DE10055418A1

DE10055418A1 - Ultraschallprüfkopf

Info

Publication number: DE10055418A1
Application number: DE2000155418
Authority: DE
Inventors: Joachim Ritter
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: INTELLIGENDT SYSTEMS & SERVICES GMBH & CO KG, 9105
Priority date: 2000-11-09
Filing date: 2000-11-09
Publication date: 2002-05-23

Abstract

Ein Ultraschallprüfkopf (3) weist zwei Ultraschallwandler (5, 7) auf, die beidseitig eines sie akustisch voneinander trennenden Trennbereichs (13) angeordnet sind. Wenigstens einer der Ultraschallwandler (5, 7) ist als - mindestens eindimensionales - Array ausgebildet. Die Strahlrichtung (27, 29) des als Array ausgebildeten Ultraschallwandlers (5, 7) ist zumindest mit einer Komponente in Richtung auf den anderen Ultraschallwandlern (5, 7) und entgegengesetzt schwenkbar. Vorzugsweise sind die Ultraschallwandler (5, 7) auf einem Vorlaufkeil (41) angeordnet, der durch eine Trennschicht (43) in zwei akustisch voneinander getrennte Teilkeile (45, 47; 51, 53) unterteilt ist. Der Trennbereich (13) der Ultraschallwandler (5, 7) ist derart bezüglich der Trennschicht (43) angeordnet, dass je einer der Ultraschallwandler (5, 7) an genau einem der Teilkeile (45, 47; 51, 53) akustisch angekoppelt ist.

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung.

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallprüfkopf mit zwei Ultraschallwandlern, die auf unterschiedlichen Seiten eines sie akustisch voneinander trennenden Trennbereichs angeordnet und akustisch an einer Prüflingsoberfläche ankoppelbar sind, wobei wenigstens einer der Ultraschallwandler als - mindes tens eindimensionales - Array ausgebildet ist.

Ein zur Ultraschallprüfung eingesetzter piezoelektrischer Ultraschallwandler ist für eine bestimmte Zeitspanne unmit telbar nach Einschallung eines Ultraschallimpulses in ein zu prüfendes Werkstück nicht zum Empfang eines aus dem Werkstück zurückkommenden Echos bereit. Man spricht von einer sogenann ten Totzeit. Es ist daher mit einem einzigen Ultraschallwand ler, der sowohl als Sender als auch als Empfänger fungiert, nicht zuverlässig möglich, oberflächennahe Fehler zu detek tieren, da ein von einem solchen Fehler stammendes Echo unter Umständen innerhalb der Totzeit auftreten würde.

Speziell zur Detektion oberflächennaher Fehler ist es daher bekannt, einen Ultraschallprüfkopf zu verwenden, der sowohl einen Sende-Ultraschallwandler als auch gesondert hiervon ei nen Empfangs-Ultraschallwandler aufweist. Diese Betriebsweise wird als Sende-Empfangs-Modus bezeichnet.

Bei der Ultraschallprüfung von Werkstücken auf Risse ist es für eine zuverlässige Detektion des Risses erforderlich, dass der Riss unter einem optimalen Auftreffwinkel angestrahlt wird, damit ein ausreichend großes Echo erzeugt wird. Dieser optimale Auftreffwinkel ist aber für einen zu untersuchenden Bereich nicht von vorneherein eindeutig festlegbar, da die Rissflächen häufig sehr unterschiedliche Orientierungen auf weisen können. Zur Umgehung dieses Problems ist es bekannt, matrix- oder arrayartig aufgebaute, mehrelementige Ultra schallwandler zu verwenden. Dabei werden die einzelnen Mat rix- oder Array-Elemente phasenverzögert angesteuert, so dass sowohl ein Schwenken der Strahlrichtung, also der Abstrahl- oder Empfangsrichtung, als auch ein Fokussieren der abge strahlten Schallkeule erreichbar ist. Man spricht auch von Ultraschall-Gruppenstrahlern oder Phased-Array-Prüfköpfen.

