DE2442040B2

DE2442040B2 - Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung des Auftreffwinkels eines Ultraschallstrahlenbundels

Info

Publication number: DE2442040B2
Application number: DE2442040A
Authority: DE
Inventors: Christian Gagny Flambard; Alain Creil Lambert; Miguel Sancho Gouvieux Pavon
Original assignee: Centre Technique des Industries Mecaniques CETIM
Current assignee: Centre Technique des Industries Mecaniques CETIM
Priority date: 1974-03-19
Filing date: 1974-09-03
Publication date: 1979-05-03
Also published as: DE2442040A1; FR2265064B1; JPS50126291A; SE408095B; IT1021392B; DE2442040C3; CA1008553A; FR2265064A1; SE7411571L; US3937067A; GB1464025A; JPS5427275B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung

ίο des Auftreffwinkels eines von einem Ultraschallsender ausgehenden, auf einen Punkt an der Oberfläche eines zu prüfenden Materials gerichteten Ultraschallstrahlenbündels, das am Auftrefrpunkt reflektiert wird, wobei die Intensität des von der Materialoberfläche reflektiertei Ultraschallstrahlenbündels in Abhängigkeit des Auftreffwinkels in einem Ultraschallempfänger gemessen wird, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Bei der nicht zerstörenden Materialprüfung mittels

Ultraschall verwendet man mechanische Schwingungen hoher Frequenz mit dem Ziel, Informationen über die Eigenschaften und Fehler des untersuchten Materials zu erhalten. Diese Informationen werden aus der Analyse der Transmissions-, Reflexions-, Beugungs-, Diffusions- oder Strahlungsphänomene der Ultraschallwellen ermittelt Zur Beobachtung dieser Phänomene ist es sehr häufig notwendig, die Sonden, die das Ultraschallstrahlenbündel emittieren und/oder empfangen, bequem orientieren zu können und die Winkel zu erfassen oder zu messen, welche die Ausbreitungsrichtungen der Ultraschallwellen mit der Oberfläche der untersuchten Materialien bilden.

Bei den bekannten Verfahren werden diese Winkel mechanisch durch Bestimmung der Lage ermittelt Sie werden unabhängig von der Beobachtung des Ultraschallstrahls gemessen. So ist beispielsweise aus der GB-PS 9 59 029 ein Verfahren der eingangs genannten Art bekanntgeworden, bei dem die Sonde- oder die Empfängersonden längs einer Kreisbahn bewegt werden, deren Mittelpunkt der Auttreffpunkt des Strahlenbündels auf der zu prüfenden Materialoberfläche ist Diese Messungen erfordern sehr präzise, heikel zu bedienende Gerätschaften.
Die vorliegende Erfindung hat gegenüber diesen bekannten Verfahren insbesondere die Aufgabe, eine sehr genaue Winkelmessung zu ermöglichen, die ■ Auswertung der Meßergebnisse zu erleichtern und die entsprechende Vorrichtung zu vereinfachen, insbesondere für den Fall, '.n dem die Winkel gesucht und

so bestimmt werden, die Maxima oder Minima der Ultraschallenergie entsprechen.

Diese Ausgabe wird durch das Verfahren nach Anspruch 1 gelöst Die Ansprüche 2 bis 9 kennzeichnen Aus- bzw. Weiterbildungen einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Die Erfindung besteht im wesentlichen darin, die Länge des Weges, die von dem Ultraschall durchlaufen wird, meßbar durch die Zeit, welche die Ultraschallwellen zum Durchlaufen des Weges brauchen, mit der Winkelstellung des Ultraschallstrahls zu verknüpfen.

Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung läßt sich besonders vorteilhaft bei der nicht zerstörenden Materialprüfung durch Analyse der obenerwähnten Phänomene verwenden. Die erfaßten Winkelstellungen sind also im allgemeinen solche eines Ultraschallstrahls, der auf einen im wesentlichen feststehenden Punkt des Materials hin emittiert oder von einem im wesentlichen feststehenden Punkt dieses Materials empfangen wird.

