DE102010037981B4

DE102010037981B4 - Ultraschallmessverfahren und -vorrichtung, insbesondere zur Aushärtungsüberwachung und Laminatdickenbestimmung bei der Faserverbundteilfertigung

Info

Publication number: DE102010037981B4
Application number: DE102010037981.6A
Authority: DE
Inventors: Nico Liebers; Michael Kühn; Arne Hindersmann
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2010-10-05
Filing date: 2010-10-05
Publication date: 2018-02-22
Anticipated expiration: 2030-10-06
Also published as: DE102010037981A1

Abstract

Ultraschallmessverfahren,
– wobei ein Ultraschallsignal (14) über eine Einkoppelfläche (8) in ein Messobjekt (9) eingekoppelt wird,
– wobei das Ultraschallsignal (14) an einer Auskoppelfläche (10) registriert wird,
– wobei eine Laufzeit des Ultraschallsignals (14) durch das Messobjekt (9) zwischen der Einkoppelfläche (8) und der Auskoppelfläche (10) gemessen wird und
– wobei das Ultraschallsignal (14) durch einen an der Einkoppelfläche (8) anliegenden Vorlaufkörper (7) unter einem Winkel (α) zur Oberflächennormalen (16) der Einkoppelfläche (8) in das Messobjekt (9) eingekoppelt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
– ein Einfallwinkel (β) des Ultraschallsignals (14) auf die Auskoppelfläche (10) gemessen wird, wobei der Einfallwinkel (β) mit einem gated Array (12) von Ultraschallempfängereinheiten (13) an der Auskoppelfläche (10) gemessen wird, und
– aus der Laufzeit, dem Winkel (α), dem Einfallwinkel (β) und der Schallgeschwindigkeit (c₁) in dem Vorlaufkörper (7) die Schallgeschwindigkeit (c₂) in dem Messobjekt (9) und die Dicke (d) des Messobjekts (9) bestimmt werden.

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein Ultraschallmessverfahren und eine Ultraschallmessvorrichtung, jeweils insbesondere zur Aushärtungsüberwachung und Laminatdickenbestimmung bei der Faserverbundteilfertigung, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 bzw. den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 11.
Bei der Faserverbundteilfertigung treten sehr schnell Qualitätseinbußen auf, wenn der erforderliche Grad an Aushärtung nicht erreicht wird und/oder das Laminat nicht die vorgesehene Dicke aufweist. Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich zwar im Speziellen mit der Aushärtungsüberwachung und Laminatdickenbestimmung bei der Faserverbundteilfertigung. Das dabei zum Einsatz kommende Ultraschallmessverfahren bzw. die dabei zum Einsatz kommende Ultraschallmessvorrichtung ist aber auch für allgemeinere Anwendungen, z. B. im Bereich der Dickenbestimmung verwendbar.
STAND DER TECHNIK
Ein Ultraschallmessverfahren und eine Ultraschallmessvorrichtung zur Überwachung bei einer Faserverbundteilfertigung sind aus Mc Hugh, Jarlath: Ultrasound Technique for the Dynamic Mechanical Analysis of Polymers, BAM-Dissertationsreihe, Berlin, 2008 bekannt. Dabei wird die Laufzeit eines Ultraschallsignals von einer Einkoppelfläche auf einer Seite des jeweiligen Prüfkörpers bis zu einer Auskoppelfläche auf der anderen Seite des jeweiligen Messobjekts gemessen. Diese Laufzeit ist von der Schallgeschwindigkeit in dem Messobjekt und der Dicke des Messobjekts, d. h. des Abstands zwischen der Einkoppelfläche und der Auskoppelfläche abhängig. Da bei einem Faserverbundbauteil die Schallgeschwindigkeit erheblich von seinem Aushärtungszustand abhängt, ist so allein aus der Laufzeit weder der Aushärtungszustand noch die Laminatdicke zu bestimmen. Um beide Informationen zu erhalten, muss neben der Laufzeit des Ultraschallsignals der Abstand der Einkoppelfläche von der Auskoppelfläche durch ein zusätzliches mechanisches Dickenmessverfahren bestimmt oder ein angenommener Wert verwendet werden. Derartige mechanische Messverfahren sind insbesondere bei großflächigen Faserverbundteilen sehr aufwändig und störanfällig.
