DE2030952B2

DE2030952B2 - Ultraschall-untersuchungseinheit

Info

Publication number: DE2030952B2
Application number: DE19702030952
Authority: DE
Inventors: Milton Francis Issa quah Wash Zeutschel (V St A )
Priority date: 1969-06-25
Filing date: 1970-06-23
Publication date: 1972-10-19
Also published as: CA941949A; DE2030952A1; GB1312807A; US3754435A

Description

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Die Erfindung betrifft eine Ultraschall-Untersuchungseinheit, bei der in einem Gehäuse ein elektroakustischer Wandler und eine auf der vom Untersuchungsgegenstand abgewandten Seite des Wandlers befindliche reflektierende Fläche angeordnet sind. Eine derartige Untersuchungseinheit kann zur zerstörungsfreien Prüfung eines Werkstückes auf Risse, Fehler oder sonstige Unstetigkeiten sowie zur Messung der Dicke eines Werkstücks verwendet werden.

Ein üblicherweise abgewandtes Verfahren zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung ist bei K r a u t k r ä mer, J.H.: »Werkstoffprüfung mit Ultraschall«, zweite Auflage, Berlin-Heidelberg-New York 1966, beschrieben. Danach werden Ultraschallimpulse in das zu untersuchende Werkstück gesendet, und das reflektierte oder auf der anderen Seite des Werkstücks empfangene Signal wird verstärkt und auf einem Oszilloskop als Impulszi.g sichtbar gemacht. Die Verteilung der Impulsnadeln auf dem Oszilloskop ist proportional zu dem Weg, den das akustische Signal in dem Werkstück zurücklegt, wobei die Lage eines Risses bzw. einer sonstigen Unstetigkeit durch in unregelmäßigen Abständen auftretende Nadeln lokalisiert wird.

Um genügend große Nutzsignale zu erzielen, ist die Frage der Ankopplung der Untersuchungseinheit an das zu prüfende Werkstück von großer Bedeutung. D;is in der oben angegebenen Literaturstelle beschriebene Verfahren arbeitet mit der sogenannten Tauchtechnik, bei der die Ankopplung über eine zwischengeschaltete Flüssigkeitsstrecke erfolgt. Bei anderen Verfahren dient ein kontinuierlicher Wasserstrom zur Einkopplung der Schallwellen in das Werkstück. Wieder andere Systeme arbeiten mit Glyzerin ofor ähnlichen Kopplungsmirteln, die vor der Untersuchung auf die Werkstückoberfläche aufgetragen werden. Die Verwendung von zusätzlichen Kopplungsmitteln hat jedoch stets Nachteile. Die nach der Tauchtechnik oder mit einem Wasserweg arbeitenden Geräte sind schwierig und unbequem zu handhaben, während die Glyzerinpastentechnik eine gründliche Reinigung nach der Untersuchung erfordert.

Aus der USA.-Patentschrift 3 109 111 ist ein Ultraschall-Mikrophon bekannt, bei dem in einem Gehäuse ein oder zwei elektroakustische Wandler und eine auf der vom Untersuchungsgegenstand abgewandten Seite des bzw. der Wandler befindliche reflektierende Fläche angeordnet sind. Ein solches Mikrophon ist auch zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung, etwa gemäß dem aus der deutschen Patentschrift 746 405 bekannten Verfahren, geeignet. Wird das bekannte Mikrophon jedoch ohne zusätzliches Kopplungsmedium verwendet, d. h., befindet sich zwischen dem Mikrophon und dem zu untersuchenden Werkstück nur Luft, so werden die Signale insbesondere dann, wenn mit Hochfrequenzenergie gearbeitet wird, gedämpft, so daß die Auflösung und Auswertung der empfangenen Signale schwierig wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Ultraschall-Untersuchungseinheic mit Luftkopplung die Intensität der auszusendenden bzw. zu empfangenden Ultraschallschwingungen gegenüber den bekannten Vorrichtungen im -v'rksamen Bereich des Ultraschallwandlers zu erhöhen und störende, an der Oberfläche des zu untersuchenden Werkstücks reflektierte Ultraschallschwingungen zu schwächen oder auszuschalten.

Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung dieser Aufgabe bei einer Untersuchungseinheit der eingangs bezeichneten Art dadurch, daß die reflektierende Fläche eine vorspringende Teilfläche aufweist, der gegenüber der elektroakustische Wandler angeordnet ist, und daß in dem Gehäuse in bestimmtem Abstand von der dem Untersuchungsgegenstand zugewandten Seite des Wandlers ein weiterer Reflektor angeordnet ist. In dem beschränkten Bereich zwischen dem Wandler und der vorspringenden Teilfläche bildet sich dabei eine Druckkonzentration der Ultraschallschwingungen, wodurch die Empfindlichkeit der Untersuchungseinheit erhöht wird; der genannte weitere Reflektor dient zur Schwächung von an der Werkstückoberfläche reflektierten unerwünschten Schwingungen. Wird dieser weitere Reflektor vorzugsweise in einem Abstand, der einem Viertel der Wellenlänge der Ultraschallschwingungen entspricht, von der erstgenannten reflektierenden Fläche der Untersuchungseinheit angeordnet, so werden etwa auftretende stehende Wellen zwischen der Untersuchungseinheit und der Werkstückoberfläche unterdrückt.

Die Erfindung schafft also eine bessere Trennung der Nutzsignale von Störsignalen und ein stärkeres Ansprechen der Untersuchungseinheit auf die Nutzsignale. Dadurch wird die erfindungsgemäße Untersuchungseinheit insbesondere für Luftkopplung geeignet.

Die Erfindung ist durch die nachstehende detail-

lierte Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels an Hand der Zeichnungen näher erläutert; darin zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild für ein Ultraschall-Prüfsystem,

Fig.2 einen Querschnitt durch eine der bei der Ausführungsform nach F i g. 1 verwendeten Wandler-Untersuchungseinheiten,

Fig.3 einen Schnitt durch die Untersuchungseinheit längs der Linie 3-3 der F i g. 2,

Fig.4 einen Schnitt durch die Untersuchungseinheit längs der Linie 4-4 der F i g. 2,

Fig.5 einen weiteren Schnitt durch die Untersuchungseinheit längs der Linie 5-5 der F i g. 2,

F i g. 6 ein in der Untersuchungseinheit nach F i g. 2 verwendetes elastisches Halteelement und

F i g. 7 eine halbschematische Darstellung der Elemente der in F i g. 2 gezeigten Untersuchungscinheit.

Das in den Zeichnungen dargestellte zerstörungsfrei arbeitende Prüfinstrument 10 umfaßt einen Sender 12, der eine Folge von intermittierend auftretenden, verhältnismäßig niederfrequenten Impulsen erzeugt, wobei in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Frequenz im Bereich von 25 bis 40 kHz bevorzugt wird. Der Sender 12 ist mit einer Untersuchungseinheit 14 verbunden, die ein Paar von Ultraschallwandlern 15 und 16 umfaßt. Die von dem Sender 12 ausgesandten Impulse erregen den Sendewandler 15 in der Untersuchungseinheit 14, der einen entsprechenden Ultraschall-Impuls in ein Werkstück 17 aussendet.

Die Impulse werden von dem Empfangswandler 16 in der Untersuchungseinheit 14 empfangen, der ein ähnliches elektrisches Signal erzeugt. Dieses elektrische Signal wird einem Empfänger 18 zugeführt, der mit einem Vertikal-Ablenkgenerator 20 verbunden ist, der seinerseits an eine Kathodenstrahlröhre 22 angeschlossen ist. Der Sender 12 wird von einem Impulsgenerator 24 aus gesteuert, der außerdem einen Horizontal-Ablenkgenerator 26 beaufschlagt. Die Horizontal- und Vertikal-Ablenkgeneratoren Γ j, 20 steuern die Kathodenstrahlröhre 22.