Das Verfahren ist jedoch gleichermaßen vorteilhaft bei der Erfassung oder Messung von Winkeln in jedem anderen Anwendungsgebiet anwendbar. Eine besondere Ausführungsart des Verfahrens besteht darin, den Ultraschallstrahl eine Winkelverschiebung ausführen zu lassen, die einem zu messenden Winkel entspricht, die Variation in der Durchlaufzeit der Ultraschallbahn bei dieser Verschiebung zu messen und daraus den Wert des Winkels mittels einer bestimmten Beziehung, weiche die Variation der Bahnlänge mit den Winkelver- ι ο Schiebungen des Strahls verknüpft, zu ermitteln.

In jedem Fall ist es vorteilhaft, das Verfahren in einem Bereich relativ kleiner Winkelverschiebungen zu benutzen. Dann ist es leichter, eine einfache Beziehung zwischen den Variationen des Bahnweges und den Winkelverschiebungen aufzustellen, beispielsweise eine annähernd lineare Beziehung.

Im Falle nichtzerstörender Materialprüfung IaBt sich das Verfahren insbesondere zur Durchführung von Versuchen verwenden, in denen man ein einfallendes Ultraschallstrahlenbündel einer Reflexion an einem im wesentlichen feststehenden Punkt der Oberfläche -Jes zu untersuchenden Materials unterwirft und die Variation der Energie des reflektierten Strahls als Funktion des Einfallwinkels beobachtet Das Verfahren erlaubt also insbesondere die Bestimmung der kritischen Winkelstellungen des einfallenden Strahls, oberhalb derer die longitudinalen oder die transversalen Wellen Totalreflexion erfahren, und der Winkelstellungen, in denen Rayleigh-Wellen erzeugt werden. Die entsprechenden Winkel werden dabei durch charakteristische Maxima und Minima der reflektierten Energie deutlich.

Eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann vorteilhafterweise in der Bahn des Ultraschallstrahls mindestens ein bewegliches Element umfassen, das eine Winkelverschiebung des Strahls und/oder eine Veränderung der Bahnlänge ermöglicht Dieses bewegliche Element kann eine Emissionssonde und/oder Empfangssonde des Strahls sein oder auch ein Zwischenelemen· zur Ablenkung des Strahls, beispielsweise ein Spiegel, ein Prisma oder die Oberfläche des zu prüfenden Materials selbst

Die Winkelstellung des Strahls und die Variation der Bahnlänge des Ultraschalls können auch durch zwei verschiedene bewegliche Elemente ermöglicht werden, deren Bewegungen in geeigneter Weise verknüpft sind. Es ist jedoch im allgemeinen vorteilhafter, ein einziges bewegliches Element mit Mitteln auszustatten, die diesem die Ausführung kombinierter Rotations- und Translationsbewegung gestalten und die bestimmte so Beziehung zwischen der Winkelverschiebung des Strahlenbündeb und der Variation des Strahlenweges des Ultraschalls sicherstellen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Zeichnung ss näher erläutert; es zeigt

F i g. 1 schematisch eine erste Ausführungsform, bei der eine einzige Sonde zur Emission und Absorption der Ultraschallstrahlen verwendet wird,

F i g. 2 schematisch eine zweite Ausführungsform, bei der zwei verschiedene Sonden zur Emission und zur Absorption des Ultraschalls verwendet werden,

Fig.3 schematisch eine Vorrichtung mit beweglichem Spiegel,

Fig.4 eine Ausführungsvariante der Mittel zur es Verschiebung des beweglichen Spiegels,

Fig.5 die Variation der Fsergie eines reflektierten Strahlenbündels als Funktion des Einfallswinkels und damit die Anwendung der Erfindung bei der nicht zerstörenden Materialprüfung,

Fig.6 im Teilschnitt eine besondere Ausführungs» form einer Vorrichtung gemäß der Erfindung,

Fig.7 einen Teilschnitt gemäß VII-VII durch die Vorrichtung gemäß F i g. 6,

Fig.8 einen Teilschnitt gemäß VIII-VIII durch die Vorrichtung von F i g. 6,

F i g. 9 eine weitere Ausführungsform einer Vorrichtung in teilweisem Längsschnitt,

Fig. 10 die Vorrichtung von Fig.9 im Querschnitt X-X von F ig. 9.

