DE2508023B2 - Breitbandiger ultraschallwandler und seine anwendung - Google Patents

Description

ausgeführt ist, wobei a und c konstante Größen sind, die sich aus dem Arbeitsfrequenzbereich ergeben.

3. Breitbandiger Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei linear yo ansteigender Frequenzcharakteristik der Umwandlung im Arbeitsfrequenzbereich das Profil der Oberfläche, die der ebenen Stirnfläche gegenüberliegt, entsprechend der Beziehung

Λ = c - a · Q²

ausgeführt wird.

4. Breitbandiger Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer proportional dem Quadrat der Frequenz ansteigenden Frequenzcharakteristik im Arbeitsfrequenzbereich das Profil der Oberfläche, die der ebenen Stirnfläche gegenüberliegt, gemäß der Beziehung

c - a ■ ρ

45

ausgebildet ist.

5. Breitbandiger Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch seine Anwendung in einem Tastkopf zur zerstörungsfreien Ultraschallprüfung, wobei der Wandler mit seiner ebenen Stirnfläche an einem Dämpfer liegt, und die denn Wandler zugewandte Oberfläche eines Protektors kongruent der Wandleroberfläche ist, die der ebenen Stirnfläche des Wandlers gegenüberliegt.

6. Breitbandiger Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler zusammen mit einem ferromagnetischen Kern mit darauf gewickelter Induktionsspule einen Schwingkreis bildet, vobei im Spalt des ferromagnetischen Kerns ein axial verschiebbarer fto Dauermagnet angeordnet ist.

7. Breitbandiger Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch seine Anwendung in einer Einrichtung zur zerstörungsfreien Ultraschallprüfung, die einen Generator zur <>> Erzeugung von frequenzmodulierten Tastschwingungen, einen an den Wandler angeschlossenen Empfangsteil und einen an diesen geschalteten Signalverarbeitungsblock enthält, wobei die Einrichtung einen am Eingang des Wandlers liegenden Generator zur impulsinternen Frequenzmodulation sowie ein Glättungsfilter aufweist, das zwischen dem Wandler und dem Signalverarbeitungsblock eingeschaltet ist.

Die Erfindung bezieht sich auf die Ultraschall-Meßtechnik, insbesondere auf Einrichtungen zur zerstörungsfreien Prüfung mit Ultraschall sowie auf breitbandige Ultraschallwandler.

Bei der Entwicklung von Verfahren und Mitteln der Ultraschall-Meßtechnik entsteht oftmals die Aufgabe, Ultraschallschwingungen in einem breiten Frequenzbereich zu erzeugen und zu empfangen, wenn mit Werkstoffen mit unterschiedlicher frequenzabhängiger Dämpfung gearbeitet wird. Für den Betrieb in einem hinreichend breiten Frequenzbereich benutzt man zur Zeit mechanisch und elektrisch bedämpfte planparallele Ultraschallwandler (vgl. z. B. »Akustische Zeitschrift«, UDSSR, Moskau, 1963, Nr. 9. S. 449-459).

Die Mängel dieser Ultraschallwandler sind große Ungleichmäßigkeit ihrer Frequenzkennlinie und schmales Durchlaßfrequenzband. Die Folgen dieser Mangel sind unzureichende Zuverlässigkeit und geringe Glaubwürdigkeit der Prüiung.

Durch Auswahl von Übergangs- und Anpassungsschichten zwischen dem breitbandigen Wandler und dem zu prüfenden Erzeugnis kann das Durchlaßfrequenzband etwas erweitert werden, die Ungleichmäßigkeit des Frequenzganges läßt sich aber dadurch nicht beseitigen und führt bei Prüfung von Erzeugnissen mit unterschiedlichen akustischen Eigenschaften zur Unstabilität des Frequenzganges (vgl. z. B. die Zeitschrift »Defektoskopie«, UdSSR, Moskau, 1966, Nr. 5, S. 90—93). Außerdem kann die erreichbare Durchlaßbandbreite die Realisierung vieler zerstörungsfreier Ultraschall-Prüfverfahren, unter anderem die Strukturuntersuchung mit Ultraschall u. a., nicht gewährleisten.

Bekannt sich auch breitbandige Ultraschallwandler mit veränderlicher Resonanzdicke, die als einseitiger Keil ausgebildet werden (vgl. z. B. das Patent der Polnischen Volksrepublik Nr. 59 899, Kl. 42 b 1/06.1967). Dieser Wandler kann einen breiten Frequenzbereich überstreichen, weist aber eine bedeutende ungleichmäßigkeit der Frequenzkennlinie, Nichtübereinstimmung der geometrischen und der akustischen Wandlerachsen sowie niedrige Empfindlichkeit auf.

Außerdem sind breitbandige Ultraschallwandler bekannt, die als Rotationskörper mit ebenen Stirnflächen und darauf aufgetragenen Elektroden ausgebildet sind (vgl. z. B. die sowjetische Urheberurkunde Nr. 3 38 840, K. G 01n 29/04 vom 26. IV. 1970).

Diese Wandler weisen ebenfalls die erwähnten Mängel auf.

Die beschriebenen breitbandigen Ultraschallwandler werden in Ultraschall-Tastköpfen, in Einrichtungen zur Zerstörungsfreien Ultraschallprüfung, für Dickenmessungen, zur Ermittlung von Defekten in Erzeugnissen, für Werkstoffstruktur-Untersuchungen usw. verwendet.

Die bekannten Ultraschall-Tastköpfe bestehen aus einem Gehäuse, einem Dämpfer, einem Piezoelement und einem Protektor. Das Piezoelement dieser Tastköpfe hat die Form eines Rotationskörpers mit planparallelen Strahlflächen, und der Protektor wird als planparal-

ele Viertelwellenschicht ausgeführt (vgl. ζ. B. die sowjetische Urheberurkunde Nr. 2 27 674 Kl. G 01 η Z9/04 vom Jahre 1962).

Der Viertelwellen-Protektor der bekannten Tastköpfe dient zur Anpassung von akustischen Widerständen des Wandlers und des Prüflings in einem schmalen Frequenzbereich. Ziwschen dem Protektor und dem Prüfling befindet sich noch eine Kontaktfliissigkeitsschicht. Beim Verschieben des Tastkopfes auf der Oberfläche des Prüflings kann sich die Schichtdicke dieser Kontaktflüssigkeit in weiten Grenzen ändern, und einer Änderung unterliegt auch die Resonanzfrequenz des Wandlers bei Ausstrahlung und beim Empfang von Schwingungen. Dies führt zur Fehlanpassung des Protektors, zu bedeutenden Schwankungen der Amplitude des empfangenen Signals sowie zur Verformung der Frequenzkennlinie.

