DE2461590C2

DE2461590C2 - Strahlablenker, insbesondere für eine Einrichtung zur Werkstoffprüfung, sowie Anwendung des Strahlablenkers

Info

Publication number: DE2461590C2
Application number: DE2461590A
Authority: DE
Inventors: Jean St.Ismier Perdison
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1973-12-26
Filing date: 1974-12-27
Publication date: 1986-08-21
Also published as: SU740163A3; LU71543A1; IT1027183B; GB1495536A; SE7416268L; DE2461590A1; CA1009359A; SE404845B; BE823664A; FR2256617B1; SE7807113L; US3916675A; PL104062B1; JPS51135589A; JPS5843693B2; FR2256617A1; SU660606A3; NL7416832A

Description

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Die Erfindung betrifft einen Strahlablenker, insbesondere für eine Einrichtung zur Werkstoffprüfung, gemäß den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 5 sowie die Anwendung des Strahlablenker gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 8. Die Ablenkfläche des Strahlablenker hat eine solche Form, daß ein Bündel von parallelen Strahlen von einer Strahlungsquelle, das durch den Strahlablenker abgelenkt worden ist, auf einen Zyiinderkörper unter festem, konstantem Einfallswinkel fällt, wobei der Einfallswinkel relativ zur Normalen auf die Mantelfläche des Zyiinderkörper im Slrahleinfallspunkt gemessen wird.

Die Erfindung betrifft insbesondere einen Ultraschallablenker einer Einrichtung zur Ultraschall-Werkslofiprüfung, der die von einem Ultraschallwandler gesendeten Strahlen reflektiert, um sie auf einen Zyiinderkörper zu werfen und dort Wellen zu erregen; die Wellen breiten sich im Zylinderwerkstoff aus und werden durch Fehler des Zylinderkörpers gebeugt, weshalb die Fehler die Ausbreitung dieser Welle ändern; diese gebeugte Welle wird vom Wandler empfangen, der als Empfänger wirkt, so daß der Ort dieser Fehler ermittelt werden kann.

Obwohl die bevorzugte Anwendung des erfindungsgemäßen Strahlablenker das Ablenken von Ultraschallstrahlen in einer Einrichtung zur Ultraschall-Werkstoffprüfung betrifft, kann er ebenso auf das Ablenken jeglicher elektromagnetischer oder Teilchen-Strahlen angewendet werden.

Bekanntlich verfolgt die Ultraschallprüfung die Untersuchung von Werkstoffeigenschaften mittels Ultraschallwellen, d. h. mittels Wellen, deren Frequenz oberhalb der Hörgrenze (ca. 16 kHz) liegt. Die Ultraschallprüfung benutzt entweder Geschwindigkeits- oder Dämpfungsmessungen. Die Ultraschall-Werkstoffprüfung wird im allgemeinen vorgenommen, indem Ultraschallwellenzüge durch den Werkstoff geschickt oder Ultraschallschwingungcn im Werkstoff hervorgerufen und davon die Echos infolge der vorhandenen Fehler empfangen werden.

Ein gegenwärtig übliches Vorgehen für drehzylindrischc Vollrohre besteht darin, zwei Wandler zu verwenden, deren Bewegungen für eine wendeiförmige Untersuchung gekoppelt sind; diese beiden Wandler werden in ein mit Wasser gefülltes Gefäß eingesetzt:

Der eine Wandler befindet sich in einer Meridianebene des Rohrs, und seine Achse ist gegen die Normale so geneigt, daß vorzugsweise die Fehler senkrecht zur Rohrachse erfaßt werden; diese Fehler werden im folgenden Transversalfehler genannt, der andere Wandler, der sich in einer Äquatorebene befindet, lallt mit seiner Achss nicht mit der Rohrachse zusammen, so daß er vorzugsweise die Fehler parallel zur Rohrachse (Longitudinalfehler) erfaßt.

Für dünne Rohre oder Platten ist bekanntlich die am besten für die Fehlererfassung geeignete Ausbreitungsmode von Ultraschallwellen die Lamb-Mode. Die Lamb-Moden sind transversale Schwingungsmoden, die sich parallel zu den Werkstoffoberflächen ausbreiten:

Die ganze Dicke des Werkstoffs wird in Schwingungen versetzt, was eine Fehlererfassung unabhängig von der Tiefe des Fehlerorts erlaubt. Diese transversalen Schwingungsmoden, die bei dünnen Rohren und Platten auftreten und die der geometrischen Konfiguration eigen sind, wo sie erzeugt werden, können jedoch in einem Werkstoff gegebener Dicke und bei einergegebenen Frequenz nur für genau bestimmte Einfallswinkel der erregenden Ultraschallwellen erregt werden. Für ein Zylinderrohr aus rostfreiem Stahl der Dicke 0,5 mm und für eine piezoelektrische Tablette, die Ultraschall der Frequenz 4 MHz abstrahlt, beträgt dann der Einfallswinkel der Erregung von Lamb-Wellen entsprechend der antisymmetrischen Grund-Mode A₀ (die in diesem Fall am besten geeignet ist) 34°. Allein diejenigen Strahlen, die auf das Rohr unter diesem Einfallswinkel treffen, können Lamb-Wellen in diesem Rohr erzeugen; diese Wellen breiten sich unterschiedlich je nach Vorhandensein oder Abwesenheit von Fehlern im Rohr aus, wodurch die Fehler auf diese Weise erfaßt werden können.

Der Fehler wird erfaßt, indem das Zeitintervall zwischen der Aussendung eines Wellenzugs und dem Rücklauf der vom Fehler reflektierten Wellen gemessen wird, wobei noch ein zweiter Wandler-Empfänger angeordnet wird, der die von Fehler reflektierten oder gebeugten Wellen aufnimmt.

Damit die Lamb-Wellen stark genug sind, muß eine zweite Bedingung zusätzlich zu der ersten Bedingung, die die Neigung der einfallenden Strahlen betrifft, erfüllt werden:

Die Anzahl der Lamb-Wellen-Perioden in Phase mit den Longitudinalwellen des einfallenden Bündels muß mindestens gleich 4 oder 5 sein, damit die Lamb-Wellen im Rohr hinreichend stark erzeugt werden. Der Öffnungswinkel des Bündels, in dessen Innern der Einfallswinkel dem Winkel sehr nahe kommt, der der Erzeugung der Lamb-Wellen der gewählten Mode entspricht, muß möglichst groß sein.

Die Erfüllung dieser beiden Bedingungen ist nicht schwierig für die Erfassung von Transversalfehlern:

Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß, wenn der Querschnitt der Tablette 4, die den Wandler bildet, durch die Ebene, die durch die Achsen des Rohrs und des Wandler gebildet sind, ein Geradensegment der Länge α mit dem Neigungswinkel Θ zur Mantelfläche des zylindrishen Rohrs ist, die einfallenden Strahlen in dieser Ebene einen konstanten Einfallswinkel Θ haben und die Wellen in Phase

auf einer Länge des Rohrs gleich ^-r sind; dagegen ist es schwieriger, diese beiden Bedingungen für die Longitudinalfehler zu erfüllen, da es dann notwendig ist, daß die Strahlen, die am Rohr eintreffen und sich in einer Ebene senkrecht zur Rohrachse befinden, einen konstanten Winkel mit dem Kreisbogen, der den Schnitt

des Zylinders mit der Ebene darstellt, einschließen.