Auch auf dem Gebiet der Ultraschalltechnologie sind Sender und Empfänger mit gated Arrays aus einer Mehrzahl von räumlich verteilten Sendereinheiten bzw. Empfängereinheiten bekannt. Durch raum-zeitlich koordinierte Ansteuerung der Sendereinheiten bzw. raum-zeitliche Überlagerung der Signale der Empfängereinheiten können Ultraschallsignale mit definierter Ausrichtung ihrer Wellenfronten ausgesandt bzw. Ultraschallsignale nach ihrer Ausbreitungsrichtung selektiert werden. Diese Technologie wird beispielsweise zu räumlich aufgelösten Detektion von verdeckten Schweißfehlern eingesetzt.
Aus dem Dokument WO 2005/026716 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung der Dicken einzelner Schichten eines Messobjekts mit Schichtaufbau bekannt. Dazu wird ein Ultraschallsignal über eine Oberfläche des Messobjekts in das Messobjekt eingekoppelt, und das an einem Übergang zwischen den Schichten des Messobjekts reflektierte Ultraschallsignal wird an der Oberfläche des Messobjekts von einem Empfänger registriert. Aus dem Abstand zwischen den Punkten der Einkopplung des Ultraschallsignals und der Registrierung des reflektierten Ultraschallsignals sowie der Laufzeit des Ultraschallsignals in dem Messobjekt wird dann auf die Tiefe der Schicht, an der das Ultraschallsignal reflektiert worden ist, geschlossen.
Das Dokument DE 34 41 894 A1 betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Dicke und/oder der Schallgeschwindigkeit eines Messobjekts mittels eines Ultraschallsignals, bei dem ein erster Sender für ein erstes Ultraschallsignal vorgesehen ist, das über eine Einkoppelfläche senkrecht in das Messobjekt 7 eingekoppelt wird. Das von der der Einkoppelfläche gegenüberliegenden Fläche reflektierte Ultraschallsignal wird von dem ersten Sender, der gleichzeitig als Empfänger ausgebildet ist, registriert, und es wird die Laufzeit des senkrecht eingekoppelten Ultraschallsignals in dem Messobjekt ermittelt. Weiterhin kommt ein zweiter Sender für ein zweites Ultraschallsignal zum Einsatz, das nicht senkrecht, sondern unter einem Winkel zur Einkoppelfläche in das Messobjekt eingekoppelt wird. Das von der gegenüberliegenden Fläche reflektierte zweite Ultraschallsignal wird von einem zweiten Empfänger, registriert, und es wird die Laufzeit des zweiten Ultraschallsignals in dem Messobjekt ermittelt. Aus der gemessenen Laufzeit des ersten Ultraschallsignals, der gemessenen Laufzeit des zweiten Ultraschallsignals und dem bekannten Abstand des ersten Senders und des Empfängers wird dann auf die Dicke des Messobjekts und die Schallgeschwindigkeit in dem Messobjekt geschlossen.
Aus dem Dokument US 2010/0018313 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung des Verlaufs einer Oberfläche, insbesondere einer Knochenoberfläche bekannt, bei dem ein Ultraschallsignal in Richtung des zu messenden Objekts gerichtet wird und das an der Oberfläche reflektierte Ultraschallsignal von einem Sensorarray detektiert wird. Mehrere Sensoren des Sensorarrays sind dabei zu Einheiten zusammengefasst, wobei durch Laufzeitunterschiede des reflektierten Ultraschallsignals bis zu den verschiedenen Sensoren einer Einheit auf den Winkel geschlossen wird, unter dem das reflektierte Ultraschallsignal auf das Sensorarray trifft. Daneben wird auch die Laufzeit des Messsignals zu der betreffenden Einheit ermittelt. Aus dem Winkel, unter dem das reflektierte Ultraschallsignal auf das Sensorarray gefallen ist, und der Laufzeit wird dann auf die Position des Punkts, an dem das Ultraschallsignal reflektiert worden ist, geschlossen. Durch Abtasten der Oberfläche mit dem Ultraschallsignal und jeweiliges Bestimmen der Punkte auf der Oberfläche, an denen das Ultraschallsignal reflektiert worden ist, wird dann ein vollständiges Bild der Oberfläche rekonstruiert.
Aus dem Dokument DE 10 2008 037 173 A1 ist der Einsatz eines gated Arrays als Ultraschall-Sendeeinheit für ein Verfahren zur Detektion von Fehlstellen in einem Messobjekt bekannt.
