DE2502929A1

DE2502929A1 - Mehrfrequenz-ultraschalluntersuchungseinheit

Info

Publication number: DE2502929A1
Application number: DE19752502929
Authority: DE
Inventors: Jerry Thomas Mcelroy
Original assignee: Automation Industries Inc
Current assignee: Automation Industries Inc
Priority date: 1974-01-30
Filing date: 1975-01-24
Publication date: 1975-07-31
Also published as: JPS50109788A; AU7718775A; JPS5857706B2; US3898840A; FR2259362A2; FR2259362B2

Description

Mehrfrequenz-Ultraschalluntersuchungseinheit

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Eine Art der zerstörungsfreien Prüfung arbeitet mit Ultraschallenergie. Dabei ist eine Untersuchungseinheit vorgesehen, die Ultraschallenergie in ein Werkstück sendet und entsprechend der von den Oberflächen oder aus dem inneren des Werkstücks auf die Untersuchungseinheit reflektierten Ultraschallenergie elektrische" Signale erzeugt.

In einem sogenannten Impulsechosystem ist die Untersuchungseinheit so ausgelegt, daß sie entsprechend einem wiederholt auftretenden Aussteuersignal Entladungsstoße oder Impulse von Ultraschallenergie aussendet. Die Ultraschallenergieimpulse werden in das Werkstück eingeschallt und von etwaigen Unstetigkeiten auf die Einheit reflektiert. Die' Werkstückoberflächen sowie etwa innerhalb des Werkstückrnaterials vorhandene Fehler, wie etwa. Risse, Hohlräume, Einschlüsse und dergleichen, bilden wahrnehmbare Unstetigkeiten. Bei Empfang der reflektierten Energie erzeugt die Untersuchungseinheit entsprechende elektrische Signale. Dui^ch llessung von Amplitude und Verzögerung des resultierenden Echos bzw. der reflektierten Signale lassen sich Größe und Lage der Unstetigkeit bestimmen.

Um eine genaue Messung über die Größe, Lage und so weiter einer Unstetigkeit zu erzielen, ist es erforderlich, Amplitude, Zeit und derartige Parameter des von der Untersuchungseinheit erzeugten elektrischen Signais genau zu messen. Um ferner aus diesen

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ORIGINAL' INSPECTED

elektrischen Signalen die Fehler genau aufzulösen, insbesondere diejenigen Fehler, die klein sind und/oder nahe an der vorderen Oberfläche des Werkstücks liegen, wird zweckmäßigerweise mit einer verhältnismäßig hohen Frequenz gearbeitet. Leider wird jedoch hochfrequente Ultraschallenergie durch gewisse Materialien wie nicht-rostenden Stahl, Inconel, Monel, Rene usw. stark gedämpft. Um nun nahe der Oberfläche befindliche Fehler sowie auch solche, die in erheblichen Tiefen innerhalb eines Werkstücks liegen, genau zu lokalisieren, und zu messen, müssen daher je na* dpr* Tiefe verschiedene Frequenzen verwendet werden.

Zur Untersuchung eines Werkstücks mit mehreren Frequenzen ist es bisher üblich, mindestens zwei getrennte und verschiedene Prüfungen mit den beiden verschiedenen Frequenzen durchzuführen. Eine derartige redundante Prüfung ist natürlich zeitraubend und teuer.

Neuerdings ist die Verwendung eines Systems vorgeschlagen worden, mit dem sich ein Werkstück gleichzeitig mit zwei verschiedenen Frequenzen untersuchen läßt. Ein derartiges System ist in der Stammanmeldung P 24 50 402.7 offenbart.

"in herkömmlichen Systemen verwendete Ultraschall-Untersuchungseinheiten arbeiten mit piezoelektrischen Kristallen. Solche Kristalle sind.typischerweise frequenzempfindlich und nicht in der Lage, auf mehr als einer Frequenz mit A^⁺-*™'-'¹ ν "■'-- ^sgrad zu arbeiten. Infolgedessen gestatten es ük, _ -..- ■ _..^iiz~ Prüfsysteme verfügbaren bekannten Untersuchungseinheiten nicht, auf den verschiedenen Frequenzen, wie sie bei dem genannten mehrfrequenten Prüfsystem in Rede stehen, zufriedenstellend zu arbeiten.

Der Erfindung liegt die generelle Aufgabe zugrunde, Nachteile, wie sie bei uTtraschall-Untersuchungseinheiten nach dem Stand der Technik auftreten, zu beseitigen oder wenigstens abzumildern. Insbesondere sollen die obengenannten Schwierigkeiten überwunden werden. Die Erfindung vermittelt dazu eine Untersuchungseinheit, die in der Lage ist, auf mehr als einer· Frequenz mit hohem Auflösungsvermögen und hoher Genauigkeit bei jeder der angewandten

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BAD ORlBiNAL

Frequenzen zu arbeiten. In der beschränkten Anzahl der im folgenden offenbarten Ausführungsbeispiele wird eine Untersuchungseinheit vermittelt, die mindestens zwei getrennte und verschiedene piezoelektrische Kristalle aufweist. Die einzelnen Kristalle vermögen dabei auf verschiedenen Frequenzen unabhängig zu arbeiten. Die akustischen Strahlungsmuster der Kristalle überlappen einander und sind auf unterschiedliche Tiefen des ¥erkstückmaterials fokussiert. Die reflektierten Ultraschallwellen der beiden Frequenzen werden elektrisch genau miteinander korreliert, so daß sie eine einzige Prüfanzeige ergeben, die aus Bestandteilen von beiden Wandlern besteht. Ein Wandler ist dabei so eingerichtet, daß er verhältnismäßig hochfrequente Schallfrequenz sendet und/oder empfängt, um Unstetigkeiten an oder nahe der Werkstückoberfläche aufzulösen, während ein weiterer Wandler verhältnismäßig niederfrequente Ultraschallenergie zur Auflösung von tief im Werkstüekmaterial liegenden Unstetigkeiten sendet und/oder empfängt.

Die Erfindung wird in der nachstehenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Systems zur zerstörungsfreien Prüfung, das mit einer erfindungsgemäßen Untersuchungseinheit arbeitet;

Fig. 2 einen Schnitt durch die Untersuchungseinheit nach Fig. 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, die sich zur Prüfung unter Berührung eignet;

Fig. 3 einen der Fig. 2 ähnlichen Schnitt durch eine andere Ausführungsform einer Untersuchungseinheit, die sich zur Eintauchprüfung eignet;

Fig. 4 eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform der Erfindung zur Eintauch-Prüfung;"und

Fig. 5 einen Schnitt längs der Linie 5-5 der Fig. 4.

Gemäß den Zeichnungen ist die vorliegende Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit einer Ultraschall-Untersuchungseinheit 10 zur Verwendung in einem zerstörungsfreien Ultraschallprüfsystem 12 geeignet. Die Untersuchungseinheit 10 kann dabei in jeder beliebigen Art von Prüf system 12 verwendet werden, d.h. in Sjrsteinen,

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die mit kontinuierlichen Wellen arbeiten, mit Durchschallung, mit Impulsecho usw. Außerdem kann die Untersuchungseinheit auch nur als Sender oder nur als Empfänger arbeiten. Im vorliegenden Fall ist die Einheit 10 jedoch so dargestellt, daß sie als kombinierter Sender/Empfänger zur Verwendung in einem zerstörungsfreien Dualfrequenz-Ultraschallprüfsystem ähnlich der in der obigen Patentanmeldung offenbarten Einheit arbeitet.

In Fig. 1 ist das Ultraschallprüfsystem 12 als Blockschaltbild dargestellt. Dieses System ist so ausgelegt, daß es in einem Impulsecho-Modus arbeitet, und umfaßt einen Impulsgenerator oder elektrischen Taktgeber 14. Der Taktgeber 14 erzeugt eine Folge von periodischen Zeitsteuer- oder Taktimpulsen, die die Folgefrequenz bestimmen, mit der das gesamte System 12 arbeitet. Diese Folgefrequenz wird nicht als kritisch betrachtet und kann innerhalb eines weiten Bereichs variieren. Beispielsweise sei jedoch angenommen, daß die Folgefrequenz im Bereich von etwa 1 oder 2 KHz liegt.