Die ersten Wandler, die für das Erfassen von Longitudinalfehlern in Rohren verwendet wurden, waren plan. In diesem Fall fallt der mittlere Strahl, der von der Mitte des Wandlers ausgeht, auf den Zylinder C unter einem Winkel Θ, während die beiden äußeren Strahlen von den Rändern des Wandlers verschiedene Winkel Θ', Θ" mit der Normalen auf dem Zylinder im Einfallspunkt bilden, wie genauer in der noch zu erläuternden Fig. 2 gezeigt ist. Daher ist der Umfangswinkel, für den die Wellen in Phase sind, sehr klein, und es werden nur wenig Lambwellen erregt.

Man hat auch bereits Wandler verwendet, die zylindrischen Tabletten oder Linsen mit kreisförmigen Leitkurven entsprechen. Obwohl ein derartiges System Vorteile gegenüber einem planen Wandler und ohne Linse aufweist, ändert sich der Einfallswinkel der Strahlen in bezug auf die Normale auf dem Zylinder innerhalb des Strahlenbündels.

Aus der DE-OS 18 11 873 ist ein Ultraschall-Prüfungssystem zur Feststellung von Fehlerstellen in einem Teststück bekannt. Eine Vielzahl von Ultraschallerzeugern ist auf einem Kreis in der Meridianebene eines zylinderförmigen Werkstücks um dieses herum angebracht. Die von mehreren Erzeugern ausgehenden Ultraschallwellenimpulse treffen in Brennpunkten F₁, F₂, ... auf der Oberfläche des Werkstücks auf.

Die Randstrahlen eines Bündels von Strahlen, die auf der Oberfläche einen Brennpunkt bilden, schließen einen gewissen Winkel miteinander ein, so daß die Strahlen auch bei dieser Anordnung nicht unter konstantem Winkel auf die Oberfläche des Zylinderkörpers auftreffen.

Durch die Anordnung der Ultraschallerzeuger auf einem Kreis, der in der Meridianebene des zu untersuchenden Zylinderkörpers liegt, können außerdem nur Transversalfehler erfaßt werden.

Schließlich erlaubt keine der bereits vorhandenen Einrichtungen, Strahlen mit konstantem Einfall entlang einer Wendel oder Schraubenlinie auf einem Zylinder auftreffen zu lassen, insbesondere, um Wellen im Werkstoff entlang derselben Schraubenlinie zu erregen, und zwar einer gebrochenen Schraubenlinie aus mehreren Segmenten gleicher Neigung zu den Erzeugenden eines prismatischen Zylinders oder einer kontinuierlichen Schraubenlinie konstanter Neigung zu den Erzeugenden eines Zylinders mit kreisförmiger Leitkurve. Die Erregung von Wellen auf einer derartigen Schraubenlinie gestattet eine vollständige Erfassung der Fehler, die zu den Erzeugenden des Zylinders unter einem komplementären Winkel zu dem der Schraubenlinie geneigt sind. Die Erfassung entlang einer Schraubenlinie ist besonders zweckmäßig, wenn die Rohre entlang einer Ebene verschweißt sind, die gegen die Erzeugenden der sie bildenden Zylinder geneigt sind, in welchem Fall der Winkel der Schraubenlinie zu den Erzeugenden komplementär zum Winkel der zu denselben Erzeugenden geneigten Ebene gewählt wird.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Strahlablenker, insbesondere für eine Einrichtung zur Werkstoffprüfung, und dessen Anwendung anzugeben, der geeignet ist, ein Bündel von Strahlen, die parallel zu den Erzeugenden eines Zylinderkörpers verlaufen, in ein Bündel von Strahlen zu transformieren, die auf der Oberfläche des Zylinderkörpers unter konstantem Einfallswinkel entlang einer Schraubenlinie einfallen. Der erfindungsgemäße Strahlablenker soll insbesondere ermöglichen, den Einfallswinkel von Ultraschallwellen auf die Oberfläche des Zylinderkörpers so zu wühlen, daß auf der Mantelfläche des Zylinderkörpers Lamb Wellen erzeugt werden, die sich zur Materialprüfung mit Ultraschall besonders gut eignen.

Diese Aufgabe wird jeweils mit den Merkmalen der Patentansprüche 1, 5 oder 8 gelöst.

Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unleransprüchen zu entnehmen.

Der Strahlablenker, insbesondere für eine Einrichtung zur Werkstoffprüfung, transformiert ein Bündel F von Strahlen parallel zu den Erzeugenden des Zylinderkörpers mit polygonaler Leitlinie in ein Bündel F' von Strahlen, die auf die Mantelfläche des Zylinderkörpers einfallen und dort Wellen erregen, und zwar entlang einer Schar von gebrochenen Schraubenlinien, die zu einander parallel sind, wobei jede Schraubenlinie durch mehrere Geradesegmente gebildet wird, die paarweise an einer Kante des Zylinderkörpers zusammenlaufen Die Strahlen des Bündels/"' bilden einen Einfallswinkel /, der konstant zur Normalen auf der Mantelfläche des Zylinderkörpers im Einfallspunkt jedes Strahls des Bündels F' auf der Mantelfläche ist. Jedes Segment der Schraubenlinie ist unter einem Winkel β zu einer Ebene senkrecht zu den Erzeugenden des Zylinderkörpers geneigt. Dieser Winkel β wird von einer zur anderen Fläche im Strahlablenkergemäß der Erfindung kon stant genommen, er kann jedoch aufgrund einfacher Abwandlungen auch von einer zur anderen Fläche variieren, obwohl dies wenigstens zur Zeit nicht von Interesse ist. Da der Winkel./? so fest gewählt ist, ist die gebrochene Schraubenlinie, die durch mehrere derartige Segmente gebildet ist, eine Schraubenlinie mit konstanter Ganghöhe. Jedes ebene Strahlablenkerelemcnt M₁ ist einer Fläche P₁ des Zylinderkörpers zugeordnet Die Richtung jedes ebenen Strahlablenkerelemenls M₁ ist durch die Richtung der Normalen ~n, definiert, deren Projektionen auf drei aufeinander senkrechte Richtungen, nämlich eine Erzeugende des Zylinderkörpers, eine Normale auf der Fläche P₁ bzw. eine Achse senkrecht zu den beiden vorhergehenden Projektionen, pro portionalcos a, cosy sin <z bzw. sin ./sin a-sind. Die Winkel j und α sind definiert über die Winkel / und β über die Gleichungen tgj = tg/ cos β und cos 2 α =± sin / sin ß.