AUFGABE DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ultraschallmessverfahren und eine Ultraschallmessvorrichtung aufzuzeigen, die insbesondere zur Aushärtungsüberwachung und Laminatdickenbestimmung bei der Faserverbundanfertigung geeignet sind und mit denen sowohl die Dicke des jeweiligen Messkörpers als auch die Schallgeschwindigkeit in dem jeweiligen Messkörper bestimmbar ist.
LÖSUNG
Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Ultraschallmessverfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 und durch eine Ultraschallmessvorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 11 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen des neuen Ultraschallmessverfahrens und der neuen Ultraschallmessvorrichtung sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Bei dem neuen Ultraschallmessverfahren wird das Ultraschallsignal durch einen an der Einkoppelfläche anliegenden Vorlaufkörper unter einem Winkel zur Oberflächennormalen der Einkoppelfläche in das Messobjekt eingekoppelt. Zusätzlich wird ein Einfallwinkel des Ultraschallsignals auf die Auskoppelfläche gemessen. Der Einfallwinkel des Ultraschallsignals auf die Auskoppelfläche wird dabei mit einem gated Array von Ultraschallempfängereinheiten an der Auskoppelfläche gemessen, wobei der Winkel, unter dem das gated Array empfindlich ist, durchgestimmt werden kann, bis dass das registrierte Ultraschallsignal maximal ist. Indem das Ultraschallsignal nicht parallel zu deren Oberflächennormalen auf die Einkoppelfläche trifft, sondern unter einem Winkel, wird das Ultraschallsignal beim Übergang aus dem Vorlaufkörper in das Messobjekt abhängig von dem Verhältnis der Schallgeschwindigkeit in dem Messobjekt und der Schallgeschwindigkeit in dem Vorlaufkörper abgelenkt. Mit dem Einfallwinkel des Ultraschallsignals auf die Auskoppelfläche steht ein nur von der Schallgeschwindigkeit, d. h. nicht von der Dicke des Messobjekts abhängiger Wert zur Verfügung, der es ermöglicht, die Schallgeschwindigkeit zu bestimmen. Damit kann der Einfluss der Schallgeschwindigkeit auf die Laufzeit des Ultraschallsignals quantifiziert und die Dicke des Messobjekts trotz dieses Einflusses aus der Laufzeit bestimmt werden. Dabei ist die Laufzeit des Signals neben der Schallgeschwindigkeit in dem Messobjekt geometrisch auch von dem Einfallwinkel des Ultraschallsignals abhängig. Sämtliche Abhängigkeiten der Laufzeit sind aber einfach nachvollziehbar.
Konkret werden bei dem neuen Ultraschallmessverfahrens aus der Laufzeit des Ultraschallsignals, dem Winkel des Ultraschallsignals zur Oberflächennormalen der Einkoppelfläche, dem Einfallwinkel des Ultraschallsignals auf die Auskoppelfläche und der Schallgeschwindigkeit in dem Vorlaufkörper, die Schallgeschwindigkeit in dem Messobjekt und die Dicke des Messobjekts bestimmt.
Bei einer Ausführungsform des neuen Ultraschallmessverfahrens, wird ein seitlicher Versatz in Richtung der Einkoppelfläche zwischen einem Einkoppelort des Ultraschallsignals an der Einkoppelfläche und einem Einfallort des Ultraschallsignals auf die Auskoppelfläche gemessen. Auch aus der Laufzeit des Ultraschallsignals, dem Winkel, unter dem das Ultraschallsignal zur Oberflächennormalen der Einkoppelfläche in das Messobjekt eingekoppelt wird, dem genannten seitlichen Versatz und der Schallgeschwindigkeit in dem Vorlaufkörper können die Schallgeschwindigkeit in dem Messobjekt und die Dicke des Messobjekts bestimmt werden. Durch Bestimmung der Schallgeschwindigkeit in dem Messobjekt und der Dicke des Messobjekts einmal unter Verwendung des Einfallwinkels und einmal unter Verwendung des seitlichen Versatzes können jeweils zwei Werte für beide Größen bestimmt werden, wobei aus deren Abweichungen voneinander auf die Genauigkeit der Bestimmung der Größen geschlossen werden kann.