Ein Ausgang 16 des Taktgebers 14 ist an eine durch 2 teilende Divisionsstufe 18 angeschlossen, die jeden beliebigen Aufbau haben kann_o Beispielsweise kann es sich bei der Stufe 18 um ein Flipflop handeln, das jedesmal seinen Zustand umkehrt, wenn am Ausgang 16 ein Taktimpuls auftritt. Dies ergibt an einem ersten Ausgang 20 der Stufe 18 eine erste Folge und an einem zweiten Ausgang 22 der Stufe 18 eine zweite Folge von Sjmchronisierimpulsen. Die Impulse dieser beiden Impulsfolgen sind mit den Taktimpulsen synchronisiert, haben jedoch nur die halbe Frequenz der Taktfrequenz und sind um 180° gegeneinander phasenversetzt.

Der Ausgang 20 der Divisionsstufe 18 ist an den Steuereingang eines ersten Kanalimpulsgebers 24 angeschlossen. Dieser Impulsgeber spricht auf die erste Folge von Synchronisierimpulsen an und arbeitet synchron zu diesen. Bei jedem Auftreten eines Synchronisierimpulses aus der ersten Impulsfolge erzeugt der Impulsgeber 24 einen zur Aussteuerung eines Wandlers der Untersuchungseinheit geeigneten Impuls , bei dem es sich normalerweise um

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einen Hochspannungsimpuls ein oder mehrerer Zyklen im Frequenzbereich von 25 KHz bis 25 MHz oder sogar darüber handelt.

Der Ausgang des Impulsgebers 24 ist mit der Untersuchungseinheit 10 gekoppelt, wobei die Kopplung normalerweise mittels eines flexiblen Koaxialkabels erfolgt, so daß sich die Untersuchungseinheit 10 akustisch mit dem Werkstück koppeln und über die Werkstückoberflache bewegen läßt.

Sooft der Untersuchungseinheit 10 ein Aussteuerimpuls zugeführt wird, bewirkt sie einen entsprechenden Ultraschallenergiestoß oder -impuls, der von dem darin vorhandenen Wandler ausgesendet wird. Dieser Ultraschallenergie-Impuls, der generell die gleiche Frequenz hat wie der Aussteuerimpuls, wird von gegebenenfalls vorhandenen akustischen Unstetigkeiten auf oder in dem Werkstück reflektiert. Die Untersuehungseinheit spricht auf diese reflektierten Ultraschallechos an und erzeugt ein entsprechendes elektrisches Signal.

Dieses entsprechende Signal wird gelegentlich als HF-Signal bezeichnet, da es aus Hochfrequcnzkomponenten bestellt, die im wesentlichen die gleiche Frequenz wie die Ultraschallenergie haben. Die Amplitude der HF-Komponenten ist entsprechend Zeit und Amplitude der zurückkehrenden Ultraschallechos moduliert.

An das Koaxialkabel von der Untersuchungseinheit 10 ist ein Empfänger 26 angeschlossen, der die zurückkehrenden Signale verarbeitet. Insbesondere mag der Empfänger 26 die Hüllkurve der modulierten HF-Komponenten ermitteln und das Signal derart verarbeiten, daß am Empfängerausgang nur eine Seite der Hüllkurve erscheint. Dieses resultierende Signal wird gewöhnlich als Videosignal bezeichnet.

Der zweite Ausgangs 22 der Divisionsstufe 18 ist an den Steuereingang eines zweiten Kanalimpulsgebers 28 angeschlossen, der dem ersten Kanalimpulsgeber 24 ähnlich ist. Der zweite Impulsgeber 28 spricht jedoch auf die zweite Folge von Synchronisierimpulsen an und sendet zeitlich entsprechend auftretende Aussteuerimpulse an die Untersuchungseinheit,,

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Wie im folgenden im einzelnen erläutert, liegt auch die Frequenz dieses Aussteuerimpulses im Bereich von etwa 25 KHz bis 25 KHz; die spezielle Frequenz dieses zweiten Kanals unterscheidet sich jedoch wesentlich von der Frequenz des von dem ersten Kanalimpulsgebers 24 ausgesendeten Impulses.

Um die aus diesen Impulsen des zweiten Kanals resultierenden, rücklaufenden Echos zu verarbeiten, ist ein dem Empfänger 26 ähnlicher zweiter Kanalempfänger 30 vorgesehen.

Die Ausgänge der beiden Empfänger 26 und 28 sind mit einer oder mehreren geeigneten Auswert- oder Anzeigeeinrichtungen verbunden. Bei diesen Einrichtungen kann es sich um die verschiedensten Geräte handeln; im vorliegenden Fall ist als Beispiel ein Oszilloskop 32 gezeigt. Dieses Oszilloskop umfaßt eine Kathodenstrahlröhre 34 mit horizontalen Ablenkplatten 36 und vertikalen Ablenkplatten 37.

Die horizontalen Ablenkplatten 36 sind über einen horizontalen Ablenkgenerator 38 mit einem zweiten Ausgang 40 des Taktgebers 14 verbunden. Infolgedessen bewirkt bei jedem Auftreten eines Taktimpulses der horizontale Ablenkgenerator 38, daß der Elektronenstrahl horizontal über den Schirm der Kathodenstrahlröhre abgelenkt wird.

Die Ausgänge der beiden Empfänger 26 und 30 sind über eine Torsteuerschaltung 44 mit einem vertikalen Ablenkverstärker 42 verbunden, der seinerseits an die vertikalen Ablenkplatten 37 der Kathodenstrahlröhre 34 angeschlossen ist.

Bei der Tor Steuer schaltung 44 kann es sich um eine Schaltung mit einem einzelnen Ausgang 46 handeln, mit dem der eine oder der andere eines Paares von Signaleingängen 47, 48 verbunden wird. Die selektive Verbindung zwischen den beiden Signaleingängen einerseits und dem Ausgang 46 andererseits wird durch ein Paar von Steuereingängen 49, 50 bestimmt, die mit den Ausgängen 20 bzw. 22 der Divisionsstufe 18 verbunden sind.

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Die beiden Folgen von Synchronisierimpulsen aus der Divisionsstufe 18 bewirken, daß die beiden verschiedenen Kanäle der Torsteuerschaltung 44 synchron mit der Betätigung des ersten Impulsgebers 24 und des zugehörigen Empfängers 26 sowie der zv/eiten Impulsgebers 28 und des zugehörigen Empfängers 30 abwechselnd geöffnet und geschlossen werden. In Abhängigkeit davon, welcher Impulsgeber/Empfänger arbeitet, wird daher durch die Torsteuerschaltung 44 das betreffende durchgetastete Videosignal von dem entsprechenden. Empfänger dem vertikalen Ablenkverstärker 42 zugeführt. Das durchgetastete Signal wird dort verstärkt und den vertikalen Ablenkplatten 37 der Kathodenstrahlröhre 34 zugeführt.

Mit der Kathodenstrahlröhre 34 kann ferner ein Austastgatter 5-2 verbunden sein, um den Elektronenstrahl auszutasten. Das Gatter 52 wird synchron mit den nicht gewünschten Teilen des hindurchgetasteten Videosignales in einen Austastmodus bzw. synchron mit den gewünschten Teilen des Videosignals von den Empfängern in seinen Helltast-Modus versetzt.

Wie ersichtlich, läßt sich somit auf dem Bildschirm der Kathodenstrahlröhre 34 eine sichtbare Anzeige erzeugen, die sich aus vorgewählten Teilen des jeweils hindurchgetasteten Videosignals zusammensetzt und eine horizontale Spur mit einer oder mehreren längs dieser Spur verteilten vertikalen Markierungen aufweist. Diese Markierungen entsprechen dem Aussteuersignal, das der Untersuchungseinheit 10 ursprünglich zugeführt wird, sowie Komponenten der Signale, die von den verschiedenen Wandlern der Untersuchungseinheit bei Auftreten zurückkehrender* Ultraschallechos erzeugt werden.