Es sind auch ähnlich aufgebaute Ultraschall-Tastköpfe bekannt, bei denen die Ultraschall-Schwingungsfrequenz mit Hilfe einer Induktivitätsspule nachgestimmt wird (vgl. z. B. J. K r a u t k r ä m e r »Werkstoffpi üfung mit Ultraschall«, Berlin, New-York, 1966,S. 175-189).

Ein Mangel dieser bekannten Ultraschall-Tastköpfe besteht darin, daß sie keine Möglichkeit geben. Ultraschallschwingungen in einem breiten Frequenzbereich auszustrahlen und zu empfangen. Beim Übergang zu einer anderen Frequenz ist man gezwungen, einen anderen Tastkopf mit anderer Induktivitätsspule anzuschließen.

Bekannt sind Einrichtungen zur zerstörungsfreien Ultraschallprüfung, die zur Fehlererkennung und Fehlerartbestimmung durch Spektralanalyse der von Defektstellen reflektierten Echosignale dienen (vgl. das, USA.-Patent Nr. 35 38 753, Kl. 73-67.9 vom jähre 1969 und das USA.-Patent Nr. 36 62 589, Kl. 73-67.8 vom Jahre 1971).

Diese bekannten Einrichtungen enthalten einen Tastimpulsgenerator mit einem breiten Frequenzspektrum, einen an den Ausgang dieses Generators angeschlossenen Ultraschallwandler, der elektrische Schwingungen in Ultraschallschwingungen und umgekehrt umsetzt, einen an diesen Wandler angeschlossenen breitbandigen Empfangsteil und einen Signalverar beitungsblock.

Als Wandler werden in den bekannten Einrichtungen bedämpfte planparallele Piezoelemente benutzt, deren Strahlungsdiagramm einen Hauptzipfel sowie Nebenzipfel aufweist.

Das Vorhandensein von Nebenzipfeln im Strahlungsdiagramm ist bei den bekannten Einrichtungen nachteilig, da dadurch in vielen Fällen ein hoher Störpegel in der Art von Echosignalen entsteht, die man nicht immer unterdrücken kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ultraschallwandler mit einem breiten Durchlaßfrequenzband zu entwickeln, der es ermöglicht, einen Frequenzgang mit vorgegebenem Gesetz der Amplitudenabhängigkeit von der Frequenz, z. B. einen gleichmäßigen, linear ansteigenden, proportional dem Frequenzquadrat ansteigenden oder einen anderen Amplituden-Frequnzgang zu erhalten, der vorteilhaft in einem Ultraschall-Tastkopf mit einem breiten Durchlaßfrequenzband sowie einer Einrichtung zur zerstörungsfreien Ultraschallprüfung Anwendung finden kann.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß im breitbandigen Ultraschallwandler, der als Rotationsköi per aus einem Werkstoff mit piezoelektrischen Eigen schäften ausgeführt ist und wenigstens zwei auf die Stirnflächen des Rotationskörpers aufgetragene Elektroden enthält, wobei eine der Stirnflächen eben ist. die andere Stirnfläche erfindungsgemäß in Übereinstimmung mit folgender Beziehung

Λ'= -u · Λ- k(f)

profiliert ausgebildet wird, wobei ρ die radiale Umwandlungskoordinate, h die der Radialkoordinate entsprechende Wandlerdicke k (f) Frequenzcharakteristik des Wandlers und /j'die von der Radialkoordinate abgeleitete Wandlerdicke bedeuten.

Beim Wandler mit gleichmäßiger Frequenzcharakteristik im Arbeitsfrequenzbereich ist das Profil der Stirnfläche des Wandler-Rotationskörpers zweckentsprechend gemäß der Beziehung

auszuführen. Hierbei bedeuten a und c konstante Größen, die durch den Arbeitsfrequenzbereich gegeben :o sind.

Zur Erhaltung einer linear ansteigenden Frequenzkennfinie des Wandlers im Arbeitsfrequenzbereich ist es zweckmäßig, das Profil der Stirnfläche entsprechend der Beziehung

h = c — a · o^:

auszuführen.

Für eine Frequenzkennlinie des Wandlers, die im Arbeitsfrequenzbereich proportional dem Quadrat der w Frequenz ansteigt, ist das Profil der Stirnfläche gemäß der Beziehung

h = c — a · Q

zweckmäßig.

is Zweckentsprechend ist der beschriebene breitbandige Ultraschallwandler in einem Tastkopf zur zerstörungsfreien Ultraschallprüfung anzuwenden, der außer dem erwähnten Wandler ein Gehäuse mit darin angeordnetem Dämpfer und einem mit dem breitb&ndi-

gern Ultraschallwandler gekoppelten Protektor enthält, wobei der breitbandige Ultraschallv/andler dieses Tastkopfes erfindungsgemäß nach einer der beschriebenen Varianten ausgeführt wird und mit seiner ebenen Stirnfläche dem Dämpfer zugewandt sein soll, und die dem breitbandigen Ultraschallwandler zugewandte Oberfläche des Protektors seiner profilierten Stirnfläche kongruent ist

Der erwähnte Tastkopf ist zweckentsprechend mit einem ferromagnetischen Kern und darauf gewickelter

so Induktivitätsspule ausgestattet, die mit dem breitbandigen Ultraschallwandler einen Schwingungskreis bildet, und im Luftspalt des ferromagnetischen Kernes ist ein verschiebbarer Dauermagnet angeordnet.

In der Einrichtung zur Ultraschallprüfung, die einen

ss Tastgenerator zur Erzeugung von frequenzmodulierten Schwingungen, einen mit c'eni Ausgang dieses Tastgenerators verbundenen breitbandigen Uitraschallwandler, einen an den breitbandigen Ultraschallwandler angeschlossenen breitbandigen Empfangsteil sowie

(»τ einen an den erwähnten breitbandigen Empfangsteil geschalteten Signalverarbeitungsblock enthält, ist es erfindunssgemäß auch vorteilhaft, einen an den breitbandigen Ultraschallwandler angeschlossenen Generator zur impulsinternen Frequenzmodulation sowie

«'s ein zwischen dem breitbandigen Ultraschallwandler und dem Signalverarbeitungsblock eingeschaltetes Glättungsfilter zu verwenden, wobei der erwähnte Ultraschallwandler nach einer der beschriebenen Varianten

ausgeführt wird.