Bei dem neuen Ultraschallmessverfahren können die Einkoppelfläche und die Auskoppelfläche nebeneinander auf der selben Seite des Messobjekts angeordnet werden, wobei dann das von einer Grenzfläche an der anderen Seite des Messobjekts reflektierte Ultraschallsignal registriert wird. Bei einem geschichteten Aufbau des Messobjekts können auch mehrere Ultraschallsignale bezüglich Ihrer Laufzeit und/oder Ihres Einfallswinkels unterschieden werden. Die Auswertung dieser Ultraschallsignale erfolgt aber nicht getrennt, da zumindest die Ultraschallsignale mit längerer Laufzeit nur unter Berücksichtigung der Ultraschallsignale mit kürzerer Laufzeit sinnvoll auszuwerten sind.
Konkret kann das Ultraschallsignal senkrecht in eine Ultraschalleinkoppelfläche des Vorlaufkörpers eingekoppelt werden, die gegenüber einer an der Einkoppelfläche des Messobjekts anliegenden Ultraschallauskoppelfläche um den Winkel angewinkelt ist, unter der das Ultraschallsignal zur Oberflächennormalen der Einkoppelfläche in das Messobjekt eingekoppelt wird. Damit ist dieser Winkel fest vorgegeben.
Grundsätzlich kann das Ultraschallsignal aber auch mit einem gated Array von Ultraschallsendereinheiten in den Vorlaufkörper eingekoppelt werden, mit deren Hilfe die Richtung des Ultraschallsignals, d. h. sein Winkel in weiten Grenzen eingestellt und auch durchgefahren werden kann. So kann das Ultraschallsignal unter einem sich definiert ändernden Einkoppelwinkel in den Vorlaufkörper eingekoppelt und von dort in das Messobjekt eingekoppelt werden, um dieses zu messen.
Das Ultraschallsignal kann darüber hinaus eine Amplituden-, Frequenz- und/oder Phasenmodulation aufweisen, mit deren Hilfe eine besonders genaue Messung der Laufzeit des Ultraschallsignals mittels Korrelationsanalyse zwischen dem eingekoppelten und dem registrierten Ultraschallsignal möglich ist.
Zum Messen des seitlichen Versatzes des Ultraschallsignals zwischen seinem Einkoppelort an der Einkoppelfläche und seinem Einfallort auf die Auskoppelfläche kann ebenfalls ein Array von Ultraschallempfängereinheiten an der Auskoppelfläche verwendet werden. Dabei entspricht die Lage der Ultraschallempfängereinheit, die das in diesem Fall notwendigerweise strahlförmige Ultraschallsignal registriert beziehungsweise mit der höchsten Signalstärke registriert unmittelbar den zu messenden seitlichen Versatz. Sowohl ein gated Array für die Messung des Einfallwinkels als auch ein normales Array für die Messung des seitlichen Versatzes muss kein zweidimensionales Array sein, vielmehr reicht in aller Regel eine einzige Zeile von Ultraschallempfängereinheiten aus, die längs der Richtung des Ultraschallsignals an der Auskoppelfläche angeordnet sind.
Bei der neuen Ultraschallmessvorrichtung koppelt eine Ultraschalleinkoppeleinrichtung das Ultraschallsignal durch einen an der Einkoppelfläche des Messobjekts anliegenden Vorlaufkörper unter einem Winkel zur Oberflächennormalen der Einkoppelfläche in das Messobjekt ein, und eine Ultraschallregistrierungseinrichtung misst nicht nur eine Laufzeit des Ultraschallsignals zwischen der Einkoppelfläche und einer Auskoppelfläche, sondern auch einen Einfallwinkel des Ultraschallsignals auf die Auskoppelfläche. Bezüglich der bevorzugten Ausführungsform der neuen Ultraschallmessvorrichtung wird auf die Ausführungen zu den bevorzugten Ausführungsformen des neuen Ultraschallmessverfahrens verwiesen.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibungseinleitung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung – zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert und beschrieben.
1 skizziert den Aufbau der neuen Ultraschallmessvorrichtung in Anlage an einen Messobjekt.
2 skizziert die geometrischen Verhältnisse bei einer ersten Ausführungsform des neuen Ulltraschallmessverfahrens; und
3 skizziert die geometrischen Verhältnisse bei einer zweiten Ausführungsform des neuen Ulltraschallmessverfahrens.