Aus dem Fachartikel von H. Wüstenberg, W. Wegner, W. Möhrle und G. Schenk, "Nachweis von Spannungsrisskorrosion (SpRK) mit Ultraschall-Gruppenstrahlern", Materialprüfung, Band 28 (1986), Nr. 1/2, Seite 20 bis 24, sind Ultraschallprüfköpfe bekannt, die zwei akustisch voneinander getrennte Ultra schallwandler aufweisen, die beide als eindimensionales oder lineares Array aufgebaut sind. Bei diesen bekannten Ultra schallprüfköpfen sind die einzelnen Elemente der beiden Ar rays jeweils senkrecht bezüglich eines akustischen Trennbe reichs zwischen den beiden Arrays orientiert. Diese Ultra schallprüfköpfe haben den Nachteil, dass ein Fokusbereich, in welchen die Strahlrichtungen der beiden Arrays zur Überlap pung bringbar sind, nur entlang einer Geraden variierbar ist. Es besteht somit nur ein Freiheitsgrad bei der Wahl des Fo kalbereichs. Die genannten Ultraschallprüfköpfe sind daher zur Detektion bestimmter Fehler, insbesondere zur Detektion dopplungsartiger Fehler in CFK-Platten (Kohlefaserverbund werkstoff) oder zur Detektion von oberflächennahen Fehlern, nur bedingt, d. h. nicht zuverlässig und/oder nicht flexibel genug einsetzbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen im Sende- Empfangs-Modus betreibbaren Ultraschallprüfkopf anzugeben, mit dem insbesondere oberflächennahe Fehler zuverlässiger als mit bekannten Prüfköpfen detektierbar sind, und der für eine größere Anzahl von Prüfaufgaben und flexibler einsetzbar ist.

Diese Aufgabe wird bezogen auf einen Ultraschallprüfkopf der eingangs genannten Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass die Strahlrichtung des als Array ausgebildeten Ultra schallwandlers zumindest mit einer Komponente in Richtung auf den anderen Ultraschallwandler und entgegengesetzt schwenkbar ist.

Der Ultraschallprüfkopf ist in vorteilhafter Weise derart ausgestaltbar, dass der Fokal- oder Überlappbereich, in dem die Strahlrichtungen der beiden Ultraschallwandler zur Über lappung bringbar sind, entlang einer vertikal auf der Prüf lingsoberfläche stehenden Geraden variierbar ist.

Mit besonderem Vorzug sind beide Ultraschallwandler als Array ausgebildet. Dies hat den erheblichen Vorteil, dass der Fo kal- oder Überlappbereich nicht nur entlang einer Geraden, sondern sogar in einer Ebene, d. h. also mit zwei Freiheits graden, veränderlich ist.

Vorzugsweise ist das Array bzw. sind die Arrays als eindimen sionales Array ausgebildet, dessen Array-Elemente mit ihrer Längsrichtung parallel zum Trennbereich orientiert sind. In dieser Ausgestaltung ist der Ultraschallprüfkopf auch beson ders einfach herstellbar.

Die Ultraschallwandler sind insbesondere piezoelektrische Wandler.

Nach einer anderen ganz besonders bevorzugten Ausgestaltung weist der Ultraschallprüfkopf einen Vorlaufkeil auf, der durch eine Trennschicht in zwei akustisch voneinander ge trennte Teilkeile unterteilt ist, wobei der Trennbereich der Ultraschallwandler derart bezüglich der Trennschicht angeord net ist, dass je einer der Ultraschallwandler an genau einem der Teilkeile akustisch angekoppelt ist. In dieser Ausgestal tung ist der Ultraschallprüfkopf besonders zur empfindlichen Detektion oberflächennaher Fehler geeignet.

Zweckmäßig für eine einfache Herstellbarkeit des Ultraschall prüfkopfs ist es dabei, dass in einer Draufsicht auf die Prüflingsoberfläche die Array-Elemente mit ihrer Längsrich tung entlang der Trennschicht, insbesondere parallel zur Trennschicht, ausgerichtet sind.

