DD158279A1

DD158279A1 - METHOD OF GENERATING ULTRASONIC SURFACE WAVES

Info

Publication number: DD158279A1
Application number: DD22937081A
Authority: DD
Inventors: Erich Schmidt; Otto Ritzel
Original assignee: Erich Schmidt; Otto Ritzel
Priority date: 1981-04-22
Filing date: 1981-04-22
Publication date: 1983-01-05

Abstract

Das Verfahren ist geeignet, in festen Medien Ultraschalloberflaechenwellen anzuregen und ist vorrangig auf dem Gebiet der zerstoerungsfreien Pruefung und Untersuchung von Werkstoffen einsetzbar. Durch Einleiten eines kurzen Energieimpulses in die Oberflaeche des Pruefkoerpers wird beruehrungslos ein breitbandiges Spektrum von Ultraschalloberflaechenwellen erzeugt und bestimmte Frequenzbereiche empfaengerseitig herausgefiltert und messtechnisch ausgewertet.The method is suitable for exciting ultrasonic surface waves in solid media and can be used primarily in the field of non-destructive testing and examination of materials. By introducing a short energy pulse into the surface of the test piece, a broadband spectrum of ultrasonic surface waves is generated without contact and certain frequency ranges are filtered out on the receiver side and evaluated by measurement.

Description

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Method for generating ultrasonic surface waves

r~\ r ~ \ Anwendungsgebietfield of use

Das Verfahren ist geeignet, in festen Medien Ultraschalloberflächenwellen anzuregen und ist vorrangig auf dem Gebiet der zerstörungsfreien Prüfung und Untersuchung von Werkstoffen einsetzbar.The method is suitable for exciting ultrasonic surface waves in solid media and can be used primarily in the field of non-destructive testing and investigation of materials.

Characteristic of the known technical solutions

Es ist bekannt, Oberflächenwellen zur Untersuchung von oberflächennahen Bereichen von Werkstoffen einzusetzen. Entsprechende Einrichtungen verfügen über eine Sendeeinheit und eine Empfangseinheit oder eine Sende-Empfangseinheit. Diese Einheiten benötigen einen direkten Kontakt zur Oberfläche des Prüfobjektes, woraus sich Anforderungen an die geometrische Gestalt des Prüfw Objektes mit Einschränkungen bezüglich des Einsatzes derartiger Verfahren ergeben. Eine partielle Untersuchung einzelner Oberflächenbereiche ist nur in Ausnahmefällen möglich. Eine weitere bekannte Lösung ermöglicht die berührungslose Ankopplung von Ultraschalloberflächenwellen auf magnetinduktivem bzw. elektrodynamischem Wege. Der Einsatzbereich dieser Lösung ist jedoch durch die Begrenzung der oberen möglichen Frequenz eingeschränkt Den vorbeschriebenen Lösungen haftet weiterhin der Mangel an, daß ein gleichzeitiges oder alternierendes Arbeiten mit mehreren Frequenzen bzw. Frequenzbereichen nicht, sehr umständlich, ungenau oder nur mit hohem technischen Aufwand möglich ist.It is known to use surface waves for the investigation of near-surface areas of materials. Corresponding devices have a transmitting unit and a receiving unit or a transceiver unit. These units require direct contact with the surface of the test object, which results in requirements for the geometric shape of the test object with restrictions on the use of such methods. A partial examination of individual surface areas is only possible in exceptional cases. Another known solution allows the contactless coupling of ultrasonic surface waves on magnetic induction or electrodynamic paths. However, the field of application of this solution is limited by the limitation of the upper possible frequency. The above-described solutions continue to have the defect that a simultaneous or alternating work with multiple frequencies or frequency ranges is not very cumbersome, inaccurate or only with great technical effort.

Ziel der Erfindung;Aim of the invention;

Das Ziel der Erfindung liegt darin, die Einsatzbreite des Verfahrens insofern zu verbessern, daß eine Unabhängigkeit von der Geometrie des Prüfobjektes wie auch seines Werkstoffes erreicht wird und der Meßbereich ohne technischen Mehraufwand frei variabel gestaltet werden kann.The aim of the invention is to improve the scope of the method in that an independence of the geometry of the test object as well as its material is achieved and the measuring range can be made freely variable without additional technical effort.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine berührungslose Anregung von Ultraschalloberflächenwellen mit einem breiten FrequenzSpektrum zu erreichen und damit den Empfang bestimmter Frequenzen in weiten Bereichen gleichzeitig zu ermöglichen.The invention has for its object to achieve a non-contact excitation of ultrasonic surface waves with a wide frequency spectrum and thus to allow the reception of certain frequencies in wide areas simultaneously.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß ohne Verrwendung von Schwingungserzeugern und Ankopplungselementen eine direkte Anregung der Ultraschalloberflächenwelle mittels eines in der Oberfläche des Prüfobjektes absorbierten Energieimpulses erfolgt. Als Energieträger können Laser, Elektronenstrahlen o.a. verwendet werden, deren Impuls auf die Oberfläche des Prüfkörpers eingeleitet, dort absorbiert und über einen Wärme-Druckstoß in einen elastischen Spannungsimpuls umgewandelt wird, der sich parallel zur Oberfläche fortpflanzt.According to the invention the object is achieved in that without the use of vibration generators and coupling elements, a direct excitation of the ultrasonic surface wave by means of an absorbed in the surface of the test object energy pulse. As an energy source laser, electron beams o.a. are used, whose pulse is introduced to the surface of the specimen, absorbed there and converted by a heat-shock pressure in an elastic voltage pulse propagating parallel to the surface.