FIGURENBESCHREIBUNG
Die in 1 skizzierte Ultraschallmessvorrichtung 1 weist eine Ultraschalleinkoppeleinrichtung 2 und eine Ultraschallregistriereinrichtung 3 auf. Diese sind in einem gemeinsamen Gehäuse 4 angeordnet, aber dabei schalltechnisch gegeneinander isoliert, was durch eine Trennlinie 5 angedeutet ist. Die Ultraschalleinkoppeleinrichtung 2 weist einen Ultraschallsender 6 und einen Vorlaufkörper 7 auf, der an einer Einkoppelfläche 8 eines Messobjekts 9 anliegt. Auf derselben Seite des Messobjekts 9 liegt an einer Auskoppelfläche 10, die Teil derselben Oberfläche 11 des Messobjekts 9 wie die Einkoppelfläche 8 ist, ein Array 12 aus Ultraschallempfängereinheiten 13 der Ultraschallregistriereinrichtung 3 an. Mit der Ultraschallregistriereinrichtung 3 wird einerseits die Laufzeit eines Ultraschallsignals 14 von der Einkoppelfläche 8 bis zu einer rückwärtigen Oberfläche 15 des Messobjekts 9, wo das Ultraschallsignal 14 reflektiert wird, und von dort bis zu der Auskoppelfläche 10 gemessen. Andererseits werden – wozu das Ultraschallsignal strahlförmig ausgebildet werden sollte – ein seitlicher Versatz in Richtung der Einkoppelfläche 8 zwischen einem Einkoppelort des Ultraschallsignals 14 an der Einkoppelfläche 8 und einem Einfallort des Ultraschallsignals 14 auf die Auskoppelfläche 10 und – wozu das Array als gated Array ausgebildet ist – ein Einfallwinkel des Ultraschallsignals 14 auf die Auskoppelfläche 10 gemessen. Da das Ultraschallsignal 14 über dem Vorlaufkörper 7 unter einem Winkel α zur Oberflächennormalen 16 in das Messobjekt 9 eingekoppelt wird, wird die Ausbreitungsrichtung des Ultraschallsignals 14 abhängig von dem Verhältnis der Schallgeschwindigkeiten in dem Vorlaufkörper 7 und dem Messobjekt 9 abgelenkt. So wird das Ultraschallsignal 14, wie in 1 dargestellt ist, zu der Oberflächennormalen 16 hin gebrochen, wenn die Schallgeschwindigkeit in dem Messobjekt 9 geringer ist als in dem Vorlaufkörper 7. Wenn es sich bei dem Messobjekt 9 um ein Laminat als Teil eines Faserverbundteils handelt, hängt die Schallgeschwindigkeit in dem Messobjekt 9 stark von dem Aushärtungszustand des Laminats ab. Die Laufzeit des Ultraschallsignal 14 von der Ankoppelfläche 8 bis zu der Auskoppelfläche 10 wird auch durch die Schallgeschwindigkeit in dem Messobjekt 9 beeinflusst und zwar einmal über die Änderung des Winkels des Ultraschallsignals 14 zu der Oberflächennormalen 16 in dem Messobjekt 9 und zum anderen unmittelbar durch die lineare Beziehung zwischen der Schallgeschwindigkeit und der Laufzeit über eine vorgegebene Strecke. Bei Kenntnis des seitlichen Versatzes des Einfallorts des Ultraschallsignals 14 auf die Auskoppelfläche 10 des Einfallswinkels des Ultraschalsignals 14 auf die Auskoppelfläche 10 kann aber sowohl der Einfluss der Schallgeschwindigkeit in dem Messobjekt 9 auf die Laufzeit herausgerechnet werden als auch die Dicke d des Messobjekts aus der Laufstrecke des Ultraschallsignals 14 durch das Messobjekt 9 bestimmt werden.
In 1 ist mit durchgezogener Linie eine Dicke d1 des Messobjekts skizziert, während mit gestrichelter Linie eine Dicke d2 des Messobjekts skizziert ist. Darüber hinaus skizziert 1 zwei unterschiedlich hohe Schallgeschwindigkeiten in dem Messobjekt 10, die beide jedoch geringer als die Schallgeschwindigkeit in dem Vorlaufkörper 9 sind, so dass die Ausbreitungsrichtung des Ultraschallsignals 14 zu der Oberflächennormalen 16 hin gebrochen wird. An der rückwärtigen Oberfläche 15 erfolgt eine Reflektion des Ultraschallsignals 14 nach dem Grundsatz Einfallwinkel gleich Ausfallwinkel.
