DE1103051B - Schallkopf zur UEbertragung von Ultraschall auf feste Koerper - Google Patents

Description

• Schallkopf zur Ubertragung von Ultraschall auf feste Körper Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schallkopf zur übertragung von Ultraschall auf feste Körper, z. B. Prüflinge, oder zur Rückübertragung aus diesen festen Körpern mit besonderem dem Schallwandler vorgeschaltetem festem Schalleiter und Mitteln zur selbständigen Anpassung seiner Abstrahlfläche an veränderliche Neigungen der Prüflingsoberfläche.
• Es ist bekannt, von einem ultraakustischen Wandler, beispielsweise von einem Piezoquarz, der als Sender oder Empfänger dient, Ultraschallenergie dadurch in einen festen Körper überzuleiten, daß man einen aus gut schalleitendem Material bestehenden Rüssel, der sich für die betreffende Oberflächenform des Körpers besonders gut eignet, zwischen Wandler und Körper bringt.
• Dieser Schalleiter, der zum Zweck der Energiekonzentration oder zur Erzielung der nötigen Bandbreite als konischer Rüssel ausgebildet sein oder aber auch jede andere beliebige Form haben kann, muß mit seiner Berührungsfläche möglichst satt an der Oberfläche des festen Körpers anliegen. Dieses ist zwar gut möglich, wenn es sich um einen einzigen ultraakustischen Wandler handelt, der von Hand, z. B. bei der Materialprüfung mit dem Echo-Impulsverfahren, an die Oberfläche des Prüflings angedrückt wird. Handelt es sich aber bereits um zwei Wandler, wie dies beim Durchstrahlungsverfahren erforderlich ist, und sind außerdem die Schalleiter als konische Rüssel mit einer nur verhältnismäßig kleinen Auflagefläche ausgebildet, so bereitet die satte Anlage der Berührungsflächen an die Oberfläche des zu prüfenden Körpers größere Schwierigkeiten, insbesondere bei nicht gleichmäßigen planen oder gekrümmten Oberflächen des Prüflings.
• Es ist auch bereits ein Schallkopf bekannt, bei welchem zwei Keile in einer Hülse vorgesehen sind. Dabei dient ein Keil dem Aufsitzen auf dem Prüfling, der andere gegenüber dem ersten drehbaren Keil der Änderung des Einstrahlungswinkels, wobei die Änderung dieses Winkels durch axiales Gegeneinanderverdrehen der beiden Keile, und zwar mittels der sie einschließenden Hülse bzw. Hülsen bewirkt wird.
• Mit diesem bekannten Schallkopf ist es jedoch nicht möglich, eine automatische Einstellung der an den Prüfling angedrückten Fläche herbeizuführen, was vor allem von Bedeutung ist, wenn der Prüfling an dem Schallkopf vorbeibewegt wird oder umgekehrt. Außerdem hat der bekannte Schallkopf den Nachteil, daß die Änderung des Einstrahlungswinkels verhältnismäßig kompliziert ist und in der Regel ein Abnehmen des Schallkopfes vom Prüfling erfordert; zumindest ist die Änderung des Winkels recht zeitraubend, so daß aus diesem Grund der bekannte Schallkopf nicht fortlaufend an ihm vorbeibewegte Prüflinge mit mehr oder weniger stark wechselnden Oberflächenformen oder Neigungen verwendet werden kann.
• Ferner ist es bekannt, den Stahlrüssel aus einem gehärteten Material auszuführen, um einem raschen Verschleiß entgegenzuwirken.
• Weiter ist eine Anordnung bekannt, bei der der Schallkopf als ganzes kardanisch aufgehängt ist. Eine solche Anordnung kann aber nur im Fließverfahren, d. h. bei Relativbewegungen zwischen Kopf und Prüfling, verwendet werden, gestattet aber nicht, im stationären Prüfbetrieb den Einstrahlwinkel stetig willkürlich zu ändern, weil die Abstrahlfläche starr zur Kopfachse liegt. Da die Schallkopfachse im Raum nicht feststeht, stört die unvermeidbare Steifigkeit des Hochfrequenzkabels zum Schallkopf die Gelenkigkeit der Kardanaufhängung, und das Kabel wird ständig auf Biegung beansprucht.