Die verschiedenen im folgenden beschriebenen Vorrichtungen ermöglichen gemäß der Erfindung die Beobachtung eines Ultraschallstrahlenbündels während seiner Winkelverschiebungen, indem eine entsprechende begleitende Variation der Bahnlänge, die von den Ultraschailistrahlen zwischen ihrer Emission und ihrem Empfang durchquert wird, bewirkt wird. Diese Variation der Bahnlänge folgt einer bestimmter Beziehung zu den Winkelverschiebungen des Strahlenbündel^ so daß die Winkelstellung des Strahlenbündels durch Messung der Zeit ermittelt werden kann, die ein Ultraschallimpuls zur Durchquerung der Bahn benötigt Dabei wird allgemein auf den bevorzugten Fall Bezug genommen, in dem das verwendete Ultraschallstrahlenbündel in Richtung auf einen festen Punkt an der Oberfläche des Materials ausgesandt wird oder in dem das Strahlenbündel nach mindestens einmaliger Reflexion an dieser Oberfläche empfangen wird.

Die Ultraschallwellen werden in Form von Impulsen von einer Sonde erzeugt, die im allgemeinen von einem piezoelektrischen keramischen Stoff, der periodischen elektrischen Aufladungen unterworfen wird, gebildet ist Der Empfang kann durch eine weitere Sonde erfolgen oder durch dieselbe Sonde in den Zeitintervallen, die zwischen den aufeinanderfolgenden Impuls-Emissionen liegen.

Die schematisch in der F i g. 1 gezeigte Vorrichtung umfaßt also eine einzige Sonde 1, die gleichzeitig als Emitter und Empfänger dient Die Achse der Sonde wird durch zwei Punkte a und b gebildet, die sich durch die Konstruktion der Vorrichtung auf zwei Kurven A und B bewegen müssen. Diese besitzen folgende Eigenschaften:

Die Richtung a-b verläuft immer durch einen festen Punkt 0 auf der Oberfläche 2, die im allgemeinen von der Oberfläche eines zu untersuchenden Werkstücks gebildet wird;

Die Entfernung 0-a ist eine einfache und bekannte Funktion des Einfallswinkels θ gegen die Oberfläche 2, insbesondere eine lineare Funktion.

Ein sphärischer oder zylindrischer Spiegel, der auf den Funkt 0 konzentriert ist, kehrt die von der Oberfläche 2 reflektierten Ultraschallwellen rm und leitet sie zurück zur Sonde 1. Die Messung der Zeit, die ein Impuls zur Durchquerung des Weges zwischen Sonde und Spiegel und zurück benötigt, erlaubt, die Entfernung, die von d;n Wellen durchquert wird, zu bestimmen und daraus mit hoher Genauigkeit den Winkel θ zu ermitteln. Dabei wird die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wellen im Milieu, das zwischen Sonde 1, Oberfläche 2 und Spiegel 3 durchquert wird, als bekannt angenommen. Im allgemeinen handelt es sich um ein flüssiges Koppl.ngsmcdium, das so gewählt wurden kann, daß die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Ultraschallwellen praktisch nicht auf Temperaturveränderungen anspricht Die zwischen den Winkelverschic·

bungen der Sonde 1 bei Drehung um den Punkt 0 und der Variation seiner Entfernung vom Punkt 0, d. h. also der Variation der Bahnlänge, die vom Ultraschall durchquert wird, bestehende Beziehung ist durch die Konstruktion der Vorrichtung vollständig definiert Die Winkel können durch die Durchlaufzeit, die mit sehr großer Genauigkeit gemessen wird, bestimmt werden. Als Beispiel sei eine Rotation der Sondenachse um 10° angenommen, die von einer Variation der Entfernung der Sonde von der Oberfläche 2 um 30 mm begleitet wird. Das akustische Kopplungsmedium sei Wasser. Dann kann die Messung der Durchlaufzeit Variationen in der Entfernung von 0,05 mm, entsprechend einer Winkelverschiebung von einer Minute, erfassen.

Die schematische, in F i g. 2 dargestellte Vorrichtung umfaßt zwei Sonden. Eine Emittersonde 4 ist so angeordnet, daß ihre Achse um den festen Punkt 0 auf der Oberfläche des Werkstücks 5 schwenken kann. Die Empfangssonde 6, deren Achse ebenfalls auf den Punkt 0 zentriert ist, ist so beweglich angeordnet, daß die zwei Punkte a und b, welche ihre Achse bilden, sich auf den Kurven A und B bewegen müssen, die wie diejenigen Kurven A und flvon F i g. 1 definiert sind.