Die Ausrichtung dieser Strahlablenker gestattet, aus einem Bünde] F von Strahlen, die parallel /u den l-.r/eugenden des Zylinderkörpers eintreffen, diese Strahlen in ein Bündel F' umzulenken, das einen konstanten Einfallswinkel auf den Teilmantelfiächen des Zylinderkörpers hat. Damit von einer zur anderen Fläche auf den zusammenlaufenden Segmenten einer gebrochenen Schraubenlinie die Bedingung der Anregung der Lamb-Wellen in Phase erfüllt wird, gehen die beiden planen Strahlablenkerelemente M₁ und M_i+U die den beiden Flächen P₁- und P_/+1 des Zylinderkörpers zugeordnet sind, ineinander durch eine Drehung und eine Translation über. Die Drehung erfolgt um eine Kante des Zylinderkörpers an der Schnittlinie der benachbarten Flächen Pj und P_l+i; der Winkel dieser Drehung ist gleich dem Winkel des Dieders, das durch die Flächen P₁ und P_{1 +} ι gebildet ist, und dieser Drehung wird eine Translation parallel zu den Erzeugenden überlagert, die gleich α sin j tg ar ist, wobei α die Breite der Fläche P₁ bezeichnet Wie noch genauer gezeigt werden wird, wird dadurch erreicht, daß Strahlen, die an dergemeinsamen Kante A_{1 +} ι der beiden Flächen P₁ und P₁ ₊ , einfallen und von zwei aufeinanderfolgenden Strahlablenker!! kommen, die gleiche Phase haben.

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Der Strahlablenker wird dadurch weitergebildet, daß die abgelenkten Strahlen des Bündels F' auf dem Zylinderkörper in einer Richtung senkrecht zu den Erzeugenden auffallen und einen konstanten Winkel / mit der Normalen auf der Mantelfläche des Zylinderkörpers bilden, so daß die Scharen von gebrochenen Schraubenlinien sich auf eine Schar von polygonalen Leitlinien reduzieren, die parallel in einer Äquatorebene liegen, die senkrecht zu den Erzeugenden verläuft. Dies entspricht β = 0 und entsprechend a = f.

In diesem Fall besteht der Strahlablenker aus mehreren planen Strahlablenkerelementen, deren jeder M, einer Fläche P₁ des Zylinderkörpers zugeordnet ist, wobei der Schnitt jedes dieser Strahlablenkerelemente M, mit einer Ebene senkrecht zu den Erzeugenden des Zylinderkörpers C ein Geradensegment 5, ist. Die Strahlablenkerelemente M₁ sind so angeordnet, daß jedes Segment S, mit der zugeordneten Fläche P₁ ein und denselben Winkel /bildet; außerdem sind zwei dieser Segmente S₁ und S_/+ ι, die zu zwei aufeinanderfolgenden Strahlablenkern M₁ und M_i+ , gehören, äquidistant von der Kante A₁ angeordnet, die sich am Schnitt der beiden Flächen P₁ und P_{1 +} , befindet.

Nach einer anderen Ausgestaltung, bei der der oben

definierte Winkel β gleich -ζ ist, reduzieren sich die

Scharen der gebrochenen Schraubenlinien auf Segmente von Erzeugenden. In diesem Fall besteht der Strahlablenker aus mehreren planen Strahlablenkerelemcnlen M₁, deren jedes derjenigen Fläche /",zugeordnet ist, die einen Winkel a = f ± r mit der zugehörigen

Fläche P₁ bildet.
Falls β gleich 0 ist, werden vorzugsweise die Longitu-

dinalfchler erfaßt, während für β gleich r vorzugsweise

die Fehler mit senkrechter Richtung zur Rohrachse erfaßt werden, d. h. Transversalfehler, indem in den beiden Fällen Wellen mit der Ausbreitungsrichtung senkrecht zur Richtung dieser Fehler erregt werden.

In allen diesen Fällen ist es vorteilhaft, daß die Strahlen mit einer konstanten Dichte einfallen, d. h., daß die Intensität der einfallenden Strahlung pro Zylinderflächencinheit konstant sein muß, und zwar unabhängig von der betrachteten Erzeugenden. Der Umstand, daß die Strahlen mit einer konstanten Dichte einfallen, zeigt, daß es keine bevorzugten Polygonflächen oder keinen Winkelsektor gibt, der spezieller durch die Strahlen beleuchtet wird. Tatsächlich ist es für die Erregung von Lamb-Wellen wünschenswert, daß das Niveau der Erregung dieser Wellen, das im Werkstoff durch sich überlagernden Effekt von mehreren Strahlablenkern gebildet wird, die Strahlen auf ein und derselben Schraubenlinie aussenden, ein und denselben Wert unabhängig von der betrachteten Erzeugenden einnimmt Damit können die Fehler im Werkstoff unabhängig von ihrer Winkellage erfaßt werden, d. h. unabhängig von den Erzeugenden, auf denen sich der Fehler befindet. Zu diesem Zweck schneidet im Fall β gleich 0 jede Ebene senkrecht zu den Erzeugenden den Strahlablenker entlang Segmenten S₁, deren Gesamtlänge unabhängig von der gewählten Ebene konstant ist.

Falis der Zylinderkörper einen Kreisquerschnitt hat, d. h. eine Drehsymmefrie um die Achse des geraden Zylinders, der den Zylinderkörper bildet, wird der Strahlablenker durch eine kontinuierliche Fläche gebildet, die als Grenzfläche von verschiedenen Ebenen der vorher betrachteten Strahlablenkerelemente betrachtet werden kann, wobei der Grenzwert erhalten wird, wenn man gleichzeitig alle Seiten des Polygons, das die Leitlinie bildet, gegen Null gehen läßt, jedoch den Umfang konstant hält, d. h. die Anzahl der Seiten gegen Unendlich gehen läßt. Die ebenen Strahlablenker, die jedem infinitesimalen Element zugeordnet sind, umhüllen also eine Fläche, für die in Polarkoordinaten gilt:

ζ cotg a = Vp² - R* sin^Jj + R sin j ■ Θ.

Diese Grenzfläche kann als aus unendlich viel Geraden zusammengesetzt gedacht werden, d. h. als Grenzwert der oben betrachteten planen Strahlablenkerelemente, wenn die Anzahl dieser Strahlablenkerelemente gegen Unendlich geht. Der Übergang zum Grenzwert zeigt, daß die Mantelfläche S regelmäßig und abwickelbar ist, was vorteilhaft ist, weil sie leicht durch Fräsen erzeugt werden kann. Wie bereits vorher sind die Winkel α undy mit den Winkeln / und β durch die Gleichungen ig j = tg/cosjß und cos 2 α = ± sin/sin./? verknüpft. Die Achse Oz fällt mit der Achse des Zylinderkörpers zusammen.

Wie bei einer vorhergehenden Ausführung, wenn die Strahlen des Bündels F' in einer Äquatorebene, d. h. in einer Ebene senkrecht zur Zylinderachse, enthalten sein sollen, ist der oben definierte Winkel β Null und werden die Schraubenlinien durch Führungskreise ersetzt. Die Fläche des Strahlablenker kann dann durch folgende Gleichung in Polarkoordinaten um die Achse Oz ausgedrückt werden:

ζ = Vp² - R' sin'i + R sin / · Θ.

Bei dieser Ausführung ist ein Schnitt des Strahlablenker mit irgendeiner Horizontalebene einer Evolvente eines Kreises konstanter Länge.

