DE1094506B - Vorrichtung zur Erzeugung eines akustischen Wellenzuges kurzer Dauer - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung betrifft die Erzeugung von akustischen Wellenzügen kurzer Dauer, insbesondere von Ultraschallwellenzügen, die z. B. bei der Ultraschallprüfung von Materialien benutzt werden. Es ist dem Fachmann bekannt, daß für die Durchführung derartiger Aufgaben Wellenzüge kurzer Dauer benötigt werden, weil es dadurch möglich wird, eine Untersuchung an Stellen vorzunehmen, die dicht unterhalb der Eintrittsfläche des zu prüfenden Gegenstandes liegen, oder zwei nahe beieinanderliegende Fehler voneinander zu trennen. Die Ultraschalluntersuchung eines Gegenstandes auf Fehler hängt von der Reflexion der Ultraschallwellen an einer Unstetigkeitsstelle ab. Es ist klar, daß die an einer dicht unter der Eintrittsfläche liegenden Unstetigkeitsstelle reflektierte Welle durch ein an der Oberfläche reflektiertes Signal gestört würde, wenn nicht Wellenzüge von extrem kurzer Dauer benutzt werden.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zum Erzeugen eines akustischen Wellenzuges kurzer Dauer mit einem von einem Hochf reqenzgenerator erregten elektromechanischen Wandler anzugeben.

Gemäß der Erfindung ist der Hochfrequenzgenerator auf eine zur Grundtfrequenz des Wandlers niedrige Frequenz abgestimmt, und auf der Vorderseite des Wandlers ist ein Übertragungskörper aus solchem Werkstoff angeordnet, daß er die akustischen Wellen, deren Frequenz höher als die Erregerfrequenz sind, dämpft.

Die Grundfrequenz des Wandlers ist vorzugsweise mindestens dreimal so groß wie die Erregerfrequenz. Der Übertragungskörper kann z. B. aus einem Methyl-Metakrylat-Kunststoff bestehen.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen.

Fig. 1 ist eine Vorderansicht einer Ausführungsform der Erfindung, die teilweise schematisch dargestellt ist;

Fig·. 2 A, 2 B und 2 C sind Oszillogramme, welche zur Erläuterung der der Erfindung zugrunde liegenden Theorie benutzt werden.

In Fig. 1 ist eine Anordnung dargestellt, die Ultraschallwellenzüge kurzer Dauer erzeugen soll, um einen Gegenstand 10 auf das Vorliegen innerer Fehler oder Unstetigkeitsstellen D zu untersuchen. Zu diesem Zweck wird ein Synchronisiergerät 11 periodisch von einer geeigneten Wechselstromquelle z. B. mit 60 Hz ausgelöst, so daß ein Impulsgenerator 12 Impulse erzeugt, die einem piezoelektrischen Element, z. B. einem Quarzkristall 15 zugeführt werden, der auf einem Klotz 16 aus Kunststoff montiert ist. Der Quarzkristall setzt die hochfrequenten elektrischen Impulse in mechanische Schwingungen in Form von Wellenzügen um. Ein Teil der Energie dieser Wellenzüge tritt in den Gegenstand 10 durch ein Kopplungsmittel Vorrichtung zur Erzeugung

eines akustischen Wellenzuges

kurzer Dauer

Anmelder:

Sperry Products, Inc.,
Danbury, Conn. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. W. Reichel, Patentanwalt,
Frankfurt/M. 1, Parkstr. 13

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 14. März 1956

Howard E. Van Valkenburg,
Candlewood Isle, Conn.,

und Edward G. Cook,
Packanack Labe, N. J. (V. St. A.),
sind als Erfinder genannt worden

ein, und zwar an der Oberfläche 17 des Gegenstandes, wobei ein Teil der Energie an der Trennfläche auf den Kristall zurückgeworfen wird. Ein Teil der übertragenen Energie wird beim Auf treffen auf den Fehler D ebenfalls zum Kristall 15 zurückgelenkt. Diese reflektierten Wellen erzeugen elektrische Signale, die nach, der Verstärkung durch einen Verstärker 20 den vertikalen Ablenkplatten 21 eines Oszillographen 22 zugeführt werden, um den Straihl in waagerechter Richtung zwischen den waagerechten Ablenkplatten 23 abzulenken. Der Ablenkgenerator 24 kann synchron mit dem Impulsgenerator 12 durch das Synchronisiergerät 11 gesteuert werden. Da der Anfangsimpuls auch dem Verstärker 20 zugeführt wird, wird der Strahl von seiner horizontalen Spur durch den Impuls abgelenkt. Die Schreibspur zeigt daher den Anfangsimpuls 27j die Reflexion von der Vorderseite des Gegenstandes, die Reflexion von der Rückseite 18 des Gegenstandes 10 an der Stelle 28 und die Reflexion von dem Fehler D bei 29.

