DE2707968A1

DE2707968A1 - Verfahren zur erzeugung einer richtcharakteristik beim beruehrungslosen optischen empfangen von ultraschallwellen

Info

Publication number: DE2707968A1
Application number: DE19772707968
Authority: DE
Inventors: Walter Dipl Ing Kaule
Original assignee: Krautkraemer GmbH
Current assignee: Krautkraemer GmbH
Priority date: 1977-02-24
Filing date: 1977-02-24
Publication date: 1978-08-31
Also published as: US4121470A; DE2707968C2; JPS549679A; JPS5745340B2

Description

K 097 5000 Köln 41, Luxemburger Str. 449

Verfahren zur Erzeugung einer Richtcharakteristik beim berühungslosen optischen Smpfangen von Ultraschallwellen.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer Richtcharakteristik für einen berühungslos arbeitenden optischen Empfänger, z.B. einen Laufzextxnterferometer für Ultraschallwellen, durch den die unter dem Einfluß der Schallwelle entstehenden Auslenkungen einer Prüfstückoberfläche gemessen werden..

Bei der zerstörungsfreien Prüfung mit Ultraschallwellen von festen Werkstoffen auf Ungänzen an nicht oder schlecht zugänglichen Prüfstücken, das können auch solche mit heißer Oberfläche sein, ist es notwendig, die Schallwelle, die nicht über flüssige Ankoppiungsmittel zum Schallempfänger geleitet v/erden kann, berühungslos zu empfangen. Als Ankoppelmittel kämen demzufolge nur Gase infrage, die aber ein Übertragen der Schallwelle wegen des enorm großen Unterschiedes der Schallwellenwiderstände zwischen Gas und festem Körper nicht erlauben. Auch werden in der Werkstoffprüfung mit Ultraschall nicht nur lotrecht zur Oberfläche verlaufende Schallwellen

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angewendet, sondern häufig Schallwellen, deren Ausbreitungsrichtung in einem Winkel zum Oberflächenlot liegt. Die Winkel der Schallausbreitungsrichtung sind gegeben durch die Lage der nachzuweisenden Ungänzen. Demzufolge muß der Schallempfänger in seiner Hichtcharakteristik, d.h. in der räumlichen Verteilung seiner Empfindlichkeit, dem Winkel der Schallwellenausbreitungsrichtung entsprechen.

Berühungslos arbeitende Empfangsverfahren für lotrecht auf die Überfläche auftreffende Schallwellen sind an sich bekannt, wobei die Auslenkung der Oberfläche durch die Beeinflussung der Schallwelle gemessen werden kann (vgl. "Werkstoffprüfung mit Ultraschall" von J. Krautkrämer, 3· Auflage 1975» Springer Verlag, Berlin/Heidelberg, Seite 169, ebenfalls DT-OS 24 253).

Es ist aber bisher kein Verfahren bekannt, das derartigen optisch arbeitenden Empfängern, die die Auslenkung der Prüfstückoberfläche durch die Schallwellen messen, eine Richtcharakteristik erteilt.

Es ist somit Aufgabe der Erfindung, einem derartigen berührungslos arbeitenden optischen Empfänger für Ultraschallwellen eine Richtcharakteristik zu erteilen, um auch Ultraschallwellen, die sich nicht in Richtung des Lotes normal zur Prüfstückoberfläche ausbreiten, optimal empfangen zu können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der

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Teil der Prüfstückoberfläche, von dem eine Ultraschallwelle unter einem gegebenen Winkel empfangen wird, streifenförmig beleuchtet wird, wobei die Streifen einen gleichmäßigen Abstand, der durch den gegebenen Winkel bestimmt ist, voneinander haben.

Zum Erfindungsgegenstand leitet folgende Betrachtung über: Wird vom Innern eines Prüfstückes ein Oberflächenbereich des Prüfstückes derart beschallt, daß der Schallstrahl lotrecht auf die Prüfstückoberfläche trifft, so werden die Oberflächenelemente im Takt der Schallwelle, sofern die Oberfläche eben ist und die Schallwelle ebene Wellenfronten hat, phasengleich auf und ab schwingen. Diese Schwingung ist z.B. mit einem Interferometer, vgl. J. & H. Krautkrämer "Werkstoffprüfung mit Ultraschall", als Oberflächenauslenkung meßbar. Trifft die Schallwelle die Oberfläche aber unter einem Winkel, so schwingen nicht sämtliche Oberflächenelemente in gleicher Phase, sondern es schwingen nur die Elemente gleichsinnig, die;

einen Abstand d entsprechend der Beziehung :

X · J) ;

d = r- voneinander haben. j

sincC ι

Die Verhältnisse sind analog der Beugung einer ebenen Welle an einem Gitter. Nur ist hier die Betrachtung von der anderen Seite her anzustellen.