• Ferner ist ein Mosaik von Schallwandlern bekannt, die auf einem Kissen befestigt sind. Damit wird zwar auch eine Anpassung an die Prüflingsoberfläche erreicht, aber mit sehr viel größerem Aufwand als nach der Erfindung, insbesondere wenn man berücksichtigt, daß diese Mosaikanordnung bei hohen Spannungen arbeiten muß, welche den Wandlern einzeln über rückseitige Kabelanschlüsse zugeführt werden müssen. Das Mosaik kann sich der Prüflingsoberfläche nur bei weicher Aufhängung anschmiegen. Hierbei besteht die Gefahr des Verkantens einzelner Mosaikstücke während der Relativbewegung zwischen Kopf und Prüfling. Schließlich ist mit einem solchen Mosaik bei erträglichem Aufwand auch kaum eine hinreichend kleine Abstrahlfläche zu verwirklichen, wie sie die Erfindung vorsieht und auch zwanglos erreicht. Ferner ist ein Schallkopf bekannt, der für eine Werkstoffprüfung an schwer zugänglichen Stellen entwickelt worden ist. Dabei besteht ein vor dem Wandler anzuordnender Rüssel im wesentlichen aus zwei übereinandergeschobenen Kegelstümpfen. Der innere Kegelstumpf ist mit Flüssigkeit gefüllt, und zwischen beide ist am Spitzenende eine Kappe aus flexiblem Material geklemmt, welche den Abschluß des mit Flüssigkeit gefüllten Raumes sowie mit ihrem Vorsprung die Auflagefläche auf dem Prüfling bildet. Dieser Schallkopf ist aber nicht für einen Betrieb mit veränderlicher Neigung entwickelt und kann daher in diesen Fällen nicht zufriedenstellend arbeiten.
• Demgegenüber ist es die Aufgabe vorliegender Erfindung, in einfacher Weise stets und automatisch eine satte Anlage der auf den Prüfling gesetzten Fläche des Schallkopfes zu gewährleisten.
• Dies wird unter Vermeidung der vorstehenden Nachteile dadurch erreicht, daß der Schalleiter ein gelenkig gelagertes Endstück mit einer Fläche zum Aufsetzen auf den Prüfling aufweist.
• Vorteilhafterweise ist dabei das Endstück rotationssymmetrisch, vorzugsweise kugelig oder zylindrisch gestaltet und in einer entsprechenden Pfanne des Mittelstückes beweglich gelagert.
• Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispieles gemäß der vorliegenden Erfindung an Hand der Figuren.
• Es zeigt Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Schallkopfes gemäß der vorliegenden Erfindung-.mit einem Anlegewinkel, der von 90° verschieden ist, Fig. 2 einen Schallkopf gemäß der vorliegenden Erfindung, der im wesentlichen unter 90° in den Prüfling einstrahlt.
• In den Figuren ist mit 1 der Schalleiter aus gut schallleitendem Material bezeichnet, in welchem in Pfeilrichtung die vom ultraakustischen Wandler, beispielsweise einer piezoelektrischen Platte, erzeugte Ultraschallstrahlung eindringt. Mit der Ziffer 2 ist ein abgeflachter rotationssymmetrischer Körper bezeichnet, beispielsweise eine abgeflachte Kugel, welche mit Hilfe eines gut adhärierenden zähen Fettes im Schalleiter 1 beweglich gehaltert ist. Setzt man diese Anordnung auf den zu prüfenden Körper frei auf, so wird die Berührungsfläche 4 stets satt an der Oberfläche des Prüflings anliegen und diese satte Anlage bei Bewegung der Vorrichtung über den Prüfling hin selbst dann beibehalten, wenn sich der Winkel der Prüfkörperoberfläche gegenüber der Einstrahlungsrichtung in gewissen Grenzen ändern sollte.
