DE1210210B - Schallkopf fuer die Ultraschall-Werkstoffpruefung - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

GOIn

Deutsche KL; 42 k-46/06

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

1210210
K37342IXb/42k
28. März 1959
3. Februar 1966

Die Erfindung bezieht sich auf einen Schallkopf für die Ultraschall-Werkstoffprüfung zur Ankopplung über eine Flüssigkeitsstrecke an das Werkstück mit einer Sendeeinrichtung, die Ultraschallimpulse durch eine Wellenabstrahlfläche in das Werkstück hineinsendet, und einer Empfangseinrichtung, die längsseits der Sendeeinrichtung befestigt ist und die reflektierten Ultraschallimpulse durch eine Wellenempfangsfläche aufnimmt, wobei eine akustische Abschirmung in der Lücke zwischen der Sendeeinrichtung und der Empfangseinrichtung vorgesehen ist.

Bei einem System, das für die zerstörungsfreie Prüfung und/oder Messung von Stoffkonstanten verwendet wird, werden das zu prüfende Werkstück und der Schallkopf in eine Flüssigkeit eingetaucht, wobei Ultraschallenergie durch die Flüssigkeit in das Werkstück eingesendet und nach Reflektion vom Werkstück wieder empfangen wird. Bei der Durchführung dieses Verfahrens zeigt es sich, daß ein sehr starkes Echo von der Berührungsfläche des Werkstückes und der Verbindungsflüssigkeit empfangen wird, in die das Werkstück eingetaucht ist. Dieses Echo wird allgemein als das Berührungsflächenecho bezeichnet, und in einigen Fällen kann es groß genug sein, kleine Echos vollständig zu überdecken, die sich aus Unterbrechungen, z. B. Fehlern» ergeben, die in der Nähe der Oberfläche des Werkstückes liegen. Zusätzlich kann das Berührungsflächenecho groß genug sein, um eine zeitweilige Lähmung des Empfänger-Verstärkers zu verursachen. Andererseits ist dieses Echo nützlich, um die Stellung einer Oberfläche des Werkstückes anzugeben und daher bei der Bestimmung der Tiefenlage der Fehler vorteilhaft.

Bei allen bekannten Vorrichtungen der eingangs erwähnten Bauart ist die akustische Abschirmung in der Lücke zwischen der Sendeeinrichtung und der Empfangseinrichtung jeweils in der Weise ausgebildet, daß sie mit der Wellenabstrahlfläche der Sendeeinrichtung und mit der Wellenempfangsfläche der Empfangseinrichtung abschließt, welch letztere sich zueinander auf gleicher Höhe befinden. Solch eine Abschirmung soll in erster Linie die direkte Übertragung von Wellen zwischen Abstrahl- und Empfangsfläche verhindern, deren Folge die akustische Blockierung des Schallkopfes wäre. Eine Dämpfung der vorerwähnten Berührungsflächen-Echosignale ist bisher lediglich dadurch vorgenommen worden, daß der Schallkopf unter Fortfall der Flüssigkeitsstrecke auf das zu prüfende Werkstück aufgesetzt wurde, dergestalt, daß sowohl Wellenabstrahl- und -empfangsfläche als auch die dazwischenliegende Abschirmung auf der Oberfläche des Werkstückes direkt auflagen.

Schallkopf für die Ultraschall-Werkstoffprüfung

Anmelder:

Kelvin & Hughes Limited,
Hülington, Glasgow (Großbritannien)

Vertreter:

Dr.-Ing. E. Liebau, Patentanwalt,

Göggingen bei Augsburg,, Von-Eichendorff-Str. 10

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Als Erfinder benannt:
William Raymond Buehan,
Alexander Bryce Balder Rankin,
Stanley William Charles Brown,

Barkingside, Essex (Großbritannien)

Beanspruchte Priorität:

Großbritannien vom 31. März 1958 (10 306) --

Zwar kann auf diese Weise das genannte Echosignal in gewissem Maße unterdrückt werden, doch ist es nicht möglich, die Amplitude dieser Berührungsflächen-Echosignale nach Belieben in ihrer Größe zu beeinflussen.

