DE2646972C2 - Akusto-optischer Wandler zum Empfang von Ultraschallwellen bei der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen akusto-optischen Wandler nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Bei der Werkstoffprüfung mit Ultraschallimpulsen, r> insbesondere mit Stoßwellen, werden resonanzfrei arbeitende Empfänger großer Bandbreite benötigt. Diese Empfänger sollen die Ultraschallamplitude, insbesondere die Druckamplitude des Ultraschalls, möglichst linear in amplitudenproportiopale elektrische .to Signale umwandeln.

Zur getreuen Abbildung des Ultraschallfeldes soll auch die Möglichkeit bestehen, eine brauchbare örtliche Auflösung über den Schallbündelquerschnitt zu erreichen, -n

Es sind Empfänger bzw. Wandler bekannt, die entweder nach dem Prinzip des mechanisch-elektrischen Wandlers arbeiten (piezoelektrische Wandler, magnetostriktive Wandler, und dgl.) oder schalloptische Effekte benutzen. in

Es sind auch optische Verfahren bekannt, die keine unerwünschten Resonanzfrequenzen aufweisen. Sie unterscheiden sich durch die Geometrie der Empfangsanordnung:

1. Die Ausbreitungsrichtung des Lichtes und des Schalles schließen einen größeren Winkel als z. B. bei der Schlierenoptik ein. Hierbei ist eine örtliche Auflösung des Schdlfeldes nicht möglich. Es wird über das Lichtstrahlvolumen integriert. ho

2. Verfahren, bei denen die Ausbreitungsrichtung des Schalles und des Lichtes kollinear sind, wie z. B. bei Interferometeranordnungen. Hierbei wird die Auslenkung einer Oberfläche unter Ultraschalleinfluß gemessen (DE-OS 24 57 253.0). „-,

Bei diesem Verfahren ist die Linearität der Umwandlung zwar sehr gut, da es zu jedem Raumpunkt des Schallfeldes eine zur Schallfeldgröße proportionale Signalgröße gibt, aber der Nachteil besteht darin, daß nur monochromatisches Licht verwendet werden kann. Auch ist der Aufbau der Vorrichtung gegen mechanische Erschütterungen und Temperaturschwankungen empfindlicher.

Es ist ebenfalls bekannt, einen nichtmonochromatischen oder auch einen Laserstrahl an der Hypotenuse eines Prismas zur Totalreflexion zu bringen und den austretenden Lichtstrahl optoelektrisch, z. B. durch eine Fotodiode zu wandeln, so daß dieses Signal einer Meßvorrichtung zugeführt werden kann. Ein zweiter optischer Körper, insbesondere aus dem gleichen Werkstoff, also auch ein Glaskörper, wird hier als Störkörper benutzt, wobei eine seiner Oberflächen nur durch eine sehr kleine Zwischenschicht von der Hypotenusenoberfläche des Prismas getrennt, andererseits aber durch Schallwellen erregt ist. Da ein Lichtanteil in der Grenz- bzw. Zwischenschicht aus Luft als Oberflächenwelle verläuft, wird durch die Grenzfläche des Störkörpers die Totalreflexion gestört, so daß noch ein Lichtanteil bis zu dieser zweiten Grenzfläche reicht, hier eintreten kann und im totalreflektierten Strahl fehlt. Um so mehr die Grenzfläche des Störkörpers der Grenzfläche des Prismas genähert wird, um so größer ist der in den Störkörper eintretende Lichtanteil, um so kleiner der Anteil des totalreflektierten Lichtes. Diese Lichtanteile werden somit durch die Dicke der Zwischenschicht, d. h. durch den Abstand zwischen den Grenzflächen der optischen Bauteile moduliert. Nun kommt es aber auch auf die durch Schall bzw. Ultraschall bewirkte Auslenkung der Grenzfläche des Störkörpers an, die in die Amplitudenmodulation des Lichtes eingeht. Allerdings zeigt das bekannte Verfahren anhand eines Bildschemas nur das Grundprinzip auf. Es spricht nicht das Problem an wie bzw. durch welche technischen Bauteile die Dicke der Zwischenschicht beeinflußt werden kann, wie die Ultraschallquelle selbst zweckmäßig anzupassen ist und beläßt es auch nur bei der Auswertung des totalreflektierten Lichtanteils (messen + prüfen/automatik, Juli/ August 1974, Seite 427—433), so daß eine zuverlässige, praktisch-technische Ausmessung dahingestellt bleibt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung eingangs genannter Art anzugeben, durch die die Meßgenauigkeit erhöht und die Messung mit einem baulich vereinfachten Wandler zuverlässig ausgeführt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Patentanspruches 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Es wird somit der in den Störkörper eintretende Lichtanteil durch die Vorrichtung meßtechnisch vorteilhaft ausgenutzt: Die zugehörige akusto-elektrisch gewandelte, als elektrisches Signal vorliegende Signalgröße wird für Justier- bzw. Kontrollzwecke durch den zweiten Fotodetektor ausgenutzt, nämlich zur Bildung eines Intensitätsverhältnisses zwischen dem totalreflektierten und dem in den Störkörper eingetretenen Signal. Andererseits gewährleisten die Abstandsglieder eine einfache Justierung des Abstandes des Störkörpers zum anderen optischen Bauteil, d. h. zur Justierung der Dicke der Zwischenschicht zwischen ihnen. Ein weiterer Vorteil liegt in der günstigeren Anordnung der Schallquelle, von der die einen zu prüfenden Werkstoff durchlaufende Ultraschallwelle ausgeht. Das Prüfstück kann nunmehr an der vom Störkörper abgewandten Seite und nicht mehr an der Seite des Störkörpers selbst