Im Zusammenhang mit dem Vorlaufkeil sind zwei spezielle An ordnungen der Ultraschallwandler auf dem Vorlaufkeil beson ders bevorzugt, mit den besonders prüfungsrelevante Betriebs modi möglich sind.

Bei einer ersten Variante ist die Trennschicht derart orien tiert, dass sie - bei an die Prüflingsoberfläche angekoppel tem Ultraschallprüfkopf - senkrecht auf der Prüflingsoberflä che zu stehen kommt.

Es ist dann insbesondere beiderseits der Trennschicht ein Ultraschallwandler-Array angeordnet, dessen Array-Elemente parallel zur Trennschicht orientiert sind. In einer Blick richtung von oben auf die Prüflingsoberfläche bedeutet dies, dass die beiden Ultraschallwandler - vorzugsweise symmetrisch - beidseitig bezüglich einer senkrecht auf der Prüflingsober fläche stehenden Mittenebene angeordnet sind. Die Mittenebene kann die Trennschicht und den Trennbereich durchschneiden. In Blickrichtung auf die Prüflingsoberfläche erscheinen die bei den Ultraschallwandler "nebeneinander".

Vorzugsweise ist die Strahlrichtung der Ultraschallwandler horizontal schwenkbar. Von einem Horizontalschwenk spricht man, falls die Strahlrichtung zumindest mit einer Komponente in einer Ebene parallel zur Prüflingsoberfläche geschwenkt wird.

Da die beiden Ultraschallwandler in einer Ebene, nämlich auf der schrägen Seite des Vorlaufkeils, angeordnet sind, ergibt sich bei horizontaler Schwenkbarkeit der Strahlrichtungen der einzelnen Ultraschallwandler auch, dass der Fokal- oder Über lappbereich in vorteilhafter Weise ebenfalls horizontal schwenkbar ist. Die Ebene, in der der Fokal- oder Überlappbe reich variierbar ist, kann schräg bezüglich der Prüflings oberfläche stehen. In der Projektion vollzieht sich die Ein stellbarkeit des Fokal- oder Überlappbereichs sowohl in einer Ebene parallel zur Prüflingsoberfläche als auch in einer Ebe ne senkrecht dazu.

Bei einer zweiten Variante ist die Trennschicht derart orien tiert, dass sie - bei an den Prüfling angekoppeltem Ultra schallprüfkopf - schräg bezüglich der Prüflingsoberfläche zu liegen kommt.

Bei dieser zweiten Variante erscheinen die beiden Ultra schallwandler in einer Draufsicht auf die Prüflingsoberfläche relativ bezüglich der Abstrahlrichtung "hintereinander". Bei der zweiten Variante ist der Vorlaufkeil durch die Trenn schicht asymmetrisch geteilt.

Die Trennschicht steht insbesondere senkrecht auf der schrä gen Seite des Vorlaufkeils.

Die Strahlrichtung der Ultraschallwandler ist vorzugsweise vertikal schwenkbar. Von einem Vertikalschwenk spricht man, falls die Strahlrichtung zumindest mit einer Komponente in der senkrecht auf der Prüflingsoberfläche stehenden Einfalls ebene geschwenkt wird.

Da die beiden Ultraschallwandler beide zum Beispiel in einer gemeinsamen Ebene, nämlich auf der schrägen Seite des Vor laufkeils angeordnet sind, ergibt sich bei vertikaler Schwenkbarkeit der Vorteil, dass auch der Fokal- oder Über lappbereich der Strahlrichtungen der beiden Ultraschallwand ler in einer vertikal auf einer Prüflingsoberfläche stehenden Ebene variierbar ist. Auch bei dieser Variante bestehen be züglich der Einstellung des Fokal- oder Überlappbereichs zwei Freiheitsgrade, falls - wie bevorzugt - beide Ultraschall wandler als Gruppenstrahler ausgebildet sind.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung ist einer der Ultra schallwandler als Sender und der andere Ultraschallwandler als Empfänger ansteuerbar. Hierzu ist nach einer bevorzugten Ausführungsform eine Steuereinheit vorhanden, die zusammen mit dem Ultraschallprüfkopf nach der Erfindung eine Vorrich tung zur Ultraschallprüfung bildet. Damit sind die Ultra schallwandler gemeinsam im Sende-Empfangsmodus betreibbar.

