DE1038309B

DE1038309B - Ultrasonic head for an ultrasonic device to locate defects in workpieces

Info

Publication number: DE1038309B
Application number: DES36161A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Adolf Lutsch
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1953-11-03
Filing date: 1953-11-03
Publication date: 1958-09-04

Description

Ultraschallkopf für ein Ultraschallgerät zur Ortung von Fehlern in Werkstücken Gegenstand der Erfindung ist ein Ultraschallkopf für ein Ultrascballgerät zur Ortung von Fehlern in Werkstücken. Es ist das Ziel derartiger Ortung, aussagen über Lage und Ausdehnung von Fehlern in NVerkstücken zu erhalten. Hierzu ist es zweckmäßig, erst mit einem Schallbündel mit einem großen Offnungswillkel das IVerkstück zu untersuchen, um einen Überblick über einen größeren Bereich des WerkstücBes zn erhalten und danach mit einem Schallbündel kleinen )ffnungswinkels Lage undAusdehnung gefundener Fehler zu ermitteln. Entsprechend ist es weiterhin zweckmäßig, zuerst mit einem Schallempfänger, der eine Empfangscharakteristik mit großem Öffniingswinkel aufweist, das Werkstück zu untersuchen und danach mit einem Schallempfänger, der eine Empfa,ngscharakt,eristik mit kleinem Offnungswinkel aufweist. N7ielfach ist derselbe Ultraschallkopf sowohl Schallsender als auch Schallempfänger. Ultrasound head for an ultrasound device to locate defects in Workpieces The invention relates to an ultrasound head for an ultrascball device for locating defects in workpieces. The aim of such a location is to testify about the location and extent of defects in N components. For this it is expedient, only with a sound bundle with a large opening will the IVerkstück to examine in order to obtain an overview of a larger area of the workpiece and then position and expansion with a sound beam with a small opening angle to determine the error found. Accordingly, it is still useful first with a sound receiver that has a reception characteristic with a large opening angle has to examine the workpiece and then with a sound receiver that has a receptive character with a small opening angle. N7 is multiple the same ultrasound head both sound transmitter and sound receiver.

Sende- und Empfangscharakteristiken mit verschieden großem Öffnungswinkel können bekanntlicsh durch Verwendung mehrerer Schallköpfe mit verschieden großem Ouerschnitt der abstrahlenden Fläche des elektroakustischen Wandlers erhalten werden (s. z. B. Sending and receiving characteristics with different opening angles can be known by using multiple transducers of different sizes Ou section of the radiating surface of the electroacoustic transducer can be obtained (see e.g.

Archiv für das Eisen-Hüttenwesen, 1952. Heft 1/2, S. 58/59). Die Notwendigkeit, bei der Fehierortung mehrere Schallköpfe zu verwenden, ist zeitraubend und unwirtschaftlich. Außerdem ist in der Regel die Ankopplung an das Werkstück für jeden Schallkopf verschieden und hierdurch die bei der Prüfung erstrebte eindeutige Auswertung der Ergebnisse mühevoll.Archives for the iron and steel industry, 1952. Issue 1/2, p. 58/59). The need Using multiple transducers for mislocation is time consuming and uneconomical. In addition, the coupling to the workpiece is usually different for each transducer and thereby the unambiguous evaluation of the results aimed for in the test laborious.

Es ist weiterhin bekannt, zur Fehlerortung einen einzigen Schallkopf zu verwenden und die Änderung des Öffnungswinkels seiner Charakteristik durch Umschaltung auf mehrere Prüffrequenzen zu bewirken. It is also known to use a single transducer for fault location to use and the change in the opening angle of its characteristic by switching to effect several test frequencies.

Bei einer derartigen Umschaltung von Schallköpfen. die als Schallgeber dienen, ändert sich jedoch das Verhältn,is von Wellenlänge des Schalles zur Größe des Fehlers und damit ändert sich auch die Charakteristik des von dem Fehler ausgehenden Schailfeldes.When switching transducers in this way. as a sounder serve, however, the ratio of the wavelength of the sound to the size changes of the error and thus also the characteristics of the originating from the error change Schailfeldes.

Diese Tatsache beeinträchtigt ebenfalls die Eindeutigkeit des Prüfungsergebnisses. This fact also affects the uniqueness of the test result.