Die Erfindung wird in der nachsiehenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und anhand der Zeichnungen näher erläutert, in den Zeichnungen zeigen

Fig. la, b, c, d, e, f verschiedene Frequenzkennlinien des erfindungsgemäß ausgeführten breitbandigen Ultraschallwandlers,

Fig.2 einen breitbandigen Ultraschallwandler mit gleichmäßiger Frequenzkennlinie gemäß der Erfindung,

F i g. 3 einen breitbandigen Ultraschallwandler mit linear ansteigender Frequenzkennlinie gemäß der Erfindung,

F i g. 4 einen erfindungsgemäß ausgeführten breitbandigen Ultraschallwandler, dessen Frequenzkennlinie proportional dem Quadrat der Frequenz ansteigt,

F i g. 5 einen erfindungsgemäß gefertigten breitbandigen Ultraschallwandler, dessen Frequenzcharakteristik proportional der dritten Potenz der Frequenz ansteigt,

Fig.6 einen breitbandigen Ultraschallwandler gemaß der Erfindung, dessen Frequenzcharakteristik proportional dem natürlichen Logarithmus von der Frequenz ansteigt,

Fig. 7 einen breitbandigen Ultraschallwandler gemäß der Erfindung mit linear abfallender Frequenzkennlinie,

F i g. 8 und 9 Varianten des breitbaridigen Ullraschallwandler, gemäß der Erfindung mit gleichmäßiger Frequenzcharakteristik,

Fig. 10 eine Variante des erfindungsgemäßen breitbandigen Ultraschallwandlers mit linear ansteigender Frequenzcharakteristik,

Fig. 11 eine Ausführungsvariante des breitbandigen Ultraschallwandlers gemäß der Erfindung, dessen Frequenzcharakteristik proportional dem Quadrat der Frequenz ansteigt.

Fig. 12 bei einem Experiment aufgenommene Frequenzkennlinien des breitbandigen Ultraschallwandlers gemäß der Erfindung.

F i g. 13 Ansicht eines erfindungsgemäß ausgeführten Tastkopfes,

Fig. 14a. b, c. d verschiedene Ausführungsvarianten des breitbandigen Ultraschallwandlers gemäß der Erfindung im Schnitt nach der Linie XVI-XlV in Fig. 13,

Fig. 15, 16. 17, 21 Ausführungsvarianten des erfindungsgemäßen Tastkopfes in Schnittdarstellung,

Fig. 18 Blockschaltbild einer erfindungsgemäß ausgeführten Einrichtung, die einen niedrigeren Seitenfeldpegel des Ultraschallgebers ergibt,

Fig. 19 Richtdiagramm eines Ultraschallwandlers ohne erfindungsgemäße Unterdrückung des Seitenfeldes,

Fig.20 Richtdiagramme des Ultraschallwandlers nach der Unterdrückung des Seitenfeldes gemäß der Erfindung.

Alle breitbandigen Ultraschallwandler, die im folgenden beschrieben werden, enthalten einen Rotationskörper mit einer ebenen Stirnfläche und einer profilierten Stirnfläche, deren Profil der Bedingung

j' = - «· /1 - kif)

(D

entspricht. Hierbei bedeuten

Radialkoordinate des Wandlers,
die der Radialkoordinate entsprechende Wandlerdicke,

h' Ableitung von der Wandlerdicke nach der Radialkoordinate,

K(f) die erforderliche Frequenzkennlinie des Wandlers.

Durch Einsetzen des erforderlichen Änderungsgesetzes der Frequenzkennlinie in den Ausdruck (1) kann man das Profi! der Stirnfläche für die vorgegebene Frequenzkennlinie erhalten.

ίο Im folgenden werden die erwähnten Wandler als breitbandige achsensymmetrische Wandler mit veränderlicher Dicke bezeichnet.

Experimentell wurde festgestellt, daß die breitbandigen achsensymmetrischen Wandler mit veränderlicher

is Dicke Ultraschallschwingungen mit ihren Ringbereichen ausstrahlen und empfangen, deren Resonanzdikken

entsprechend den ausgestrahlten Frequenzen betragen. Hierbei bedeutet C\ die Schallgeschwindigkeit im Wandlerwerkstoff. Anders gesagt, kann der achsensymmetrische Wandler mit veränderlicher Dicke als ein

2s Gefüge dargestellt werden, das aus vielen schmalen ineinander eingesetzten Ringen besteht, von denen jeder Ring auf seiner eigenen Frequenz strahlt. Die Änderung der Resonanzdicke jedes nächstfolgenden Ringes hängt unmittelbar vom vorgegebenen Änderungsgesetz der Frequenzcharakteristik des Wandlers ab. Die Beziehung (1) ist mit Berücksichtigung der Änderung des Richtdiagramms jedes Ringes in Abhängigkeit vom Ringradius und von der Frequenz der Ultraschallschwingungen erhalten worden.

.is Im folgenden werden Beispiele für die Berechnung des Oberflächenprofils des achsensymmetrischen Wandlers auf Grund der vorgegebenen Frequenzcharakteristik angeführt.

1. Wandler mit gleichmäßiger
Frequenzcharakteristik

Fig. la zeigt eine gleichmäßige Wandler-Frequenzkennlinie im Frequenzbereich von f\ bis h. In diesen" Falleist

k(J) = = const = A

wobei A einen Proportionalitätsfaktor bedeutet.

Durch Auflösung der Gleichung (1) mit Berücksichti so gung der Beziehung (2) erhält man einen analytischer Ausdruck für das Profil der Wandlerstirnfläche, die dei ebenen Stirnfläche gegenüberliegt:

Hierbei sind a und c konstante Größen, die durch dei Arbeitsfrequenzbereich des Wandlers im Durchlaßfre quenzband gegeben sind.