Bei einer anderen Ausgestaltung ist die Steuereinheit der Vorrichtung zur Ultraschallprüfung derart ausgebildet, dass damit die Ultraschallwandler sowohl als Sender als auch Emp fänger ansteuerbar sind. Damit sind die Ultraschallwandler beide im Impuls-Echo-Modus betreibbar.

Vorzugsweise sind die Ultraschallwandler in beiden Modi betreibbar.

Sechs Ausführungsbeispiele eines Ultraschallprüfkopfs nach der Erfindung sind nachfolgend anhand der Fig. 1 bis 16 näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Ultraschall prüfkopfs nach der Erfindung,

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Ultraschall prüfkopfs nach der Erfindung,

Fig. 3 einen ersten Betriebsmodus des Ultraschallprüfkopfs der Fig. 1 oder 2,

Fig. 4 einen zweiten Betriebsmodus des Ultraschallprüf kopfs der Fig. 1 oder 2,

Fig. 5 einen dritten Betriebsmodus des Ultraschallprüf kopfs der Fig. 1 oder 2,

Fig. 6 einen vierten Betriebsmodus des Ultraschallprüf kopfs der Fig. 1 oder 2,

Fig. 7 einen fünften Betriebsmodus des Ultraschallprüf kopfs der Fig. 1 oder 2,

Fig. 8 einen sechsten Betriebsmodus des Ultraschallprüf kopfs der Fig. 1 oder 2,

Fig. 9 ein drittes Ausführungsbeispiel eines Ultraschall prüfkopfs nach der Erfindung mit einem Vorlaufkeil in einer perspektivischen Ansicht,

Fig. 10 den Ultraschallprüfkopf der Fig. 9 in einem Verti kalschnitt,

Fig. 11 den Ultraschallprüfkopf der Fig. 9 in einer Drauf sicht,

Fig. 12 ein viertes Ausführungsbeispiel eines Ultraschall prüfkopfs nach der Erfindung mit einem Vorlaufkeil in einer Draufsicht,

Fig. 13 den Ultraschallprüfkopf der Fig. 12 in einem Verti kalschnitt,

Fig. 14 ein fünftes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung nach der Erfindung mit einem Vorlaufkeil in einer perspektivischen Darstellung,

Fig. 15 den Ultraschallprüfkopf der Fig. 14 in einem längs gerichteten Vertikalschnitt, und

Fig. 16 ein sechstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung nach der Erfindung mit einem Vorlaufkeil in einem längsgerichteten Vertikalschnitt.

Fig. 1 zeigt in einem Vertikalschnitt einen Prüfling 1 mit ei ner Prüflingsoberfläche 2, auf der ein Ultraschallprüfkopf 3 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel akustisch angekoppelt ist. Der Ultraschallprüfkopf 3 umfasst einen ersten Ultra schallwandler 5 und einen zweiten Ultraschallwandler 7, die zur Stabilisierung und zur besseren akustischen Ankopplung jeweils auf einem ca. 2 mm dicken Träger 9 bzw. 11 aus Plexi glas angeordnet sind. Die Träger 9, 11 und die beiden Ultra schallwandler 5, 7 sind voneinander durch einen Trennbereich 13 akustisch getrennt, der luftgefüllt oder zur Erhöhung der akustischen Entkopplung mit einem stark dämpfenden Material, z. B. Kork, ausgefüllt sein kann. Die beiden Ultraschallwandler 5, 7 sind jeweils als Gruppenstrahler oder Array ausge bildet, dessen längsgestreckte Array-Elemente 15 bzw. 17 senkrecht zur Zeichenebene orientiert sind. Die Array-Elemen te 15, 17 sind ausgehend von einem rechteckigen piezoelektri schen Körper dadurch gebildet worden, dass Schnitte in den Körper eingebracht wurden, die in Fig. 1 als insgesamt sieben Nuten ersichtlich sind. Die Array-Elemente 15, 17 erstrecken sich parallel zum Trennbereich 13. Die beiden Ultraschall wandler 5, 7 sind symmetrisch bezüglich einer durch den Trennbereich 13 verlaufenden Mittenebene 14 angeordnet.