Es ist außerdem bekannt, die schallabgebenlde bzw. schallempfangen de Fläche eines elektroakustischen Wandlers in mehrere abwechselnd longitudinal und transversal schwingende Flächenelemente aufzuteilen und den einzelne,n Elementen Hochfrequenzspannungen zuzuführen, die in ihrer Phase gegenseitig derart aufeinander abgestimmt sind. daß der 7entralstrahl des abgestrahlten Schallbündels ohne Bewegung des elektroakustischen Wandlers in eine beliebige Richtung gelenkt werden kann. Die für eine solche Einrichtung erforderlichen Schaltmittel sind jedoch relativ aufwendig. It is also known that the sound emitting or receiving sound de area of an electroacoustic transducer in several alternately longitudinally and to divide transversely vibrating surface elements and the individual, n elements To supply high-frequency voltages, which are mutually so in their phase on each other are matched. that the central ray of the emitted sound bundle does not move the electroacoustic transducer can be steered in any direction. However, the switching means required for such a device are relative laborious.

Es sind weiterhin Strahlergruppen angegeben worden, die aus einer Anzahl von kreisförmigen nebeneinanderl iegenden Einzelelementen bestehen und es ist die Richtcharakteristik bekannt, die sich mit solchen Strahlergruppen erreichen läßt. Die aus derartigen Kreisflächen oder auch aus den oben angegebenen, geradlinig begrenzten Teilflächen zusammengesetzten Strahlergruppen haben nml aber besonders im Nahfeld eine sehr ungleichmäßige Richtcharakteristik mit vielen Nebenmaxima. Dies rührt daher, daß zwischen benachbarten strahlenden Elementen immer verhältnismäßig große Flächenteile liegen, die keinen Schall abstrahlen. Bei der Werkstoffprüfung mit Ultraschall wird nun in der Hauptsache im Nahfeld der Strahler gearbeitet. Wenn die bekannten Strahlergruppen mit relativ ungleichmäßiger Abstrahlung verwendet werden. ergibt sich somit eine schlechte Fehlererkennbarkeit, da auch Echos von den Nebenmaxima der Charakteristik an solchen Stellen des Werkstückes hervorgerufen werden, die nicht im Bereich des Zentralstrahles liegen. There are also radiator groups have been specified that consist of a Number of circular juxtaposed individual elements exist and it the directional characteristic that can be achieved with such groups of radiators is known leaves. The straight from such circular areas or from those specified above Emitter groups composed of limited partial areas have nml but special in the near field a very uneven directional characteristic with many secondary maxima. This is due to the fact that between adjacent radiating elements is always proportionate there are large parts of the surface that do not emit any sound. When testing materials Ultrasound is now mainly used in the near field of the emitter. if the known radiator groups with relatively uneven radiation are used will. This results in poor error detection, since there are also echoes from caused the secondary maxima of the characteristic at such points on the workpiece that are not in the area of the central ray.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschallkopf für ein Ultraschallgerät zur Ortung von Fehlern in Werkstücken, bei dem mindestens eine der schallabgebenden bzw. schallempfangenden Flächen des in dem Ultraschallkopf enthaltenen elektroakustischen Wandlers in mehrere unabhängig voneinander zu Schwingungen anregbare Zonen aufgeteilt ist. Gemäß der Erfindung schließen die Zonen in Form von konzentrischen Kreisringen an eine kreisförmige Strahlerfläche an und zur Veränderung des Öffnungswinkels der Strahlercharakteristik sind die Zonen in der Reihenfolge von der Mitte nach außen zuschaltbar oder in umgekehrter Reihenfolge abschaltbar. Zweckmäßig sind die Zonen in Form von metallisierten Flächen auf beiden schallabgebenden bzw. schallempfangenden Flächen des elektroakustischen Wandlers aufgebracht. The invention relates to an ultrasound head for an ultrasound device for locating defects in workpieces in which at least one of the sound-emitting or sound-receiving surfaces of the electroacoustic contained in the ultrasound head The converter is divided into several zones that can be excited to vibrate independently of one another is. According to the invention, the zones close in the form of concentric circular rings on a circular radiator surface and to change the opening angle of the The radiator characteristics are the zones in the order from the center outwards can be switched on or switched off in reverse order. The zones are useful in the form of metallized surfaces on both sound emitting or sound receiving Areas of the electroacoustic transducer applied.

Dabei sind die Zonen der einen Fläche an den Sende-bzw. Empfangsteil des Ultraschallgerätes anschließbar, während die Zonen der anderen Fläche mit dem Erdpotential verbunden sind.The zones of the one surface are at the transmitting or. Receiving part of the ultrasound device, while the zones of the other surface with the Ground potential are connected.