Weiter ist in 1 angedeutet, dass nach dem hier beschriebenen Ultraschallmessverfahren die Dicke d des Messobjekts 9 und die Schallgeschwindigkeit in dem Messobjekt 9, und so im Falle eines Laminats der Aushärtungszustand, auch unter Transmission des Ultraschallsignals 14 durch das Messobjekt 10 bestimmt werden können. Dazu ist das gated Array 12 aus den Ultraschallempfängereinheiten 13 an der rückwärtigen Oberfläche 15 des Messobjekts 9 anzuordnen, wie unten in 1 unter Verwendung der Bezugszeichen 12' und 13' angedeutet ist.
Der Winkel α liegt bei der Ultraschallmessevorrichtung 1 gemäß 1 auch zwischen einer Ultraschalleinkoppelfläche 17, an der der Ultraschallsender 6 angeordnet ist und in die der Ultraschallsender 6 das Ultraschallsignal 14 senkrecht. d. h. parallel zu deren Oberflächennormalen einkoppelt, und einer Ultraschallauskoppelfläche 18 des Vorlaufkörpers 7 vor, über die der Vorlaufkörper 7 an der Einkoppelkörper 8 anliegt.
2 skizziert die geometrischen Verhältnisse bei einer ersten Ausführungsform des neuen Ulltraschallmessverfahrens. An der Einkoppelfläche 11 wird die Ausbreitungsrichtung des Ultraschallsignals 14, die den Winkel α zu der Oberflächennormalen 16 aufweist, abgelenkt und weist in dem Messkörper 9 einen Winkel β zu der Oberflächennormalen 16 auf, für den gilt: β = arcsin(sinα × c₂/c₁)
D. h., der Winkel β, der von dem gated Array 13 gemäß 1 erfasst wird, hängt ausschließlich von dem bekannten Winkel α, der bekannten Schallgeschwindigkeit c₁ in den Vorlaufköper 7 und der unbekannten Schallgeschwindigkeit c₂ in dem Messobjekt 9 ab, so dass die Schallgeschwindigkeit c₂ aus dem Messwert von β bestimmt werden kann: c₂ = c₁ × sinβ/sinα.
Die Laufzeit t des Ultraschallsignals 14 von der Einkoppelfläche 8 bis zur Auskoppelfläche 10 bestimmt sich aus der Dicke d, dem Winkel β und der Schallgeschwindigkeit c₂ zu: t = 2d/(c₂ × cosβ)
So lässt sich aus der gemessenen Laufzeit t, dem gemessenen Winkel β und der wie oben berechneten Schallgeschwindigkeit c₂ die Dicke d berechnen: d = ½tcosβ × c₁ × sinβ/sinα
In dieser letzten Formel entfällt der Faktor 1/2, wenn das gated Array 12 aus den Ultraschallempfängereinheiten 13 gemäß 1 statt des an der rückwärtigen Oberfläche 15 zur Auskoppelfläche 10 reflektierte, das durch die rückwärtige Oberfläche 15 transmittierte Ultraschallsignal 14 registriert.
3 skizziert die geometrischen Verhältnisse bei einer zweiten Ausführungsform des neuen Ultraschallmessverfahrens, wobei auch die Ultraschallmessvorrichtung 1 insgesamt mit sämtlichen Bestandteilen dargestellt ist, wie sie auch in 1 zu sehen sind. Bei dieser zweiten Ausführungsform des neuen Ultraschallmessverfahrens wird das Array 12 auch dazu genutzt, einen seitlichen Versatz l zwischen einem Einkoppelort 19, an dem das hier strahlförmige Ultraschallsignal 14 an der Einkoppelfläche 8 in das Messobjekt 9 eingekoppelt wird, und einem Einfallort 20, an dem das Ultraschallsignal 14 auf die Auskoppelfläche 10 fällt, zu messen. Dabei gilt unter der Annahme, dass die durch die Dicke d, den halben seitlichen Versatz l/2 und die halbe Laufstrecke ½t × c₂ begrenzten Dreiecke rechtwinklig sind: (½t × c₂)² = l²/4 + d²
Dieser Term kann umgeformt werden in:
In diesem Term ist c₂ unbekannt. Für c₂ gilt jedoch (siehe oben): c₂ = c₁ × sinβ/sinα
Und sinβ kann aus den genannten rechtwinkligen Dreiecken bestimmt werden zu sinβ = l/(t × c₂).