2. Wandler mit linear ansteigender
Frequenzcharakteristik

Fig. Ib zeigt eine linear ansteigende Wandler-Fre

quenzkennlinie im Frequenzbereich von Z₁ bis h. Auf de Abszissenachse ist die Frequenz f und auf de

fts Ordinatenachse die Amplitude P aufgetragen. Fü

diesen Fall ist

kif) = Af=T- h

Durch Auflösung der Gleichung (1) mit Berücksichtigung der Beziehung (4) erhält man den analytischen Ausdruck für das Profil der Wandlerstirnfläche:

/ι =<· —

3. Wandler, dessen Frequenzcharakteristik
proportional dem Quadrat der Frequenz ansteigt

Fig. Ic zeigt eine Wandlerfrequenzkennlinie, die proportional dem Quadrat der Frequenz im Frequenzbereich von /Ί bis h ansteigt. In diesem Falle ist

ti

Durch Auflösung der Gleichung (1) mit Berücksichtigung der Beziehung (6) erhält man den analytischen Ausdruck für das Profil der Wandlerstirnfläche:

h - c-a- η . (7)

4. Wandler mit einer Frequenzcharakteristik,

die proportional der dritten Potenz

der Frequenz ansteigt

In Fig. Id ist eine Wandlerfrequenzkennlinie dargestellt, die proportional der dritten Potenz der Frequenz im Frequenzbereich von f\ bis /·> ansteigt. In diesem Falle ist

K(J) - A-P

Durch Auflösung der Gleichung (1) mit Berücksichtigung der Beziehung (8) erhält man den analytischen Ausdruck für das Profil der Wandlerstirnfläche:

h =

c — a<

5. Wandler mit einer Frequenzcharakteristik,

die proportional dem natürlichen Logarithmus

von der Frequenz ansteigt

Fig. Ie zeigt eine Wandlerfrequenzkennlinie, die proportional dem natürlichen Logarithmus von der Frequenz im Frequenzbereich von f\ bis h ansteigt. Dabei ist

(10)

Durch Auflösung der Gleichung (1) mit Berücksichtigung der Beziehung (10) erhält man den analytischen Ausdruck für das Profil der Wandlerstirnfläche.·

h =

(Π)

6. Wandler mit linear abfallender
Frequenzcharakteristik

In F i g. 1 f ist eine linear abfallende Wandlerfrequenzkennlinie im Frequenzbereich von /i bis h gezeigt. In diesem Falle ist

= j = B-Ä.

(12)

Durch Auflösung der Gleichung (1) mit Berücksichtigung der Beziehung (12) erhält man den analytischen

Ausdruck für das Profil der Wandlerstirnfläche:

h =

Der breitbandige Ultraschallwandler mit gleichmäßiger Frequenzcharakteristik (Fig. la) enthält einen Rotationskörper 1 (Fig.2) aus einem Werkstoff mit piezoelektrischen Eigenschaften und zwei auf die ίο Stirnflächen des Rotationskörpers aufgetragene Elektroden 2 und 3. Die Stirnfläche 4 ist gemäß der Beziehung (3) profiliert, die Stirnfläche 5 ist dagegen eben.

Wir führen nun ein konkretes Beispiel der Wandleri_s berechnung an.

Der Rotationskörper 1 ist aus Bleizirkonat-titanat hergestellt.

Der Wandlerradius ist r = 10 mm gewählt, der

Frequenzbereich erstreckt sich von /i = 1,8MHz bis h — 10 MHz. Die maximale Dicke am Wandlerrand, die der Ausstrahlung der Frequenz f\ entspricht, ergibt sich aus dem Ausdruck

27, ⁼ '^mm

(14)

Hierbei bedeutet C\ die Schallgeschwindigkeit, die im erwähnten Werkstoff 3,6 ■ 10"⁶mm/sec beträgt. Die maximale Dicke im Wandlerzentrum, die der Ausstrahlung der Frequenz F₇ entspricht, ist durch die Beziehung

/i₂ = ^y = 0,18 mm

gegeben. Die Dickenwerte Λι und h₂ in die Gleichung (3 eingesetzt, erhält man die Festwerte a und c.

bei h₂ = 0,18 mm und ρ = Oistc = -1,714 bei Λι = 1 mm und ρ = r = lOmmista = 1,714 · JO"²

Der Ausdruck (3) verwandelt sich in _h ^e¹-⁷¹⁴·¹⁰-²-«²-1,714.

Das Profil der Stirnfläche dieses Wandlers is angenähert sphärisch konkav.

Der Ultraschallwandler mit gleichmäßiger Frequenz charakteristik ermöglicht die Lösung einer Reihe vor Aufgaben der Ultraschall-Meßtechnik, in denen di( Ausstrahlung und der Empfang von Ultraschallschwin gungen mit einem gleichmäßigen und breiten Frequenz spektrum gefordert werden.

Beim breitbandigen Ultraschallwandler mit lineal

ansteigender Frequenzcharakteristik (Fig. Ib) ist da; Profil der Stirnfläche 6 (F i g. 3) gemäß der Beziehung

(5) ausgebildet, wobei die Elektrode 7 auf dies« Profilfläche 6 aufgetragen ist

Wir führen ein konkretes Beispiel für die Berechnunj dieses Wandlers an.

Der Rotationskörper 1 ist aus Bleizirkonat-titana hergestellt Der Wandlerradius r ist gleich 10 mn gewählt worden, der Arbeitsfrequenzbereich erstreck sich von /, = 1,8 MHz bis f₂ = 10 MHz.

Die maximale Dicke im Wandlermittelpunkt, die dei Ausstrahlung der Frequenz f\ entspricht, ergibt sich au; dem Verhältnis

C₁

709 526/47

Die minimale Dicke des Wandlers am Rand, die der Ausstrahlung der Frequenz f₂ entspricht, erreicht man aus dem Ausdruck

(IH)

Nach dem Einsetzen der Dickenwerte h\ und Λ? in die Gleichung (5) erhält man die Festwerte a und c:

bei h\ = 1 mm und ρ = 0 ist c = 1,

bei Λ2 = 0,18 mm und ρ = Γ=10πιηι

8,2 · \0-\

Der Ausdruck(l) nimmt die Form an:
/1 = I -8,2· ΚΓ-'·»².

beträgt a

(19)

Das Profil der Stirnfläche dieses Wandlers stellt einen Teil einer konvexen Sphäre dar.

Der Wandler mit linear ansteigender Frequenzcharakteristik gibt die Möglichkeit, eine Reihe von Aufgaben der Werkstoffprüfung mit Ultraschall zu lösen, in denen die Kompensation der frequenzabhängigen Dämpfung in dem zu prüfenden Werkstoff erforderlich ist.

Bei der frequenzcharakteristik des Ultraschallwandlers, die proportional dem Quadrat der Frequenz ansteigt (Fig.4), wird das Profil der Stirnfläche 8 (Fig.4) gemäß der Beziehung (7) ausgeführt, wobei die Elektrode 9 auf diese Profilfläche 8 aufgetragen wird.

Wir führen wieder ein konkretes Beispiel für die Berechnung dieses Wandlers an.

Der Rotationskörper 1 wird aus Bleizirkonat-titanat hergestellt. Der Wandlerradius r ist gleich 10 mm gewählt worden, der Arbeitsfrequenzbereich umfaßt die Frequenzen von

/1 = 1,8 MHz bis Z₂= 10MHz.