angeordnet werden. Hierdurch wird die Justierung der Zwischenschicht in vorteilhafter Weise erleichtert

Eine Ausführungsform der Erfindung ist in der einzigen Zeichnung dargestellt, die einen prinzipiellen Aufbau des akusto-optischen Wandlers, teilweise im Schnitt, darstellt, und wird anhand dieser näher erläutert.

Von einer externen und separat kühlbaren Lichtquelle 1 wird über einen Lichtleiter 2 ein Lichtstrahl 5 in ein total reflektierendes Prisma 3 eingeleitet Der Brechungsindex dieses Prismas muß größer sein als der des umgebenden Mediums, z. B. eines Gases oder einer Flüssigkeit, das eine (Ln der Figur stark vergrößerte) Zwischenschicht 4 zwischen dem Prisma 3 und einem Störkörper 7 aus lichtdurchlässigem Material darstellt. Dadurch tritt an der Oberfläche, d. h. der Grenzfläche 3a zwischen Prisma 3 und Zwischenschicht 4, eine Totclreflexion ein wenn der Einfallswinkel des Lichtes größer als der entsprechende Grenzwink°I ist. Die Totalreflexion wird aber durch den Störkörper 7 gestört. Der reflektierte Lichtstrahl 5a wird von einem ersten Fotodetektor 6a in ein elektrisches Signal umgewandelt. Aus der gestörten Totalreflexion ergibt sich folgendes: An der Grenzfläche zwischen Prisma 3 und Zwischenschicht 4 tritt Licht in die Zwischenschicht 4 über in Form einer Oberflächenwelle, deren Amplitude in Richtung senkrecht zur Oberfläche des Prismas 3 in Richtung zum optischen Störkörper 7 sehr stark abnimmt. Die Störung ist bedingt durch die Anwesenheit des Störkörpers 7 in einem wirksamen Abstand, der geringer ist als die Lichtwellenlänge. Somit stört de·· Störkörper 7 mit seiner Oberfläche 7a, d. h. mit der Grenzfläche zur Zwischenschicht 4, eigentlich nur die Oberflächenwelle. Dadurch dringt aber Licht in den Störkörper 7 ein. Das Verhältnis der Intensität vom reflektierten Licht 5a zum durchgehenden Licht 5b ist hier vom Abstand der beiden Grenzflächen, also von der Dicke der Zwischenschicht 4 abhängig. Die Dicke dieser Zwischenschicht 4 wird in der Praxis die Größenordnung von I0-⁷ m haben. Durch Auswahl der Dicke der Zwischenschicht 4 wird ein vorbestimmter Arbeitspunkt für das Verfahren festgelegt und sie statisch mit vorbestimmten Abstandsgliedern 9 eingestellt.