Hieraus folgt für c₂:
Und damit lässt sich auch d aus den gemessenen Werten von c₁, α, l und t bestimmen zu:
Bezugszeichenliste

1: Ultraschallmessvorrichtung
2: Ultraschalleinkoppeleinrichtung
3: Ultraschallregistriereinrichtung
4: Gehäuse
5: Trennlinie
6: Ultraschallsender
7: Vorlaufkörper
8: Einkoppelfläche
9: Messobjekt
10: Auskoppelfläche
11: Oberfläche
12: Array
13: Ultraschallempfängereinheit
14: Ultraschallsignal
15: rückwärtige Oberfläche
16: Oberflächennormale
17: Ultraschalleinkoppelfläche
18: Ultraschallauskoppelfläche
19: Einkoppelort
20: Einfallort
α: Winkel
β: Einfallwinkel
l: seitlicher Versatz
d: Dicke

Claims

Ultraschallmessverfahren, – wobei ein Ultraschallsignal (14) über eine Einkoppelfläche (8) in ein Messobjekt (9) eingekoppelt wird, – wobei das Ultraschallsignal (14) an einer Auskoppelfläche (10) registriert wird, – wobei eine Laufzeit des Ultraschallsignals (14) durch das Messobjekt (9) zwischen der Einkoppelfläche (8) und der Auskoppelfläche (10) gemessen wird und – wobei das Ultraschallsignal (14) durch einen an der Einkoppelfläche (8) anliegenden Vorlaufkörper (7) unter einem Winkel (α) zur Oberflächennormalen (16) der Einkoppelfläche (8) in das Messobjekt (9) eingekoppelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass – ein Einfallwinkel (β) des Ultraschallsignals (14) auf die Auskoppelfläche (10) gemessen wird, wobei der Einfallwinkel (β) mit einem gated Array (12) von Ultraschallempfängereinheiten (13) an der Auskoppelfläche (10) gemessen wird, und – aus der Laufzeit, dem Winkel (α), dem Einfallwinkel (β) und der Schallgeschwindigkeit (c₁) in dem Vorlaufkörper (7) die Schallgeschwindigkeit (c₂) in dem Messobjekt (9) und die Dicke (d) des Messobjekts (9) bestimmt werden.
Ultraschallmessverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein seitlicher Versatz (l) in Richtung der Einkoppelfläche (8) zwischen einem Einkoppelort (19) des Ultraschallsignals (14) an der Einkoppelfläche (8) und einem Einfallort (20) des Ultraschallsignals (14) auf die Auskoppelfläche (10) gemessen wird.
Ultraschallmessverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Laufzeit, dem Winkel (α), dem Versatz (l) und der Schallgeschwindigkeit (c₁) in dem Vorlaufkörper (7) die Schallgeschwindigkeit (c₂) in dem Messobjekt (9) und die Dicke (d) des Messobjekts (9) bestimmt werden.
Ultraschallmessverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einkoppelfläche (8) und die Auskoppelfläche (10) nebeneinander auf derselben Seite des Messobjekts (9) angeordnet werden.
Ultraschallmessverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ultraschallsignal (14) senkrecht in eine Ultraschalleinkoppelfläche (17) des Vorlaufkörpers (7) eingekoppelt wird, die gegenüber einer an der Einkoppelfläche (8) des Messobjekts (9) anliegenden Ultraschallauskoppelfläche (18) um den Winkel (α) angewinkelt ist.
Ultraschallmessverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ultraschallsignal (14) mit einem gated Array (12) von Ultraschallsendereinheiten in den Vorlaufkörper (7) eingekoppelt wird.
Ultraschallmessverfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Ultraschallsignal (14) unter einem sich definiert ändernden Einkoppelwinkel in den Vorlaufkörper (7) eingekoppelt wird.
Ultraschallmessverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ultraschallsignal (14) eine Amplituden-, Frequenz- und/oder Phasenmodulation aufweist und dass seine Laufzeit mittels Korrelationsanalyse zwischen dem eingekoppelten und dem registrierten Ultraschallsignal (14) gemessen wird.