Jedes der Array-Elemente 15, 17 ist gesondert elektrisch kon taktiert (nicht explizit dargestellt). Die von den Kontakten ausgehenden Einzelleitungen stehen - zusammengefasst zu einer Leitung 19 bzw. 20 - mit einer Steuereinheit 23 in Verbin dung. Die Steuereinheit 23 steuert den ersten Ultraschall wandler 5 als Sender S und den zweiten Ultraschallwandler 7 als Empfänger E an.

Der Ultraschallprüfkopf 3 bildet zusammen mit der Steuerein heit 23 eine Vorrichtung 25 zur Ultraschallprüfung.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel liegen die beiden Ultraschallwandler 5, 7 planparallel auf der Prüf lingsoberfläche 2 auf. Entsprechend stehen die Mittenrichtun gen 28, 30, bezüglich derer die Strahlrichtungen, d. h. die Abstrahlrichtung 27 bzw. die Empfangsrichtung 29, nach beiden Seiten schwenkbar sind, senkrecht auf der Prüflingsoberfläche 2. Ohne Phasenverzögerung bei der Ansteuerung der einzelnen Array-Elemente 15 würde der sendende Ultraschallwandler 5 ei ne Schallkeule in Mittenrichtung 28 aussenden. Ohne Phasen verzögerung bei der Ansteuerung seiner Array-Elemente 17 wür de der empfangende Ultraschallwandler 7 Ultraschall aus einem Bereich um die Mittenrichtung 30 empfangen.

In Fig. 1 dargestellt ist eine konkrete Abstrahlrichtung 27 und eine konkrete Empfangsrichtung 29, die durch entsprechende phasenverzögerte Ansteuerung der Array-Elemente 15 bzw. 17 von der Steuereinheit 23 eingestellt sind. Die beiden Strahl richtungen 27, 29, oder genauer formuliert, die von den Ult raschallwandlern 5, 7 emittierte bzw. empfangbare Schallkeule 35, 37, überlappen sich in einem Fokus- oder Überlappbereich 33, der das von dem Ultraschallprüfkopf 3 bei der in Fig. 1 dargestellten Ansteuersituation abgetastete Prüfvolumen rep räsentiert.

Die durch die Steuereinheit 23 realisierten Einschallwinkel (gemessen in der Einschallebene bezüglich dem Einfallslot) werden im folgenden auch als Schielwinkel γ₁, γ₂ bezeichnet.

Das in Fig. 2 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel ist weitgehend mit dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel identisch, mit dem Unterschied, dass die Träger 9, 11 nicht als planparallele Körper, sondern als zum Trennbereich 13 hin ansteigende Keile mit einem als Dachwinkel δ bezeichneten Keilwinkel ausgestaltet sind. Die beiden Dachwinkel δ betra gen etwa 10°. Durch den Dachwinkel δ ist erreicht, dass sich die Mittenrichtungen 28, 30 der Abstrahlcharakteristiken der Ultraschallwandler 5, 7 bereits ohne phasenverzögerte Ansteu erung an einer Stelle 39 überlappen. Diese Stelle 39 liegt bei symmetrischer Ausgestaltung der Ultraschallwandler 5, 7 und Träger 9, 11 auf der Mitten- oder Symmetrieebene 14, die senkrecht auf der Prüflingsoberfläche 2 steht.

In Fig. 2 ist eine ggf. stattfindende Brechung des Ultra schalls an der Prüflingsoberfläche 2 vernachlässigt.

Die Ultraschallprüfköpfe 3 der Ausführungsbeispiele der Fig. 1 und 2 sind besonders zur Detektion von oberflächenna hen, oberflächenparallelen Fehlern geeignet.