Die horizontale Versetzung der Markierungen längs der Spur entspricht der Empfangszeit und ist daher eine Funktion der Entfernung des reflektierenden Ziels. Die Größe der vertikalen Ablenkung bzw. die vertikale Höhe der einzelnen Markierungen ist eine Funktion der Größe des Echos und damit eine Funktion der Größe des Ziels, d.h. der ablenkenden Unstetigkeit.

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Um die Ultraschallenergie auf der Vielzahl von Frequenzen (im vorliegenden Fall wird mit zwei verschiedenen Frequenzen gearbeitet) auszusenden und zu empfangen, umfaßt die Untersuchungseinheit 10 ein Paar von elektroakustischen Wandlern 60 und 62. Um ferner auf den beiden verschiedenen Frequenzen optimale Ultraschall-Ermittlung zu gewährleisten, müssen die beiden'das Kernstück der Wandler bildenden piezoelektrischen Kristalle unterschiedliche Dicken haben. Daruberhinaus müssen die Wandler körperlich, elektrisch und akustisch gegeneinander isoliert sein, um elektrische und akustische Kreuzkopplung zwischen den getrennten Frequenzkanälen zu beseitigen oder minimal zu machen.

Die in Fig. 2 gezeigte, zwei Wandler umfassende Untersuchungseinheit 10 hat sich als besonders vorteilhaft für Prüfungen mit Berührungstastung erwiesen. Bei einer derartigen Prüfung wird ein vorderer Arbeitsteil 63 der Untersuchungeinheit in Berührung mit einem Werkstück 64 gebracht. Auf der Oberfläche des Werkstücks 64 kann ein (nicht gezeigtes) flüssiges Kopplungsmittel vorhanden sein, um eine wirksame akustische Kopplung der Ultraschallenergie zwischen den Wandlern der Untersuchungseinheit und dem Innern des Werkstückmaterials herbeizuführen.

Um in v/irksamer Weise zu gewährleisten, daß der gleiche örtliche Werkstückbereich von beiden Wandlern gleichzeitig getastet wird, ist die Untersuchungseinheit 10 im vorliegenden Fall mit einem inneren scheibenförmigen piezoelektrischen Element 66 für den Wandler 60 ausgestattet. Dieses innere Element ist koaxial zu einem äußeren ringförmigen piezoelektrischen Element 67 angeordnet, das den Wandler 62 bildet. Typischerweise handelt es sich bei den Elementen 66 und 67 um piezoelektrische Quarz- oder Keramikkristalle. Die Elemente haben generell im wesentlichen gleichmäßige Dicke und bilden zwei gegenüberliegende parallele Flächen, die die Hauptoberflächenbereiche der Elemente darstellen.

Im vorliegenden Fall dient der innere Wandler 60 zur Prüfung mit verhältnismäßig hochfrequentem Ultraschall auf Unstetigkeiten an der Oberfläche oder innerhalb der oberflächennahen

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Zone des Werkstücks. Deshalb kann es sich bei dem piezoelektrischen Element 66 um das dünnere Element der beiden Wandler handeln, das in der Lage ist, Ei genre sonanzschwingungen auf der höheren. Frequenz aufrechtzuerhalten. Umgekehrt kann das äußere ringförmige Element 67 eine andere und in diesem Fall stärkere Dicke haben, um optimale Leistung bei einer verhältnismäßig tiefen Frequenz zu erzielen. Die verhältnismäßig niedrigeren Frequenzen sind in größeren Tiefen innerhalb des Werkstücks 64 wirksamer. Daher eignet sich der Wandler 62 insbesondere zur Lokalisierung und Messung von Unstetigkeiten, die tiefer im Material, d.h. Jenseits der oberflächennahen Zone, liegen.

Die speziellen Frequenzen sind nicht kritisch und hängen vom Jeweiligen Anwendungsfall ab. In dem vorliegenden, nur als solches gewählten Beispiel arbeitet der innere Wandler auf 1OMhz, der äußere Wandler auf 5 MHz.

Wie erwähnt, weist das Element 66 eine Vorderflache 68 und eine hintere Fläche 69 auf. An diesen Flächen sind Elektrodeneinrichtungen angebracht, um Aussteuerimpulse auf die Wandler zu übertragen und/oder umgewandelte elektrische Signale von den Wandlern abzunehmen. Zur Verbindung mit den Elektrodeneinrichtungen an den beiden Flächen des Elements dient ein Paar von Zuführdrähten 71, 72.

Ähnlich v/eist das äußere ringförmige Wandlerelement 67 eine ■Vorderfläche 73 und eine hintere Fläche 74 zur Aufnahme entgegengesetzt angeordneter Elektrodeneinrichtungen auf. Entsprechende Zuführungsleiter 76, 77 leiten die elektrischen Signale an die Elektroden dieses äußeren Wandlers bzw. von den Elektroden weg. Die Elektroden für Jedes der piezoelektrischen Elemente sind nicht eigens dargestellt, da ihr Aufbau und ihre Arbeitsweise dem Fachmann bekam.; sind. Kurz gesagt, könnten die Elektroden aus einem sehr dünnen Metallfilm bestehen, der auf die Jeweiligen Flächen 68, 69, 73 und 74 der einzelnen Kristalle galvanisch oder durch Vakuumaufdampfung aufgebracht ist. Die Zuführdrähte und Leiter 71, 72, 76 und 77 sind getrennt mit den einzelnen metallischen Elektrodenfilmen elektrisch verbunden.

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Die entsprechenden Vorderflächen 68 und 73 der verschiedenen Wandler sind dem vorderen Arbeitsteil 63 der Untersuchungseinheit 10 zugewandt. Auf diese Weise wird die Ultraschallenergie von den-Wandlern in Richtung des beabsichtigten Gegenstands, d.h. des Werkstücks 64, aussenden und aus dieser Richtung empfangen.

Zum Anschluß der Zuführdrähte 71 und 72 für den inneren Wandler und der Leiter 76 und 77 für den äußeren Wandler ist die Untersuchungseinheit 10 mit getrennten Koaxialanschlüsseii 81 bzw. 82 ausgestattet. Somit können getrennte Koaxialkabel 83 und 84 verwendet werden, um die oben erwähnte elektrische Trennung der beiden Wandlerkanäle zu gewährleisten.

Die einzelnen Wandler 60 und 62 sind ferner akustisch durch eine akustische Isolationsstruktur gegeneinander isoliert, die koaxial zwischen den Wandlereinrichtungen angeordnet ist. Um die Wirksamkeit der Struktur 86 sicherzustellen, kann zwischen dem äußeren Rand des inneren Wandleraufbaus und dem inneren Rand 87 des äußeren Wändlers eine radiale Trennung vorhanden sein. In diesen radialen Abstand ist die Struktur 86 eingesetzt, die aus den im folgenden genauer beschriebenen Materialien besteht, um akustische Kreuzkopplung so klein wie möglich zu machen. Dabei wird durch die Anordnung der Struktur 86 die Ausbreitung akustischer Energie insbesondere in Radialrichtung zwischen den Wandlern minimiert, wo nicht eliminiert« Es ist erwünscht, daß sich der größte Teil der akustischen Energie in Axialrichtung nach vorne bzw. von den Vorderflächen 68 und 73 der Wandlerelemente weg ausbreitet. Andererseits wirkt die akustische Isolationsstruktur 86 als Schirm gegen Ausbreitung jedweder radial gerichteter Komponenten dieser Ultraschallenergie.

Zur weiteren Verstärkung der Gesamtleistung der Untersuchungseinheit 10 können ein oder beide Wandler 60 und 62 mit einer mit den Vorderflächen 68 bzw. 73 der Wandlerelemente gekoppelten akustischen Übertragungseinrichtung versehen sein. Diese einem oder beiden Wandlern zugeordneten Übertragungseinrichtungen können etwa Mittel umfassen, um die Übertragung der akustischen Energie zwischen dem Werkstück und dem jeweiligen Wandler

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akustisch differentiell zu modifizieren. Eine solche Modifiziereinrichtung ist vorzugsweise auf die spezielle Frequenz zugeschnitten, auf der der zugehörige Wandler arbeiten soll.