Ultraschallmessverfahren nach Anspruch 2 oder einem der auf Anspruch 2 rückbezogenen vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Versatz (l) mit einem Array (12) von Ultraschallempfängereinheiten (13) an der Auskoppelfläche (10) gemessen wird.
Anwendung eines Ultraschallmessverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Aushärtungsüberwachung und/oder Laminatdickenbestimmung bei der Faserverbundteilfertigung.
Ultraschallmessvorrichtung (1) mit einer Ultraschalleinkoppeleinrichtung (2), um ein Ultraschallsignal (14) über eine Einkoppelfläche (8) in ein Messobjekt (9) einzukoppeln, mit einer Ultraschallregistrierungseinrichtung (3), um eine Laufzeit des Ultraschallsignals durch das Messobjekt (9) zwischen der Einkoppelfläche (8) und einer Auskoppelfläche (10) zu messen, wobei die Ultraschalleinkoppeleinrichtung (2) das Ultraschallsignal (14) durch einen an der Einkoppelfläche (8) anliegenden Vorlaufkörper (7) unter einem Winkel (α) zur Oberflächennormalen (16) der Einkoppelfläche (8) in das Messobjekt (9) einkoppelt, dadurch gekennzeichnet, dass – die Ultraschallregistrierungseinrichtung (3) zusätzlich einen Einfallwinkel (β) des Ultraschallsignals (14) auf die Auskoppelfläche (10) misst, wobei die Ultraschallregistrierungseinrichtung (3) ein gated Array (12) von Ultraschallempfängereinheiten (13) aufweist, um den Einfallwinkel (β) zu messen, und – eine Auswerteeinrichtung vorgesehen ist, die aus der Laufzeit, dem Winkel (α), dem Einfallwinkel (β) und der Schallgeschwindigkeit (c₁) in dem Vorlaufkörper die Schallgeschwindigkeit (c₂) in dem Messobjekt (9) und die Dicke (d) des Messobjekts (9) bestimmt.
Ultraschallmessvorrichtung (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallregistrierungseinrichtung (3) zusätzlich einen seitlichen Versatz (l) in Richtung der Einkoppelfläche (8) zwischen einem Einkoppelort des Ultraschallsignals (14) an der Einkoppelfläche (8) und einem Einfallort des Ultraschallsignals (14) auf die Auskoppelfläche (10) misst.
Ultraschallmessvorrichtung (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswerteeinrichtung vorgesehen ist, die aus der Laufzeit, dem Winkel (α), dem Versatz (l) und der Schallgeschwindigkeit (c₁) in dem Vorlaufkörper die Schallgeschwindigkeit (c₂) in dem Messobjekt (9) und die Dicke (d) des Messobjekts (9) bestimmt.
Ultraschallmessvorrichtung (1) einem der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschalleinkoppeleinrichtung (2) und die Ultraschallregistrierungseinrichtung (3) nebeneinander an einer gemeinsamen Trägerstruktur und/oder in einem gemeinsamen Gehäuse (4) angeordnet sind.
Ultraschallmessvorrichtung (1) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschalleinkoppeleinrichtung (2) und die Ultraschallregistrierungseinrichtung (3) schalltechnisch entkoppelt sind.
Ultraschallmessvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorlaufkörper (7) eine Ultraschalleinkoppelfläche (17) aufweist, an der ein Ultraschallsender (6) angeordnet ist und die gegenüber einer an die Einkoppelfläche (8) des Messobjekts (9) anzulegende Ultraschallauskoppelfläche (18) des Vorlaufkörpers (7) um den Winkel (α) angewinkelt ist.
Ultraschallmessvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschalleinkoppeleinrichtung (2) ein gated Array (12) von Ultraschallsendereinheiten aufweist, um das Ultraschallsignal (14) in den Vorlaufkörper (7) einzukoppeln.
Ultraschallmessvorrichtung (1) nach Anspruch 12 oder einem der auf Anspruch 12 rückbezogenen vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallregistrierungseinrichtung (3) ein Array (12) von Ultraschallempfängereinheiten (13) aufweist, um den Versatz (l) zu messen.
Verwendung einer Ultraschallmessvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 18 zur Aushärtungsüberwachung und/oder Laminatdickenbestimmung bei der Faserverbundteilfertigung.