Zur Impedanzanpassung ist es zweckmäßig, zwischen dem Wandler und der zu prüfenden Oberfläche eine Koppelflüssigkeit, z. B. Wasser, anzuordnen. Außerdem kann zur Erregung von Lamb-Wellen, insbesondere in Zylindern geringer Dicke, der Wandler gleichzeitig mit dem Strahlablenker innerhalb oder außerhalb des Zylinders angeordnet werden. Falls der Reflektor und der Wandler außerhalb des Volumens angeordnet sind, das durch die Zylinderaußenfläche begrenzt ist, ist der Wandler ein ringförmiger Wandler mit derselben Achse wie der Zylinder. Es versteht sich, daß die planen Strahlablenkerelemente so gerichtet sein müssen, wie durch die obigen Formeln angegeben ist, und daß die Form der Fläche der Strahlablenker sich möglichst genau der in Polarkoordinaten ausgedrückten Formel nähert, wobei die Strahlablenker unter den Bedingungen der Praxis gefertigt werden müssen, weshalb notwendigerweise geringe Abweichungen zwischen den idealen geometrischen Formen und den praktischen Realisierungen auftreten.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen planen Wandler, der eine Oberfläche unter einem Winkel entsprechend der Erregung der Lamb-Wellen bestrahlt;

Fig. 2 die Änderung des Bestrahlungswinkels für einen planen Wandler, der ein Parallelstrahlen-Bündel auf einen Kreis abgibt;

Fi g. 3 die Änderung derNeigung der Strahlen, die auf einem Kreis eintreffen, wobei die Strahlen durch eine Tablette oder eine Linse mit kreisförmiger Leitkurve

fokussiert sind;

Fi g. 4 die geometrischen Parameter, die mit dem Verlauf der Strahlen verknüpft sind, die auf einer gebrochenen Schraubenlinie auf einem prismatischen Zylinderkörper einfallen, wobei diese geometrischen Parameter den Ort der planen Strahlablenkerelemente definieren;

Fig. 5a und 5b einen Strahlablenker aus mehreren planen Strahlablenkerelementen zum Ablenken eines Bündels F von Strahlen parallel zu den Erzeugenden ;eines geraden Zylinders mit regelmäßiger hexagonaler Grundfläche in ein Bündel F' von Strahlen mit konstantem Einfallswinkel;

Fig. 6 einen Strahlablenker aus sechs planen Strahlablenkerelementen zum Ablenken eines Bündels F von Strahlen parallel zu den Erzeugenden eines geraden Zylinders mit regelmäßiger hexagonaler Grundfläche in ein Bündel F' von Strahlen konstanten Einfallswinkeis auf einer Erzeugenden dieses Zylinders;

Fi g. 7 die geometrischen Parameter, die mit dem Verlauf der Strahlen verknüpft sind, die auf einer kontinuierlichen Schraubenlinie auf einem Zylinderkörper mit kreisförmiger Leitkurve einfallen, wobei diese Parameter die Geometrie der den Strahlablenker bildenden Oberfläche definieren;

Fig. 8 einen Schraubenlinien-Strahlablenker zum Ablenken eines Bündels F von Strahlen parallel zu den Erzeugenden eines Zylinders mit kreisförmiger Leitkurve in ein Bündel F' von Strahlen in einer Äquatorebene und mit konstantem Einfall auf eine Leitkurve des Zylinders;

Fig. 9 eine gesamte Anordnung von Schraubenlinien-Strahlablenker, Wandler und Zylinder, wobei sich der Wandler und der Strahlablenker innerhalb des Zylinders befinden; und

Fig. 10 eine perspektivische Ansicht eines Schraubenlinien-Strahlablenkers, der durch Fräsen von Vollmaterial gefertigt ist.

Fig. 1 zeigt schematisch eine bereits vorhandene Einrichtung zur Erzeugung von Lamb-Wellen in einer Platte 2. Ein Wandler 4 mit einem Durchmesser a hat eine Neigung Θ gegenüber einer Ebene, die durch die Oberseite der Platte 2 gebildet ist. Er gibt ein Bündel von Parallelstrahlen ab, wobei die Wellenlänge A, beträgt. Die Strahlen des Wellenbündels bilden einen Winkel Θ mit der Normalen auf der Oberfläche der Platte 2. Die Lamb-Wellen in Phase mit den einfallenden Wellen der Wellenlänge Λ, sind diejenigen, für die gilt A; = //sin Θ; schematisch ist eine Lamb-Welle 6 dargestellt. Bei dieser Einrichtung werden die Lamb-Wellen in Phase auf einer Länge gleich a/cos Θ erregt.

In Fig. 2 ist ein Wandler 4 abgebildet, derein Bündel von Parallelstrahlen abstrahlt, die von einem dünnwandigen Rohr empfangen werden, dessen Außenfläche als Querschnitt einen Kreis C mit dem Radius R und dem Mittelpunkt O hat. Es ist ersichtlich, daß ein Strahl S von der Unterkante des Wandlers 4 auf dem Kreis unter einem Winkel Θ' eintrifft, der beträchtlich niedriger als der Winkel Θ ist, der einem Strahl 7 von der Mitte des Wandlers entspricht, während ein Strahl 9von derOberkante des Wandlers 4 auf dem Kreis unter einem Neigungswinkel Θ" einfallt, der seinerseits beträchtlich größer als 0 ist. Bei dieser Ausführung wird ein größerer Teil des vom Wandler abgestrahlten Bündels nicht ausgenutzt, um die Lamb-Wellen im Zylinder zu erregen; mit anderen Worten, die Kopplung zwischen dem Wandler und dem Medium, das durch das Rohr mit dem Querschnitt C gebildet ist, ist schlecht

In Fig. 3 ist eine Einrichtung zum Fokussieren von Wellen auf einem Zylinder mit kreisförmigem Querschnitt C gezeigt, die dazu dient, die Änderungen der Neigung der auf der Mantelfläche des Zylinders auffallenden Strahlen zu verringern. Die Fokussiercinrichtung hat eine zylindrische Tablette oder Linse Λ mit Kreisquerschnitt, deren Brennlinie durch einen Punkt N verläuft und parallel zur Achse des Zylinders mit dem Querschnitt C ist. Ein Winkel α ist der halbe Öffnungswinkel am Scheitel des Bündels, das im Punkt jV konvergiert. Die Strahlen von den Enden der Linse L schneiden den Kreis C in A und B. Die Punkte A, B, N und O liegen auf einem Kreis. Da der Brennpunkt N des Bündels auf dem durch den Mittelpunkt O des Rohrs definierten Kreis liegt und die Einfallspunkte A und B ganz außen liegen, sind die Einfallswinkel bei A und Bgleich Θ ~ ε. Der Einfallswinkel ist bei dieser bereits vorhandenen Einrichtung nicht konstant. Je größer der Kreisbogen AB ist, um die Länge der Erregung der Lamb-Wellen auf dem Zylindermantel (zweite Bedingung) zu erhöhen, um so größer ist die Änderung des Einfallswinkels, was den Forderungen nach der ersten Bedingung für die Erregung von Lamb-Wellen widerspricht. In Fig. 4 sind die geometrischen Parameter gezeigt, die den Strahlablenker definieren. Eine Fläche P₁ des Zylinderkörpers C enthält Achsen Ox und Oz, wobei Oz entlang der Kante A₁₊₁ der Fläche P₁ verläuft. Die Fläche P₁ ist eine Fläche des prismatischen Zylinderkörpers C mit polygonaler Leitkurve. Die Ebene xOy steht senkrecht auf den Erzeugenden des Zylinderkörpers C und auf den Kanten wie Oz. Es ist erwünscht, Wellen gemäß einer Schar von gebrochenen Schraubenlinien der Neigung β zur Ebene senkrecht auf den Erzeugenden, d. h. der Ebene xOy, zu erregen; diese Schraubenlinien werden durch mehrere aneinanderstoßende Segmente gebildet, von denen ein Segment TV in Fig. 4 abgebildet ist. Das Bündel F von Parallelstrahlen von einem (nicht gezeigten) Wandler besteht aus Strahlen parallel zu den Erzeugenden des Zylinderkörpers C, von denen ein Strahl PM abgebildet ist. Ein Punkt M ist der Punkt des Strahlablenker, aridem der Strahl PM in den Strahl MA reflektiert wird. /T ist die Normale auf der Oberfläche des Strahlablenker im Punkt M, während Winkel orden Einfalls- und Reflexionswinkel auf demselben Strahlablenker angeben. Der Strahl MA bildet einen konstanten Winkel /mit der Normalen n] auf der Fläche P₁ im Punkt A entlang dem Segment TV. Der Punkt N ist die Projektion des Punkts M auf die Ebene xOy, ebenso ist der Punkt B die Projektion des Punkts A auf dieselbe Ebene. Das Segment KMJ stellt den Schnitt durch eine horizontale Ebene parallel zur Ebene xOy dar, und zwar durch den Punkt M des Strahlablenkers M₁, der der Fläche P₁ zugeordnet ist, verlaufend. Dieser Schnitt KMJ projiziert sich auf K 'NJ' auf der Ebene xOy. Ein Punkt E ist die Projektion des Punkts M auf die Normale /Tj auf der Zylindermantelfläche im Punkt A. Elementare geometrische Überlegungen zeigen, daß Winkel mit denselben Bezugszeichen wie i,j,ß, α gleich groß sind, zum Beispiel ist der Winkel / zwischen K¹NJ' und der Achse Ox gleich j, weil er gleich einem spitzen Winkel an der Seite scnk-

