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Mechanisches Dämpfungsglied eines elektroakustischen Wandlers für zerstörungsfreie Materialprüfung mittels eines Ultraschall-Impulsgerätes
Die Erfindung betrifft die Verbesserung von Dämpfungsgliedern bzw. dämpfenden Zusatzelementen, welche in den für zerstörungsfreie Materialprüfung mittels Ultraschall-Impulsgeräten benutzten elektroakustischen Wandlern bzw. Sonden sowohl für Prüfung auf innere Materialfehler als auch zur Dickemessung angewendet werden.
Bei der genannten Methode werden in den Prüfling Ultraschallwellen gesendet, deren Durchdringungs- fähigkeit oder Reflexion an inneren Fehlerstellen den gewünschten Aufschluss vermitteln. Die Ultraschallwellen erzeugt der elektroakustische Wandler (Quarz, Bariumtitanat u. a.) durch Umwandlung geeigneter elektrischer Impulse. Der in der Regel als runde Platte ausgebildete Wandler ist in einen Halter, der sogenannten Sonde, eingebaut, welche während der Messung auf den Prüfling aufgesetzt wird.
In Fig. 1 ist ein derartiger, mit der Oberfläche 2 des Prüflings 4 in Kontakt befindlicher, elektroakustischer Wandler 1 schematisch dargestellt. Der Wandler 1 sendet Ultraschallwellen aus, welche über die Grenzfläche 2 in den Prüfling 4 eintreten. Wie allgemein bekannt ist, muss der Wandler bei Impulsbetrieb mechanisch gedämpft werden, um den erforderlichen Verlauf des Frequenzganges der elektromechanischen Einheit zu erzielen, mit andern Worten, um eine Verzerrung der Form des Ultraschallimpulses in bezug auf den erregenden, elektrischen Impuls bzw. des elektrischen hinsichtlich des mechanischen zu vermeiden.
Die mechanische Dämpfung wird durch Aufsetzen eines Dämpfungsgliedes 5 auf der Rückseite (die innere Seite) des elektroakustischen Wandlers erreicht. Je grösser der Schallwiderstand des Dämpfungsgliedes ist, desto stärker ist die Dämpfung und desto breiter somit auch die Frequenzcharakteristik des Wand- lers. Wird ein Dämpfungsglied mit genügend grossem Schallwiderstand verwendet, ist die Form des Ultraschallimpulses bzw. der elektrischen Impulse unabhängig vom Schallwiderstand des Prüflings.
Der Wandler 1 sendet Ultraschallwellen nicht nur in den Prüfling 4, sondern auch in das Dämpfungglied 5 aus. Haben das Dämpfungsglied und der Wandler für die verwendete Frequenz stark voneinander abweichende Schallwiderstände, so entstehen an ihrer Grenzfläche reflektierte Ultraschallwellen, welche gegenüber den ausgesendeten Ultraschallwellen zeitlich verzögert sind und eine Verzerrung des in den Prüfling gehenden Impulses verursachen. Es ist ferner bekannt, dass bei gleichen Schallwiderstanden von Wandler und Dämpfungsglied keine reflektierten Wellen an ihrer Grenzschicht entstehen, sondern die Ultraschallwellen direkt in das Dämpfungsglied eintreten. Eine weitere Bedingung ist die, dass das Dampfungsglied im gegebenen Frequenzbereich auf die Ultraschallwellen eine möglichst grosse Dämpfung aus- übt.
Bekannt sind Dämpfungsglieder 5 mit eingeschlossenen, fein verteilten Körnern eines geeigneten Materials oder aus einem Material mit eingeschlossenen Luftbläschen und ähnliche Ausführungen. Es kommt jedoch auch hier zu Reflexionen an den Grenzflächen des Dämpfungsgliedes und der Impuls gelangt nach einer oder mehreren Reflexionen, wenn auch stark geschwächt, zur Grenzfläche 2 zurück, wodurch er eine Fälschung der Anzeige des Gerätes verursacht. Damit der Weg des Impulses im Dämpfungsglied so lang als möglich ist, also um eine möglichst intensive Dämpfung zu erzielen, sind Konstruktionen ausgeführt worden, bei denen es zu einer grösstmöglichen Zahl von Reflexionen kommt, ehe der Impuls zur Grenzfläche 2 zurückgelangt, wobei das Dämpfungsglied 5 als Polyeder oder als stumpfer Kegel ausge- bildet wurde.