In dem betrachteten Fall wird die Emittersonde unabhängig von der Empfangssonde verschoben. Bei einer bestimmten Lage der Emittersonde wird die Empfangssonde verschoben und die Stellung aufgesucht, in der die Empfangssonde Ultraschallimpulse maximaler Energie empfängt und die dem von der Emittersonde herkommenden, an der Oberfläche des Werkstücks reflektierten Strahlenbündel entspricht. Die Messung der Zeit, die ein Ultraschallimpuls zur Durchquerung des Weges zwischen Emittersonde und Empfangssonde bei Reflexion an dieser Oberfläche benötigt, ermöglicht wie im vorhergehenden Fall die Bestimmung der Bahnlänge, die von den Ultraschallwellen durchquert wird, und daraus der Winkelstellungen der Sonden.

In Abwandlung dieser Vorrichtung können die zwei Sonden, die Emitter- und die Empfangssonde, einer zueinander symmetrischen Bewegung bezüglich der Oberflächennormale des Werkstücks unterworfen werden.

Wenn die Winkelverschiebung der Sonde von F i g. 1 oder der zwei Sonden von F i g. 2 gering ist, können die Kurven A und B durch geradlinige Bahnen ersetzt werden. Die Vorrichtung kann dann beträchtlich gegenüber derjenigen vereinfacht werden, die bei Einhaltung gekrümmter Bahnen erforderlich ist

Bei anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Sonde oder können die Sonden, die zur Emission und zum Empfang des Ultraschallstrahlenbündels verwendet werden, feststehend sein. Die einander begleitenden Variationen des Einfallswinkels des Strahlenbündel und der Bahnlänge der Ultraschallwellen kann dann von einem oder mehreren beweglichen Elementen in der Strahlenbahn bewirkt werden, beispielsweise Elemente, welche den Strahl umkehren oder ablenken.

Dementsprechend umfaßt die Vorrichtung von F i g. 3 eine feste Sonde 7, die zugleich als Emitter und Empfänger dient Em beweglicher Spiegel 8 reflektiert die Ultraschallwellen, die von der Sonde 7 ausgesandt werden, in Richtung auf den festen Punkt 0 der Oberfläche 9. Der feststehende Spiegel 10 ist sphärisch oder zylindrisch und auf den Punkt 0 zentriert & kehrt das bei 0 auf der Oberfläche 9 reflektierte Strahlenbündel um.

In dem in F i g. 3 dargestellten Fall ist der bewegliche

Spiegel 8 ein einfacher Planspiegel, der einer Rotationsbewegung unterworfen werden kann. Dies ist in der Figur durch verschiedene Stellungen desselben Spiegels gezeigt. Bei dieser Vorrichtung kann die Drehung des ; Spiegels eine leichte Verschiebung des auf der Fläche 9 des Werkstücks gesehenen Punktes mit sich bringen. Aber bei relativ kleinen Winkelverschiebungen der Achse des einfallenden Strahlenbündels (größenordnungsrnäßig einige Grade) bleibt die Verschiebung des

ίο Strahlenbündels auf der Oberfläche des Werkstücks um den Punkt 0 im wesentlichen weit unterhalb der Wellenlänge der verwendeten Schwingung (beispielsweise in der Größenordnung von 0,05 mm). Sie ist daher vernachlässigbar.

π In dem Fall, in dem das einfallende Strahlenbündel bedeutende Winkelverschiebungen ausführen muß, beispielsweise größenordnungsmäßig tO oder einige -zig Grad, kann man ein etwas komplexeres System zur Verschiebung des beweglichen Elements benutzen, damit der Punkt 0, in dem das Strahlenbündel an der Oberfläche des Werkstücks reflektiert wird, im wesentlichen feststehend bleibt

Ein solches komplexeres System ist in der Fig.4 gezeigt Die Funktion des Spiegels 11 auf das

2s Ultraschallstrahlenbündel ist dieselbe wie diejenige des Spiegels 8 in Fig.3. Er schwenkt jedoch um eine Drehachse 12 am Ende einer Führungsstange 13. Diese Stange verschiebt die Achse 12 linear in der Achse der Emitter- und Empfangssonde des Ultraschallstrahlenbündeis. Der Spiegel 11 trägt zudem eine Rolle 14, die sich auf der Nockenfläche 15 bei der Bewegung der Stange 13 verschiebt Auf diese Weise wird eine Rotation des Spiegels um seine Drehachse 12 bewirkt Das Profil der Nockenfläche 15 ist so bestimmt, daß sich