recht zum Winkel NBB' ist (BB' ist die Normale im Punkt B auf der Achse Ox). Die Geometrie- der Dreiecke AMC, AME, AEC und MCE ist so, daß die Winkel IJ, a undjS durch die folgenden Gleichungen verknüpft sind: tgj = tg / cos β und cos 2 a = + sin β - sin /. Aus F i g. 4 1st leicht ersichtlich, daß der Winkel j zwischen der Fläche F₁ und dem Schnitt KMJ des Strahlablenker

durch eine Ebene senkrecht zu den Erzeugenden ein vorgegebener konstanter Winkel in Abhängigkeit von i und β gemäß einer der vorhergehenden Formeln ist. Es wäre auch möglich, dieselbe plane Fläche M-, des Strahlablenker durch einen anderen seiner Schnitte zu definieren, z. B. den Schnitt WMZ des Strahlablenker mit der Einfallsebene der Strahlen auf den Strahlablenker, d. h. die Ebene, die durch die Gerade PM und die Normale ή auf dem Strahlablenker definiert ist. Es ist ferner ohne weiteres erkennbar, daß der Winkel des Schnitts WMZ mit der so definierten Einfallsebene einen Winkel (- f - a) mit der Achse Oz einschließt, d. h. mit der

Richtung der Erzeugenden des Zylinderkörpers. Elementare eeometrische Rechnungen zeigen, daß die Normale η auf dem Strahlablenker im Punkt M als Richtungs-Cosinuswerte entlang den drei Achsen Ox, Oy und Oz hat: sin asiny, sin «cosy, cos a; da die Winkel i und /; bekannt sind, berechnet sich der Wert von a durch die Gleichung |cos 2 a\= sin./? sin /und der Wert von / durch die Gleichung tgy = tg / cos^. Die drei Richlungs-Cosinuswerte der Normalen η sind also genau bekannt, so daß die Neigung der Strahlablenkerebenc durch den Punkt M genau festgelegt ist. Es wird ferner ersichtlich werden, daß, da die Neigung der Strahlabienkerelementebene bestimmt ist, seine Lage ebenfalls festliegt, indem die Bedingung erfüllt wird, damit die einfallenden Strahlen von zwei aufeinanderfolgenden Strahlablenkerelementen an ein und demselben Punkt einer Kante wie Oz in Phase sind. Der Spiegel M₁, ι geht aus dem Spiegel M₁ durch ein Drehung um eine Achse parallel zu den Erzeugenden um einen Winkel gleich dem eines Dieders hervor, der durch die Flächen P₁ und P₁₊ , gebildet ist, unter anschließender Vektortranslation parallel zu Oz und mit einem Wert von OT sin j ig α. Die Drehachse, wobei die Drehung die Kante A₁ mit der Kante A_{1 + x} zusammenfallen läßt, ist in der äquidistanten Ebene der Kanten A₁ und A_i+ , enthalten.

In den Fig. 5a und 5b ist ein Strahlablenker abgebildet, der zu einem prismatischen Zylinderkörper C mit regelmäßiger hexagonaler Leitkurve gehört. Die Fig. 5a und 5b entsprechen dem Sonderfall, daß die Strahlen wie 24, die vom Strahlablenker abgelenkt werden, in einer Ebene senkrecht zu den Erzeugenden des Zylinderkörpers C liegen. In Fig. 5b sind der Strahlablenker und der Zylinderkörper C zur besseren Darstellung in Höhenrichtung gegeneinander verschoben. Der Strahlablenker hat mehrere Strahlablenkerelemente D_x, D₂, D₁, D₄, D₅, D,„ D₇ und D₈. Es seien die Strahlen des Bündels F betrachtet, die auf die Strahlablenker-Abschnitte C|, S₃; B₁, A₁; A₁, F₂ fallen und die von der Oberfläche dieser Strahlablenker in einer Äquatorebene in ein Bündel F' reflektiert werden. Die Strahlen des Bündels F', die in einer Äquatorebene enthalten sind, also Strahlen wie 26, bilden einen Winkel / mit der Fläche, die dem Zylinderkörper zugeordnet ist, wie die Figur zeigt. Es kann verifiziert werden, daß das Segment A₂ B\, der Schnitt des Wandlers D₂ mit einer Äquatorebene des Zylinders, einen Winkel / mit der zugehörigen Fläche des Zylinderkörpers C bildet, wobei der Winkel / den Winkel zwischen den Verlängerungen der Segmente A₀ Bi₁ und A₂ B\ darstellt. Die Strahlablenker-Elemente D_x, D₁ usw. sind durch Ebenen wie 30,32 usw. gebildet, die zwar nicht unbedingt notwendig für einen wirksamen Betrieb des Strahlablenker sind, jedoch leicht durch Falzen eines den Strahlablenker darstellenden Bands aufeiner bearbeiteten Form erhalten werden, wo die die Strahlablenkerebenen D), D₂ usw. bildenden Ebenen genau ausgerichtet sind. Die Strahlen des Bündels F, die auf den Segmenten QB₂; B_xA₂; A_xF₂ eintreffen, werden in einer Äquatorebene auf dem Zylinderkörper C umgelenkt und erregen Wellen entlang den Segmenten C_oß_o» B₀A₀, A₀F₀. Die Kante durch A₀ ist äquidistant von den Punkten A\ und A₂, so daß die in A₀ durch die beiden Strahlablenkerelemente D_x und D₂ erregten Wellen in Phase sind. Ähnlich sind die Längen B₀B_x und B₀B₂ gleich, so daß die Wellen in Phase im Punkt B₀ durch die beiden Strahlablenker D₂ und D₃ erregt werden. Dieses Phänomen gilt allgemein; der Unterschied im Verlauf zwischen zwei Strahlen, die in zwei beliebigen Punkten auf der Mantelfläche des Zylinderkörpers C einfallen, entspricht genau der Phasendifferenz der im Material erzeugten Wellen zwischen den beiden Punkten, wo die Strahlen auf das Rohr treffen, so daß die Wellen tatsächlich in Phase durch alle Strahlen erregt werden, die vom Wandler kommen und durch die Strahlablenkerelemente abgelenkt werden.