Bei den meisten Geräten kommt es jedoch infolge ungenügender Dämpfung dennoch zu
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Impulsverzerrungen, was sich praktisch durch eine verhältnismässig grosse tote Zone in der Anzeige aus- wirkt, d. h. dass der minimale Abstand einer Fehlerstelle von der Prüflingsoberfläche, an die die Sonde angelegt wird, und welche vom Gerät noch angezeigt werden kann, verhältnismässig gross ist.
Dieser Nachteil wird durch den Erfindungsgegenstand beseitigt. Es wird eine theoretisch begründe- te Konstruktion eines Dämpfungsgliedes beschrieben, dessen Dämpfung ausreichend ist und bei welcher ferner die Möglichkeit einer Impulsverzerrung durch reflektierte Ultraschallwellen ein Minimum ist.
Die Erfindung betrifft somit ein mechanisches Dämpfungsglied eines elektroakustischen Wandlers für zerstörungsfreie Materialprüfung mittels eines Ultraschall-Impulsgerätes, welches sich aus zwei Teilen zusammensetzt, die aus Medien mit von voneinander abweichenden Schallwiderständen bestehen und deren Formgebung so gewählt wird, dass die Tangente in jedem Punkt der Grenzfläche zwischen den beiden Teilen der Dämpfungsglieder mit der Fortpflanzungsrichtung der Ultraschallwellen einen spitzen Winkel einschliesst, damit die Ultraschallenergie durch die verhältnismässig hohe Absorption des einen Teiles und Vergrösserung der Schallwegstrecke infolge mehrfacher Reflexion oder durch Schallabsorption in dem aufgekitteten Körper mit hohem Absorptionskoeffizienten unterdrückt wird, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass der innere Teil,
der aus einem Medium mit höherem Schallwiderstand besteht, direkt (z. B, durch Verkleben) an den elektroakustischen Wandler angebracht ist und an seiner ganzen freien Oberfläche von dem äusseren Teil, der aus einem Medium mit niedrigerem Schallwiderstand besteht, umgeben ist, wobei der äussere Teil grössenordnungsmässig den gleichen Rauminhalt aufweist wie der innere Teil, so dass nicht nur in diesem eine mehrfache Reflexion infolge der obigen Formgebung erzielt wird, sondern die Ultraschallenergie im wesentlichen auch aus dem inneren Teil über die Grenzflächen in den äusseren Teil mittels Refraktion übergehen kann, wo sie dann, unter weitgehender Vermeidung einer Rückkehr in den inneren Teil, ebenfalls durch mehrfache Reflexion absorbiert wird.
In diesem Fall ist die Intensität jeder dieser Wellen, welche in das Medium, aus dem die ursprungliche Welle kam, reflektiert wird, kleiner als die der ursprünglichen. Nach mehrmaliger Reflexion und Refraktion an der Grenzfläche beider Teile des Dämpfungsgliedes ist die Intensität der zum Wandler zu- rückkehrenden Welle vernachlässigbar klein in bezug auf die Intensität der vom Wandler in das Glied austretenden. Es ist weiterhin klar, dass auch die Verringerung der Energie durch Absorption voll ausgenützt wird, denn bei der vielfachen Reflexion verlängert sich selbstverständlich der im Dämpfungsglied zurückgelegte Weg der Ultraschallwellen.
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Metallpulver ausgefüllt wird.
Es wird weiterhin theoretisch begründet, dass die geeignete Form (Idealform) des inneren Teiles des Dämpfungsgliedes ein Rotationskörper ist, dessen Erzeugende eine Exponentiale mit einer Asymptote in der Achsenrichtung der Sonde ist. Für praktische Zwecke genügt eine Näherungsform für die Erzeugende. Weiterhin ist eine kegelförmige Vertiefung des inneren Teiles des Dämpfungsgliedes zweckmässig, welche bei gleicher Wirkung eine Kürzung der Sonde erlaubt.'
Die Erfindung wird mittels der Fig. 2,3, 4 der Zeichnungen näher erklärt.
In Fig. 2 und 3 sind zwei Beispiele eines entsprechend der Erfindung zusammengesetzten Dampfungs- gliedes, welches aus den zwei Teilen 6 und 7 mit verschiedenen Schallwiderständen besteht, dargestellt. Der Querschnitt sowohl des inneren Teiles 6 als auch des äusseren Teiles 7 kann von verschiedener Form sein, wird jedoch sowohl aus praktischer Hinsicht bei der Herstellung als auch wegen der Einfachheit der Darstellung als kreisförmig vorausgesetzt. Der innere Teil 6 des Dämpfungsgliedes, an der Grenzfläche 3. mit dem Wandler verbunden (z. B verklebt), besteht aus einem geeigneten Material (z. B. Kunstharz),
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B.starker Dämpfung ein dem Wandler entsprechender Schallwiderstand erzielt. Der innere Teil 6 ist in den äusseren Teil 7 des Dämpfungsgliedes eingegossen.
