DE2621684B2 - Elektrodynamischer Schallwandler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrodynamischen Schallwandler zur Werkstoffprüfung mit einem auf die Werkstückoberfläche zugerichteten, ein Magnetfeld erzeugenden Magneten und einer Erregerspule für elektromagnetische Schwingungen, die zwischen dem Magneten und dem Werkstück angebracht ist.

Bisher wurden für die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung die Ultraschallwellen im allgemeinen in piezoelektrischen Ultraschallerzeugern erzeugt und von diesen mit Hilfe einer benetzenden Ankopplungsflüssigkeit, die meist aus Wasser besteht, in das Werkstück eingeleitet. Bei einzelnen Anwendungsfällen, z. B. bei der Prüfung warmer Werkstücke ist die Benutzung einer Ankopplungsflüssigkeit nicht wünschenswert.

Es wurde daher versucht, die Schwierigkeiten durch eine berührungslos arbeitende Vorrichtung zu umgehen, die die Ultraschallwellen direkt im zu prüfenden Werkstück erzeugt und die reflektierten Ultraschallwellen berührungslos empfängt. Vorrichtungen dieser Art sind als elektrodynamische Schallwandler bekannt und in der DE-PS 1497777 und in der DE-OS 2344076 beschrieben. In der zuletzt genannten Schrift ist der Magnetkern zur Konzentration der magnetischen Feldlinien an seinem vorderen Ende kegelstumpfförmig und die magnetischen Feldlinien ireten bei allen in dieser Schrift beschriebenen Ausführungsformen an einer zu prüfenden Werkstücksoberfläche äquidistant liegenden Fläche aus. Bei der Erfindung nach der DE-PS 1497777 liegen die Austrittsflächen parallel zur Werkstücksoberfläche. Elektrodynamische Schallwandler mit zur Werkstiicksoberfläche verlaufenden parallelen oder äquidistanten Austrittsflächen für die magnetischen Feldlinien haben den Nachteil, daß sie - ähnlich den piezoelektrischen Ultraschallerzeugern - ein durch Interferenzen gestörtes Nahfeld besitzen. Das heißt, daß sie eine für die Prüfung erwünschte annähernd '> homogene Ultraschall-Wellenfront im allgemeinen erst in einem relativ tief unter der Oberfläche des zu prüfenden Werkstücks liegenden Bereich erzeugen. Der Werkstoff nahe der Werkstücksoberfläche ist deshalb mit diesen Geräten nur unzureichend zu

ι» überprüfen.

Ein weiterer Nachteil der schon bekannten elektrodynamischen Schallwandler besteht außerdem darin, daß die Anregungsverteilung des Ultraschallfeldes neben dem eigentlichen Hauptmaximum ein oder

ι "> mehrere sich in der Höhe nur wenig von diesem unterscheidende Nebenmaxima hat. Hierdurch entstehen Stellen im Ultraschallfeld, die eine erheblich verminderte Ultraschallintensität besitzen. An diesen Stellen besteht eine verminderte Nachweisempfindlichkeit

-'» für Fehler.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, den Abstand der ersten gleichmäßigen und daher für die Prüfung brauchbaren Ultraschall-Wellenfront von der Werkstückoberfläche und damit das bei der Überprüfung

-'■) unzureichend erfaßbare Nahfeld erheblich zu verkleinern und außerdem eine gebündelte, auf einen schmalen Bereich um das Ultraschallfeldmaximum konzentrierte, von Nebenmaxima freie Anregungsverteilung des Ultraschallfeldes zu erzeugen. Diese Aufgabe wird

iii erfindungsgemäß durch einen elektrodynamischen Schallwandler gelöst, der dadurch gekennzeichnet ist, daß das dem Werkstück zugekehrte Ende des Magnetkerns des Magneten so ausgebildet ist, daß der Magnetkern zum äußersten der Werkstückoberfläche

π am nächsten liegenden Punkt verjüngt ist, wobei die ohne Unstetigkeitsstelle erfolgende Verjüngung am Umfang des Magnetkerns schwach beginnend ansetzt und zum der Werkstückoberfläche am nächsten liegenden Punkt stetig zunimmt.