Die maximale Dicke im Wandiermittelpunkt, die der Ausstrahlung der Frequenz /Ί entspricht, ist durch den Ausdruck

mm

(20)

45

gegeben.

Die minimale Dicke am .Wandlerrand, die der Ausstrahlung der Frequenz h entspricht, ergibt sich aus der Beziehung

/j₂ = ^₇ =0,18 mm. (21)

Durch Einsetzen der Festwerte Ai und A₂ in die Gleichung (7) erhält man die konstanten Größen a und

bei Ai = 1 mm und ρ = 0 ist c = 1;

bei A2 = 0,18 mm und ρ = r = 10 mm ist a = 8,2 · 10-².

Der Ausdruck (7) nimmt die Form
h = 1 -8,2·1(Γ²-«

(22)

Das Profil der Stirnfläche dieses Wandlers hat die Form einer Kegelfläche.

Ein derartiger Wandler ermöglicht die Lösung einei Reihe von Aufgaben der Ultraschall-Werkstoffprüfung in denen die Kompensation einer höheren frequenzab hängigen Dämpfung (z. B. im Stahl) in einem breiter Frequenzbereich erforderlich wird.

Bei einem breitbandigen Ultraschallwandler, desser Frequenzcharakteristik proportional der dritten Poten; der Frequenz ansteigt (Fig. Id), wird das Profil dei Stirnfläche 10 gemäß der Beziehung (9) ausgeführt wobei die Elektrode 11 auf diese Profilfläche IC aufgetragen wird.

Bei einem breitbandigen Ultraschallwandler mit einei Frequenzcharakteristik, die proportional dem natürlichen Logarithmus der Frequenz ansteigt (Fi g. le), wire das Profil der Stirnfläche 12 (Fig.6) in Übereinstimmung mit der Beziehung (11) ausgebildet, und die Elektrode 13 wird ebenfalls auf diese Profilfläche 12 aufgetragen.

Bei linear abfallender Frequenzcharakteristik des breitbandigen Ultraschallwandlers (Fig. If) formierl man das Profil der Stirnfläche 14 (Fig. 7) nach der Beziehung (13). Die Elektrode 15 wird auf diese profilierte Stirnfläche 14 aufgetragen.

Zu bemerken ist, daß bei achsensymmetrischen Wandlern mit veränderlicher Dicke, die nach der einen oder der anderen Beziehung ausgeführt werden, um die erforderliche Frequenzcharakteristik der Umwandlung zu realisieren, muß eine Wandlerstirnfläche nicht unbedingt eben ausgeführt sein. Diese Stirnfläche kann auch krummlinig sein. Damit aber die Frequenzcharakteristik der Umwandlung keinen Änderungen unterliegt, muß das Änderungsgesetz der Wandlerdicke in Abhängigkeit vom Radius im ganzen Arbeitsfrequenzbereich eingehalten werden.

In diesem Fall bestimmt der Ausdruck für das Profil der Wandlerstirnfläche nicht das Profil des Wandlers, sondern das Gesetz der Änderung der Wandlerdicke nach seinem Radius gemäß diesem Ausdruck.

In Fig. 8 ist ein Wandler mit gleichmäßiger Frequenzcharakteristik gezeigt, bei dem das Änderungsgesetz der Dicke nach dem Radius der Beziehung (3) entspricht.

Bei diesem Wandler sind beide Stirnflächen 16 und 17 des Rotationskörpers 1 mit gleichem Profil ausgeführt. Die Dickenwerte Ai und A₂ werden ähnlich dem oben angeführten Beispiel für die Berechnung des Wandlers mit gleichmäßiger Frequenzcharakteristik ermittelt, der in F i g. 2 dargestellt ist.

Fig.9 zeigt einen Wandler mit gleichmäßiger Frequenzcharakteristik, bei dem das Änderungsgesetz der Dicke nach dem Radius ebenfalls dem Ausdruck (3) entspricht, die Profile der Stirnflächen 18 und 19 aber nicht identisch ausgebildet sind, und zwar ist die Krümmung der Stirnfläche 18 kleiner als die der Stirnfläche 19.

In Fig. 10 ist ein Wandler mit linear ansteigender Frequenzcharakteristik dargestellt, bei dem das Änderungsgesetz der Dicke nach dem Radius der Beziehung (5) entspricht, wobei die Stirnfläche 20 ein konvexes Profil und die Stirnfläche 21 ein konkaves Provil aufweisen.

F i g. 11 zeigt einen Wandler, dessen Charakteristik proportional dem Quadrat, der Frequenz ansteigt und bei dem das Änderungsgesetz der Dicke nach dem Radius der Beziehung (7) entspricht, wobei das Profil der Stirnfläche 22 konsich konvex und das Profil der Stirnfläche 23 konisch konkav ist

In Fig. 12 sind experimentell aufgenommene Fre-

quenzcharakteristiken eines ähnlich wie in F i g. 2 aufgebauten Wandlers mit gleichmäßiger Frequenzkennlinie 24 und eines nach F i g. 3 ausgeführten Wandlers mit linear ansteigender Frequenzkennlinie 25 dargestellt. Zum Vergleich ist in Fig. 12 die Frequenzkennlinie 26 eines mechanisch und elektrisch bedämpften planparallelen Wandlers mit einer Resonanzfrequenz fn = 5 MHz gezeigt.

Die Wandler haben folgende Parameter:

r = 10 mm,

1 mm, /12 = 0,18 mm.

Die in Fig. 12 dargestellten Kurven zeigen, daß die erhaltenen Frequenzcharakteristiken der breitbandigen achsensymmetrischen Wandler mit veränderlicher Dikke eine gute Übereinstimmung mit den vorgegebenen Frequenzkennlinien aufweisen und eine monotonere Form sowie einen breiteren Arbeitsfrequenzbereich als planparallele Wandler haben.

Wie erwähnt, strahlen und empfangen die achsensymmetrischen Wandler von veränderlicher Dicke mit schmalen Ringen.

Die Untersuchungen haben ergeben, daß die Fresnel-Zone für diese Wandler bedeutend kleiner wird. Für einen Wandler, der mit einem schmalen Ring strahlt und empfängt, ergibt sich die Grenze der Fresnel-Zone aus dem Ausdruck:

Z =

ο la

123)

Hierbei sind

Aa die Kingbreite,
ρ der Ringradius,
λ die Ultraschallwellenlänge im betreffenden Medium.