Bei beiden vorgenannten Ausführungsbeispielen könnten die Ar ray-Elemente 15 und/oder 17 bezüglich des Trennbereichs 13 geneigt angeordnet sein, insbesondere derart, daß die Array- Elemente 15 des einen Ultraschallwandlers 5 mit den Array- Elementen 17 des gegenüberliegenden Ultraschallwandlers 7 in einer Draufsicht auf die Prüflingsoberfläche 2 einen spitzen Winkel miteinander einschließen.

Mit den in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ultraschallprüf köpfen 3 sind zahlreiche unterschiedliche Betriebsmodi oder Prüffunktionen möglich, die in den Fig. 3 bis 8 schema tisch veranschaulicht sind:

Fig. 3 Sender S und Empfänger E werden nach gleichen Seiten (bezüglich der Mittenebene 14) geschwenkt mit identischem Schielwinkel γ₁ = γ₂ = 20°.

Fig. 4 Sender S und Empfänger E werden nach entgegengesetzten Seiten geschwenkt, z. B. Sender S. γ₂ = 15°, Empfänger E: γ₁ = -15°.

Fig. 5 Einschallen in einem Quasi-ADEPT-Modus: Sender S und Empfänger E werden zur gleichen Seite geschwenkt, jedoch mit unterschiedlichen Schielwinkeln γ₁ = 10° bzw. γ₂ = 20°. Dabei werden gleiche oder unterschiedliche Wellenmoden benutzt.

Die in den Fig. 3 bis 5 veranschaulichten Betriebsmodi stellen einen Sende-Empfangs-Betrieb dar. In den Fig. 6 bis 8 sind verschiedene Varianten eines Impuls-Echo-Betriebs dargestellt:

Fig. 6. Die beiden Ultraschallwandler S/E senden und empfangen bei einem jeweils gleichen Winkel γ₁ = -5° bzw. γ₂ = +5°, aber die Winkel γ₁, γ₂ der Ultraschallwandler sind voneinander un terschiedlich.

Fig. 7 Die beiden Ultraschallwandler S/E senden und empfangen bei jeweils gleichen, und zueinander identischen Winkeln: γ₁ = +5°, γ₂ = +5°. Beide Ultraschallwandler S/E schwenken al so nach einer Seite mit identischen Schielwinkeln.

Fig. 8 In diesem Modus findet zwischen dem Sendevorgang und dem Empfangsvorgang eine Veränderung der Ansteuerung der Ult raschallwandler S/E statt, d. h. eine Änderung der Phasenver zögerung zwischen den jeweiligen Array-Elementen. Zu einem Sendezeitpunkt senden beide Ultraschallwandler S/E in die gleiche Richtung γ₁ = γ₂ = +8°. Anschließend findet ein Schwenken statt, so daß beide Ultraschallwandler S/E zu einem späteren Empfangszeitpunkt unter einem anderen Winkel (hier: von entgegengesetzter Seite: -8°) empfangen.

Fig. 9 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines Ultra schallprüfkopfs 3 nach der Erfindung, bei dem die Ultra schallwandler 5, 7 im Gegensatz zu dem in Fig. 1 (β = 0) dar gestellten Beispiel auf einem Vorlaufkeil 41 mit einem Keil winkel β von etwa 30° aufgeklebt sind.

Der Vorlaufkeil 41 aus Plexiglas ist durch eine Trennschicht 43 aus Kork in zwei akustisch voneinander getrennte, form identische Teilkeile 45, 47 unterteilt.

Die Ultraschallwandler 5, 7 sind auf der schrägen Seite des Keils 41 derart angeordnet, dass der sie trennende Trennbe reich 13 entlang der Trennschicht 43 ausgerichtet ist. Die jeweils acht, zeilenartigen Array-Elemente 15, 17 sind paral lel zur Trennschicht 43 angeordnet, d. h. sie sind ebenfalls mit dem Keilwinkel β bezüglich der Prüflingsoberfläche 2 ge neigt. Die so angeordneten Ultraschallwandlerarrays 5, 7 sind mit ihren Strahlrichtungen 27, 29 in einer in Fig. 9 angedeu teten Schwenkebene 49 schwenkbar (Horizontalschwenk). Der Einschallwinkel ist im wesentlichen durch den festen Keilwin kel β bestimmt. Er hängt in geringerem Maße auch vom variab len Schielwinkel γ₁ bzw. γ₂ ab und ändert sich nur geringfü gig.