Aufgabe der Erfindung nun ist es, eine Vorrichtung zu schaffen, mit deren Hilfe es möglich ist, die Amplitude der Berührungsflächen-Echosignale zwischen ihrem Maximum und Null nach Belieben zu verändern.

Dies wird nach der Erfindung dadurch erreicht, daß die akustische Abschirmung über die Wellenabstrahlfläche der Sendeeinrichtung und die Wellenempfangsfläche der Empfangseinrichtung in Richtung auf das zu prüfende Werkstück hinausragt und relativ zur Sende- und Empfangseinrichtung in Richtung auf das Werkstück verstellbar ist.

Es hat sich gezeigt, daß, wenn die Höhe der Abschirmung so eingestellt ist, daß nur ein geringes Berührungsflächen-Echosignal empfangen wird, dennoch kräftige Echos von Unterbrechungen empfangen werden, die nahe an der Oberfläche des zu prüfenden Materials liegen. Gleichzeitig jedoch ist der erfindungsgemäße Schallkopf sehr empfindlich gegen Fehler, die eine beträchtliche Strecke von der Berührungsfläche weg in das Werkstück hinein liegen.

Mit einer akustischen Abschirmung ist ein Körper, üblicherweise in der Form einer dünnen Platte, gemeint, der einen hohen Prozentsatz einfallender akustischer Energie reflektiert und/oder absorbiert.

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In anderen Worten kann die Abschirmung aus jedem leitung 13 in der üblichen Art und Weise verbunden, benebigen Material bestehen, das dazu dient, Die Sende- bzw. Empfangseinrichtung wird dann in akustisch die Übertragungsvorrichtung von der einem wasserdichten Behälter 14 a, 14 b in solcher Empfangsvorrichtung zu isolieren. Solche Abschir- Art und Weise untergebracht, daß die vordere mungen sind in der Technik wohl bekannt und be- 5 (äußere) Fläche der Vierfelwellenlängeplatte die Gestehen oft aus Kork oder irgendeinem Material, das samtheit oder einen Teil der Basis des wasserdichten einen geschlossenen Zellenaufbau hat. Wahlweise Behälters bildet. Die jeweilige Einrichtung wird in kann ein Plattenaufbau als Abschirmung verwendet dem Behälter mit Hilfe eines geeigneten, bei 47 anwerden, bei dem abwechselnde Platten von zwei gegebenen Klebstoffes abgedichtet. Jede elektrische Materialien, die einen beträchtlichen Unterschied in io Übertragungsleitung ist so angeordnet, daß sie durch der akustischen Impedanz haben, zusammengeklebt eine Tülle 15 an der Oberseite des Behälters verwerden, so daß durch Reflektion an den aufeinander läuft, zur Verbindung mit den anderen Bestandteilen folgenden Berührungsflächen zwischen den Platten eines Ultraschall-Fehlersuchers in üblicher Art und nur sehr wenig von" den einfallenden akustischen Weise durch eine Leitung 16 a bzw. 16 b, wie in Strahlungen durch die Abschirmung dringt. Die Ab- 15 F i g. 1 gezeigt.

schirmung nach der Erfindung besteht aus zwei Die beiden Behälter 14 α und 14 δ werden an einem

Platten, die über den größeren Teil ihres Bereiches gemeinsamen Trägerteil 17 mit einer Lücke zwischen

durch einen Luftzwischenraum voneinander getrennt ihnen befestigt. Eine Abschirmung 18 ist so ange-

sind. ordnet, daß sie in der Lücke gleiten und mit Hilfe

An Hand der nachstehenden Beschreibung mehre- ao einer Gewindespindel 19 und einer Mutter 20 in dierer in den schematischen Zeichnungen dargestellter ser Lücke verschoben werden kann. Die Gewinde-Ausführungsbeispiele wird die Erfindung näher er- spindel 19 hat abgeflachte Seiten und verläuft durch läutert. Es zeigt . eine rechteckige Öffnung in dem Trägerteil 17, so