Aus dem Ausdruck (23) ist ersichtlich, daß die Fresnelzone mit Verringerung der Ringbreite und mit Vergrößerung des Dickengefälles beim achsensymmetrischen Wandler mit veränderlicher Dicke kleiner wird. Wenn beispielsweise "für einen planparallelen auf der Frequenz von 2 MHz ins Wasser strahlenden Wandler mit einem Radius r = 6 mm Z = 48 mm ist, so ist für einen konisch konvexen Wandler mit dem Dickengefälle H\ = 1 mm, A₂ = 0,25 mm bei sonst gleichen Bedingungen Z = 2,01 mm.

In F i g. 13 ist die Ansicht eines Ultraschall-Tastkopfes gezeigt, in den die breitbandigen achsensymmetrischen Wandler mit veränderlicher Dicke eingebaut sind.

Der Ultraschall-Tastkopf hat ein Gehäuse 27 (Fig. 13), in dem ein Dämpfer 28, ein Wandler 29 und ein Protektor 30 (F i g. 14a) angeordnet sind. Auf dem Gehäuse 27 befindet sich eine Steckverbindung 31. Der Wandler 29 hat eine ebene Stirnfläche 32 und eine profilierte, gegebenenfalls konkave Stirnfläche 33. Der Tastkopf ist mit einem Defektoskop mittels der Steckverbindung 31 verbunden. Der Wandler 29 berührt mit seiner ebenen Stirnfläche 32 den Dämpfer 28. An der Seite der profilierten Stirnfläche 33 des Wandlers 29 befindet sich der Protektor 30, bei dem eine Fläche eine Ebene darstellt und die andere dem Wandler zugewandte Fläche der Stirnfläche 33 des Wandlers kongruent ist. Diese Ausführung des Tastkopfes gestattet es, die Amplitude der ausgestrahlten und der empfangenen Ultraschallschwingurlgen bei Änderung der Dicke der flüssigen Kontaktschicht zwischen dem Tastkopf und der Oberfläche des Prüflings zu stabilisieren, d.h. die Stabilisierung des akustischen Kontaktes zwischen dem

Tastkopf und der Oberfläche des Prüflings zu gewährleisten. Außerdem ermöglicht eine derartige Ausführung des Tastkopfes die Stabilisierung der Amplituden-Frequenzverteilung von Komponenten der Ultraschallschwingungen im Spektrum bei Durchgang der Kontaktschicht.

Physikalisch kann die Erhöhung der Stabilität des akustischen Kontaktes dadurch erklärt werden, daß der Protektor mit veränderlicher Dicke ausgeführt ist und auf keiner Frequenz des Ultraschallspektrums resoniert. Infolgedessen wird die Frequenzcharakteristik des Wandlers durch Änderung der Dicke der flüssigen Kontaktschicht schwächer beeinflußt, und beim Durchgang der Kontaktschicht bleibt die Amplitude der Ultraschallschwingungen konstant.

Experimentell wurde z. B. festgestellt, daß beim Tastkopf mit einem planparallenen Wandler von 20 mm Durchmesser und mit einem planparallelen Protektor bei einer Schwingungsfrequenz von f = 2 MHz und bei einer Änderung der Kontaktschichtdicke von 0,1 mm bis 0,4 mm die Amplitudenänderung des empfangenen Signals 25 dB beträgt, während im Falle eines in Fig. 14a dargestellten Tastkopfes beim Dickengefälle von h\ = 1 mm bis Λ2 = 0,25 mm und bei sonst gleichen Bedingungen die Amplitudenänderung 3 dB ausmacht.

In Fig. 14b ist eine Ausführungsvariante des Tastkopfes gezeigt, in dem ein nach Fig. 8 aufgebauter Wandler mit zwei Profilstirnflächen verwendet wird. Der Tastkopf hat ein Gehäuse 27, in dem ein Dämpfer 28, der erwähnte Wandler 34 und ein Protektor 35 angeordnet sind. Beide Stirnflächen 36 und 37 des Wandlers haben eine konkave Form. In diesem Falle hat die Oberfläche des Dämpfers 28 gegenüber der Stirnfläche 36 des Wandlers 34 das umgekehrte Profil. Der Protektor 35 weist eine ebene Oberfläche auf, und die andere dem Wandler 34 zugewandte Fläche des Protektors 35 ist profiliert und der Stirnfläche 37 des Wandlers 34 kongruent.

In F i g. 14c ist eine Ausführungsvariante des Tastkopfes mit einem ähnlich wie in Fig. 9 aufgebauten Wandler dargestellt. Im Gehäuse 27 dieses Taslkopfes befinden sich ein Dämpfer 28, ein Wandler 38 und ein Protektor 39. Die Stirnfläche 40 des Wandlers 38 ist konvex, während die dem Protektor 39 zugewandte Stirnfläche 41 eine konkave Form hat.

Fig. 14d zeigt noch eine Ausführungsvariante des Tastkopfes, in dem ein nach Fig. 10 ausgeführter Wandler benutzt wird. Im Gehäuse 27 dieses Tastkopfes sind der Dämpfer 28, der Wandler 42 und der Protektor 43 angeordnet Die Stirnfläche 44 des Wandlers 42 ist konisch konvex, und die dem Protektor 43 zugewandte Stirnfläche 45 ist konisch konkav ausgeführt.

All diese beschriebenen Varianten der Tastköpfe weisen eine erhöhte Stabilität des akustischen Kontaktes auf. Im Tastkopf kann ein beliebig geformte: breitbandiger achsensymmelrischer Wandler benutzt werden. Dabei muß die Bedingung erfüllt werden, daC die dem Protektor zugewandte Stirnfläche des Wandlers krummlinig sein soll und der Protektor den Wandlei zur planparallelen Scheibe ergänzen soll.