4(i Durch diese besondere Form des Magnetkernendes wird die magnetische Kraftliniendichte so verteilt, daß ein Ultraschallfeld entsteht, das in seiner Mitte ein ausgeprägtes Intensitätsmaximum hat und zu den Rändern abfällt.

v-> Es wird so ein Feldstärkeverlauf der Anregungsverteilung des Ultraschallfeldes erreicht, welcher der bekannten Gaußverteilung nahe kommt. Eine solche erwünschte Anregungsverteilung wird besonders vorteilhaft dann erhalten, wenn die Verjüngung rotationssymmetrisch um die Längsachse des Magnetkerns verläuft und die, bei einem durch die Längsachse des Magnetkerns gelegten Schnitt entstehenden äußernen, die Verjüngung darstellenden Begrenzungskurven einen parabelförmigen, elliptischen, halb- kreisförmigen oder diesen vorgenannten mathematischen Kurven angenäherten Verlauf haben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im Prinzip in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen elektrodynamischen Schallwandler bisher bekannter Ausführung mit ebener Endfläche des Magnetkerns und die zu diesem Magnetkern gehörenden Kurven der Anregungsverteilung der Magnetfeld- und Ultraschallfeldstärke,

b5 Fig. 2 einen elektrodynamischen Schallwandler entsprechend der Erfindung mit halbkugelförmiger Endfläche des Magnetkerns und den dazu gehörenden Kurven der Anregungsverteilung der Magnetfeld- und

Ultraschallfeldstärkc.

In Fig. 1 besteht ein elektrodynamischer Schallwandler aus dem Magneten 11, mit Magnetkern 12 und der Erregerspule 14. Diese befindet sich zwischen dem planen Ende 13 des Magnetkerns 12 und der Werkstückoberfläche 15. Bei diesem Beispiel des bisher bekannten Prinzips entsteht eine rotationssymmetrische Anregungsverteilung der Magnetfeldstärke, wie sie in der Kurve 16 im Schnitt dargestellt ist. Dieser Schnitt durch die Anregungsverteilung der Magnetfeldstärke zeigt 3 maximale Werte in den Punkten 17, 18 und 19. Die Verteilung der Magnetfeldstärke verursacht eine entsprechende Anregungsverteilung der Ultraschallfeldstärkc, wie sie in der darüberliegenden Kurve 20 mit ihren maximalen Werten 21, 22 und 23 wiederum als Schnitt dargestellt ist.

Falls ein Werkstückfehler im Bereich eines der beiden Minima 27 und 28 der Kurve 20 der Ultraschallfeld^tärke liegt, so ist die Fehlernachweisempfindlichkeit vermindert.

Würde man einen derartig gestalteten elektrodynamischen Schallwandler über einen kleinen Fehler in einem Werkstück bewegen, so würde man nacheinander 3 Fehleranzeigen erhalten, die von demselben Fehler herrühren. Die Deutung eines solchen Fehlerbildes bereitet in der Praxis erhebliche Schwierigkeiten.

In Fig. 2 ist das Ende 24 des Magnetkerns 12 gemäß einem Beispiel der Erfindung halbkugelförmig ausgebildet. Der Punkt des Magnetkerns 12, der der Werkstückoberfläche 15 am nächsten liegt, ist mit 29 bezeichnet. Die Kurve 16 der Anregungsverteilung der Magnetfeldstärke hat nur noch ein Maximum 25, und entsprechend hat auch die Kurve 20 der Anregungsverteilung der Ultraschallfeldstärke nur ein Maximum 26.