Wie erwähnt, soll bei der Untersuchungseinheit 10 nach Fig. 2 der innere Wandler 60 a^^f verhältnismäßig hohen Frequenzen arbeiten, um Unstetigkeiten an oder nahe der Werkstückoberfläche zu ermitteln. Zur Verstärkung dieser Arbeitsweise ist die erwähnte Übertragungseinrichtung in Form einer akustischen Verzögerungsstruktur 90 vorgesehen. Die Verzögerungsstruktur 90 ist dabei in axialer Fluchtung mit dem Wandler 60 zwischen dessen Vorderfläche und dem vorderen Arbeitsteil 63 der Untersuchungseinheit angeordnet. -

Bei dieser Anordnung wird die auf den bzw. von dem Wandler 60 übertragene akustische Energie' durch die dazwischen befindliche Struktur 90 verzögert. Die akustische Energieübertragung ist also relativ zur Übertragung von Ultraschallenergie auf den bzw. von dem äußeren, auf der niedrigeren Frequenz arbeitenden Wandler 62 differentiell modifiziert, d.h. verzögert. Die Verzögerungsstruktur 90 besorgt also nicht nur eine Übertragung der Ultraschallenergie auf den bzw. von dem Wandler 60, sondern modifiziert die Übertragung der Ultraschallenergie differentiell relativ zu der Übertragung am Wandler 62. .

Durch Einführung einer zeitlichen Verzögerung in die Aussendung der zwischen dem Wandler 60 und dem Werkstück verlaufenden Ultraschallwellen wird die Auflösung von Fehlern an oder nahe der Werkstückoberfläche merklich verstärkte Der Grund dafür liegt darin, daß der Wandler 60 auf einen der von dem Taktgeber 24 erzeugten Impulse anspricht. Unmittelbar bei Ansprechen auf einen derartigen Aussteuerimpuls schallt der Wandler 60 . von seiner Vorderfläche 68 auf das Werkstück zu eine entsprechende Ultraschallwelle ab. Dieser Aussteuerimpuls gelangt notwendigerweise auch an den Eingang des Empfängers 26, woraufhin an dem Oszillockop 32 ein Signal als Zeitmarkierung angezeigt v/erden kann; dieses Signal kann jedoch auch derart ausgesteuert

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oder ausgetastet werden, daß es auf der Oszilloskopanzeige nicht erscheint.

Jedenfalls sind der Empfänger 26 und das Anzeigesystem nicht in der Lage, auf irgendwelche anderen Signale, die während oder kurz nach dem Aussteuerimpuls auftreten, ordnungsgemäß anzusprechen und solche Signale aufzulösen. Beispielsweise wird eine reflektierte Ultraschallwelle, die kurz nach der ursprünglichen Aussendung zu dem Wandler 60 zurückkehrt, durch das aussteuernde Signal verdeckt oder mindestens von der Anzeige auf dem Oszilloskop 32 ausgetastet. Das Aussteuersignal hat im allgemeinen eine viel größere Amplitude als irgendeines der empfangenen Echosignale. Daher können solche Echosignale, die dem · Aussteuersignal unmittelbar folgen, nicht aufgelöst werden. Die ursprüngliche Erregung des Wandlers durch den Taktgeber 24 wird gelegentlich als "Hauptknall" bzeichnet.

Die Verzögerungsstruktur 90 gestattet, daß der dem inneren Wandler 60 zugeführte "Hauptknall" abklingt, bevor Echos von der Oberfläche oder dem oberflächennahen Bereich des Werkstücks 64 zurückkehren. Dabei vermittelt die Zeit, die die Ultraschallenergie benötigt-, um von der Vorderfläche 68 des Wandlers 60 zur Werkstückoberfläche zu gelangen und von dort zum Wandler 60 zurückzukehren, das gewünschte Erholungsintervall.

Dadurch also, daß der Wandler 60 unter Zwischenschaltung der Verzögerungsstruktur 90 in einem größeren Abstand von dem vorderen Arbeitsteil 63 der Untersuchungseinheit 10, der Wandler 62 dicht an der Werkstückoberfläche gehalten wird, ergibt sich eine mehrfrequente Untersuchungeinheit mit überragenden Eigenschaften, Der Wandler 62, der zur Ermittlung von Fehlern in größerer Tiefe innerhalb des Werkstücks 64 und das "Hauptknall"-Problem nicht aufweist, ist nahe an der Werkstückoberfläche angeordnet. Durch diese Nähe des Wandlers 62 gegenüber dem Werkstück werden Signalverluste aufgrund der Dämpfung der Schallwellen bei ihrer Ausbreitung bis tief in das Material hinein minimiert.

Die durch die Verzögerungsstruktur 90 vermittelte akustische übertragungseinrichtung Kann verschieden aufgebaut sein. Bei-

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spielsweise kann das akustische Verzögerungsmedium aus Lucite, Plexiglas, Polyäster, Polystyrol, Aluminiumoxid und/oder sonstigen Materialen bestehen. Im vorliegenden Fall besteht die"Verzögerungsstruktur 90 aus einem festen zylindrischen Element aus geeignetem Verzögerungsmaterial mit Abschnitten 91 und 92 verschiedener Durchmesser und ist, wie gezeigt, in axialer Fluchtung mit dem Wandler 60 angeordnet. Die Struktur 90 nimmt im wesentlichen den gesamten axialen Raum zwischen dem Wandler.60 und dem vorderen Arbeitsteil 63 der Unt er suchungs einheit 10 ein. Vorzugsweise sollte zwischen der Vorderfläche 93 der Struktur 90 und dem Wandler 60 kein Luftraum vorhanden sein, weil sonst die akustischen Verluste zu groß werden. Um Verluste infolge der Divergenz des Schallstrahls zu vermeiden, v/eisen die Abschnitte 91 und 92, wie gezeigt, mit zunehmendem Abstand von dem Wandler 60 zunehmende Durchmesser auf.

Im vorliegenden Fall ist auch dem äußeren ringförmigen Wandler 62 eine Übertragungseinrichtung zugeordnet. Dabei ist konzentrisch zu dem piezoelektrischen Element 67 und an dessen Vorderfläche 73 anstoßend eine ringförmige Verschleißplatte 94 bzw. ein ringförmiges Stirnelement angebracht. Da es sich bei der Untersuehungseinheit 10 um ein berührendes Abtastgerät handelt, schützt die Verschleißplatte 94 das Element 67 und seine" an der Fläche 73 angebrachte vordere Elektrode gegen Abrieb, gestattet jedoch gleichzeitig eine mühelose Übertragung der Ultraschallenergie auf den und von dem Wandler 62. -

Die Untersuchungseinheit 10 kann folgendermaßen aufgebaut werden. Zunächst werden der innere Wandler 60 und die zugehörigen Teile zusammengebaut. Dazu werden der Wandler 60 und die an ihm ange— brachten Elektroden am einen Ende eines inneren hohlzylindrischen Wandlergehäuses 101 positioniert. Der Wandler 60 kann mit einem Epoxyharz oder sonstigen geeigneten Mitteln an dem Gehäuse 101 befestigt werden. Nahe der hinteren Fläche 69 des Wandlers 60 kann, wie gezeigt, eine Stütz- und/oder Dämpfungsstruktur 102 angegossen v/erden, die bei Bedarf mit einer schrägen oder sich verjüngenden hinteren Fläche 103 versehen'werden kann. Die Dämpfungsstruktur und die schräge hintere Fläche 103 dienen dazu,

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die von dem Wandler 60 nach hinten und von dem Werkstück 64 weg gesendete oder reflektierte Ultraschallenergie zu absorbieren uns zerstreuen. Für die Struktur 102 können Materialien einer Anzahl verschiedener Typen verwendet werden. Beispielsweise läßt sich ein hartes, starres Dämpfungsmaterial verwenden, wie es in der US-Patentschrift 2 972 068 offenbart ist. In alternativer Ausführung .kann auch ein weiches, elastischeres und verformbares Dämpfungsmaterial benutzt v/erden.