Es soll jetzt gezeigt werden, daß die an jedem Punkt des Gegenstandes erregten Wellen denselben Erregungswert haben. Die in F₀ erregten Wellen sind zurückzuführen auf die Überlagerung der Strahlen, die auf den Segmenten C₀B₀, BaA₀ und A₀F₀ einfallen. Die auf diese drei Segmente geschickten Strahlen stammen von Strahlen des Bündels F, die durch die Strahlablenkersegmente C_xB₂, B_xA₂ und A_xF₂ abgelenkt werden. Das Niveau der Erregung der Lamb-Welle im Punkt F₀ ist damit proportional der Gesamtlänge der Segmente C_xB₂, B_xA₂ und A_xF₂, also gleich 3-/3a/2. Der Strahlablenker wird so gewählt, daß die Gesamtlänge der Schnitte der Strahlablenkerelemente mit allen Ebenen senkrecht zu den Erzeugenden der verschiedenen Strahlablenkerelemente konstant ist. Daher entspricht das Erregungsniveau in jedem Punkt der Leitkurve A₀B₀ C₀D₀ E₀F₀ Erregungen von Strahlablenkersegmenten mit konstanter Gesamtlänge, so daß das Erregungsniveau konstant ist. Im Fall der Fig. 5a und 5b wird der Winkel i 30° und wird der Strahlablenker benutzt, um Longitudinalfehler, d. h. Fehler parallel zur Achse des Zylinderkörpers C, zu beobachten. Im oberen Teil von Fig. 5b ist der Wandler T in Strichpunktlinie dargestellt, von diesem Wandler T geht ein Strahlenbündel F aus. Die Schnitte der Strahlablenkelemente D_x, D₂ usw. mit einer Äquatorebene sind so versetzt, daß die Wege zwischen einer gegebenen Kante und den beiden Teilflächen oder Facetten, die sie bestrahlen, aus Gründen der Kontinuität der Phasen von einer Fläche zur anderen gleich sind. Die Ganghöhe der Pseudo-Schraubenlinien, die durch die verschiedenen Strahlablenkerelemente D], D₂, ... Df, gebildet ist, ist gleich 6 α sin /, wobei a, wie Fig. 5a zeigt, die Breite einer der Seiten des Hexagons, das einen Schnitt des Zylinderkörpers C

mit einer Äquatorebene bildet, ist. Es kann gezeigt werden, daß zwei aufeinanderfolgende beliebige Strahlablenkerelemente wie z. B. D_x und D₂ auseinander hervorgehen durch Drehen um 60° um die durch O gehende Achse des hexagonalen Zylinders und anschließende Translation parallel zu den Erzeugenden mit dem Wert α sin /. Es werden so alle Strahlablenkerelemente erhalten, d. h. die Ganghöhe der betrachteten Schraubenlinie nach einer Translation um 6a sin /", die Ganghöhe der Schraubenlinie.

Es versteht sich, daß der Wandler T und der Strahlablenker im allgemeinen ortsfest sind und daß es möglich ist, kontinuierlich das Zylinderstück C zu überprüfen, indem es entlang seiner Achse im Innern der orts-

festen Einheit von Wandler und Strahlablenkung eine Translation erfährt. Ebenso kanu-ein Rohrvon prismatischem Querschnitt auf seiner ganzen Mantelfläche geprüft werden, inder.. der Wandler T als Sender-Empfänger arbeitet und das Rohr eine Translation erfahrt.

In Fig. 6 ist in Strahlablenker abgebildet, der dazu dient, die Transversalfehler in einem Zylinderstück C mit regelmäßigem hexagonalem Querschnitt zu erfassen. Ein Strahlenbündel /"von einem Wandler T wird an Eiern enten wi e P, und P₂ des Strahlablenkers reflektiert, ;o um unter einem konstanten Einfallswinkel /, 30° im vorliegenden Ausfiihrungsbeispiel, auf die Mantelfläche des Zylinderkörpers C einzufallen. Die Strahlen des Strahlenbündels F' sind in Phase entlang derselben Erzeugenden des Zylinderkörpers C. u

Alle Erzeugenden des Zylinderkörpers C werden mit derselben Strahlungsintensität bestrahlt, da die Länge der Segmente A" B' konstant ist, und zwar unabhängig vom Schnitt der Elemente des Strahlablenkers mit Ebenen parallel zu den Erzeugenden des Zylinderstücks C und senkrecht zu den Flächen. Dieser Strahlablenker dient zum Erfassen der Transversalfehler in einem Zylinderstück mit regelmäßigem hexagonalem Querschnitt. Ebenso wie in Fig. 5 kann gezeigt werden, daß alle Punkte der Erzeugenden mit derselben Amplitude erregt werden, da die Bestrahlung der Erzeugenden an jedem Punkt konstant ist. Die Strahlablenker bilden einen regelmäßigen Pyramidenstumpf, und zwar einer Pyramide von sechs Seiten, deren jeder einen Winkel

a = τ ± 2 ^m·¹ der zugehörigen Fläche des prismatischen Zylinderkörpers von hexagonalem Querschnitt C bildet. Das Vorzeichen ± in der Gleichung für den Winkel α hängt davon ab, ob der Strahlablenker mit dem Strahlenbündel F unter einem spitzen oder einem stumpfen Winkel 2 α zu bestrahlen ist; im Fall eines spitzen Winkels 2 a, wie in der Figur dargestellt, verlaufen die Strahlen des Bündels F' in bezug auf die Horizontale nach oben, während sie bei einem stumpfen Winkel 2 α nach unten verlaufen.

In Fig. 7 sind die geometrischen Parameter dargestellt, die mit dem Verlauf der Strahlen verknüpft sind, die auf einer Schraubenlinie H einfallen, die kreisförmig und kontinuierlich auf einem Zylinderkörper C mit kreisförmiger Leitkurve liegt, die geometrischen Parameter wie die Winkel /, j, α und β bestimmen die Geometrie der Fläche, die den Strahlablenker bildet. Der Strahl PM, der parallel zur Achse Oz des den Körper C bildenden Zylinders ist, fällt im Punkt M auf der Fläche des Strahlablenkers ein und wird entlang dem Segment MA reflektiert, das einen Einfallswinkel / mit der Normalen N₁ auf dem Zylinder C im Punkt A bildet. Der ■ Punkt M projiziert sich entsprechend einer Vertikalen parallel zu den Erzeugenden in N auf die Ebene xOy, und es kann gezeigt werden, daß die Projektion der Normalen η auf die Ebene xOy, die durch das Segment NB gebildet ist, einen konstanten Winkel j mit der Normalen auf der kreisförmigen Leitkurve mit dem Radius R des Zylinders C einschließt. Eine geometrischere Definition der Fläche des Strahlablenkers ist die Projektion der Normalen auf der Fläche des Strahlablenkers η auf eine Ebene senkrecht zu den Erzeugenden, die einen Kreis mit dem Radius R sin j umhüllen (dieser Kreis geht durch F in Fig. 7). Die Strahlen fallen auf die Schraubenlinie H ein, die durch den Punkt A verläuft, und sind als Strichlinie doppelter Strichstärke abgebildet. Die Tangente an einem beliebigen Punkt A dieser Schraubenlinie schließt einen Winkel β mit der Ebene senkrecht zu den Erzeugenden ein, d. h. der Ebene xOy. Die Parameter der Projektionen der Normalen /; auf dem Strahlablenker auf die Ebene xOy, die den Kreis mit dem Radius R · smj einhüllen, bewirken, daß der Schnitt der Fläche des Strahlablenkers mit dieser Ebene eine Evolvente des Kreises mit dem Radius R ■ s\nj bildet, wobei j mit den Winkeln / und β durch folgende Gleichung verknüpft ist: ig j = tg / cosj8.