Um die abgestrahlte Leistung eines als Schallgeber dienenden elektroakustischen Wandlers pro Raumwinkeleinheit unabhängig von der Zahl der zusammengeschalteten Zonen zu halten, ist in Ausbildung des Erfindungsgedankens vorgesehen, mit dem Zusaminenschalten mehrerer Zonen gleichzeitig Belastungswiderstäude in den Ausgangskreis des Senders einzuschalten. About the radiated power of an electroacoustic sound generator Converter per solid angle unit regardless of the number of interconnected Keeping zones is provided in the development of the inventive concept with the interconnection several zones at the same time load resistance in the output circuit of the transmitter to turn on.

Der erfindungsgemäße Ultraschallkopf braucht nur einmalig an das zu prüfende Werkstück angekoppelt zu werden; die Veränderung des Öffnungswinkels seiner Charakteristik erfolgt dann durch äußere Schaltmittel. Die vorgesehenen Belastungswiderstände bewirken, daß die von einem Fehler ausgehende Schallamplitude unabhängig von der Größe des Öffnungswinkels des Sehallbündels ist. Die Eindeutigkeit der Prüfung bleibt wegen der ungeänderten Frequenz des Senders, der einmaligen Kopplung des Ultraschallkopfes an das zu prüfende Werkstück und der Konstanz der vom elektroakustischen Wandler ausgesandten Leistung pro Raumwinkeleinheit gewahrt. WIehrere Ultraschallköpfe werden nicht benötigt. The ultrasonic head according to the invention only needs to be connected once to be tested workpiece to be coupled; the change in the opening angle its characteristic then takes place through external switching means. The intended load resistances cause the sound amplitude emanating from an error to be independent of the The size of the opening angle of the Sehall bundle is. The uniqueness of the test remains because of the unchanged frequency of the transmitter, the unique coupling of the ultrasound head of the workpiece to be tested and the constancy of the electroacoustic transducer transmitted power per solid angle unit is guaranteed. More ultrasound heads will be not required.

Fig. 1 zeigt beispielsweise eine Zonenaufteilung der schallgebenden bzw. schallaufnehmenden Fläche eines elektroakustischen Wandlers; Fig. 2 stellt ein Blockschaltbild für die Zusammen-bzw. Abschaltung der einzelnen Schwingzonen an einem elektroakustischen Wandler für Sende- und Empfangszwecke dar. Fig. 1 shows, for example, a zone division of the sound-emitting or sound-absorbing surface of an electroacoustic transducer; Fig. 2 represents a block diagram for the joint or. Shutdown of the individual vibration zones on an electroacoustic transducer for sending and receiving purposes.

In dem Ausführungsbeispiel ist als elektroakustischer Wandler 1 ein piezoelektrisches Element, etwa ein Quarz, verwandt. Die schallgebende bzw. schallempfangende Fläche des elektroakustischen Wandlers entspricht dem kleinsten beabsichtigten Offnungswinkel der Charakteristik des Schallliündels. Auf der einen Stirnfläche des Wandlers sind drei Zonen 2, 3, 4 metallisiert, wobei der Anschluß der inneren Zonen 2, 3 an den Sende- bzw. Empfangsteil des Ultraschallgerätes über metallische Streifen 5, 6 erfolgt, die durch die aufgetrennten Zonen 3 und 4 nach außen geführt sind. Eine gleichartige Metallisierung ist auch auf der anderen Stirnfläche des Wandlers angebracht (Belege 2a, 3a, 4a). Die Zonen 2, 3, 4 sind gemeinsam oder einzeln durch Schaltmittel mit dem Sende-Empfangs-Teil 10 des Ultraschallgerätes verbindbar; die Zonen 2a, 3a, 4a liegen gemeinsam am Nullpotential des Ultraschallgerätes, vorzugsweise am Erdpotential. In the exemplary embodiment, 1 is an electroacoustic transducer piezoelectric element, such as a quartz, related. The sound emitting or sound receiving The area of the electroacoustic transducer corresponds to the smallest intended opening angle the characteristics of the sound beam. On one end face of the transducer are three zones 2, 3, 4 metallized, the connection of the inner zones 2, 3 to the The transmitting and receiving part of the ultrasound device takes place via metallic strips 5, 6, which are led to the outside through the separated zones 3 and 4. A similar one Metallization is also applied to the other end face of the transducer (documents 2a, 3a, 4a). The zones 2, 3, 4 are jointly or individually by means of switching means the transmitting / receiving part 10 of the ultrasound device can be connected; the zones 2a, 3a, 4a are jointly at the zero potential of the ultrasonic device, preferably at ground potential.