Es ist ersichtlich, daß die Reflexion von dem Fehler D aufgenommen wird, bevor das Signal von der Zwischenfläche beendet ist, wenn nicht die Dauer des Signals von der Zwischenfläche sehr kurz gehalten werden kann. Das Problem bei derartigen Anwendungen besteht daher darin, einen akustischen Wellenz.ug

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möglichst kurzer Dauer, wie z. B. ein oder zwei volle Schwingungen einer Welle, die plötzlich endet, bei gegebener Frequenz zu erzeugen.

Das hier angegebene Verfahren beruht auf der folgenden Überlegung:

Bisher wurde die Frequenz -des erregenden elektrischen Signals, die dem Kristall 15 zugeführt wurde, im allgemeinen genau so groß gemacht, wie die Eigenoder Grundfrequenz des Kristalles, und es wurde jedoch ohne vollständigen Erfolg versucht, den Kristall kritisch zu dämpfen. Ein anderes Verfahren bestand darin, einen Kristall, mit einer anderen Resonanzfrequenz zu verwenden. Die Komponenten eines elektrischen Impulses sind jedoch nicht auf eine einzige Frequenz beschränkt, sondern enthalten ein unendliches Spektrum von Komponenten höherer Frequenz. Wenn unter diesen Umständen eine Frequenz, die dem Kristall zugeführt wird, gleich oder größer ist als die Grundfrequenz, dann bewirkt der elektrische Wellenzug, daß der Wandler mechanisch mit dieser Grundfrequenz schwingt. Wie lange der Wandler mechanisch nachschwingt oder ausschwingt, nachdem er durch diese höheren Frequenzen erregt worden ist, hängt von der Dämpfung des Kristalles ab, die gar nicht groß genug gemacht werden kann, um das Nachschwingen rasch abbrechen zu lassen. Dies ergibt, wie die Fig. 2B zeigt, einen Wellenzug, der beträchtlich länger ist, als die Dauer des aufgedrückten elektrischen Impulses der Fig. 2A. Dieser Impuls kann zwar nach Wunsch auf eine oder zwei Schwingungen begrenzt werden, der Kristall jedoch schwingt viel langer nach, so daß sich ein mechanischer Impuls längerer Dauer ergibt. Um diese Schwierigkeiten zu beseitigen, werden folgende Maßnahmen angewendet:

1. Die Grundfrequenz des Kristalls 15 wird mindestens dreimal so groß gemacht, wie die gewünschte Grundfrequenz des aufgedrückten elektrischen Impulses. Hierdurch erfolgt eine Frequenztrennung der gewünschten niedrigen Frequenz und der hohen Grundfrequenz des Kristalls.

2. Es werden jedoch einige Komponenten des erregenden elektrischen Impulses vorhanden sein, deren Frequenzen gleich oder größer als die Grundfrequenz des Kristalls sind, so daß dieser mit diesen Frequenzen schwingt. Um diese unerwünschten Komponenten zu beseitigen, ist der Kristall 15 auf einem Übertragungsklotz 16 aus plastischem Kunststoff montiert, der die Eigenschaft hat, daß seine Dämpfung für Ultraschallwellen rasch mit der Frequenz zunimmt. Ein solches Material ist z. B. das Methyl-Metakrylat, das in dem Buch von W. P. Mason »Piezoelectric Crystals«, S. 402, Fig. 15.5, angegeben ist.

Die hochfrequenten Schwingungen, welche sich aus dem Nachschwingen des Kristalls 15 ergeben, werden stark gedämpft, und nur die niederfrequenten Komponenten werden hindurchgelassen. Es ergibt sich daher eine akustische Schwingung, wie sie in Fig. 2 C dargestellt ist. Das Oszillogramm von Fig. 2 A zeigt den elektrischen Erregungsimpuls mit zwei Schwingungen, die dem Kristall zugeführt werden, und Fig. 2 C zeigt zwei Schwingungen der mechanischen Welle, die von der Vorrichtung abgegeben werden.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Erzeugen eines akustischen Wellenzuges kurzer Dauer mit einem von einem Hochfrequenzgenerator erregten elektromechanischen Wandler, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochfrequenzgenerator auf eine zur Grundfrequenz

:·' des Wandlers niedrige Frequenz abgestimmt ist und daß auf der Vorderseite des Wandlers ein Übertragungskörper aus solchem Werkstoff angeordnet ist, daß er die akustischen Wellen, deren Frequenzen höher als die Erregerfrequenz sind, dämpft.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundfrequenz des W^Tandlers mindestens dreimal so groß wie die Erregerfrequenz ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß der Übertragungskörper aus einem Methyl-Metakrylat-Kunststoff besteht.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 934 504.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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