3$ eine geeignete kombinierte Translations- und Rotationsbewegung des Spiegels ergibt

Was nun auch die Mittel zur Emission und zum Empfang des Ultraschallbündels und die Mittel zur Winkelverschiebung des einfallenden Strahlenbündels sind, die Vorrichtung gemäß der Erfindung ist ganz besonders geeignet zur nichtzerstörenden Materialprüfung durch Beobachtung der Energievariationen des reflektierten Strahlenbündels als Funktion des Einfallswinkels auf die Oberfläche des Materials. Diese Variationen ermöglichen die Bestimmung der kritischen Einfallswinkel für verschiedene Schwingungsarten, die bei der einfallenden Welle im Material erzeugt werden. Diese Winkel sind diejenigen, bei denen die gebeugten longitudinalen und transversalen Wellen mit der

so Normalen an der Oberfläche einen Winkel von 90° bilden, und diejenigen, bei denen Rr yleigh-Wellen erzeugt werden.

Die Variation der Energie des reflektierten Strahlenbündels wird von der Empfangssonde gemessen. Sie kann auf einem Oszilloskop sichtbar gemacht werden, dessen Zeitskala direkt den Wert des Einfallswinkels θ ausdrücken kann, da ja die Bahnlänge der Ultraschallwellen und damit die Laufzeit eine bekannte Funktion dieses Einfallswinkels ist

Fig.5 zeigt die Variation der Energie E der empfangenen Ultraschallimpulse als Funktion des Einfallswinkels Θ. Sie läßt die Maxima und Minima erkennen, die verschiedenen kritischen Einfallswinkeln entsprechen, so Θ/. für die Longitudinalenwellen, θ τ für die transversalen Wellen und Br für die Rayleigh-Wellen.

Aus den Werten dieser drei Winkel und aus der bekannten Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wellen im

Kopplungsmedium, das von dem Strahl durchquert wird, nämlich Vi, IaBt sich die entsprechende Ausbreitungsgeschwindigkeit für jede der drei verschiedenen Ausbreitungsarten der Wellen durch die folgenden Beziehungen ermitteln:

longitudinal Wellen V_L =

transversale Wellen V_T =

Vi

sin B_L

sin W₇

10

Rayleigh Wellen

^R sin f-)_R

Im allgemeinen begnügt man sich jedoch damit, die Winkel θί. und Θ« zu messen, da das Maximum, das den transversalen Wellen entspricht, nicht deutlich ist. Die entsprechende Ausbreitungsgeschwindigkeit kann aus den beiden anderen errechnet werden.

Aus der Kenntnis der Ausbreitungsgeschwindigkeiten, die verschiedenen Ausbreitungsarten der Wellen entsprechen, lassen sich mit bekannten Rechenmethoden die mechanischen Charakteristika des geprüften Materials, insbesondere der Youngsche Modul und der Poisson-Koeffizient ermitteln.

Zudem kann durch die Messung der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Rayleigh-Wellen durch ebenfalls bekannte Methoden die Dicke einer Verkleidung oder die Tiefe einer Behandlung, welche die Veränderung jo von Eigenschaften der Oberflächenschichten eines Materials bewirkt beispielsweise thermischer Behandlungen und thermo-chemischer Behandlungen zur Härtung, bestimmt werden.

Nun werden genauer zwei besondere Ausführungsformen der Vorrichtung gemäß der Erfindung beschrieben, mit denen die Messung dieser kritischen Einfallswinkel an der Oberfläche eines Materials möglich ist.

Bei der in den F i g. 6, 7 und 8 gezeigten Vorrichtung wird eine Ultraschallsonde 21 in einer Büchse 22 gehaltert, die formschlüssig mit einer Fläche des Gehäuses 41 verbunden ist, welches die Vorrichtung umgibt. Gegen die gegenüberliegende Fläche des Gehäuses liegt ein zylindrisches Teil an, dessen Achse mit der Achse der Sonde 21 übereinstimmt und auf dem ein Spiegel · 23 unter 45° gegenüber der Achse angebracht ist. Dieser Spiegel ermöglicht die Justierung der Vorrichtung durch Autokoliirnation. Durch Drehung des zylindrischen Stückes um 90° um seine Achse kann das von der Sonde 21 emittierte Ultraschallstrahlenbündel in eine Richtung senkrecht auf die Oberfläche eines zu untersuchenden Werkstücks reflektiert werden, auf den Punkt 31 von Fig.6, oder in Richtung eines Spiegels 19, der auf einem beweglichen Tei! 24 angebracht ist

Im Betrieb ist der Spiegel 23 so angeordnet daß er das Ultraschallstrahlenbündel auf den Spiegel 19 lenkt Dieser leitet das Strahlenbündel auf das zu untersuchende Werkstück, auf den feststehenden Punkt 31 hin, und zwar unter einem Einfallswinkel, der durch Verschie- eo bung des beweglichen Teils 24 variiert werden kann.