Die Ausgangssignale des Empfängers 18 und des Horizontal-AblenkgeneratoTs 26 werden in einem Bild 28 auf dem Schi-m des Oszilloskops 22 sichtbar gemacht. Der Bildschirm der Kathodenstrahlröhre 22 gibt die rückkehrende Energie als Maß derjenigen Zeit wieder, die die Ultraschallenergie von dem Sendewandler 15 zum Empfangswandler 16 benötigt. Ist in dem Material ein Riß oder Fehler vorhanden, so nimmt die Laufzeit der Energie je nach der Art des Fehlers zu oder ab. Auch Dickenschwankungen des Werkstücks lassen sich als Änderungen in der Laufzeit der Ultraschallenergie feststellen, wobei die Lage der Impulsnadel auf dem Oszilloskop, verglichen mit einer Bezugsmarke, ein Maß für die Dicke des Werkstücks 17 ist. Eine typische Schaltung für ein solches Gerät ist in der deutschen Offenlegungsschrift 2 030 954 beschrieben.

In F i g. 2 ist ein Wandler der Untersuchungseinheit 14 gezeigt. Die Wandler-Untersuchungseinheit 14 umfaßt ein Gehäuse 40 mit einem darin angeordneten Einsatz 42. Das Wandlergehäuse 40 kann Zylinderform haben. Der Eiirntz 42 mag aus einem elektrisch und akustisch nicht leitenden Material, wie etwa Kunststoff, einem Epoxyharz od. dgl., bestehen. Der Einsatz 42 weist einen (am besten aus F i g. 5 und 7 ersichtlichen) erhabenen zylindrischen Abschnitt 44 auf, der von dem Einsatz 42 generell auf das Werkstück 17 zu vorspringt.

In den Einsatz 42 ist ein U-förmiges Bauelement eingebettet, das zwei außenliegende Stifte 46 und 48

aufweist. In dem Einsatz 42 kann ferner ein Paar von Kontaktanschlüssen 50 und 52 vorgesehen sein, die durch eine Öffnung im oberen Teil des Gehäuses 40 nach außen geführt sind und eine Elektrizitätsleitung zu bzw. von der Sende- bzw. Empfangswandler-

Untersuchungseinheit gestatten. An den Stiften 46, 48, 50 und 52 ist ein Wandler 49 in Form eines piezoelektrischen Kristalls über ein Paar von elastischen Elementen 56 auf die in Fig. 4 gezeigte Art und Weise elastisch montiert.

Das in F i g. 6 gezeigte Befestigungselement 56 zur Montage des Wandlers 49 an dem Einsatz 42 besteht aus elastischem Material wie etwa Gummi. An den beiden Enden des Elements 56 sh.d Löcher 60 und 61 vorgesehen. Das Element 56 ist im wesentlichen läng-

Hch und weist einen Längsschlitz 66 auf. Eines solcher Elemente 56 ist zwischen den Kontaktstiften 50 und 52 eingespannt, wobei das Loch 60 an dem Stift 52 und das Loch 61 an dem Stift 50 befestigt ist. Der Wandler 49 ist in dem Schlitz 66 des elastischen EIements 56 angeordnet.

Das andere elastische Element ist auf die gleiche Weise mit dem Wandler 49 verbunden und in Querrichtung zu diesem an den Stiften 46 und 48 befestigt. Diese Art der Befestigung ergibt für den Wandler 49 völlige Bewegungsfreiheit.

In F i g. 3 ist eine Reflektorplatte 62 gezeigt, die an den Stiften 46 und 48 fest angebracht ist. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist die Reflektorplatte von kleinerer Größe als der Wandler 49 gezeigt.

F i g. 7 gibt eine in gewisser Weise schematische Darstellung der relativen Anordnung dos Einsatzes 42, der erhabenen reflektierenden Fläche 44, des Kristallwandlers 49 und des Reflektors 62. Wie dem Fachmann bekannt, hat der Wandler 49 bei Erregung mit elektrischer Energie die Tendenz, Dickenschwingungen auszuführen. Dabei biegt er sich beispielsweise längs seiner Mittelachse. Es ist bekannt, daß bei dieser Biegung zwei Stellen, die im folgenden als Knotenpunkte bezeichnet werden sollen, stationär bleiben. In F i g. 7 sind sie als Punkte 76 und 78 angegeben.