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Ausfüh- daß eine Drehung der Gewindespindel 19 verhütet

rungsform der Erfindung, 25 wird. Vorzugsweise ist die Länge der Abschirmung

Fig. 2 eine Schnittansicht einer der Sonden nach so, wie in Fig. 1 gezeigt, so daß sie durch die ge-

Fig. 1, samte Länge der Lücke zwischen den beiden Ultra-

Fig. 3 ein Schaltschema für ein Gerät nach der schallgruppen verläuft. Sie ist so verlängert, daß sie

Erfindung, sich eine gewisse Strecke über den Boden der Be-

Fig. 4 und 5 perspektivische Ansichten einer be- 30 hälter 14a, 14b hinaus erstreckt. Der Trägerteil 17 vorzugten Ausführungsform einer akustischen Ab- kann mit Führungsoberflächen 21 versehen werden, schirmung, wobei Fig. 4 einen Schritt bei der Her- die parallel zu den Wellenabstrahl- bzw. Wellenstellung und Fig. 5 die fertiggestellte Abschirmung, empfangsflächen liegen und sich darüber hinaus ermit einem Teil weggebrochen, zeigt, und strecken, und so beschaffen sein, daß er an der Ober-

Fig. 6, 7, 8, 9undlO weitere Ausführungsformen 35 fläche des überprüften Materials angreift, um die

der Erfindung in perspektivischer Ansicht. Wellenabstrahl- bzw. Wellenempfangsflächen in einem

Der in Fig. 1 und 2 gezeigte Schallkopf eignet geeigneten Abstand von der Oberfläche des Materials

sich besonders für die Tauchprüfung, bei der das zuhalten.

Werkstück in einen Wasserbehälter eingetaucht wird Wenn die Vorrichtung nach Fig. 1 in dieser Art und wobei jede Ultraschall-Erzeugergruppe eine 40 und Weise verwendet wird, wird die Abschirmung 18 Barium-Titanat-Platte 10 aufweist, an deren Rück- so weit zurückgezogen, daß ihre untere Oberfläche seite ein Block 11 eines Materials angebracht ist, das ²² ™ί ^den Oberflächen 21 in einer Ebene liegt. In eine hohe Absorption für Ultraschallwellen aufweist Fig. 1 ist ein zu prüfendes Werkstück in gestrichel- und das auch eine spezifische akustische Impedanz ^ten Linien bei 23 gezeigt, wobei die obere Vorderhat, die gleich der des Barium-Titanats ist. Ein ge- 45 kante bei 24 liegt und der Schallkopf und das zu eignetes Material für diesen Zweck ist eine Mischung prüfende Werkstück in einen geeigneten Tank mit von feinem Wolframpulver, das mit einem Binde- Wasser eingebracht werden.

