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Aus zwei Keilen bestehende Einrichtung zur Ultraschallübertragung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung und Aufnahme von Ultraschallstrahlen
mit transversaler Wellenbewegung.
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Die Ultraschallschwingungen werden in drei Arten eingeteilt, und zwar
in Longitudinal- oder Kompressionsschwingungen, Transversal- oder Schubwellen und
Oberflächenwellen. Die bisher bekannten Verfahren zur Erregung eines Strahles von
Transversal-oder Schubwellen in einem Gegenstand folgten gewöhnlich den von Firestone
angegebenen Grundlagen und benutzten einen elektroakustischen Wandler aus einem
Y-Schnitt-Kristall oder entsprachen den Vorschlägen von Carlin, bei denen der elektroakustische
Wandler aus einem Generator für Longitudinalwellen bestand, der z. B. als piezoelektrisches
Element in Form eines auf einem Keil montierten Quarzkristalles ausgebildet war.
Der Winkel des Keiles wurde so gewählt, daß die von dem piezoelektrischen Kristall
ausgehenden Longitudinalwellen nach dem Durchgang durch den Keil beim Eintritt in
den Prüfkörper gebrochen wurden, der eine größere Schallgeschwindigkeit aufwies
und mit dem Keil in Berührung stand. Die Longitudinalwellen erzeugen beim Auftreffen
auf einen Gegenstand an der Grenzfläche zwei Arten von Wellen, nämlich schnell laufende
Longitudinalwellen und langsamer laufende Transversalwellen. Da die Longitudinalwellen
sich in einem gegebenen Medium schneller ausbreiten als die Transversalwellen, werden
die Longitudinalwellen stärker gebrochen; durch Vergrößerung des Einfallswinkels
konnte ein kritischer Punkt erreicht werden, bei dem die Longitudinalwellen in dem
Gegenstand nicht mehr auftreten, so daß nur die Transversalwellen übrigbleiben.
Dieses Verfahren ist jedoch dadurch in gewisser Weise begrenzt, daß die Schallgeschwindigkeit
der Longitudinalwellen in dem Prüfgegenstand größer sein muß als die Schallgeschwindigkeit
der Longitudinalwellen in dem Keil, auf dem der Schwingungserzeuger montiert ist,
weil sonst die gewünschte Brechung der Longitudinalwellen nicht stattfinden würde.
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So ist es z. B. nicht praktisch, das Verfahren von Car 1 i n zur alleinigen
Erzeugung von Transversalwellen in solchen Materialien zu verwenden, die, wie z.
B. Methylmethakrylat, eine sehr niedrige Schallgeschwindigkeit aufweisen. Es wäre
unpraktisch, einen Keil zu benutzen, der einen genügend großen Einfallswinkel liefert,
um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, Mittel anzugeben, durch die nur
Transversalwellen in einem beliebigen Material ohne wesentlichen Intensitätsverlust
und ohne Rücksicht auf die Schallgeschwindigkeit der Longitudinalwellen in dem Material
erzeugt werden können.
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Eine aus zwei Keilen bestehende Einrichtung zur Ultraschallübertragung
ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß Longitudinalwellen senkrecht zur
Eintrittsfläche des ersten Keiles eintreten und Transversalwellen senkrecht zur
Austrittsfläche des zweiten Keiles austreten.
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Die Zeichnung zeigt teilweise schematisch eine Ausführungsform der
Erfindung.
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In der Zeichnung ist ein piezoelektrisches Element 10, z. B. ein Quarzkristall-
oder Bariumtitanatschwinger, dargestellt, das von einem geeigneten hochfrequenten
elektrischen Schwingungserzeuger erregt werden kann. Der Kristall ist auf einem
Keil 11 montiert, der einen Winkel a aufweist, und erzeugt Longitudinalwellen, die
senkrecht zur Eintrittsfläche 12 in den Keil 11 eintreten. Die andere Fläche 15
des Keiles 11 ist auf einem zweiten Keil 16 montiert und steht mit der Fläche 17
des Keiles 16 in Berührung. Der Longitudinalwellenstrahl L, der in dem Keil 11 erregt
wird, trifft die Eintrittsfläche 17 des Keiles 16 unter einem Einfallswinkel
a, der dem Winkel a des Keiles n entspricht. Beim Eintritt in den
Keil 16 erzeugt der Longitudinalwellenstrahl zwei Arten von Wellen, nämlich
schnell laufende Longitudinalwellen und langsamer laufende Transversal- oder Schubwellen.
Da die Longitudinalwellen eine größere Geschwindigkeit haben, werden sie stärker
gebrochen als die TransversalwellenS. Durch geeignete Wahl des
Einfallswinkels
a und der Materialien der Keile 11 und 16, die die erforderlichen relativen
Schallgeschwindigkeiten haben, kann die Brechung der Longitudinalwellen L bis zu
dem kritischen Brechungswinkel erhöht werden, bei dem die Wellen L' total reflektiert
werden, so daß diese Wellen nicht in den Keil 16 eintreten können und nur Transversalwellen
S in dem Keil verbleiben. Zu diesem Zweck muß das Material des Keiles 16 eine höhere
Schallgeschwindigkeit für Longitudinalwellen haben als das Material des Keiles 11.
Die Transversalwellen S laufen zur Austrittsseite 18 des Keiles, von der sie bei
geeigneter Wahl des Winkels b senkrecht austreten.
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Der Wandler mit dem piezoelektrischen Element 10 und den Keilen 11
und 16, von denen der Keil 16 eine höhere Schallgeschwindigkeit als der Keil
11 hat, stellt einen Transversalwellen erzeugenden Wandler dar, der dazu
benutzt werden kann, um von störenden Longitudinalwellen freie Transversalwellen
in einem beliebigen Material ohne Rücksicht auf die Schallgeschwindigkeit des Materials
zu erzeugen oder aufzunehmen. Zu diesem Zweck kann die Austrittsfläche 18 des Teiles
16 über ein geeignetes Kopplungsmittel in Berührung mit der Eintrittsfläche
20 eines Gegenstandes oder Prüflings 21 gebracht werden, in dem die Transversalwellen
erzeugt werden sollen. Die Transversalwellen S, welche die Oberfläche
18 senkrecht treffen, treten auch in die Oberfläche 20 senkrecht ein. Da
der Einfallswinkel gleich Null ist, erzeugen die Transversalwellen keine Longitudinalwellen,
wie es der Fall wäre, wenn der Einfallswinkel größer als Null wäre.