Die Amplitude der entstehenden Ultraschalloberflächenwelle ist abhängig von der absorbierten Energie· der eingestrahlten Impulse, während das FrequenzSpektrum von der Impulsform abhängt. Bei hinreichend kurzen und steilen Impulsen (z.B. im ns-Bereich) kann gleichzeitig ein breites Frequenzspektrum von Ultraschalloberflächenwellen erzeugt werden. Dadurch wird es möglich, über empfängerseitiges Herausfiltern entsprechender Frequenzbereiche Ultraschallaberflächenwellen bestimmter Wellenlänge und damit bestimmter Eindringtiefe zu empfangen und meßtechnisch auszuwerten.The amplitude of the resulting ultrasonic surface wave depends on the absorbed energy of the injected pulses, while the frequency spectrum depends on the pulse shape. With sufficiently short and steep pulses (e.g., in the ns range), a wide frequency spectrum of ultrasonic surface waves can be generated simultaneously. This makes it possible to receive on the receiver side filtering out corresponding frequency ranges Ultraschallaberflächenwellen certain wavelength and thus certain depth of penetration and evaluate metrologically.

Zur Optimierung der erforderlichen Leistung der Energiequelle ist es vorteilhaft, den Energiestrahl zu fokussieren. Gleichzeitig kann durch linienförmige Fokussierung eine Richtcharakteristik des entstehenden Ultraschallfeldes erreicht werden.To optimize the required power of the power source, it is advantageous to focus the energy beam. At the same time, a directional characteristic of the resulting ultrasonic field can be achieved by linear focusing.

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Ausführun rr,sbeispielExemplary embodiment

Die Erfindung soll, nachstehend an zwei Ausführungsbeispielen erläutert werden.The invention will be explained below with reference to two embodiments.

Fig. 1 zeigt eine Anordnung mit mehreren Empfängern unterschied licher Resonanzfrequenz. Die Anregung der Ultraschalloberflächenwelle erfolgt durch einen Energie impuls 1 senkrecht zur Oberfläche des Prüfkörpers 3· Die Dauer des Einzelimpulses soll 2 ns betragen. Der Energieimpuls wird an der Oberfläche des Prüfkörpers absorbiert und regt dort einen Ultraschalloberflächenwellenimpuls 2 an, der sich parallel zur Oberfläche ausbreitet und von den Empfängern 8, 9» 10 mit jeweils unterschied licher Resonanzfrequenz von 25, 50 und 100 MHz empfangen wird. Über einen mittels Fotodiode 5 getriggerten elektronischen Schalter 4 wird entsprechend der Energieimpulsfolgefrequenz oder wahlweise der empfangene Ultraschalloberflächenwellenimpuls mit dem Verstärker 6 verstärkt und mit einem elektronischen Zeitmesser 7 die Laufzeit des Ultraschalloberflächenwellenimpulses gemessen. Bei bekannter Entfernung S kann aus der Laufzeit die Geschwindigkeit der Ultraschalloberflächenwelle als Funktion der Resonanzfrequenz und damit der Eindringtiefe berechnet werden.Fig. 1 shows an arrangement with multiple receivers different Licher resonant frequency. The excitation of the ultrasonic surface wave is carried out by an energy pulse 1 perpendicular to the surface of the specimen 3 · The duration of the single pulse should be 2 ns. The energy pulse is absorbed at the surface of the specimen and there stimulates an ultrasonic surface wave pulse 2, which propagates parallel to the surface and is received by the receivers 8, 9, 10, each with a different resonant frequency of 25, 50 and 100 MHz. Via an electronic switch 4 triggered by means of photodiode 5, the power pulse repetition frequency or optionally the received ultrasonic surface wave pulse is amplified by the amplifier 6 and the transit time of the ultrasonic surface wave pulse is measured with an electronic timer 7. At a known distance S, the speed of the ultrasonic surface wave as a function of the resonance frequency and thus of the penetration depth can be calculated from the transit time.

Fig· 2 zeigt eine Anordnung ähnlich Fig. 1. Anstelle verschiede ner Empfänger mit unterschiedlicher Resonanzfrequenz wird ein breitbandiger Empfänger 11 mit nachgeschaltetem durchstiminbaren Filter 12 verwendet. Bei Anregung einer Ultraschalloberflächenwelle entsprechend Ausführungsbeispiel 1 wird der Ultraschalloberflächenwellenimpuls 2 vom Empfänger 11 registriert und über den durchstimmbaren Filter 12 zum Verstärker geführt, verstärkt und die Laufzeit mit dem von der Fotodiode 5 getriggerten Zeitmesser 7 ermittelt.FIG. 2 shows an arrangement similar to FIG. 1. Instead of different receivers having a different resonant frequency, a broadband receiver 11 with a downstream filter 12 which can be passed therethrough is used. Upon excitation of an ultrasonic surface wave according to Embodiment 1, the ultrasonic surface wave pulse 2 is registered by the receiver 11 and passed through the tunable filter 12 to the amplifier, amplified and the transit time determined by the timepiece 7 triggered by the photodiode 5.

Claims

He findun gs of sprue h e

1. A method for generating ultrasonic surface waves, characterized in that without the use of vibration generating or directly coupling elements excitation of ultrasonic surface waves in the test object by introducing an energy pulse on the surface.

2. The method according to item 1, characterized in that a laser is used as the energy carrier.

3. The method according to item 1, characterized in that an electron or ion beam is used as the energy carrier.

4. The method according to item 1 to 3, characterized in that for receiving the ultrasonic surface acoustic wave signal simultaneously or successively one or more receivers are used with different resonant frequency.

5. The method according to item 1 to 3, characterized in that. to receive the ultrasonic surface acoustic wave signal, a broadband receiver with downstream single filters or a tunable filter is used.

6. The method according to item 1 to 3, characterized in that the energy beam is focused linearly to achieve a directional characteristic of the ultrasonic surface waves.

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