Diese Gestaltung des elektrodynamischen Schallwandlers führt zu eindeutigen Fehleranzeigen, insbesondere zu einer guten räumlichen Auflösung hinsichtlich der Lage von kleineren Materialfehlern und /u einer guten Fehlererkennung im oberflächennahen Bereich, d. h. zu Bedingungen, wie sie für eine einwandfreie Prüfung und Ergebnisdeutung erforderlich sind.

Ein nach dem Prinzip der Erfindung hergestellter elektrodynamischer Schallwandler hat somit ein erheblich größeres Auflösungsvermögen für kleinere Werkstückfehler als das, welches bisher bekannte elektrodynamische Schaliwandler besaßen.

Ein Vorteil ergibt sich noch, wenn der Magnet 11 statt durch einen gleichbleibenden Gleichstrom durch einen intermittierenden Gleichstrom oder Wechselstrom niedriger Frequenz erregt wird. Dann kann das Werkstück in den Abschaltpausen wegen der fehlenden Magnetkraft leichter verschoben werden. Außerdem wird der Magnet 11 weniger durch den Strom bei intermittierendem Betrieb erwärmt.

Die Erfindung beschränkt sich nicht nur auf die in Fig. 2 dargestellte Vorrichtung. Es können auch Magnetkerne 12, die nicht senkrecht zur Werkstückoberfläche 15 stehen, am Ende in der Weise geformt werden, daß ein Ultraschallfeld entsteht, das in seiner Erregungsverteilung der Gauß'schen Kurve 20 annähernd entspricht. Die Form des Magnetkernendcs 24 wird in jedem Fall eine zum Ende hin verlaufende Verjüngung sein, die an ihrer Oberfläche keine scharfen Ecken oder Kanten aufweist. Diese weicht von der vorbeschriebenen Form um so mehr ab, je mehr der Magnetkern 12 von der Senkrechten zur Werkstückoberfläche abweicht. Die genaue Form ist leicht durch einige Versuche urmittelbar bzw. durch Berechnung des magnetischen Feldes auch berechenbar.

Bezugsziffern

11 Magnet

12 Magnetkern

13 planes Ende des Magnetkerns

14 Erregerspulc

15 Werkstück

16 Kurve der Magnetfeldstärke (Schnittbild)
17) maximale Werte der Magnetfeldverteilung 18[ (Schnittbild)

20 Kurve der Ultraschallfeldstärkc

22}· maximale Werte der Ultraschallleldvcrteilung

24 (halbkugclförmigcs) Ende des Magnetkerns 12

25 Maximum der Kurve 16 der Magnetfeldstärke

26 ein Maximum der Ultraschallfeldverteilung 271 Tiefpunkte

28/ der Werkstückoberfläche am nächsten liegen-

29 der Punkt des Magnetkerns.

Hierzu 1 Blatt Zeichniinccn

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Elektrodynamischer Schallwandler zur Werkstoffprüfung mit einem auf die Werkstückoberfläche zugerichteten, ein Magnetfeld erzeugenden Magneten und einer Erregerspule für elektromagnetische Schwingungen, die zwischen dem Magneten und dem Werkstück angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß das dem Werkstück zugekehrte Ende (24) des Magnetkerns (12) des Magneten (11) so ausgebildet ist, daß der Magnetkern (12) zum äußersten der Werkstückoberfläche (15) am nächsten liegenden Punkt (29) verjüngt ist, wobei die ohne Unstetigkeitsstelle erfolgende Verjüngung am Umfang des Magnetkerns (12) schwach beginnend ansetzt und zum der Werkstückoberfläche am nächsten liegenden Punkt (29) stetig zunimmt.

2. Elektrodynamischer Schallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verjüngung rotationssymmetrisch um die Längsachse des Magnetkerns (12) verläuft und die bei einem durch die Längsachse des Magnetkerns (12) gelegten Schnitt entstehenden äußeren, die Verjüngung darstellenden Begrenzungskurven des Magnetkernendes (24) einen parabelförmigen, elliptischen, halbkreisförmigen oder diesen vorgenannten mathematischen Kurven angenäherten Verlauf haben.