Die von üer Wandler-Untersuchungseinheit 14 empfangene Ultraschallenergie breitet sich insbesondere bei niedrigen Frequenzen im Bereich um 25 kHz in einer verhältnismäßig breiten Keule aus. Es ist zweckmäßig, den Druck dieser Ultraschalltnergie auf die Wandlerkristalle 49 und vorzugsweise zwischen den Knotenpunkten 76 und 78 zu konzentrieren. Dabei wird eine Beschränkung der Ultraschallenerye auf den Raum zwischen dem Wandlerkristall 49 und der erhabenen Fläche 44 erreicht, in dem der hier dazwischenliegende Abstand verhältnismäßig kürzer ist. Diejenige Ultraschallenergie, die an sich nicht wirksam auf den Kristallwandler trifft, wird von der Reflexionsfläche 80 des Einsatzes 42 reflektiert und zwangläufig in den beschränkten Bereich 82 gebracht, was einen höheren Druck auf den Wandlerkristall 49 erzeugt und bewirkt, daß dieser stärkere Schwingungen ausführt und somit die aufgenommene Energie gesteigert wird.

Bekanntlich hängt die Resonanzfrequenz eines Kristalls von seiner räumlichen Gestalt ab. Beispielsweise hat ein Kristall mit einer Länge von 9,6 mm, die in F i g, 7 als eine Wellenlänge }. angegeben ist, eine Re-

2 050 952
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sonanzfrequenzbei 25 kHz. Bei dieser Ausfiihrungs- flexionen von der Fläche 80 auslöschen, weil sie auf

form befindet sich¹ der Reflektor 62 im Abstand eihfe'r Grund des ;/4-Äbstands um 180° phasenversetzt sind,

Viertelwellenlänge A/4 von der reflektierenden Fläche werden die stehenden Wellen ausgeschaltet. Diese

SO: ^fBeim';Betrieb ist 'es drwühscht, stehende Wellen, ausgelöschten Signale treffen daher nicht auf den Kriaie'von₍der-Öberfiäche d?s. Werkstücks^: 17 ,reflektiert 5 stall 49, und es werden von diesem nur diejenigen Si-

i^rderi', so kfein'wie Möglich zu halten, Da die von gnale empfangen, die direkt aus dem Sendewandler

dem'Reflektor62'reflektierten Signale.sämtliche Re- stammen.

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Claims

Patentansprüche:

1. Ultraschall-Untersuchungseinheit, bei welcher in einem Gehäuse ein elektroakustischer Wandler und eine sich auf der vom Untersuchungsgegenstand abgewandten Seite des Wandlers befindliche reflektierende Fläche angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierende Fläche (80) eine vorspringende TeilQäche (44) aufweist, der gegenüber der elektroakustische Wandler (49) angeordnet ist, und daß in dem Gehäuse (40) in bestimmtem Abstand von der dem Untersuchungsgegenstand zugewandten Seite des Wandlers ein weiterer Reflektor (62) angeordnet ist.

2. Untersuc iungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vorspringende Teilfläche (44) zwischen den Schwingungs-Knotenpunkten (76, 78) des Wandlers (49) liegt.

3. Untersuchungseinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Reflektor (62) im Abstand eiüer Viertelwellenlänge von der einen reflektierenden Fläche (80) angeordnet ist.

4. Untersuchungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß auf der reflektierenden Fläche (80) symmetrisch zu deren Mittelpunkt Befeitigun^stifte (46. 48, 50, 52) angeordnet sind, an denen elastische Elemente (56) zur Montierung des WandLrs (49) befestigt sind.

5. Untersuchungseinheit nach Anspruch 4, dadur :h gekennzeichnet, daß der weitere Reflektor (62) an den Befestigungsstiften (46, 48) befestigt ist.