Fig. 15 zeigt eine Tastkopfvariante für ein Ultraschalldefektoskop mit erhöhter Stabilität des akustischen Kontaktes. Im Tastkopfgehäuse befinden sich eir Kontaktring 47, ein Wandler 48, ein Protektor 49 unc ein Dämpfer 50. Auf die Außenfläche des Gehäuses At ist eine Gewindebuchse Sl aufgeschraubt, die an ihrei unteren Seite einen Auflagering trägt Die Buchse 51 wird am Gehäuse 46 mit Hilfe einer Gegenmutter 51

befestigt. Der Griff 54 weist eine Hülse 55 auf, in der das Gehäuse 46 befestigt ist. Da:· Defektoskop wird mit dem Wandler über eine Steckvorrichtung 56, über die Kontakte 57 und 58 sowie über den Kontaktring 47 elektrisch verbunden. An der Buchse 51 ist ein Stutzen ^ 59 befestig:, der zur Zuführung Jer Kontaktflüssigkeit dient. Der Wandler 48, der Protektor 49 und der Dämpfer 50 sind nach Fig. Ha ausgeführt und gegenseitig verbunden. Der Tastkopf kann als Kontakt- und Schlitzkopf arbeiten. Bei der letzteren Betriebsart ι ο wird die Buchse 51 vorgeschoben, so daß zwischen der Ebene des Auflageringes 52 und der Außenfläche des Proiektors 49 ein Schlitz erforderlicher Größe entsteht. Anstelle des Auflageringes 52 kann man Auflagekugeln benutzen, die an der Stirnfläche der Buchse 51 is angeordnet werden.

In F i g. 16 ist der Aufbau eines Tastkopfes dargestellt, in dem eine Vorrichtung für die Änderung der Ultraschallfrequenz vorgesehen ist. Der Tastkopf enthält ein Gehäuse 60, einen Dämpfer 61, einen Protektor 62, einen breitbandigen achsensymmetrischen Wandler 63 mit veränderlicher Dicke, einen ferromagnetischen Kern 64 mit darauf gewickelter Induktivitätsspule 65, die parallel dem Wandler 63 geschaltet ist und mit dem letzteren einen Schwingkreis bildet, sowie ^s einen Dauermagneten 66, der in einem Halter 67 befestigt ist. Am Gehäuse 60 ist eine mit innerer Spiralnut versehene Buchse 68 angeordnet, die mit dem Halter 67 mittels eines Stiftes 69 verbunden ist. Der Tastkopf ist mit dem Defektoskop mit Hilfe einer v> Steckvorrichtung 70 verbunden. Auf der Stirnfläche der Buchse 68 sind Frequenzteilstriche 71 (Fig. 21) aufgetragen.

Beim Drehen der Buchse 68 wird der Dauermagnet 66 im Spalt des Kernes 64 verschoben. Dabei ändern sich die Größe des Magnetflusses im Kern 64 und die Induktivität der Spule 65, was zu einer Änderung der Frequenz von Ultraschallschwingungen führt. Wenn die Teilstriche der Buchse 68 in Frequenzwerten geeicht sind, kann man leicht von einer Frequenz zur anderen übergehen. Der Dämpfer 61, der Protektor 62 und der Wandler 63 sind miteinander wie in F i g. 14 verbunden.

Fig. 17 zeigt einen geneigt einsetzbaren Tastkopf, der ähnlich dem Tastkopf nach Fig. 16 aufgebaut ist, mit der Ausnahme, daß anstelle des Protektors 62 in diesem Tastkopf ein Prisma 72 eingebaut ist.

In der Weltpraxis der Entwicklung von Defektoskopen und Dickenmeßgeräten tritt gegenwärtig die Tendenz in Erscheinung, Geräte mit breitbandigen Empfangsverstärkern zu schaffen. Bei solchen Geräten erfolgt der Übergang von einer Frequenz zu einer anderen nur durch Änderung der Tastkopffrequenz.

Zu bemerken ist, daß die Tastköpfe mit beschriebenem Aufbau die Formierung von sehr kurzen Ultraschallimpulsen mit einer Dauer von einer bis zwei Schwingungsperioden ermöglichen. Dadurch wird es möglich, die tote Zone kleiner zu halten und das Auflösungsvermögen sowie die Meßgenauigkeit zu erhöhen.

Es soll nun die Einrichtung zur Unterdrückung des Seitenstrahlungsfeldes des Wandlers näher betrachtet werden.

Das Prinzip der gesteuerten Unterdrückung des Wandlerseitenfeldes beruht auf der Änderung der Wandlerapertur in der Zeit, wobei auch die Winkellage der Seitenzipfel im Strahlungsdiagramm des Wandlers geändert wird. Bei der Filterung des vom Wandler empfangenen Signals wird das summierte Strahlungsdiagramm formiert, das ein Ergebnis der Summierung der Seitenzipfel mit Berücksichtigung ihrer Phase darstellt. Solche Signalverarbeitung gibt die Möglichkeit, den Pegel des Seitenstrahlungsfeldes bedeutend zu vermindern und das Signal an den Stellen vollständig zu unterdrücken, wo die Seitenzipfel mit entgegengesetzter Phase summiert werden.

Die zeitliche Änderung der Wandleraperturgröße kann auf verschiedene Weise vorgenommen werden, und zwar durch Kommutierung der Peripheriezonen des Wandlers nach einem vorgegebenen Gesetz und durch Frequenzmodulation der Ultraschal !schwingungen.

Das Strahlungsdiagramm eines Wandlers mit zeitlich veränderlicher Apertur kann wie folgt dargestellt werden:

7 Jm

Γ Γ Γ/2.τ''ν 1

!■'(O.i) = /'(ν) · exp ;' ' sin Q dxdi

Hierbei sind:

F(Q,t) des Strahlungsdiagramm,

Q Winkel im Strahlungsdiagramm,

Γ Periode der Aperturgrößenmodulation,

l(t) Aperturgröße,

P(x) Amplitudenverteilung in der Apertur,

f Signalfrequenz,

c Schallgeschwindigkeit.

Wir verändern nun die Größe der Apertur in der Zei so, daß in der Zeitperiode

-y <t <0

die ganze Apertur strahlt, und im Zeitpunkt

T 0<f < y

ein Teil der Apertur an den Randzonen des Wandler unwirksam ist.

Für diesen Fall ist der Spannungsmittelwert in de Zeit Tdurch den folgenden Ausdruck gegeben:

FlQ) = ^ JP(.v)cxp Γ'²^/^Λ sin

2 + \ Γ P(.v)cxp sin

(25)

Hierbei ist l—l\ = Aider unwirksam gemachte Teil der Apertur.

Wir nehmen die Amplitudenverteilung auf der Oberfläche des Wandlers als gleichmäßig an. In dieser Falle hat das resultierende Strahlungsdiagramm di Form:

sin

/(Qi

Ί, ' ⁷ (sin O) cos ^ ' ^ (stn O)

■. (sin Ol

Aus diesem Ausdruck ist ers.ehtlich, daß das Strahlungsdiagramni in ihrem Mittelwert den Faktor

sin O

<27|

drückung zur Strahlbreite des Tastkopfes ohne Seiten-Zipfelunterdrückung bestimmt werden.

