zu erzeugen.

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Claims

17. Februar 1977

IG/vh

K 093

Krautkrämer GmbH
Patentansprüche

^,J Verfahren zur berührungslosen Erzeugung impulsföraiger Schallwellen in stark Licht absorbierenden Prüfstücken zur Anwendung in der zerstörungsfreien Materialprüfung mit Ultraschall, wobei die Ultraschallwelle im Prüfstück berührungslos durch Laserimpulse über thermische Effekte erzeugt wird, gekennzeichnet dadurch, daß auf der Prüfstückoberfläche ringförmige !Teilflachen in Form eines Fresnel'schon Zonenmusters durch Laserimpulse zur Aussendung von fokussierten Ultraschallwellen angeregt werden, wobei die von den einzelnen Zonen ausgehenden Elementarwellen durch Interferenz eine resultierende sphärische Wellenfront bilden, die auf den Krümmungsmittelpunkt zuläuft·

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Zonen nacheinander, d.h. zeitverzögert (sequentiell) angeregt werden, wobei die Verzögerungszeiten den Phasenwinkeln der einzelnen Phasenzustände der Schallwelle entsprechend bemessen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die

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Anregung der Fresnel 'sehen Zonen gleichzeitig erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1 und 3» dadurch gekennzeichnet, daß das Zonenmuster auf der Prüfstückoberfläche durch Auflegen einer abschattenden Maske derart erzeugt wird, daß nur die lichtdurchlässigen Teile der Maske das Muster aufbelichten.

5. Verfahren nach Anspruch 1 und 3> dadurch gekeimzef-chnet, daß das Zonenmuster durch optische Abbildungen, z.B. mit einer Linse, einer im Laserstrahlengang befindlichen "oneninacke auf die Oberfläche des Prüfstückes aufbelichtet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 und 3» dadurch gekennzeichnet, daß das Zonenniuster durch Interferenz mindestens zweier >ohärenter Teilstrahlen des Laserausgangsstrahls auf dio I-rüfstückoberflache aufbelichtet wird.

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