DE2513665A1

DE2513665A1 - Wellenleiter zur ableitung von ultraschall-signalen

Info

Publication number: DE2513665A1
Application number: DE19752513665
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Martin Dipl Phy Heide
Original assignee: Battelle Institut eV
Current assignee: Battelle Institut eV
Priority date: 1975-03-27
Filing date: 1975-03-27
Publication date: 1976-10-07

Description

Wellenleiter zur Ableitung von Ultraschall-Signalen Die Erfindung bezieht sich auf einen Wellenleiter, der zur Ableitung von Ultraschall-Signalen von der Oberfläche des zu untersuchenden, vibrierenden oder Ultraschall-Signale emittierenden Körpers vorgesehen ist und im wesentlichen aus einem langgestreckten übertragungselement in Form eines Stabes, Drahtes, Drahtbündels oder dergleichen besteht. Mit einem solchen Wellenleiter lassen sich z.B. Ultraschallsignale aus Bereichen mit extremen Umgebungsbedingungen, z B mit hoher Temperatur oder Kernstrahlung, dorthin leiten, wo herkömmliche Ultraschall-Empfähge ahne Beeinträchtigungen langzeitig eingesetzt werden kennen.
Es ist bereits bekannt, zur Weiterleitung von Ultraschall= signalen aus der Oberfläche des zu prüfenden Bauteils ein Übertragungselement in Form eines dünnen Drahtes (L.C.
Lynnworth, J.E Bradshaw: Magnetostriction Transducers for Acoustic Emission, Impulse, Vibration5 and Noise Analysis; Materials Res Standards, Marsch 1971, p 33) oder in Form eines starren Stabes oder Rohres (B.H. Schofield: Utilization of Acoustic Emission for In;Service Inspection; Instn. Mech Enges C 40/72, p 76) zu verwenden. Ein Nachteil dieser bekannten Wellenleiter besteht darin, daß an der Übergangsstelle von der Bauteiloberfläche zu dem Übertragungselement die Übertragungsempfindlichkeit beeinträchtigt wird Der Impedanzsprung an dieser Stelle bewirkt nämlich eine Verminderung der übertragenen Ultra schall-Amplitudes ; ähnliches gilt für den Übergang von dem Übertragungselement in den Empfänger; Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu vermeiden und einen Wellenleiter zu schaffen der den Empfindlichkeitsverlust durch den Flächenübergangssprung (Impedanzsprung) reduziert.
Es hat sich nun herausgestellt9 daß diese Aufgabe mit einem Wellenleiter der eingangs genannten Art in überraschend einfacher Weise dadurch gelost werden kann daß an den beiden Enden des Übertragungselementes je ein Kupplungsstück angebracht wird das die Form eines Kegels oder Kegelstumpfes besitzt der mit seiner Spitze bzw.
Stirnfläche zu dem tbertragungselement hinweist und dessen Grundfläche an den zu untersuchenden Körper bzw an den Empfänger ankoppelbar ist. Nach einer vorteilhaften Ausführungsart der Erfindung wird die Stirniläche jedes einzelnen Kegelstumpfes in ihrem Durchmesser an den Durchmesser des Ubertragungselementes angepaßt Bei Verwendung des erfindungsgemäßen Wellenleiters werden also durch die Anfügung und damit Zwischenschaltung der linearen Kupplungskonusse an beiden Enden des Übertragungs elementes die Übergangsverluste reduziert Gleichzeltig ist damit eine Frequenzselektion durch berechenbare Übertragungsresonanzen des Wellenleiters verbunden9 was ebenfalls einen wesentlichen Vorteil darstellt Bestimmend für die Grundresonanz des erfindungsgemäßen Wellenleiters fur Ultraschallsignale im Bereich von 50 kHz bis 500 kIIz ist die Dimensionierung der linearen I(upplungsstücke an den beiden Enden des Übertragungselementes Dadurch lassen sich die Frequenzen der Wellenleiter-Übertragungsmaxima in guter Näherung nach folgendes Konusresonanzformel bestimmen tan x = 2 # f mit x = k . l = D D m = max min f = Resonanzfrequenz VD = Stabwellengeschwindigkeit Dmax = maximaler Konus durchmesser Dmin = minimaler Konus durchmesser Somit besitzt der erfindungsgemäße Wellenleiter gegenüber den bekannten Vorrichtungen dieser Art den Vorteil des verminderten Impedanzsprunges und damit einer erheblich verbesserten Signalableitung. Ein weiterer Vorzug besteht, wie bereits angedeutet wurde9 noch darin, daß durch berechnete Übertragungsresonanzen eine gezielte Frequenzselektion zur Anpassung an den angeschlossenen Ultraschallempfänger und zur Unterdrückung von Störgeråuschen erreicht wird.
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung sowie aus den beigefügten Abbildungen hervor.
Es zeigen Figur 1 in schematischer Vereinfachung den Aufbau verschiedener Wellenleiter nach der Erfindung, die sich durch das verwendete Übertragungselement unterscheiden, und Figur 2 im Diagramm den Zusammenhang der Kegel- bzw. Kegelstumpfdimensionen und der Resonanzfrequenzen.
Nach Figur 1 besteht der erfindungsgemäße Wellenleiter in allen drei dargestellten Ausführungsbeispielen aus einem Übertragungselement 1,2 oder 3 und aus beidseitig angeordneten Kupplungsstücken 4,4', von denen Jeweils das eine an den zu untersuchenden Körper und das andere an den Ultraschall-Empfänger angekoppelt werden. In der symbolischen Darstellung nach Figur 1 soll das Übertragungselement 1 stabförmig sein, während mit 2 ein Draht und mit 3 ein Drahtbündel wiedergegeben ist.
Die erfindungsgemäßen Wellenleiter, d.h. sowohl das Übertragungselement als auch die beiden Kupplungsstücke, bestehen zweckmäßigerweise aus dem gleichen Material wie der zu untersuchende Körper, oder aus einem anderen Material mit gleichem oder zumindest annähernd gleichem akustischen Wellenwiderstand, damit Reflexionen an der Übergangsstelle zwischen dem zu untersuchenden Körper und dem anliegenden Kupplungsstück auf ein Minimum reduziert werden.
Anhand der graphischen Darstellung in Figur 2 lassen sich mehrere spezielle Ausführungsbeispiele in ihren Dimensionierungen ablesen, z.B.
m = 5 : 1 = 30 mm , f = 102 kHz 1 = 20 mm , f = 154 kHz

Claims

Patentansprüche 1. Wellenleiter zur Ableitung von Ultraschall-Signalen von der Oberfläche des zu untersuchenden, vibrierenden oder Ultraschall-Signale emittierenden Körpers, bestehend im wesentlichen aus einem langgestreckten Übertragungselement in Form eines Stabes, Drahtes, Drahtbündels oder dergleichen, dadurch gekennzeichnet, daß an den beiden Enden des Übertragungselementes (1,2,3) je ein Kupplungsstück (4,4') angebracht ist, das die Form eines Kegels oder Kegelstumpfes besitzt, der mit seiner Spitze bzw. seiner Stirnfläche zu dem Ubertragungselement hinweist und dessen Grundfläche an den zu untersuchenden Körper bzw. an den Empfänger ankoppelbar ist.
2. Wellenleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Kegelstumpfes (4,4') an dessen Stirnfläche (Dmin) mit dem Durchmesser des Übertragungselementes (1,2,3) übereinstimmt.