Die Variation des Einfallswinkels des Strahlenbündels erhält man durch Rotation des Teils 24 um eine fiktive Achse 25 mittels einer Führungsvorrichtung. Diese Führungsvorrichtung umfaßt zwei feststehende Rollen 26, die gegen zwei symmetrische, zylindrische, am beweglichen Teil 24 herausgearbeitete Laufflächen anliegen. Eine Gegenrolle 27 hält das TeU 24 gegen die Rollen 26; sie ist auf einer exzentrischen Achse 28 (F i g. 7) montiert, die beim Zusammenbau der Vorrichtung einen geeigneten Sitz des Teils 24 ermöglicht.

Der zylindrische Spiegel 29 ist so angeordnet daß er das von der Oberfläche des zu untersuchenden Werkstücks bei 31 reflektierte Ultraschallstrahlenbündel empfängt Ei* ist feststehend und seine Achse ist parallel zur Oberfläche des zu untersuchenden Werkstücks und verläuft durch den Punkt 31 dieser Fläche. Der Spiegel 29 kehrt also das Ultraschallstrahlenbündel um in Richtung auf die Sonde 21, die zugleich als Emitter und Empfänger dient.

Der bewegliche Spiegel 19 kann mittels eines Motors 30 in Bewegung gesetzt werden. Dieser versetzt eine Spindel 36 in Drehung mittels einer Antriebsrädervorrichtung 35. Die Spindel wird im Gehäuse 41 durch zwei Einheiten 37 gehalten, die ein Drehlager 52 und eine Dichtverbindung 53, die in einem Ring 54 angebracht ist. umfassen.

Die Spindel 36 trägt eine mit ihr zusammenwirkende Mutter 38, die von der Drehung der Spindel in eine Translationsbewegung versetzt wird. Das bewegliche Teil 24, welches den Spiegel 19 trägt folgt der Translationsbewegung der Mutter 38 getreu mitteis einer Rolle 32, die auf einem mit dem Teil 24 fest verbundenen Arm 33 verbunden isL Eine Feder 34 hält die Rolle 32 im Anschlag an der Mutter. Zwei Anschläge 39, die vom Gehäuse 41 getragen werden, begrenzen die Bahn der Mutter 38 und damit diejenige des Teils 24.

Das Gehäuse der Vorrichtung ist so konstruiert, daß es mit einer Flüssigkeit gefüllt werden kann. Diese dient dazu, die akustische Kopplung zwischen der Sonde und dem zu untersuchenden Werkstück zu bilden. Die Dichtung wird bewirkt

in der Höhe der Sonde 21 durch einen Dichtring 42, der auf der !Sonde durch einen Ring 43 gehalten wird;

am Ort der Gehäuseöffnung, die über das zu untersuchende Werkstück gelegt wird, durch eine feine, elastische Membran 44, die für Ultraschallwellen durchlässig ist und von einem Ring 45 auf einem Ring 46, der die öffnung umgibt getragen wird.

Stopfen 47, die auf dem Oberteil des Gehäuses der Vorrichtung angebracht sind, ermöglichen das Anfüllen mit einer Flüssigkeit oder das Evakuieren der Luft. Unter Druck gesetzt wird durch das Eindringen der Sonde 21 in ihre Büchse 22, was die Verformung der elastischen Membran 44c ermöglicht Die Baueinheit der Flemente 44, 45 und 46 kann leicht abmontiert und wieder angebracht werden. Dadurch können austauschbare Baueinheiten, die der Konfiguration der zu untersuchenden Werkstücke angepaßt sind, verwendet werden.