Statt der Abstandsglieder 9 kann auch ein piezoelektrisches Stellelement eingesetzt werden, so daß die Dicke der Zwischenschicht und damit die Arbeitsstellung durch eine elektrische Spannung eingestellt werden kann, odrr aber die Stellglieder werden mit einer entsprechenden Wechselspannung beaufschlagt, so daß die Arbeitsstellung über das Stellglied mit einer Frequenz, die dann vorteilhaft größer ist als die Schallsignalfrequenz, moduliert werden kann. Es ist außerdem mindestens eine Ultraschallquelle 8 vorhanden, aus der eine Ultraschallwelle IO in das Prisma 3 eingeschallt wird, so daß im Prisma Ultraschallschwingungen sich zur Prismenoberfläche fortpflanzen und eine Auslenkung, d. h. Verstellung, der Grenzfläche 3a im Takt der Ultraschallwellen erfolgt. Ebenso ändert sich die Störung der Totalreflexionen im Takt der Ultraschallwellen. Damit sind sowohl der reflektierte Lichtstrahl 5a als auch der in den Störkörper 7 durchgelassene Lichtstrahl 50 in ihrer Intensität mit der Frequenz der Ultraschallwelle und ggf. mit der Bewegung des periodisch erregten Abstandsgliedes 9 moduliert und werden nun in dem ersten Fotodetektor 6a, sowie einem zweiten Fotodetektor 6b in elektrische Signalgrößen umgewandelt und über eine elektrische Leitung 11 bzw. 12 nach außen zu je einem Verstärker od. dgl. abgeführt Es wird die Differenz der zugehörigen Ströme, also I_u — In gebildet und angezeigt od. dgl. In vereinfachter Ausführungsform wird nur einer dieser Meßströme benutzt. Diese Ausführungsform kann dem Verwendungszweck entsprechend abgewandelt werden, z. B. kann die gesamte Grenzfläche zwischen Prisma 3 und der Zwischenschicht 4 beleuchtet und mit Masken ein Muster ausgeblendet werden. Zum Beispie! kann auf diese Fläche optisch eine Zonenplatte abgebildet werden. Dadurch entsteht ein fokussierter Ultraschalle.npfänger, da nur der beleuchtete Teil der Grenzfläche für den Umwandlungseffekt wirksam ist.

Man kann auch den Lichtstrahl 2 zur Abtastung des Schallbündelquerschnittes bei der Untersuchung der Schallenergieverteilung im Schallfeld durch an sich bekannte Strahlablenker (z. B. bewegte Spiegel oder akustisch-optische Ablenker) rasterförmig über die empfindliche Grenzfläche 3a führen. Der Lichtfleck des Lichtstrahles 2 muß dann an der Grenzfläche 3a kleiner als das kleinste aufzulösende Flächenelement des Schallstrahlquerschnittes sein.

Man erhält also einen akusto-optischen Wandler, der nicht größer ist als die normalen piezoelektrisch arbeitenden Ultraschallprüfköpfe. Er arbeitet aber extrem breitbandig, weil der Lichtstrahl, verglichen mit Piezowandlern, trägheitslos ist. Man kann auch die Empfängerflächen des Wandlers der Form und der Größe nach leichter vorbestimmen, z. B. ein Zonenplattenmuster ausblenden bzw. lediglich unterschiedliche Blenden in den Lichtstrahlgang einfügen und damit das bisher notwendige Auswechseln der piezoelektrischen Prüfköpfe vermeiden. Da die Empfängerfläche ferner relativ groß ausgebildet und nur mit einem kleinen Lichtpunkt abgetastet wird, wird eine große Auflösung erreicht.

Hit-rzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Akusto-optischer Wandler zum Empfang von Ultraschallwellen bei der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung mit einem das Licht einer Lichtquelle (1) total reflektierenden Prisma (3), dessen Brechungsindex größer als der des umgebenden Mediums ist, einem Störkörper (7) aus lichtdurchlässigem Material, der in geringem, veränderbarem Abstand von der den Lichtstrahl reflektierenden Fläche des Prismas, eine Zwischenschicht bildend, angeordnet ist und einem zum Empfang des im Prisma reflektierten Lichts dem Prisma zugeordneten, ersten Fotodetektor (6a), dadurch gekennzeichnet, daß eine an die Lichtein- und -auslaßfläche des Prismas grenzende Fläche Eintritisfläche der einen zu prüfenden Werkstoff durchlaufenden Ultraschallwelle ist, daß zum Emp fang des in den Störkörper (7) über die Zwischenschicht (4) gelangenden Lichtanteils (5b) ein zweiter Fotodetektor (6b) dem Störkörper (7) zugeordnet ist und daß verstellbare Abstandsglieder (9) zur Einstellung des Abstandes zwischen Prisma und Störkörper und damit zur Einstellung der Zwischenschicht (4) vorgesehen sind.

2. Akusto-optischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandsglieder (9) piezoelektrische Stellelemente sind.

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