mittel zusammengepreßt ist. Ein absorbierendes Ver- Im Gebrauch kann die Lücke, die die untere Stärkungsmaterial dieser Art wird benutzt, um eine Kante 22 der Abschirmung von dem zu prüfenden Rückreflektion der Ultraschallwellen zu verhindern, 5o Material trennt, mit Hilfe der Spindelmutter 20 ver- und die Wahl eines Absorptionsmaterials, das eine stellt werden. Wenn diese Lücke auf das Mindestbesondere akustische Impedanz aufweist, die iden- maß eingestellt wird, das mit der freien Bewegung tisch der des Barium-Titanats ist, verhindert, daß die der Sondergruppen zu vereinbaren ist, wird buch-Barium-Titanat-Platte bei ihrer eigenen Resonanz- stäblich kein Echosignal von der Material-Flüssigfrequenz »klingelt«. Die Vorderoberfläche (d. h. die 55 keits-Berührungsfläche empfangen. Wenn die Abdie Wellen übertragende oder empfangende Ober- schirmung angehoben wird, um eine größere Lücke fläche, die vorstehend erwähnt wurde) der Barium- zu ergeben, dann wird ein beträchtliches Berührungs-Titanat-Platte 10 wird an eine Viertelwellenlänge- flächen-Echosignal empfangen. Die Amplitude dieplatte 12 eines Materials geklebt, das eine spezifische ses Berührungsflächenechos kann so auf jeden beäkustische Impedanz hat, die gleich der Quadrat- 60 liebigen gewünschten Wert durch Einstellung der wurzel des Produktes der spezifischen akustischen Höhe der Abschirmung eingestellt werden.
Impedanz von Barium-Titanat und von Wasser ist. Bei einer bevorzugten und neuartigen Ausführungs-Ein geeignetes Material für diesen Zweck besteht form der Abschirmung, die sich als besonders erfolgaus feinem Wolframpulver, das mit einem Binde-· reich gezeigt hat, werden Platten aus Metall- oder mittel zusammengepreßt wird; eine Viertelwellen- 65 Kunststoffolie so angeordnet, daß sie eine Luftlücke längeplatte dieser Art bildet eine akustische Über- zwischen sich einschließen und von einem Gabelteil tragungsleitung. Die Hinterfläche der Barium-Tita- gehalten werden. Eine Abschirmung dieser Art kann nat-Platte ist mit einer elektrischen Übertragungs- beispielsweise, wie in F i g. 4 und 5 gezeigt, einen

Gabelteil 25 umfassen, der aus zwei parallelen, aus liehen konstanten Abstand zwischen der Abschir-

den Enden eines Querstücks herausragenden Armen mung und der benachbarten Oberfläche des geprüften

besteht. Eine Metallplatte oder Kunststoffolie 26 Materials aufrechterhält und dadurch den Schallkopf

wird einmal gefaltet und daraufhin der Gabelteil in die Lage versetzt, seine Empfindlichkeit gegenüber

zwischen die beiden so gebildeten Flächen in solcher 5 Fehlern zu behalten, die nahe der Oberfläche des

Art und Weise eingebracht, daß die Faltlinie entlang Materials liegen.

dem offenen Ende der Gabel liegt. Die Folie wird an Obwohl die Erfindung vorstehend zur Verwendung das Gabelteil gepreßt, wie in F i g. 5 gezeigt, und an mit Tauchprüfgeräten beschrieben wurde, ist off endiesem durch Lötmasse oder Klebstoff befestigt. Bei sichtlich, daß sie nicht auf diese Art der Verwendung der unter Hinweis auf F i g. 1 beschriebenen Aus- io beschränkt ist, sondern erfolgreich in jeglicher Konführungsform wird, um die Größe des Berührungs- takt- oder Lückenprüfmethode verwendet werden flächenechos zu steuern, die Abschirmung von Hand kann, bei der ein Berührungsflächensignal vorhanden bewegt. Wahlweise kann jedoch auch die Größe des ist. Als Beispiel wird eine Einrichtung zur Verwen-Berührungsflächenechos dazu verwendet werden, die dung bei der Kontaktprüfung gezeigt. Zwei Wellen Stellung der Abschirmung oder des Schallkopfes als 15 sendende Sonden 40 und 41 sind auf einem Wagen Ganzes gegenüber einem Wagen oder anderem Trä- 42 angeordnet, der Räder 43 aufweist, die auf der in ger mit Hilfe eines Servomechanismus zu über- gestrichelten Linien bei 23 gezeigten zu prüfenden wachen, der aus den aus einer vorbestimmbaren Tiefe Materialoberfläche ruhen können. Auf den oberen des Werkstückes kommenden Echosignalen eine der Flächen der Sonden befinden sich Ultraschallerzeu-Größe dieser Signale proportionale Steuerspannung 20 ger 44, 45. Die Abschirmung 18 erstreckt sich über erzeugt, welche auf Mittel zum Verstellen der Ab- die unteren Flächen der Sonden hinaus und kann in schirmung derart einwirkt, daß diese Echosignale ihrer Höhe verstellbar gemacht werden. Ein Verwährend der Prüfung etwa konstant bleiben. So sind, bindungsmittel, wie etwa das bei 46 angedeutete Öl, wie in F i g. 3 dargestellt, schematisch eine Sende- wird zwischen den unteren Flächen der Sonden und einrichtung 27, eine Empfangseinrichtung 28 und 25 der Oberfläche des Materials 23 angeordnet. Wenn zwischen diesen Gruppen eine Abschirmung 18 ge- die Abschirmung 18 beweglich gemacht und gehoben zeigt. Diese Teile 27, 28 und 18 können so angeord- wird, fließt die Verbindungsflüssigkeit in die Lücke net und gebaut werden, wie vorstehend beschrieben. und stellt so sicher, daß keine Gefahr einer Luftlücke Zeit-Basis-Signale von einem Generator 29 werden auftritt.