Zur Prüfung einer ebenen Fläche sind also die Ringe 45 und 46, wie in F i g. 6 dargestellt so ausgebildet daß sie drei Kugeln 55 enthalten, die sich auf genau bearbeiteten BezugsHächen auf dem Ring 46 abstützen. Diese Kugeln gehen durch den Ring 45 und dienen dazu, daß das zu untersuchende Werkstück an der Vorrichtung richtig anliegt

Im Falle einer zylindrischen Oberfläche kann die austauschbare Baueinheit verwendet werden, die ebenfalls in F ig. 6 dargestellt ist. Diese umfaßt zwei Schneiden 48, deren Kanten sich in einer Ebene' befinden, die eine Mantellinie der zylindrischen Oberfläche des zu untersuchenden Werkstücks enthält

Die richtige Positionierung des Zylinders bezüglich der Vorrichtung erhält man mit Hilfe zweier V-FUße, die in zwei im Gehäuse 41 angebrachten Löchern schwenken. Sie befinden sich an Federn 50 und werden in den Löchern durch Schrauben 51 gehalten. Wenn das zu prüfende Werkstück eine krumme Oberfläche aufweist, können die Ringe 45 und 46 so ausgebildet sein, daß sie der Form der ..u prüfenden Werkstücke angepaßt sind. Ebenso kann jede andere besondere Positioniervorrichtung verwendet werden.

Die Arbeitsweise der in den F i g. 6, 7 und 8 dargestellten Vorrichtung entspricht der vorhergegebenen Beschreibung. Hinzuzufügen wäre, daß das Befestigungssystem der Sonde 21 die Wahl einer Sonde ermöglicht, welche die für jeden Fall geeigneten Eigenschaften aufweist, insbesondere die Eigenschaften im Frequenzgang oder in den Abmessungen des Strahlenbündels.

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Lage der Vorrichtung bezüglich der Oberfläche des Werkstücks mittels des Umkehrspiegels 23 verifiziert werden. Er wird so geschwenkt, daß er das Strahlenbündel auf die Oberfläche des zu prüfenden Werkstücks hin reflektiert Die zur Sonde zurückreflektierte Energie ist dann maximal, wenn das Werkstück gut ausgerichtet ist.

Zur Ausführung der Messungen wird der Motor 30 mit Gleichstrom betrieben, dessen Polarität umgekehrt werden kann. Die Amplitude der an der Oberfläche des Werkstücks reflektierten Echos wird beispielsweise auf dem Schirm einer Kathodenröhre gemessen.

Diese Messungen können beispielsweise zur Bestimmung der Tiefe thermischer Behandlung in den geprüften Werkstücken verwendet werden. Die Messung wird zunächst an einem nicht behandelten Werkstück ausgeführt, für welches man die Lage des Extremums ermittelt welches dem kritischen Winkel entspricht, bei dem Rayleigh-Wellen (Oberflächenwellen) ausgelöst werden. Eine von diesem Ursprungspunkt ausgehende Kurve erlaubt bei daraufhin ausgeführten Messungen an behandelten Werkstücken die Bestimmung der kritischen Winkel, die zu ihnen gehören, und daraus die Ermittlung der Tiefe der Behandlung durch direkte Ablesung.

Die in den Fig.9 und 10 dargestellte Vorrichtung umfaßt einen einzigen Umkehrspiegel, der feststeht. Die Variationen im Einfallswinkel und in der Bahnlänge des Ultraschalls erhält man durch manuelle Verschiebung der Ultraschallsonde. Eine Emitter-Empfangs-Sonde 56 wird in einer Büchse 57 gehaltert, die im Inneren des Gehäuses 58 der Vorrichtung beweglich ist. Sie sendet die Wellen gegen die Oberfläche des zu prüfenden Werkstücks hin, zum Punkt 0 aus. Ein zylindrischer

ι ο Spiegel 59 kehrt das von der Oberfläche des Werkstücks reflektierte Strahlenbündel zur Sonde 56 hin um.

Die Büchse 57 trägt Führungen 60 und 61, die an der Büchse mittels Rollen angebracht sind. Sie gleiten auf zwei Säulen 63, die senkrecht in der Vorrichtung

η befestigt sind. Eine Führung 61 bildet eine Mutter, die mit einer Spindel 64 zusammenarbeitet; und dies:? Spindel kann durch einen Handbetätigungsknopf 65, der vom Äußeren des Gehäuses 58 zugänglich ist, in Drehung versetzt werden. Eine Feder 66 liegt geger. den

2» Boden des Gehäuses und gegen die Führung 61 an und beseitigt ein eventuelles Spiel.