Der äussere Teil besteht aus einem Material mit kleinerem Schallwiderstand, wobei zweckmässig dasselbe Material wie für den inneren Teil, jedoch ohne ? Ú11stoff, benutzt wird. Die wichtigste Voraussetzung für eine richtige Arbeitsweise des Dämpfungsgliedes ist eine geeignete Formgebung des inneren Teiles 6. Alle Ultraschallwellen müssen auf die Grenzflächen 8 bzw. 9 unter einem solchen Winkel auffallen, dass Refraktion eintritt, wodurch'die Längs-oder Querwellen in zwei bis vier transformierte Wellen zerlegt (transformiert) werden, u. zw. zwei Längs- und zwei Querwellen. Diese Bedingung ist erfüllt, wenn der Einfallswinkel von 900 verschieden ist.
Bei der praktischen Ausführung des Teiles 6 bewährte sich eine derartige Form, bei der die Tangente in jedem Punkt der Umrisskurve des Körpers einen Winkel kleiner als 750 mit seiner Achse und somit der Richtung der vom Wandler ausgesendeten Wellen einschliesst. Der innere. Teil 6 endet an der dem Wandler gegen-
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überliegenden Seite mit einer Spitze 9, welche der Einfachheit halber die Form eines geraden Kegels haben kann. Vorteilhafter ist aber eine Form nach Fig. 3. Der Körper endet mit einer kegelförmigen Ver- tiefung 10. Gegenüber der Anordnung nach Fig. 2 werden praktisch dieselben Ergebnisse bei wesentlich kleinerer Länge des Dämpfungsgliedes und somit auch der Sonde erzielt. Die Vertiefung 10 kann selbst- verständlich mit derselben Masse ausgefüllt sein, aus der der äussere Teil 7 besteht bzw. mit diesem ein
Ganzes bilden.
Fig. 4 zeigt vergrössert den inneren Teil des Dämpfungsgliedes mit der Umrisslinie 8, welche eine genügende Annäherung an die theoretisch begründete Exponentialkurve darstellt. Ferner sind in dieser
Figur die Wege einiger möglicher Ultraschallimpulse gestrichelt eingezeichnet. Schon in diesen ange- nommenen ungünstigen Fällen tritt mindestens eine dreifache Reflexion ein.
Dem Erfindungsgedanken entsprechende Dämpfungsglieder für Sonden von Impuls-Ultraschallgeräten erlauben eine wesentliche Verbesserung der Ultraschall-Prüftechnik und wirken sich besonders durch eine kleine Tot-Zone in der Anzeige aus.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Mechanisches Dämpfungsglied eines elektroakustischen Wandlers für zerstörungsfreie Materialprüfung mittels eines Ultraschall-Impulsgerätes, welches sich aus zwei Teilen zusammensetzt, die aus Medien mit voneinander abweichenden Schallwiderständen bestehen und deren Formgebung so gewählt wird, dass die Tangente in jedem Punkt der Grenzfläche zwischen den beiden Teilen der Dämpfungsglieder mit der Fortpflanzungsrichtung der Ultraschallwellen einen spitzen Winkel einschliesst, damit die Ultraschallenergie durch die verhältnismässig hohe Absorption des einen Teiles und Vergrösserung der Schallwegstrecke infolge mehrfacher Reflexion oder durch Schallabsorption in dem aufgekitteten zweiten Teil mit einem hohenAbsorptionskoeffizienten unterdrückt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Teil (6),
der aus einem Medium mit höherem Schallwiderstand besteht, direkt (z. B. durch Verkleben) an dem elektroakustischen Wandler (1) angebracht ist und an seiner ganzen freien Oberfläche von dem äusseren Teil (7), der aus einem Medium mit niedrigerem SchallwiJerstand besteht, umgeben ist, wobei der äussere Teil (7) grössenordnungsmässig den gleichen Rauminhalt aufweist wie der innere Teil (6), so dass nicht nur in diesem eine mehrfache Reflexion infolge der obigen Formgebung erzielt wird, sondern die Ultraschallenergie im wesentlichen auch aus dem inneren Teil (6) über die Grenzflächen (8, 9) in den äusseren Teil (7) mittels Refraktion übergehen kann, wo sie dann, unter weitgehender Vermeidung einer Rückkehr in den inneren Teil (6), ebenfalls durch mehrfache Reflexion absorbiert wird.