In Fig. 8 ist ein Strahlablenker M gemäß der Gleichung ζ cotg a = -Jp¹ - R¹ sin- j + R sin j ■ Θ gezeigt, der ausgehend von seinen geraden Erzeugenden definiert ist, und zwar für den Fall, daß der Strahlablenker M einen Zylinder 40 mit dem Radius R umgibt Die Fläche des Strahlablenkers M ist eine regelmäßige Fläche. Eine erste gerade Erzeugende 52 geht von einem Punkte auf dem Kreis 54 mit dem Radius R sin j aus. Diese F.rzeugende liegt in einer Ebene 56 tangential am Zylinder, dessen Querschnitt als Grundlinie den Kreis 54 hat. Die Erzeugende 52 schließt einen Winkel a (der in Fig. 8 gleich a = π/4 ist) mit einer Ebene senkrecht zur Achse Oz ein. Eine zweite Erzeugende wie 58, "die einer Drehung um n/2 entspricht, geht von einem Punkt B auf ein&r Erzeugenden des Zylinders mit dem Radius R sin j in einem Abstand von der den Punkt A enthaltenden El ;ne gleich

π R siny tgg
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aus. Diese Erzeugende liegt in einer Ebene tangential an dem Zylinder mit dem Radius R sin j und der Achse Oz und schließt einen Winkel a mit einer Ebene senkrecht zur Achse Oz ein. Die Erzeugenden 60,62 und 64 werden in ähnlicher Weise erhalten. Die Erzeugende 64 wird erhalten ausgehend vom Punkt C auf dem Zylinder mit dem Radius R sin7, wobei das Segment AC parallel zur Achse Oz ist und die Länge 2 π R sin j tg a hat. Diese Erzeugende 64 ist parallel zur Erzeugenden 52. In Fig. 8 giltjS = 0 und a = 45°, so daß die vom Strahlablenker M abgelenkten Strahlen auf den Zylinderkörper 40 in einer Ebene senkrecht zu den Erzeugenden treffen und die Schraubenlinien H sich auf Richtungskreise reduzieren.

Fig. 9 zeigt einen Strahlablenker M und einen Wandler 66, die beide im Innern eines Zylinders 68 mil dem Innenradius R angeordnet sind. Die Strahlen vom Wandler parallel zur Achse Oz werden durch den Spiegel M reflektiert und fallen auf die Innenfläche des zylindrischen Rohrs 68 unter einem konstanten Einfallswinkel /. Derartige Strahlen sind z. B. 72,74 und 76.

Fig. 10 zeigt eine perspektivische Ansicht des Strahlablenkers M von Fig. 8, wobei der Strahlablenker aus Vollmaterial gefräst ist. Dem Strahlablenker M entspricht eine Fläche 200, und ein zylindrisches Rohr 201, das zu prüfen ist, verläuft im Innern des Spiegels. Es versteht sich, daß ein ausreichender Zwischenraum zwischen dem zu prüfenden Rohr201 und dem Strahlablenker 200 gelassen wird, damit das Rohr201 frei im Innern des Stahlablenkers verschoben werden kann.

Die Einheiten von ebenen Wandlern und Strahlablenkern gestatten eine äußerst empfindliche Erfassung von Longitudinalfehlern in Zylinderkörpern, weil die Lamb-Wellen mit den Strahlen konstanten Einfallswinkels in einem größeren Bereich als bisher in Phase sind. Der Strahlablenker M erlaubt außerdem, daß dieses lnphascsetzen auf einer Länge unabhängig von der Erzeugenden, auf der der Fehler auftritt, erfolgt. Das Drehen des Zylinderkörpers relativ zum Wandler ist

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daher für eine Prüfung des ganzen Zylinderkörpers nicht mehr notwendig. Außerdem kann der Strahlablenker M in Abhängigkeit von der Neigung y der Fehler zur Rohrachse gewählt werden: man setzt β = γ.

Es können z. B. auch zwei ringförmige Wandler verwendet werden, die jeweils gegenüber einem Strahlablenker M angeordnet werden, von denen der eine für Transversalfehler und der andere für Longitudinalfehler berechnet ist. Es genügt dann eine Prüfung mittels einfacher Translation der Rohre anstelle komplizierter, schraubenlinienförmiger Bewegungen wie nach dem bekannten Stand der Technik.

Derartige Kontrollen sind äußerst vorteilhaft für die Prüfung von dünnen Zylinderwänden, wo die Erregung mittels Lamb-Wellen besonders wirksam ist. Die kontinuierliche Prüfung von Metallrohren durch Einheiten von Wandlern und Strahlablenkern außerhalb z. B. von Rohren kann mit den erfindungsgemäßen Strahlablenkern besonders vorteilhaft erfolgen. Es können auch Stäbe aus Vollmaterial in einem gewissen Volumen in eier Nähe der Oberfläche geprüft werden. ' ■ Γ"

Außer zur Erzeugung von Lamb-Wellen sind die P

Wandler ebenso wie die Spiegel und Linsen, die weiter \

oben beschrieben wurden, zweckmäßig zum Erregen "

von Wellen auf einer bestimmten Dicke ab der Oberfläche des zu prüfenden Körpers. Wenn auf die Oberfläche z. B. eines Zylinders Longitudinalwellen ^ geschickt werden, deren Strahlen einen konstanten Ein- * | fallswinkel mit der Normalen auf der Oberfläche im Einfallspunkt einschließen, existieren die im Medium 30 erregten (transversalen oder Iongitudinalen) Wellen nur | im Volumen zwischen der Oberfläche und derjenigen ^l Fläche, die von den durch Brechung erzeugten Strahlen eingehüllt wird. Die Hüllfläche ist parallel zur Oberfläche. Ähnlich ist es zur Vermeidung von vorübergehcnden Dispersionsefiekten beim Empfang zweckmäßig, in einem Werkstoff geringer Dicke Wellen konstantem Einfallswinkel zu erzeugen, die zickzackförmig zwi- B sehen den beiden Werkstoffflächen sich ausbreiten.