Aus der in Fig. 11 dargestellten Draufsicht auf den Ultra schallprüfkopf 3 der Fig. 9 ist die horizontale, also zur Prüflingsoberfläche 2 parallele, Projektion der Schwenkebene 49 ersichtlich. Die Strahlrichtungen 27, 29 der Ultraschall wandler 5, 7 sind horizontal um Mittenrichtungen 28, 30 schwenkbar.

Fig. 10 zeigt den Ultraschallprüfkopf 3 der Fig. 9 in einem Schnitt durch die Ebene ABCD.

Das in Fig. 12 in einer Draufsicht auf die Prüflingsoberfläche 2 und in Fig. 13 in einem Vertikalschnitt dargestellte vierte Ausführungsbeispiel eines Ultraschallprüfkopfs 3 nach der Er findung ist im wesentlichen mit dem in den Fig. 9 bis 11 dargestellten dritten Ausführungsbeispiel identisch. Aller dings weisen die beiden Teilkeile 45, 47 des Vorlaufkeils 41 zusätzlich zum Keilwinkel β (siehe Fig. 14) einen Dachwinkel δ auf, wie dies bereits bei dem zweiten Ausführungsbeispiel ge mäß Fig. 2 erläutert wurde. Dies bewirkt, dass bereits ohne elektronische phasenverzögerte Ansteuerung der Arrayelemente 15, 17 die Mittenrichtungen 28, 30 der Strahlungscharakteris tiken aufeinander zugeneigt sind (siehe Fig. 12).

Bei dem in Fig. 14 in einer perspektivischen Darstellung und in Fig. 15 in einem Längsschnitt dargestellten fünften Ausfüh rungsbeispiel eines Ultraschallprüfkopfs 3 nach der Erfindung erstreckt sich die Trennschicht 43 zwischen Teilkeilen 51, 53 des Vorlaufkeils 41 schräg bezüglich der Prüflingsoberfläche 2 und senkrecht zur schrägen Seite des Vorlaufkeils 41. Der Vorlaufkeil 41 ist dadurch in einen stumpfen Teilkeil 51 und in einen spitzen Teilkeil 53 unterteilt. Bei beiden Teilkei len 51, 53 ist die schräge Seite um einen Keilwinkel β von etwa 30° bezüglich der Prüflingsoberfläche 2 geneigt.

Die - zum Beispiel jeweils acht - länglichen Array-Elemente 15, 17 verlaufen parallel zur Trennschicht 43, so dass - wie in Fig. 15 dargestellt - die Abstrahlrichtung 27 des als Sen der 5 angesteuerten ersten Ultraschallwandlers 5 sowie die Empfangsrichtung 29 des als Empfänger E angesteuerten zweiten Ultraschallwandlers 7 in einer vertikal auf der Prüflings oberfläche 2 stehenden Ebene, die mit der Zeichenebene der Fig. 15 identisch ist, beidseitig um entsprechende Mittenrich tungen 28, 30 schwenkbar sind (Vertikalschwenk). Die Zeichen ebene der Fig. 15 stellt somit eine vertikale Schwenkebene 55 dar, in der die Position des Fokusbereichs 33 mit zwei Frei heitsgraden einstellbar ist. Die Einschallwinkel α₁, α₂ sind variabel.

Der Ultraschallprüfkopf 3 weist beispielsweise ein nicht ex plizit dargestelltes Gehäuse mit einem Außenmaß von 40 × 40 mm auf, wobei die Schwingergröße der einzelnen Ultraschall wandler 5, 7 etwa 20 × 10 mm beträgt. Die Ultraschallwandler 5, 7 werden bei einer Frequenz von z. B. 2 MHz betrieben. Die Dicke der Trennschicht 43 beträgt etwa 1 mm.