Die Richtungen maximaler Empfindlichkeit sind dieselben, in die eine Welle durch dieses Gitter gebeugt werden würde.

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- 2er -

Hierin ist ζ eine natürliche Zahl und durch die bei der gedachten Beugung nach dem Huygen¹sehen Prinzip entstehenden Interferenzen gegeben (z = O für den Beugungsstrahl NullterOrdnung, also der nicht gebeugte Strahl, ζ = 1 für den Beugungsstrahl 1. Ordnung, also dem unter kleinstem Winkel gebeugten Strahl);/\ die Schallwellenlänge undQGder Winkel zwischen Lot und abgebeugtem Schallstrahl.

Unter Empfangsfläche wird der geeignet beleuchtete und vom

- it-

Interferometer erfaßte Teil der Prüfstückoberfläche verstanden; also die Fläche,von der Schallwellen nachgewiesen werden sollen. Das Interferometer integriert über die gesamte Empfangsfläche und kann nur phasengleiche Schwingungszustände verarbeiten. Das ist nur gegeben bei Schallwellen, die lotrecht auf die Oberfläche treffen. Bei schräg auftreffenden Schallwellen treten innerhalb der Empfangsfläche gegenphasige Schwingungszustände auf, die sich bei der Integration über die Empfangsfläche aufheben. Um in diesem Fall zu einer Auswertung kommen zu können, müßte man die Empfangsfläche so stark abschatten, daß nur ein Bereich gleichphasiger Schwingungszustände erfaßt ist. Nach der Beziehung

d · sinoC

· λ

gibt es diese Bereiche,wie bereits erwähnt,mehrmals in der Empfangsfläche im Abstand

, χ. λ

since

Es ist also nur erforderlich, die Empfangsfläche mit einem Gitterbild zu beleuchten, derart, daß die Lichtstege des Gitterbildes sich mit den Stellen gleichphasiger Schwingungszustände decken und somit einen Abstand d haben, der sich nach der genannten Formel (1) bzw. (2).

aus der Schallwellenlänge und dem Winkel ergibt.

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Damit hat man dann in Kombination mit dem optischen Empfänger ein Verfahren geschaffen, das es erlaubt, unter vorgegebenem Winkel eintreffende Ultraschallwellen optimal zu empfangen. Jedoch werden hierbei Schallwellen aus zwei symmetrischen Richtungen zum Einfallslot empfangen, die den Beugungsstrahlen erster Ordnungjsymmetrisch zum Lot entsprechen.

Will man vermeiden, daß die Empfangseinrichtung in zwei Richtungen empfindlich wird, ist es möglich, in einer anderen Ausgestaltung der Erfindung jedem Lichtstreifen des aufgeleuchteten Gitters eine separate Fotozelle durch geeignete optische Abbildungsmaßnahmen einzeln an sich bekannter Art zuzuordnen. Die Signale von den Fotozellen werden mit einer von Fotozelle zu Fotozelle vorhandenen und konstanten Zeitverzögerung zusammengefaßt. Die Zeitverzögerung ergibt sich aus dem Winkel des Schallstrahls bzw. aus dem Winkel, für den die Empfangseinrichtung empfindlich sein soll, und der Schallgeschwindigkeit. Für die der 1. BeugungsOrdnung entsprechenden j

Richtung ist i

j t » aus d · sin«C - c · t !

Darin sind c die Schallgeschwindigkeit für die zu empfangenden Wellen und t die Schallaufzeitdifferenz von beleuchtetem Gitter steg zu Gittersteg.

Dieses Verfahren spricht auf nur einen Winkel an. Aus dem spiegelsymmetrisch liegenden Winkelbereich ankommende Störungen werden unterdrückt.

-0 -

Eine Ausführungsform der Erfindung wird anhand der Zeichnung erläutert, die ein Prüfstück in Seitenansicht sowie den Empfänger und den Laser schematisch in Blockdarstellung zeigt.