Nach Fertigstellung dieser Bauteile werden das Gehäuse 101, und der darin befestigte Wandler 60 etwa mittels eines Epoxyharzes an den die Verzögerungsstruktur 90 bildenden Abschnitten 91 und 92 befestigt. Die Innenseite und/oder die Außenseite des Gehäuses 101 kann mit einem leitfähigen Überzug, etwa einer Silberfarbe oder dergleichen, zur elektrischen Abschirmung versehen v/erden.

Sodann werden der Wandler 62 und seine zugehörige Verschleiß-platte 94 an einem axialen, offenen Ende eines hohlzylindrischen äußeren Wandlergehäuses 106 in der gezeigten Weise befestigt. Wie bei dem Gehäuse 101 können ein oder beide Zylinderflächen des Gehäuses 106 mit einem metallischen Überzug, etwa Silberfarbe, zur elektrischen Abschirmung versehen sein.

Koaxial zwischen dem äußeren Gehäuse 106 und dem inneren Gehäuse

101 kann ein haltendes Zwischengehäuse 107 generell hohlzylindrischer Form vorgesehen sein. Das Haltegehäuse 107 kann dabei an seinem axial vorderen Ende, wie gezeigt, innerhalb des Innenrandes 87 des Wandlers 62 und der Verschleißplatte 94 eingesetzt sein. Die Gehäuse 101, 106 und 107 können aus einer beliebigen Anzahl geeigneter Materialien bestehen. Beispielsweise hat sich für diese Bauteile ein Material auf Phenolbasis als geeignet erwiesen.

An die Rückseite des äußeren Wandlers 62 kann eine Stütz- und/ oder Dämpfungsstruktur 108 in ähnlicher Weise wie die Struktur

102 angegossen werden. Obwohl die hintere Fläche der Struktur 108 in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 nicht abgeschrägt ist,

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ist es doch möglich, eine solche Abschrägung ähnlich wie "bei der Fläche 103 der Struktur 102 vorzusehen. Die die Struktur 108 bildende Materialausgießung füllt, wie gezeigt, den radialen Raum zwischen den Gehäusen 106 und 107. Dadurch bleibt das Innere des Gehäuses 107 frei zur Aufnahme der inneren Wandleruntergruppe, die in der oben beschriebenen Weise vorher zusammengestellt worden ist.

Das Gehäuse 101 wird dabei zusammen mit dem inneren.Wandler 60, der Stützstruktur 102 und der Verzögerungsstruktur 90 durch eines der offenen Enden des Gehäuses 107 eingesetzt und mit seiner Achse in koaxiale Fluchtung mit den umgebenden Strukturen ausgerichtet.

Zur Befestigung der inneren Wandler-Untergruppe sowie außerdem zur Vervollständigung der akustischen Isolationsstruktur 86 kann ein schallabsorbierendes Gußmaterial verwendet werden. Im vorliegenden Fall wird ein Gußmaterial 109 benutzt, dessen Eigenschaften ähnlich oder gleich den Eigenschaften des für die Strukturen 103 und 108 verwendeten Stütz- und/oder Dämpfungsmaterials sind. Zu diesem Zweck kann eine Vielzahl von Materialien benutzt werden; das spezielle verwendete Material dürfte nicht kritisch sein. Um ein Beispiel zu nennen, kann ein Polyurethanharz angewandt werden, das typischerweise weich, etwas elastisch und verformbar ist. Ein derartiges im Handel erhältliches Material bildet das Scotchcast-Polyurethanharz Nr. 221 der ,amerikanischen Firma Minnesota Mining & Manufacturing Company.

Wie ersichtlich, erstreckt sich die akustische Isolationsstruktur 86, die von dem Gußmaterial 109 gebildet wird, in axialier Richtung im wesentlichen ebenso weit wie die innere Wandleranordnung mit der Verzögerungsstruktur 90 und der Dämpfungsstruktur 103. Dadurch wird eine akustische Trennung oder Isolation zwischen den auf verschiedenen Frequenzen arbeitenden Wandlern gewährleistet.

Im Anschluß an die vorstehenden Arbeitsgänge wird die gesamte Untergruppe mit dem Gehäuse 106 koaxial innerhalb eines Außengehäuse* 110 montiert» das öäes Xußere d«r

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10 bildet und, wie gezeigt, die Koaxialanschlüsse 81 und 82 trägt. Jetzt können die Zufuhrdrähte bzw. Leiter 71, 72, 76 und 77 an die jeweils zugehörigen Leiter der Anschlüsse 81 und 82 elektrisch angeschlossen werden, womit die elektrischen Montagearbeiten beendet sind. Schließlich kann der verbleibende.Innenraum des Außengehäuses 110 mittels eines Epoxy- oder sonstigen geeigneten Vergießmaterials 111 durch eine obere Öffnung 112 des Gehäuses vergossen werden. Zum Verschließen und Vervollständigen der Untersuchungseinheit 10 kann danach eine Deckplatte 113 auf dem Gehäuse befestigt v/erden.

Die Untersuchungseinheit 10 ist zwar zur Berührungs-Abtastung bestimmt; andere Ultraschall-Prüfverfahren v/erden jedoch vorzugsweise durch Eintauch-Prüfung durchgeführt. In einem derartigen Fall mag eine erfindungsgemäße Eintauch-Untersuchungseinheit 115 gemäß Fig 3 benutzt werden. Bei dieser Art der Ultraschallprüfung ist ein Flüssigkeitsbad, beispielsweise ein Wasserbad, vorgesehen, in das das Werkstück und die Untersuchungseinheit eintauchen. Das Wasser dient dabei zur akustischen Kopplung der Ultraschallenergie zwischen dem Werkstück und den Wandlern.

Da der Wandler der Untersuchungseinheit typischerweise in einem Abstand von dem eingetauchten Prüfling angeordnet wird, tritt das Problem der Verdeekung von Reflektionen von der Oberfläche oder von oberflächennahen Bereichen des Werkstücks durch den "Hauptknall" normalerweise nicht auf. Das zwischen Werkstück und Wandler befindliche flüssige Kopplungsmittel bewirkt eine Verzögerung und erzeugt einen zeitlichen Abstand der von der Werkstückoberfläche zurückkehrenden Ultraschallechos, währenddessen die Wirkungen des "Hauptknalls" ausklingen können.

Die eintauchbare Untersuchungseinheit 115 v/eist daher keine ihrem inneren Wandler 116 zugeordnete Verzögerungsstruktur auf. Andererseits können sowohl der innere scheibenförmige Wandler-116 als auch der diesen koaxial umgebende äußere ringförmige Wandler 117 in verschiedenen Abständen von der vorderen Arbeitsfläche bzw. dem vorderen Arbeitsteil 118 der Einheit angeordnet sein.

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Bei der Uirtersuchurigseinheit 115 des Eintauchtyps können ferner an den Vorderflächen 121 und 122 des inneren bzw. des äußeren Wandlers Übertragungseinrichtungen vorgesehen sein, die die Übertragung von Ultraschallenergie durch Fokussierung relativ zum Werkstück modifizieren. Die Eintauchprüfung eignet sich zur Fokussierung der Ultraschallenergiestrahlen insofern, als das zwischen der Untersuchungseinheit und dem Werkstück vorhandene Wasser ein Gebiet bildet, in dem die Ultraschallenergie konvergieren oder divergieren kann.

Im vorliegenden Fall ist der innere Wandler 116 für die hochfrequente Untersuchung der nahen Werkstückoberfläche ähnlich wieder Wandler 60 der Untersuchungseinheit bestimmt. In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 hat jedoch die dein inneren Wandler zugeordnete Übertragungs- und Modifizierungseinrichtung die Form einer akustischen Linsenstruktur-123, die mit der Vorderfläche 121 des Wandlers gekoppelt ist. Die Linsenstruktur 123 kann ein bestimmtes Profil haben; im vorliegenden Fall ist sie an einer vorderen Fläche 124 konkav gestaltet, um die hindurchtretende Ultraschallwelle an oder nahe einer Oberfläche des Werkstücks 126 zu fokussieren« Die hintere Fläche 127 der Struktur 123 ist eben, so daß sie zu der ebenen Vorderfläche 121 des Wandlers 116 paßt und mit dieser vollständig ultraschall-gekoppelt ist.