Die Büchse 57 trägt zudem eine Rolle 67, die in Berührung mit einer feststehenden Nockenfläche 63 durch die Kraft einer Feder 69 gehalten wird, die an der Führung 60 anliegt.

Diese beschriebene Vorrichtung erlaubt wie die vorhergehende die Variation der Bahnlänge der Ultraschallwellen als Funktion der Winkelverschiebungen der Sonde, deren Achse dauernd auf den Punkt 0

jn ausgerichtet ist. Die Messungen und die Auswertung der Ergebnisse werden auf dieselbe Weise wie oben ausgeführt.

Die Erfindung ist natürlich nicht auf die besonderen Ausführungsformen, die oben beispielhaft beschrieben sind, beschränkt. Es versteht sich insbesondere, daß die Variation der Bahnlänge des Ultraschalls und die Wiiikelverschiebung des Strahlenbündels durch Bewegung anderer beweglicher Elemente erzielt werden kann, die in jedem Fall entweder von einer Emissionssonde und/oder einer Empfangssonde für die Ultraschallwellen oder von einem beweglichen ZHschenelement zur Ablenkung des Strahlenbündels gebildet werden können.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Ermittlung des Auftreffwinkels eines von einem Ultraschallsender ausgehenden, auf einen Punkt an der Oberfläche eines zu prüfenden Materials gerichteten Ultraschallstrahlenbündels, das am Auftreffpunkt reflektiert wird, wobei die Intensität des von der Materialoberfläche reflektierten Untraschallstrahlenbündels in Abhängigkeit des Auftreffwinkels in einem Ultraschallempfänger gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßanordnung mit dem Ultraschallsender und -empfänger so getroffen wird, daß jedem Auftreffwinkel eine unterschiedliche Länge des von den Ultraschallwellen durchquerten Weges gemäß einer vorher bestimmten Beziehung zugeordnet ist, daß diese Beziehung gespeichert wird, daß als Maß für die Weglänge die Laufzeit erfaßt wird, die die Ultraschallwellen zur Durchquerung dieses Weges benötigen ufld daß die aus den Meßwerten ermittelten Werte für die Weglänge mit den gespeicherten Werten verglichen werden.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem Ultraschallsender, dessen Ultraschallstrahlenbündel auf einen relativ zur Vorrichtung feststehenden Punkt auf der zu prüfenden Materialoberfläche gerichtet ist, von wo das reflektierte Ultraschallstrahlenbündel zu einem Ultraschallempfänger gelangt, dadurch gekennzeichnet, daß Verstellmittel vorgesehen sind, die die Länge des Weges des Ultraschallstrahlenbündels zwischen Sender (1,4,7,21,56) und Empfänger (1,6, 7,21,56) in Abhängigkeit Oer Auftreffwinkels (Θ) des Ultraschallstrahlenbündels am Al treffpunkt (0,31) auf der Materialoberfläche (2, 5, 9) verändern und eine Meßvorrichtung vorgesehen ist, die die Laufzeit des Ultraschalls zwischen Sender (1,4,7,21,56) und Empfänger (1,6,7,21,56) erfaßt

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit des Auftreffwinkels (Θ) der Abstand zwischen dem Sender (1, 56) und dem Auftreffpunkt (0) veränderbar ist

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit des Auftreffwinkels (Θ) der Abstand zwischen dem Empfänger (1,6,56) und dem Auftreffpunkt (0) veränderbar ist

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß Sender und Empfänger (1, 56) vereint sind und das vom Auftreffpunkt (0) reflektierte Ultraschallstrahlenbündel von einem feststehenden Spiegel (3,59) zum Empfänger (1,56) zurückreflektiert wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Sender (4) und Empfänger (6) eine gemeinsame Schwenkbewegung um den Auftreffpunkt (0) ausführen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei feststehendem Sender und Empfänger (7,21) das Ultraschallwellenstrahlenbündel von einem schwenkbaren Spiegel (8, 11, 19) reflektiert auf den Auftreffpunkt (0, 31) gerichtet wird.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Sender und Empfänger (56) über Säulen (63) geführt ist und bei seiner Verschiebung längs der Säulen (63) eine Schwenkbewegung ausführt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel (11, 19) bei seiner Bewegung durch gekrümmte Laufflächen (15, 24) geschwenkt wird.