Das in Fig. 16 dargestellt sechste Ausführungsbeispiel ist weitgehend mit dem aus Fig. 15 identisch, mit dem Unterschied, daß die beiden Teilkeile 51, 53 unterschiedliche Keilwinkel, z. B. β₁ = 30° bzw. β₂ = 15°, aufweisen.

Die Ultraschallwandler 5, 7 sind als piezoelektrische Wandler oder als sogenannte Folien-Wandler, z. B. aus dem Material PVDF, ausgeführt.

Bei allen Ausführungsbeispielen sind die Ultraschallwandler 5, 7 ohne Durchschallung des jeweils anderen Ultraschall wandlers 7 bzw. 5 akustisch an der Prüflingsoberfläche 2 an koppelbar. Es sind aber auch Ausgestaltungen möglich, bei den die Ultraschallwandler 5, 7 in einer Draufsicht ganz oder teilweise überlappen.

Bei allen Ausführungsbeispielen können die Array-Elemente 15, 17 auch einen geringen Neigungswinkel bezüglich des Trennbe reichs 13 bzw. der Trennschicht 43 aufweisen. Sie können z. B. mit entgegengesetzten, betragsmäßig gleich großen Winkel schräg stehen.

Claims

1. Ultraschallprüfkopf (3) mit zwei Ultraschallwandlern (5, 7), die auf unterschiedlichen Seiten eines sie akustisch von einander trennenden Trennbereichs (13) angeordnet und akus tisch an einer Prüflingsoberfläche (2) ankoppelbar sind, wobei wenigstens einer der Ultraschallwandler (5, 7) als - mindestens eindimensionales - Array ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlrichtung (27, 29) des als Array ausgebildeten Ultra schallwandlers (5, 7) zumindest mit einer Komponente in Rich tung auf den anderen Ultraschallwandler (5, 7) und entgegen gesetzt schwenkbar ist.

2. Ultraschallprüfkopf (3) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Array als eindimensionales Array ausgebildet ist, dessen Array- Elemente (15, 17) mit ihrer Längsrichtung parallel zum Trenn bereich (13) orientiert sind.

3. Ultraschallprüfkopf (3) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ult raschallwandler (5, 7) piezoelektrische Wandler sind.

4. Ultraschallprüfkopf (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen Vorlaufkeil (41), der durch eine Trennschicht (43) in zwei akustisch von einander getrennte Teilkeile (45, 47) unterteilt ist, wobei der Trennbereich (13) der Ultraschallwandler (5, 7) derart bezüglich der Trennschicht (43) angeordnet ist, dass je einer der Ultraschallwandler (5, 7) an genau einem der Teilkeile (45, 47) akustisch angekoppelt ist.

5. Ultraschallprüfkopf (3) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Draufsicht auf die Prüflingsoberfläche (2) die Array-Elemente (15, 17) mit ihrer Längsrichtung entlang der Trennschicht (43), insbesondere parallel zur Trennschicht (43), ausgerich tet sind.

6. Ultraschallprüfkopf (3) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennschicht (43) derart orientiert ist, dass sie senkrecht auf der Prüflingsoberfläche (2) zu stehen kommt.

7. Ultraschallprüfkopf (3) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlrichtung (27, 29) der Ultraschallwandler (5, 7) hori zontal schwenkbar ist.

8. Ultraschallprüfkopf (3) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennschicht (43) derart orientiert ist, dass sie schräg be züglich der Prüflingsoberfläche (2) zu liegen kommt.

9. Ultraschallprüfkopf (3) nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlrichtung (27, 29) der Ultraschallwandler (5, 7) verti kal schwenkbar ist.

10. Vorrichtung (25) zur Ultraschallprüfung mit einem Ultra schallprüfkopf (3) nach einem der bisherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Steuereinheit (23), mittels der einer der Ultraschallwandler (5) als Sender (S) und der andere Ultraschallwandler (7) als Empfänger (E) ansteuerbar ist.

11. Vorrichtung (25) zur Ultraschallprüfung mit einem Ultra schallprüfkopf (3) nach einem der bisherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Steuereinheit (23), mittels der die Ultraschallwandler (5, 7) sowohl als Sender (S) als auch als Empfänger (E) ansteuerbar sind.