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Hierzu 8 Blatt Zeichnungen

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■ r,

Claims

Patentansprüche:

1. Strahlablenker, insbesondere für eine Einrichtung zur Werkstoffprüfung, zur Transformation eines Bündels von Strahlen parallel zu den Erzeugenden eines Zylinderkörpers mit polygonaler Leitkurve in ein Bündel von Strahlen, die auf der Oberfläche des Zylinderkörpers unter konstantem Einfallswinkel einfallen, um gebrochene Wellen zu erzeugen, von denen die Schritte der Oberflächen der zugehörigen Wellen mit der Oberfläche des Zylinderkörpers senkrecht auf einer Schar von gebrochenen Schraublinien stehen, wobei jede gebrochene Schraubenlinie durch mehrere Geradensegmente gebildet ist, die paarweise an den Kanten des Zylinderkörpers zusammenlaufen, wobei jedes Segment um einen Winkel ^ gegen eine Ebene senkrecht zu den Erzeugenden des Zylinderkörpers geneigt ist, gekennzeichnet durch mehrere plane Strahlenablenkerelemente,
wobei jede Fläche P₁ des Zylinderkörpers (C) mindestens einem Strahlenablenkerelement (M) zugeordnet ist,

die Richtung jedes planen Strahlenablenkerelements (M₁) durch die Richtung seiner Normalen (n) definiert ist,
deren Projektionen proportional sind:

cos α bei Projektion auf eine Erzeugende des Zylinderkörpers (C),

cosy" sin «bei einer Projektion auf eine Normale auf der Fläche P₁ und

siny sin σ bei einer Projektion auf eine Achse senkrecht zu den beiden vorhergehenden Projektionen, wobei die Winkely und «ausgehend von den Winkel /und β durch folgende Gleichungen bestimmt sind:

y = tg / cos β und cos 2a = ± sin / sin ß.

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wobei außerdem die Ebenen der beiden planen Strahlablenkerelemcnte (M₁, M_{1 +} 1), die aufeinanderfolgenden Flächen (P₁, P₁ ₄ ,) des Zylinderkörpers (C) zugeordnet sind, auseinander durch eine Drehung mit anschließender Translation hervorgehen, wobei die Drehung um eine Achse parallel zu den Erzeugenden des Zylinderkörpers (C) und in einer Ebene von Kanten A₁ und A_{1 +} \ erfolgt, wobei die Kante A₁ der Schnitt der Flächen P₁ . j und P₁ und die Kante A, ₊ 1 der Schnitt der Flächen P, und P_{1 +} 1 ist, wobei der Winkel der Drehung gleich dem des Dieders ist, das durch die Flächen P₁ und P_i+ , gebildet ist, und

wobei die Translation parallel zu den Erzeugenden um eine Größe asm j Ig α erfolgt, mit α als der Breite der Fläche P₁.

2. Strahlablenker nach Anspruch 1, wobei a = 0 ist, so daß die Scharen der gebrochenen Schraubenlinien sich auf die Schar von parallelen Leitkurven in Äquatorebenen senkrecht zu den Erzeugenden reduzieren, gekennzeichnet durch mehrere plane Strahlablenkerelemcnte, wobei jede Fläche P₁ des Zylinderkörpers (C) mindestens einem Strahlenablenkerelement M₁ zugeordnet ist, der Schnitt jedes Strahlenablenkerelements M₁ mit einer Ebene senkrecht zu den Erzeugenden des Zylinderkörpers (C) ein Geradensegment S₁ ist, das mit der zugehörigen Fläche P₁ denselben Winkel / einschließt, und wobei zwei dieser Segmente 5, und S_j+ ,, die zu zwei aufeinanderfolgenden Strahlablenkerclementen M₁ und M_{1 +} 1 gehören, äquidistant von einer Kante A₁ sind, die den Schnitt von zwei Flächen P₁ und P_1Λ , darstellt.

3. Strahlablenker nach Anspruch 1, mitjS = ^, um

die Scharen der gebrochenen Schraubenlinien auf Segmente der Ezeugenden zu reduzieren, gekennzeichnet durch mehrere plane Strahlablenkcrelemente M₁, die eine Pyramidenfläche bilden, wobei jedes StrahlablenkerelementA/, mit der zugehörigen Fläche P₁ einen Winkel a = f ±f einschließt.

4. Strahlablenker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Ebene senkrecht zu den Erzeugenden die Gesamtlänge der Geradensegmente S₁ konstant ist.

5. Strahlablenker, insbesondere für eine Einrichtung zur Werkstoffprüfung, zur Transformation eines Bündels von Strahlen parallel zu den Krz.cugenden eines Zylinderkörpers mit kreisförmiger Leitkurve in ein Bündel von Strahlen, die auf die Oberfläche des Zylinderkörpers unter einem konstanten Einfallswinkel /fallen, um gebrochene Wellen zu erzeugen, deren Schnitte von Oberflächen zugehöriger Wellen mit der Oberfläche des Zylinderkörpers senkrecht zu einer Schar von kreisförmigen Schraubenlinien auf dieser Oberfläche mit einer Ganghöhe 2 π R tg β verlaufen, wobei der Winkel β der Winkel zwischen den Tangenten an die Schraubenlinie und der Ebene senkrecht zu den Erzeugenden des Zylinderkörpers ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Strahlenablenkers Teil einer Fläche ist, die durch die folgende Gleichung in Polarkoordinaten um die Achse Oz definiert ist:

ζ cotg a = Vp² - R² sin j + R sin/ 6>,

wobei die Winkel α und/ mit den Winkeln / und.// durch die Gleichungen verknüpft sind:

tgy ⁼ tg ' cosy/; cos 2 a - sin /sinß.

6. Strahlablenker nach Anspruch 5 zur Transformation eines Bündels von Strahlen parallel zu den Erzeugenden eines Zylinderkörpers der Achse Oz und kreisförmiger Leitkurve mit dem Radius R in ein Bündel von Strahlen, die auf die Mantelfläche des Zylinderkörpers unter einem konstanten Einfallswinkel /entlang einer Schar von Kreisen lallen, die Querschnitte des Zylinderkörpers sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Strahlablenker Teil einer Fläche ist, die in Polarkoordinaten um die Achse Oz folgender Gleichung genügt:

ζ = Vp² - R¹ sin² / + R sin / Θ.

7. Strahlablenker nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schnitt der Oberfläche des Strahlablenker mit den Ebenen senkrecht zu den Erzeugenden Bögen einer Evolvente der Kreise konstanter Länge sind.

8. Anwendung des Strahlablenker, insbesondere für eine Einrichtung zur Ultraschall-Werkstoffprüfung, nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Erfassen von Fehlern in einem Zylinderkörper durch Erregen von Lamb-Wellen in dem Zylinder-

körper geringer Dicke, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlablenker einem planen Wandler zugeordnet wird, der Ultraschallstrahlen parallel zu den Erzeugenden des zu prüfenden Zylinderkörpers (O strahlt und als Sender-Empfänger arbeitet.

9. Anwendung des Strahlablenker nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlablenkerund der Wandler sich innerhalb eines Raumes befinden, der durch ein den zu prüfenden Körper (C J bildendes Zylinderrohr begrenzt und mit einer Koppelflüssigkeit gefüllt ist

10. Anwendung des Strahlablenker nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlablenker und der Wandler sich außerhalb eines des zu prüfenden Körpers (O bildenden Zylinderrohrs befinden und daß diese Einheit in eine Koppelflüssigkeit eingetaucht ist.

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