• Kommt es - wie beim Echo-Impulsverfahren zum Zwecke der Schrägeinstrahlung - nicht darauf an, daß sich die Anlagefläche automatisch an den jeweiligen Winkel der Prüfkörperoberfläche anpaßt, sondern darauf, daß in einem wahlweise vorgegebenen jedoch stetig veränderlichen Winkel in den Prüfkörper eingestrahlt wird, so ist der rotationssymmetrische Körper zweckmäßig als abgeflachter Zylinder ausgebildet, der eine stetige Variation des Einstrahlungswinkels in einer Ebene gestattet.
• Der Schalleiter und der rotationssymmetrische Körper können aus jedem gut schalleitendem Material gefertigt sein. Für die Schrägeinstrahlung sowie aus Gründen der Ankoppelung empfiehlt es sich in vielen Fällen, hierfür bestimmte Kunststoffe zu wählen. Diese sind jedoch nicht in dem gewünschten Maße verschleißfest. Es wird daher vorgeschlagen, den hauptsächlich der Abnutzung unterworfenen rotationssymmetrischen Körper dadurch verschleißfest zu machen, daß er an seiner abgeflachten Fläche mit hartkörnigen Substanzen oder Pulvern, beispielsweise Korundpulver, versetzt wird. Im allgemeinen wird man für den Schallleiter und den rotationssymmetrischen Körper das gleiche Material wählen. Es kann jedoch zweckmäßig sein, den rotationssymmetrischen Körper als Hallraum auszubilden und seine Abmessungen so zu wählen, daß er auf die benutzte Frequenz abgestimmt ist. In diesem Falle ist es günstig, die Materialien so zu wählen, daß derWellenwiderstand des rotationssymmetrischenKörpers merklich von demjenigen des den Hallraum anregenden Schalleiters abweicht .Hierbei ist es ebenfalls günstig, Hallraum und Schalleiter durch eine geeignet dimensionierte Zwischenschicht zu entkoppeln.

Claims (6)

1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Schallkopf zur Übertragung von Ultraschall auf feste Körper, z. B. Prüflinge, oder zur Rückübertragung aus diesen festen Körpern mit besonderem dem Schallwandler vorgeschaltetem festem Schalleiter und Mitteln zur selbständigen Anpassung seiner Abstrahlfläche an veränderliche Neigungen der Prüflingsoberfläche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalleiter (1) ein gelenkig gelagertes Endstück (2) mit einer Fläche zum Aufsetzen auf den Prüfling (3) aufweist.
2. 2. Schallkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Endstück (2) rotationssymmetrisch, vorzugsweise kugelig oder zylindrisch gestaltet und in einer entsprechenden Pfanne des Mittelstückes beweglich gelagert ist.
3. 3. Schallkopf nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalleiter (1) und sein Endstück (2) aus Kunststoff bestehen.
4. 4. Schallkopf nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß insbesondere der dem Aufsetzen auf den Prüfling dienende Teil (4) des Endstückes (2), z. B-. durch eingebettete hartkörnige Substanzen, verschleißfest ist.
5. 5. Schallkopf nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Endstück (2) mit dem Schalleiter (1) gegebenenfalls allein durch Adhäsion, vorzugsweise unter Vermittlung von Haftung verleihenden Substanzen, wie zähes Fett, verbunden ist.
6. 6. Schallkopf nach den Ansprüchen 1 bis 5, insbesondere für das Durchstrahlungsverfahren, dadurch gekennzeichnet, daß das z. B. rotationssymmetrische Endstück (2) als abgestimmter Hauraum ausgebildet ist und seine Abmessungen auf die benutzte Frequenz abgestimmt sind und daß der Wellenwiderstand des Endstückes (2) merklich von demjenigen des den Hauraum anregenden Schalleiters (1) verschieden ist, und dieser sowie der Hauraum durch eine entsprechend bemessene Zwischenschicht entkoppelt sind. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 882 624, 904 955; französische Patentschriften Nr. 1065 907, 958 531; USA.-Patentschriften Nr. 2 602 101, 2 602 102; britische Patentschrift Nr. 963 280; »Umschau«, 52, S. 187.