Mit 7 und 8 sind miteinander starr verbundene Schaltfedern eines Drehschalters bezeichnet. Bei Betätigung dieses Schalters in der Pfeilrichtung kommt die Schaltfeder 7 in Berührung mit einem Kontakt 9, wodurch der wirksame Querschnitt der abstrahlenden Fläche um die Fläche der Metallisierungszone 3 vergrößert wird. Zur Begrenzung der ausgestrahlten Schalleistung pro Raumwinkeleinheit auf die vor der Betätigung des Drehschalters vorhandene Größe wird gleichzeitig die Schaltfeder 8 von dem Kontakt 11 gelöst und hierdurch der in der Leitung vom Sende-Empfangs-Teil 10 zum Wandler angeordnete und bisher kurzgeschlossene Widerstand 12 eingeschaltet. Der gleiche Vorgang wiederholt sich sinngemäß, wenn der Drehschalter an den mit der Zone4 verbundenen Kontakt gelegt wird. Die wirksame Strahlerfläche besteht dann aus der durch alle drei Zonen gebildeten Fläche, wobei in die Leitung vom Sende-Empfangs-Teil 10 zum Wandler die beiden Widerstände 12 und 13 eingeschaltet sind. Mit 14 ist eine elektrisch isolierende, aber akustisch gut leitende Platte bezeichnet, die akustisch fest mit dem Wandler verbunden und deren Dicke klein gegenüber der Wellenlänge ist. Sie dient der elektrischen Isolation der AZletallisierungszonen 2a, 3a und 4a gegenüber dem Prüfling.With 7 and 8 are rigidly connected switching springs of a rotary switch designated. When this switch is operated in the direction of the arrow, the switch spring comes on 7 in contact with a contact 9, whereby the effective cross-section of the radiating Area is increased by the area of the metallization zone 3. To limit the radiated sound power per solid angle unit to that before the actuation of the Rotary switch existing size is at the same time the switching spring 8 of the contact 11 solved and thereby in the line from the transmitting / receiving part 10 to the converter arranged and previously short-circuited resistor 12 switched on. The same The process is repeated if the rotary switch is turned to the one connected to Zone4 Contact is made. The effective radiator area exists then from the through all three zones formed area, wherein in the line from the transmitting / receiving part 10 to Converter the two resistors 12 and 13 are switched on. At 14 one is electric insulating, but acoustically good conductive plate, which is acoustically fixed with connected to the transducer and whose thickness is small compared to the wavelength. she serves the electrical insulation of the A metalization zones 2a, 3a and 4a from the Test item.

Es ist auch möglich, allein die Metallisierungszonen 2, 3, 4 aufzubringen und die Zonen 2a, 3a und 4a entfallen zu lassen. Diese vereinfachte Ausführung bewirkt jedoch einen weniger gut definierten Offnungswinkel der Schallchfarakteristik. Es ist weiterhin möglich, den Schwinger entspreohend der Zahl der Metallisierungszonen in mehrere Teilschwinger aufzuteilen; dies kann aus fabrikatorischen Gründen manchmal vorteilhaft sein. It is also possible to apply the metallization zones 2, 3, 4 alone and to omit the zones 2a, 3a and 4a. This simplified design causes however, a less well-defined opening angle of the acoustic color characteristic. It it is still possible to adjust the oscillator according to the number of metallization zones to be divided into several partial oscillators; this can sometimes be due to manufacturing reasons be beneficial.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Ultrasound head for an ultrasound device for Locating defects in workpieces in which at least one of the sound-emitting or sound-receiving surfaces of the electroacoustic contained in the ultrasound head The converter is divided into several zones that can be excited to vibrate independently of one another is, characterized in that the zones are in the form of concentric circular rings to a circular radiator surface and that to change the opening angle the radiator characteristics the zones in the order from the center to the outside can be switched on or switched off in reverse order.

2. Ultrasonic head according to claim 1, characterized in that the Zones in the form of metallized surfaces on both sound emitting or sound receiving Areas of the electroacoustic transducer are applied and that the zones of the one Surface can be connected to the transmitting or receiving part of the ultrasound device and the Zones of the other area are connected to the earth potential.

3. Ultrasonic head according to claim 1 and 2, characterized in that that the switching means simultaneously load resistances when several oscillation zones are interconnected switch on in the output circuit of the transmitter part of the ultrasound device and this Load resistors are dimensioned so that that of the electroacoustic Transducer emitted power per solid angle unit regardless of the number of interconnected simultaneously vibrating vibration zones.

4. Ultrasonic head according to claim 1 and following, characterized in that that the electroacoustic transducer. the switching elements for interconnecting several Switching zones and the load resistors are combined in one housing. ~~~~~~~~ References considered: British Patent Nos. 664 763, 674 235: Archiv f. Eisenhüttenwesen, Vol. 23 H. 1/2 (1952).

Pp. 57 to 67; Journal of the acoustic society of America. Vol. 25.

H. 2 (1953), pp. 297-301.