IQ, =- 0.886

I 0 = 0.886 ■

erhält, der das /usai/lichc Minimum im Strahlungsdiagramm bestimmt.

Durch Variation der zeitlichen Änderung der Aperturgrößc (I h) kann man die Lage der Zone der Zipfelminimisiertnig im Strahlungsdiagramm des Wandlers verändern.

Es kann gezeigt werden, daß die Zone der gesteuerten Zipfelunterdrückung nur im geringen Maße den Hauptzipfel des Strahlungsdiagramms beeinflußt.

Es soll nun das Verhältnis der Strahlbreite beim Tastkopf mit dem System der gesteuerten Zipfelunter-Da I —

Cq - ' ⁺ It ■

in der Regel viel kleiner als / ist, so ist

Somit übt das System zur gesteuerten Seitenzipfelunterdrückung keinen bemerkbaren Einfluß auf die Breite des Hauptmaximums im Strahlungsdiagramm aus.

Bei Änderung der wirksamen Wandleraperturgröße durch sinusförmige Modulation der Frequenz nimmt der Ausdruck (24) für das resultierende Strahlungsdiagramm des Wandlers die Form an:

^../1 sin Q

Darin sind

r Wandlerradius,

fi jeweiliger Frequenzwert der Ultraschallschwingungen,

Δ fi Frequenzhub,
/0 Besselfunktion nullter Ordnung.

Das Strahlungsdiagramm erhält den Faktor

⁽³²⁾

der eine bedeutende zusätzliche Abnahme des Feldpegels der Seitenzipfel des Wandlers bedingt.

In Fig. 18 ist das Blockschaltbild einer Einrichtung zur Herabsetzung des Pegels der Wandlerseitenzipfel gezeigt, die zur Erkennung von Fehlern und der Fehlerart bestimmt ist.

Die Einrichtung enthält einen frequenzmodulierten Tastimpulsgenerator 73, bei dem das Tastverhältnis von Impuls zu Impuls sägezahnförmig geändert wird, einen an den Tastimpulsgenerator 73 angeschlossenen breitbandigen achsensymmetrischen Wandler 74 mit veränderlicher Dicke, einen mit dem Generator 73 verbundenen Generator 75 zur internen Impulsmodulation, einen breitbandingen Empfangsteil 76, der mit dem Wandler 74 verbunden ist, ein Glättungsfilter 77 und einen Signalverarbeitungsblock 78.

Die Einrichtung funktioniert wie folgt.

Der Generator 73 erzeugt eine Hochfrequenz-Impulsfolge mit Tastverhältnissen /Ί, /2... f„. Der Generator 75 liefert eine dem vorgegebenen Gesetz der Freauenzmodulation entsprechende Spannung für die interne Impulsmodulation, d. h., dieser Generator 75 gewährleistet die Frequenzverstimmurig um die G^röße ft. Die resultierende Hochfrequenz-Impulsfolge, die dem Wandler 74 zugeführt wird, läßt, sich also wie folgt beschreiben

/Ί + f\Ji

fn-

Während des Zeitintervalls zwischen der Ausstrahlung der Tastimpulse empfängt der Wandler die von Defekten reflektierten Signale, und die Störsignale werden vom Empfangsteil 76 verstärkt und getastet. Das Filter 77 bewirkt die zeitliche Mittelung der Störsignale, die Verminderung des Gesamtpegels der Seitenzipfel und deren vollständige Unterdrückung in der Zone, wo die Seitenzipfel in Gegenphase sind.

so Durch Änderung der Tiefe der internen Impulsfrequenzmodulation kann man die Lage der Zone der vollständigen Seitenfeldunterdrückung verändern, und durch Änderung des Gesetzes der impulsinternen Modulation läßt sich die Breite der Unlerdrückungszo-

ne variieren.

Zum Beispiel bei sinusförmiger interner Impulsmodulation können die meisten Seitenzipfel unterdrückt werden. Der Block 78 gewährleistet die Signalverarbeitung in Übereinstimmung mit der gestellten Aufgabe

fco Beispielsweise führt der Block 78 bei der Ermittlung dei Fehlerart und der Fehlerabmessungen die Spektralana lyse der von den Defektstellen refletierten Signale unc den Vergleich mit normierten Spektren aus.

In Fig. 19 und 20 sind Beispiele von Strahlungsdia

<\s grammen eines nach Fig. 2 aufgebauten Wandlers mi einem Radius r = 6 mm und eimern Dickengefälle vor h\ = 1 mm bis h₂ = 0,25 mm angeführt. Das Strahlungs diagramm in Fig. 19 ist vor der Seitenzipfelunterdrük

kung und das Diagramm in Fig. 20 nach der Unterdrückung bei sinusförmiger interner Impulsmodulation aufgenommen worden. Die Frequenz der Ultraschallschwingungen betrug 2 MHz. Der Vergleich der Strahlungsdiagramme zeigt, daß die beschriebene Einrichtung die Abschwächung des Seitenfeldpegels um 25 dB ermöglicht Praktisch genügt das, die Störungen von den Seitenzipfeln zu verhindern.

Die Einrichtung zur Seitenfeldunterdrückung kann

auch für planparallele Wandler angewandt werden, deren Durchlaßbandbreite den erforderlichen Frequenzhub zuläßt.

Bei sehmalbandigen Wandlern kann die Seitenfeldunterdrückung durch periodische Abschaltung der Wandlerperipheriezonen erreicht werden, die an die Zentralzone mit Hilfe eines Schalters in vorgegebener Ordnung angeschaltet werden.

Hierzu 7 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentanspruch;-:

1. Breitbandiger Ultraschallwandler, der als Rotationskörper aus einem Werkstoff mit piezoelektrischen Eigenschaften hergestellt ist und eine ebene Stirnfläche sowie auf diese Fläche und auf die gegenüberliegende Stirnfläche aufgetragene Elektroden aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Profil der Stirnfläche, die der ebenen ι ο Stirnfläche gegenüberliegt, gemäß der Beziehung

h'= -ρ ■ h ■ k(f)

ausgebildet ist, wobei ρ die Radikalkoordinate der Umwandlung, h die der Radikalkoordinate entspre- is chende Wandlerdicke, k(f) die Frequenzcharakteristik des Wandlers und h' die Ableitung der Dicke nach der Radialkoordinate bedeuten.

2. Breitbandiger Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei gleichmä- :o ßiger Frequenzcharakteristik der Umwandelung im Arbeitsfrequenzbereich das Profil der Oberfläche, die der ebenen Stirnfläche gegenüberliegt, gemäß der Beziehung

h = Q -M2 + C ²^