Die Übertragungs- und Modifizierungseinrichtung, die dein auf niedrigerer Frequenz arbeitenden äußeren ringförmigen Wandler 117 zugeordnet ist, umfaßt in ähnlicher Weise eine akustische Linsenstruktur 123. Die Struktur 128 ist jedoch so gestaltet, daß sie die Ultraschallenergie in größeren Tiefen innerhalb des Werkstücks 126 fokussiert, und zwar insbesondere jenseits der von dem Wandler 116 und der Linsenstruktur 123 erfaßten nahen Oberflächenzone.

Die Struktur 128 welrst demgemäß eine konkav gestaltBte Oberfläche 129 auf, die, wie gezeigt, eine größere akustische Brennlänge hat. Die Profilfläche 129 ist nur durch die den inneren Wandler 116 und dessen zugehörige Komponenten auf-

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- 18 nehmende zentrische Öffnung unterbrochen.

Wie im Falle der Untersuchungseinheit 10 hat das piezoelektrische Element 131 des Wandlers 116 eine verhältnismäßig geringere Dicke, so daß es die zur Untersuchung des oberflächennahen Bereichs des Werkstücks erforderliche hochfrequente Schwingung ausführt. Umgekehrt hat das ringförmige piezoelektrische Kristallelement- 132 des Wandlers 117 eine größere Dicke, so daß es auf den veiter eindringenden tieferen Ultraschallfrequenzen optimal arbeitet.

Wiederum ist es erforderlich, die beiden verschiedenen Wandler akustisch gegeneinander zu isolieren. Zu diesem Zweck mag in 'einem radialen Raum zwischen den inneren und äußeren Wandler-• anordnungen eine akustische Isolationsstruktur 133 koaxial montiert sein. Dieser akustische Schirm mag in ähnlicher Weise wie die Struktur 86 der Untersuchungseinheit 10 aufgebaut sein.

Zum Aufbau der Eintauch-Untersuchungseinheit 115 wird zunächst die innere Wandleranordnung zusammengestellt, -indem der Wandler 116, die Linsenstruktur 123 sowie eine Stütz- und/oder Dämpfungsstruktur 134 koaxial in ein inneres Gehäuse I36 hohlzylindrischer Form eingesetzt werden. Die Dämpfungsstruktur 134 besteht im vorliegenden Fall aus einer metallischen leitenden Masse und dient als hintere Elektrode für den Wandler 116. Ein Zuführdraht 137 für diese hintere Elektrode ist dabei, wie gezeigt, lediglich mit einer hinteren schrägen Oberfläche 138 der Struktur 134 elektrisch verbunden. Der Zuführleiter für die Vorderfläche 121 des Wandlers 116 wird von einem Metallstreifen 139 gebildet, der längs der Außenseite des Gehäuses 136 zu dessen vorderem Ende verläuft, v/o er an die zwischen der Linsenstruktur 123 und dein piezoelektrischen Element I3I vorgesehene Vorderflächen-Elektrode angeschlossen ist.

Die äußere WandleranOrdnung ist in einem äußeren Gehäuse 141 montiert, das wiederum hohlzylinclrische Form aufweist. Der ringförmige Wandler 137 sowie seine zugehörige Linsenstruktur 128 können dabei, wie gezeigt, an einem vorderen offenen Ende des

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Gehäuses 141 durch einen Epoxy- oder einen sonstigen geeigneten Klebstoff befestigt sein. Innerhalb des Gehäuses 141 ist ferner die gezeigte ringförmige Dämpfungsstruktur 142 befestigt. Wie bei der Struktur 134 kann die Dämpfungsstruktur 142 aus einer leitenden Metallmasse bestehen und als hintere Elektrode für das Wandlerelement 132 dienen. Dabei kann der Zuführdraht 143 für diese'hintere Elektrode, wie gezeigt, mit einer hinteren schrägen Fläche 144- der Struktur 142 elektrisch verbunden sein.

Nach Fertigstellung der inneren und äußeren Wandler-Untergruppen wird nun die innere davon koaxial in die äußere Untergruppe eingesetzt, wobei der radial freie Raum dazwischen mit einem Schall absorbierenden Material ausgegossen wird. Geeignete Materialien, die sich auf diese Weise vergießen lassen, sind oben in Verbindung mit der Dämpfungsstruktur 86 der Untersuchungseinheit 10 beschrieben worden. Das Vergießmaterial, das somit den akustischen Schirm zwischen dem inneren und dem äußeren Wandler bildet, sorgt auch für eine räumliche Befestigung der inneren Wandler-Untergruppe an ihrer Stelle.

Das äußere Gehäuse 141 kann bei Bedarf in einem dem Gehäuse 110 der Untersuchungseinheit 10 entsprechenden Außengehäuse oder einem anderen Gehäuse montiert sein. Da die Untersuchungseinheit 115 in ein Flüssigkeitsbad eingetaucht wird, mag. es zweckmäßig sein, für die Einheit ein wasserfestes Außengehäuse zu verwenden. Jedenfalls kann ein solches Gehäuse koaxiale Anschlüsse ähnlich den Anschlüssen 81 und 82. nach Fig. 3 zum Anschluß der Zuführdrähte und Leiter 137, I39, 143 und 146 an die in Fig. 1 gezeigten Instrumente aufweisen.

Die Wandler der Untersuchungseinheit 10 bzw. 115 hängen von den jeweils gewünschten Prüffrequenzen ab; in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist der innere Wandler der eintauchenden Untersuchungseinheit 15 für eine Arbeitsfrequenz von 15 MHz und der äußere Wandler für eine Frequenz von 2,25 MHz gebaut.

Zwar sind mit den in Fig. 2 und 3 dargestellten Formen der Untersuchungseinheiten mit koaxial angeordneten inneren und äußeren

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Wandlern hervorragende Ergebnisse erzielt worden; denncch soll anhand von Pig. 4 und 5 eine Variante nut nebeneinander angeordneten Wandlern erläutert v/erden. Dabei ist die Unterf^iolur^rrseinheit 150 gemäß Fig. 4 und 5, die melirere (im vorliegenden Fall zwei) Wandler aufweist, zur Prüfung mittels Eintauclrung bestimmt«

Nahe dem vorderen offenen Ende 152 und an einer Seite eines generell hohl-zylindrischen Gehäuses 153 ißt ein erster auf verhältnismäßig höherer Frequenz arbeitender- Wandler 151 montiert, während an der anderen Seite des Gehäuses 153 ein zweiter, auf verhältnismäßig niedrigerer Frequenz arbeitender Wandler 154 montiert ist.

Ein oder jeder V/andler kann mit einer akustischen Ubertrc und Modifizierungseinrichtung am vorderen Arbeitsteil 156 der Untersuchungseinheit versehen sein. In dem vorliegende:! Fall ist der Hochfrequenz-V/andler 151 mit einer akustischen LinLonttruktur 157 ausgestattet, der ähnlich wie die oben beschriebene linsenstruktur 123 der Untersuchungseinheit 115 konkav gestaltet ist. Die Linsenstruktur 157 dient also dazu, die Ultraschallencrgie auf oder nahe an der Werkstückoberfläche zu fokussieren oder zu konzentrieren.

Um akustische Kreuzkopplung zwischen den Wandlern auszuschließen, ist ein akustischer Schirm bzw. eine Isolationsstruktur 158 vorgesehen. In dem vorliegenden Fall kann die Struktur 158 durch Trennwände 159 und I60 aus schallschluckendem Material bestehen.

Die beiden Wandler 151 und 154 können mit Stütz- und/oder Dämpfungsstrukturen 161 bzw. 162 versehen sein, die so, wie es oben für die Dämpf ungs struktur en der Untersuchungseinheit 10 nach Fig. 2 beschrieben worden ist, gegossen sind. Vorgesehen sind ferner zwei Paare von Zuführdrähten I63, 164 und 165, 166. Bei Bedarf kann die gesamte Anordnung in einem Außengehäuse ähnlich dem Gehäuse 110 der Untersuchungseinheit 10 nach Fig. 2 montiert werden.