Will man z.B. aus einem Prüfstück 1 eine Ultraschallwelle mit der Ausbreitungsrichtung 3 unter 30° zum Lot optisch von der Prüfstückoberfläche 2 empfangen, muß der entsprechende Teil der Oberfläche mit einem Lichtgittermuster 4, welches die Empfangsfläche abdeckt und aus den Gitterstreifen 4a usw. besteht, das hier aus Darstellungsgründen erhaben gezeichnet ist, belichtet werden. Hierzu kann eine Gittermaske auf die entsprechende Stelle der Prüfstückoberfläche aufgelegt werden, es kann aber auch an anderer Stelle des Strahlenganges des belichtenden Lasers 5 erzeugt werden. Folgende Daten seien gegeben: Schallwellenlänge = 1 mm, Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schallwelle c = 6000 m/s. Der Mittenabstand der einzelnen Lichtstreifen ergibt sich dann zu

— — - 0,5 . 10~⁵ m » 0,5 mm

sinoc sin 30

Als optischer Empfänger 6 ist hier ein Laufzeitinterferometer an sich bekannter Art, wie im Literaturzitat angegeben, verwendet. Diese Anordnung empfängt Schallwellen aus den beiden j angedeuteten Richtungen 3 und 3a.

Will man Schallwellen aus der Richtung 3& nicht empfangen, so ist mit den optischen Mitteln des Interferometers 6 Jeder der Lichtstreifen 4a bis 4h auf eine separate Fotozelle 7» bis 7a

8 0θβ3Ϊ~/0"ΰ5

at>zubilden, in unserem Beispiel 8 Stück. Jeder dieser Fotozellen ist ein Kanal des Verstärkers 8 zugeordnet.

Die Wellenfront des Schallstrahls 3 trifft die Empfangsfläche mit dem Lichtgitter 4 am Gitterstreifen 4a zuerst, so daß die Fotozelle 7a» auf die dieser Gitterstreifen abgebildet ist, zuerst ein Signal an den Verstärker 8a gibt, der mit der Zeitverzögerung entsprechend (n-1) · t mit η = Anzahl der Gitterstreifen, also 7*41,67 ns = 291*69 ns das Signal an das summierende Auswerteglied 9 weiterleitet. Um die Zeit t = 41,67 ns trifft die Wellenfront den Gitterstreifen 4b und die Fotozelle 7^, auf die dieser Gitterstreifen abgebildet ist, gibt ein Signal an den Verstärker 8b, das um 6 · 41,67 ns = 250,02 ns verzögert wird.

Dieser Gedankengang ist bis zum letzten Streifen, hier 4h, sinngemäß fortzusetzen, der dann ein nicht verzögertes Signal an das Auswerteglied 9 abgibt. In diesem Auswerteglied liegen sämtliche Signale aus 8a bis 8h jetzt gleichzeitig an, so daß sie sich aufsummieren. Bei aus anderen Winkeln als 30 auftreffenden Wellenfronten stimmt die Verzögerung beim Auftreffen auf die Gitterstreifen nicht mit der Verzögerung der Verstärkerkanäle 8a U3W. überein, so daß im Auswerteglied 9 die Signale nicht gleichzeitig vorhanden sind und sich demzufolge nicht addieren. Für andere Empfangseinrichtungen ist die Verzögerungszeit der Verstärkerkanäle entsprechend einzustellen.

i Das entwickelte Verfahren gestattet es in vorteilhafter Weise

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mit einem optischen Empfänger, z.B. einem Laufzeitinterferometer, Ultraschallstrahlen vorzugsweise aus einer Richtung aus einem Prüfstück ohne körperlichen Kontakt mit diesem zu empfangen.

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Claims

18. Februar 1977

IG/vh

K 097

Krautkrämer GmbH
Patentansprüche

.J Verfahren zur Erzeugung einer Richtcharakteristik für einen berührungslos arbeitenden optischen Empfänger, z.B. einen Laufzeitinterferometer für Ultraschallwellen, durch den die unter dem Einfluß der Schallwelle entstehenden Auslenkungen einer Prüfstückoberfläche gemessen werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil der Prüfstückoberfläche, von dem eine Ultraschallwelle unter gegebenem Winkel empfangen wird, streifenförmig in Form eines Gitterbildes beleuchtet wird, wobei die Streifen einen gleichmäßigen Abstand, der durch den vorgegebenen Winkel bestimmt ist, voneinander haben.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle Lichtstreifen des Gitterbildes gleichzeitig vom optischen Empfänger verarbeitet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtstreifen des Gitterbildes zeitlich nacheinander von einem optischen Empfänger verarbeitet werden.

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