den Z-Platten einer Kathodenstrahlröhre 30 zugeführt 30 In Fällen, bei denen das Prüfen an komplizierten

und einem Impulssender 31, der mit der Sendeein- Materialquerschnitten ausgeführt werden soll, kann'

richtung gekoppelt ist. Von der Empfangseinrich- es wünschenswert sein, geformte akustische Abschir-

tung 28 empfangene Echosignale werden einem Ver- mungen zu verwenden. Beispielsweise kann zum Prü-

stärker 32 zugeführt und von dort zu den F-Platten fen zylindrischer Körper die Kante der Abschirmung

der Kathodenstrahlröhre. Der Ausgang vom Verstär- 35 eine teilweise kreisförmige konkave Gestalt erhalten,

ker 32 wird ebenfalls einer Torschaltung 33 züge- die sich der zylindrischen Oberfläche des Körpers

führt. Öffnungsimpulse werden von dem Zeit-Basis- anpaßt.

Generator 29 abgeleitet und in einem Netz 34 um Obwohl die Erfindung in Verbindung mit einem eine solche Größe verzögert, daß sie dazu dienen, Gerät dargestellt ist, das Längswellen zur Ultranur die Berührungsflächen-Echosignale auszuwählen. 40 schallprüfung erzeugt, kann sie in einfacher Weise Die Berührungsflächen-Echosignale vom Tor 33 ver- der Verwendung in Geräten für das Quer- und/oder laufen zu einem Integrator 35, der davon eine Span- Oberflächenwellen-Prüfverfahren angepaßt werden, nung nur in einer Richtung ableitet, die proportional F i g. 7 zeigt eine Anordnung, die ähnlich der der der Berührungsflächenechogröße ist. Diese Spannung F i g. 1 ist, zur Überprüfung mit Hilfe von Querwird einem Vergleicher 36 zugeführt, wo sie mit 45 wellen, wobei die unteren Flächen der Sende- bzw. einer Bezugsspannung aus einem Bezugsspannungs- Empfangseinrichtungen 14 a und 14 & in geeigneter Generator 37 verglichen wird. Wenn die beiden Weise gegenüber der Oberfläche des zu prüfenden Spannungen gleich sind, erfolgt kein Ausgang aus Materials 23 geneigt sind. Die untere Kante 22' der dem Vergleicher 36. Im Falle eines Ausgangsstromes Abschirmung 18 ist so angeordnet, daß sie ungefähr aus dem Vergleicher wird durch eine Steuerungsvor- 50 parallel zur Oberfläche des Materials liegt. Der Pfad richtung 39 ein umkehrbarer Motor 38 gesteuert, der der Wellen zu und von einem Fehler 48 in einer die Abschirmung 18 verstellt. Die Steuervorrichtung Schweißnaht wird ungefähr durch die Linie 49 an-39 kann beispielsweise ein polarisiertes Relais sein. gedeutet.