Wenn auch die Arbeitsweise dieser Untersuchungseinheit rait nebeneinander angeordneten Wandlern sich als annelimbar erwiesen hat,

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vermittelt die Ausiührun^sform nach Fig. 4 und 5 doch nicht immer das Auflösungsvermögen, -las sich mit einer achssymmetrischen Untersuchungseinheit, etwa mit den oben beschriebenen Untersuchungseinheiten 10 und 115, erreichen läßt. Dennoch gibt es Anv/endungsfälle, bei denen sich sowohl die Untersuchungseinheiten nach Fig. 2 und 3 mit mehreren l.oixial angeordneten Wandlern als auch die Unterpuchungneinheit nach Fig. 4 und 5 mit seitlich nebeneinander angeordneten Wandlern eignen.

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Claims

Patentansprüche

System zur zerstörungsfreien Werkstückprüfung mit einer Doppelwandler-Untersuchungseinheit, wobei ein auf einer ersten Frequenz arbeitender elektrischer Kanal mit einem der Wandler der Untersuchungseinheit und ein auf einer zweiten Frequenz arbeitender elektrischer Kanal mit dem anderen Wandler der Uhtersuchungseinheit zum Aussenden und/oder Empfang von Ultraschallenergie auf verschiedenen Frequenzen verbunden ist, nach Patentanmeldung P 24 50 402.7, gekennzeichnet durch einen inneren Wandler (60;116) mit einem piezoelektrischen scheibenförmigen Element (6; 131), an dessen vorderer und hinterer Fläche Elektroden angebracht sind; einen äußeren Wandler (62; 117) mit einem ringförmigen piezoelektrischen Element (67; 132), an dessen zu dem inneren Wandler koaxial angeordneten vorderen und hinteren Flächen Elektroden angebracht sind; eine zwischen dem inneren und dem äußeren Wandler koaxial angeordnete akustische Isolationsstruktur (86; 133), zur Minimierung der Übertragung von akustischer Energie in Radialrichtung zwischen den Wandlern; sowie mit den Vorderflächen (68, 73; 117, 121) der Wandlerelemente gekoppelte innere und äußere akustische Übertragungseinrichtungen (90, 94; 123, 128), die Ultraschallenergie zwischen den Wandlern und einem vorderen Arbeitsteil (63; 118) der Untersuchungseinheit (10;115) übertragen, von denen mindestens eine eine akustische Modifizierungseinrichtung zur differentiellen Modifizierung der zu dem betreffenden Wandler gehörigen akustischen Wellen gegenüber dem anderen Wandler umfaßt, um optimale Übertragung von akustischer Energie auf das bzw. von dem Werkstück gemäß den den beiden Wandlern zugeordneten verschiedenen Frequenzen zu erzielen.

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2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der eine elektrische Kanal auf einer verhältnismäßig hohen Frequenz arbeitet und mit dem inneren Wandler (60) zur Prüfung auf Unstetigkeiten an der Oberfläche und in der oberflächennahen Zone des Werkstücks verbunden ist, während der andere elektrische Kanal auf verhältnismäßig niedriger Frequenz arbeitet und mit dem äußeren Wandler (62) zur Prüfung auf Unstetigkeiten jenseits der oberflächennahen Zone des Werkstücks verbunden ist, und. daß die innere akustische Übertragungseinrichtung (90) als Modifizierungseinrichtung ein Verzögerungsmedium enthält, daß die dem inneren "-,'andler zugeordneten Ultra schallwellen, differentiell relativ zu den dem äußeren Wandler zugehörigen Wellen verzögert, so daß zwischen der Impulsgabe des inneren Wandlers und dem Empfang der reflektierten Ultraschallenergie von der Oberfläche bzw. der oberflächennahen Zone des Werkstücks durch den inneren Wandler eine eingebaute Zeitverzögerung vorhanden ist,
3. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der eine elektrische Kanal auf einer verhältnismäßig höheren Frequenz arbeitet und mit dem inneren Wandler (116) zur Auflösung von Unstetigkeiten an der Oberfläche und innerhalb der oberflächennahen Zone eines Werkstücks verbunden ist, daß der andere elektrische Kanal auf einer verhältnismäßig niedrigeren Frequenz arbeitet und mit dem äußeren Wandler (117) zur Auflösung von Unstetigkeiten jenseits der oberflächennahen Zone des Werkstücks verbunden ist, und daß die inneren und äußeren akustischen IJbertragungseinrichtungen (123, 128) akustische Fokussierlinsen umfassen, die die zu dem inneren Wandler gehörige Ultraschallenergie auf die Oberfläche und die ober-

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flächennahe Zone des Werkstücks, die zu dem äußeren Wandler gehörige Ultraschallenergie auf einen Bereich jenseits der oberflächennahen Zone des Werkstücks fokussieren.
4. System nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Untersuchung^ einheit (115) zur Werkstückprüfung durch Eintauchen in ein Flüssigkeitsbad ausgelegt ist, und daß rlie den inneren und äußeren Wandlern (116, 117) zugeordneten Übertragungseinrichtungen (123, 128) jeweils gekrümmte Fokussierstrukturen umfassen, die die Modifiziereinrichtungen bilden und die auf die bzw* von den inneren und äußeren Wandlern übertragene Ultraschallenergie differentiell auf verschiedene Tiefen des Werkstücks fokussieren.
5. System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die inneren und äußeren Wandler (60, 62; 116, 117) in radialem Abstand voneinander angeordnet sind und daß die akustische Isolationsstruktur (86; 133) ein in dem radialen Raum zwischen den Wandlern angeordnetes schallschluckendes Material enthält.
6. System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß an den hinteren Flachen (69, 74) der inneren und äußeren Wandler (60, 62; 116, 117) akustische Dämpfungsstrukturen (102, 108; 134, 142) angebracht sind, die von den Wandlern nach hinten verlaufen, und daß das schallschluckende Material eine generell hohlzylindrische Struktur (86; 133) bildet, die koaxial zwischen den Dämpfungsstrukturen und in gleicher Axialrichtung mit diesen verläuft*

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7. System nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Untersuchungseinheit (10; 115) an den hinteren Flächen (69; 74) der inneren und äußeren Wandler (60, 62; 116, 117) angebrachte innere und äußere Dämpfungsstrukturen (102, 108; 134, 142) zur Zerstreuung der von den Wandlern nach hinten ausgesendeten Ultraschallenergie umfaßt, wobei mindestens eine (102; 134, 142) der Dämpfungsstrukturon eine von der hinteren Fläche (69) des zugehörigen handlers (60; 116, 117) abgewandte schräge hintere Fläche (103; 138, 144) zur Verstärkung der Streuung der nach hinten abgestrahlten Ultraschallenergie aufweist, und daß die von dem schallschluckenden Material gebildete akustische Isolationsstruktur (86; 133) in Form einer generell hohlzylindrischen Struktur gegossen ist, die im wesentlichen koaxial gemeinsam mit den Dämpfungsstrukturen verläuft.
8. System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Elemente (66, 67; 131, 132) der inneren und äußeren Wandler (60, 62; 116, 117) gemäß den jeweils zugehörigen verschiedenen Frequenzen unterschiedliche Dicken haben und daß die inneren und äußeren Wandler räumlich, elektrisch und akustisch gegeneinander isoliert sind.
9. System nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die inneren und äußeren Wandler (60, 62; 116, 117) so · dimensioniert sind, daß sie zwischen dem Außenrand des inneren Wandlers und dem inneren Rand des äußeren ringförmigen Wandlers einen radialen Raum bilden, in dem die einen gegossenen akustischen Schirm enthaltende akustische Isolationsstruktur (86; 133) geformt ist. ■ -