In dem Zustand, in dem kein Stromausgang aus dem F i g. 8 bis 10 zeigen andere Ausführungsformen

Vergleicher erfolgt, kann Vorkehrung getroffen wer- 55 von Schallköpfen nach der' Erfindung, die sich zur

den, daß der Motor 38 ausgeschaltet ist. In den Fäl- Verwendung bei der Überprüfung mit Querwellen

len, in denen entweder die von dem Berührungs- eignen und eine Flüssigkeitsfilm- oder Lückenkupp-

flächenecho oder der Bezugsspannung abgenommene lung mit dem zu prüf enden Werkstück benutzen. In

Spannung höher ist als die andere, wird der Motor F i g. 8 liegt die Abschirmung 50 senkrecht zur unte-

von der Steuervorrichtung 39 so geschaltet, daß er 60 ren Fläche der Vorrichtung, und die Sende- bzw.

in der entsprechenden Richtung läuft, um beide Empfangseinrichtungen 44, 45 sind nebeneinander in

Spannungen wieder auf die gleiche Höhe zu bringen, einer Schrägfläche angeordnet,

wonach der Motor wiederum abgeschaltet wird. In F i g. 9 ist eine Sende- bzw. Empfangseinrich-

Wenn es bevorzugt wird, kann der Motor 38 dazu tung 44,45 in einer Schrägfläche montiert, und die

dienen, den Schallkopf als Ganzes zu verstellen. 65 Abschirmung 51 ist gegenüber der Unterfläche der

Die vorstehend beschriebene Ausführungsform ist Einrichtung geneigt.

besonders nützlich für die Prüfung von Stoffen mit In Fig. 10 ist eine Anordnung gezeigt, in der die

unregelmäßigen Oberflächen, da sie einen im wesent- Ultraschallerzeuger 44 und 45 auf einem zylindri-

sehen Träger 52 montiert sind, der um seine Achse geschwenkt werden kann, um den Winkel der Oberflächen, der Ultraschallerzeuger zu verändern. Die Abschirmung ist bei 53 gezeigt,

Die Abschirmungen 50, 51 und 53 sind in der Höhe verstellbar, und im Fall der Fi g, 10 kann dies erreicht werden, indem der Träger 52 aus zwei Hälften hergestellt wird, die. durch eine Stange geringen Durchmessers verbunden sind, wobei die Stange durch eine Öfinung in der Abschirmung von genügender Größe verläuft, um die erforderliche Bewegung der Abschirmung zu gestatten.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Schallkopf für Ultraschall-Werkstoffprüfung 15-zur Ankopplung über eine Flüssigkeitsstrecke an das Werkstück mit einer Sendeeinrichtung, die Ultraschallimpulse durch eine Wellenabstrahlfläche in das Werkstück hineinsendet, und einer Empfangseinrichtung, die, längsseits der Sende- so einrichtung befestigt ist und die reflektierten Ultraschalhmpulse durch eine Wellenempfangsfläche aufnimmt, wobei eine akustische Abschirmung in der Lücke zwischen der Sendeeinrichtung und der Empfangseinrichtung vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die akustische Abschirmung über die Wellenabstrahlfläche der Sendeeinrichtung und die WeHenempfangsfläche der Empfangseinrichtung in Richtung

auf das zu prüfende Werkstück hinausragt und relativ zur Sender und Empfangseinrichtung in Richtung auf das Werkstück verstellbar ist.

2. Schallkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmung aus zwei Platten besteht, die über den größeren Teil ihres Bereiches durch einen Luftzwischenraum voneinander getrennt sind.

3. Schallkopf nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine an die Empfangseinrichtung angeschlossene Vorrichtung, die aus den aus einer vorbestimmbaren Tiefe des Werkstückes kommenden Echosignalen eine der Größe dieser Signale proportionale Steuerspannung erzeugt, welche auf Mittel zum Verstellen der Abschirmung derart einwirkt, daß diese Echosignale während der Prüfung etwa konstant bleiben.

4. Schallkopf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmbaren Echosignale die Berührungsflächen-Echosignale sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Auslegeschrift S 29470 IX/42k
kanntgemacht am 16.2.1956);

österreichische Patentschrift Nr. 181980;

belgische Patentschrift Nr. 543 861;

britische Patentschriften Nr. 723 329_a 771 362,
778166;

»Engineering« vom 24. 5.1957, S. 652 bis 655.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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