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10. System nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die innere und/oder die äußere akustische Übertragungseinrichtung (123, 128) ein derartiges Profil aufweist, daß sie die auf den bzw. von dein zugehörigen Wandler (116, 117) übertragene Ultraschallenergie auf einen bestimmten Tiefenbereich des Werkstücks fokussiert.
11. Untersuchungseinheit zur Lokalisierung und Identifizierung von Oberflächenfehlern und inneren Fehlern eines Werkstücks mittels Ultraschall, gekennzeichnet durch mehrere Wandler (60, 62; 116, 117; 151, 154) mit jeweils einem piezoelektrischen Element (66, 67; 131, 132) und daran angebrachten Elektroden, wobei jedes Element entsprechend den Elektroden zugeführten elektrischen Signalen auf e-iner anderen akustischen Frequenz schwingt? ein Gehäuse (IO6, 110; 141; 153), in dem die einzelnen Wandler montiert sind; sowie eine in dem Gehäuse angeordnete akustische Isolationsstruktur (86; 133; 158), die die einzelnen Wandler akustisch voneinander trennt und isoliert,' wobei mindestens einer (60; 116; 151) der Wandler auf einer relativ höheren Frequenz zur Erfassung von Fehlern an der Oberfläche und im oberflächennahen Bereich des Werkstücks arbeitet, während ein weiterer Wandler (62; 117; 154) auf einer verhältnismäßig niedrigeren Frequenz zur Erfassung von Fehlern arbeitet, die in größerer Tiefe innerhalb des Werkstücks liegen..
12. Untersuchungseinheit nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens gewisse der piezoelektrischen Elemente (66, 67; 131, 132) unterschiedliche relative Di_ck_en haben, um den Betrieb auf den besagten relativ höheren und niedrigeren

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Frequenzen zu gewährleisten.
13. Untersuchungseinheit nach Anspruch 11 oder 12, gekennzeichnet durch eine mit mindestens gexvissen Wandlern (60, 62; 116, 117j 151) gekoppelte akustische Übertragungseinrichtung (90, 94; 123, 128; 157) zur Übertragung von akustischer Energie zwischen den betreffenden Wandlern und dem Werkstück, wobei die mindestens einem der Wandler zugeordnete Übertragungseinrichtung eine akustische Modifizierungseinrichtung umfaßt, die die dem betreffenden Wandler zugeordneten akustischen Wellen differenziell relativ zu den anderen Wandlern modifiziert, um die Ultraschallenergie auf das bzw. von dem Werkstück gemäß den den Wandlern zugeordneten verschiedenen Frequenzen optimal zu übertragen.
14. Untersuchungseinheit nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine akustische Modifizierungseinrichtung (123, 128) einem auf verhältnismäßig hoher Frequenz arbeitenden Wandler (116) sowie einem auf verhältnismäßig niedrigerer Frequenz arbeitenden Wandler (117) zugeordnet ist, daß die dem höherfrequenten Wandler zugeordnete Modifizierungseinrichtung (123) eine akustische Fokussierungslinse zur Fokussierung der Ultraschallenergie auf die Oberfläche und auf den oberflächennahen Teil des Werkstücks umfaßt, und daß die dem niederfrequenten Wandler zugeordnete Kodifzierangseinridtung (128) eine akustische Fokussierungslinse zum Fokussieren der Ultraschällenergie auf einen Bereich im Innern des Werkstücks umfaßt*
15. Ultraschall-Untersuchungseinheit zur zerstörungsfreien -' Werkstückprüfung, gekennzeichnet durch einen ersten Wandler ^Λ

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(60; 116; 151) mit einein piezoelektrischen Element (66; 131), an dessen vorderen und hinteren Flachen Elektroden angebracht sind; einen zweiten Wandler (62; 117; 154) mit einem piezoelektrischen Element (67,; 132), dessen vordere und hintere Flächen nahe dem ersten Wandlerelement angebracht und mit Elektroden versehen sind, eine zwischen den beiden Wandlerelementen angeordnete akustische Isolationsstruktur (86; 133; 158) zur Minimierung der Übertragung von akustischer Energie zwischen den Wandlern; mit den Vorderflächen der ersten und zweiten Wandlerelemente gekoppelte akustische Übertragungseinrichtungen (90, 94; 123, 128; 157) zur Übertragung von Ultraschellenergie zwischen den Elementen und dem Werkstück, wobei die mindestens einem Wandlerelement zugeordnete akustische Übertragungseinrichtung (90; 123, 128; 157) eine akustische I-Todifizierungseinrichtung umfaßt, die die dem betreffenden Wandlerelement zugeordneten Schallwellen relativ zu dem anderen Wandlerelement differentiell modifiziert; sowie eine relativ hochfrequente elektrische Aussteuereinrichtung (24), die mit den Elektroden des ersten Wandlers (60; 116; 151) verbunden ist, und eine relativ niederfrequente elektrische Aussteuereinrichtung (28), die mit den Elektroden des zweiten Wandlers (62; 117; 154) verbunden ist, um die Ultraschallenergie auf das bzw. von dem Werkstück gemäß den den beiden Wandlern zugeordneten verschiedenen Frequenzen optimal zu übertragen.
16. Untersuchungseinheit nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Wandler (60) auf der relativ höheren Frequenz zur Prüfung auf Unstetigkeiten an der Oberfläche und in der ober-.flächennahen Zone des Werkstücks arbeitet, während der zweite

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Wandler (62) auf der relativ niedrigeren Frequenz zur Prüfung auf Unstetigkeiten jenseits der oberflächeiiiiahen Zone des Werkstücks arbeitet, und daß die dem ersten Wandler zugeordnete Übertragungseinrichtung (.90) als Modifizierungseinrichtung ein Verzögerungsmediun enthält, das die dem ersten Wandler zugeordneten Ultraschallwellen relativ zu den dem zweiten Wandler zugeordneten Ultraschallwellen differentiell verzögert, so daß zwischen der Impulsgäbe des ersten Wandlers um dem Empfang von reflektierter Ultraschallenergie von der Oberfläche bzw. der oberflächennahen Zorse des Werkstücks durch den ersten Wandler eine eingebaute Zeitverzögerung vorgesehen ist, während die von dem zweiten Wandler ausgesendeten und von den Bereich jenseits der oberflächennaheii Zone des Werkstücks zum zweiten Wandler zurückkehrenden Ultraschallwellen der eingebauten Zeitverzögerung nicht unterworfen sind.
17.· Untersuchungseinheit nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Modifizierungseinrichtungen eine akustische Linse (123) für den ersten Wandler (116) sowie eine akustische Linse (128) für den zweiten Wandler (117) umfassen, wobei die akustische Linse (123) des ersten Wandlers die Ultraschallenergie auf die Oberfläche und die oberflächennahe Zone des Werkstücks fokussiert, während die akustische Linse (128) des zweiten Wandlers die Ultraschallenergie auf einen Bereich jenseits der obcr^r<flächennahen Zone des Werkstücks fokussiert.
18. Ultraschall-Unterouchimgseinheit zur zerstörungsfreien Werkstückprüfung, gekennzeichnet durch einen inneren Wandler (60; 116) mit einem scheibenförmigen piezoelektrischen "lement

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(66; 131)» an dessen vorderen und;hinteren Flächen Elektroden zum Anschluß an einen auf einer ersten Frequenz arbeitenden elektrischen Kanal angebracht sind; einen äußeren Wandler (62; 117) mit einem ringförmigen piezoelektrischen Element (67; 132), dessen vordere und hintere Flächen koaxial bezüglich dem inneren Wandlerelement montiert sind und Elektroden zum Anschluß an einen auf einer zweiten Frequenz arbeitenden elektrischen Kanal tragen; eine zwischen dem inneren und dem äußeren Wandler koaxial angeordnete akustische Isolationsstruktur (86; 133) zur Minimierung der Übertragung von Schallenergie zwischen den Wandlern; und mit den Vorderflächen (68, 73; 117, 121) der Wandlerelemente gekoppelte innere und äußere akustische Übertragungseinrichtungen (90, 94; 123, 128) zur optimalen Übertragung von Ultrascballenergie zwischen den Wandlern und dem Werkstück auf den speziellen, den jeweiligen Wandlern zugeordneten Frequenzen.

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