DE2707968C2

DE2707968C2 - Verfahren zum Empfang von Ultraschallwellen unter einem vorbestimmten Auftreffwinkel

Info

Publication number: DE2707968C2
Application number: DE2707968A
Authority: DE
Inventors: Walter Dipl.-Ing. 5000 Köln Kaule
Original assignee: Krautkraemer GmbH and Co
Current assignee: Krautkraemer GmbH
Priority date: 1977-02-24
Filing date: 1977-02-24
Publication date: 1984-12-13
Also published as: US4121470A; DE2707968A1; JPS549679A; JPS5745340B2

Description

dadurch gekennzeichnet,

daß als optischer Empfänger ein Laufzeitinterferometer verwendet wird,

daß der auf dem optischen Empfänger abgebildete Teil der Werkstückoberfläche, von dem aus dem Werkstück eine ebene oder quasi-ebenc Ultraschallwelle mit der Wellenlänge λ unter einem Auftreffwinkel « auf die Werkstückoberfläche empfangen wird, streifenförmig in Form eines Gitterbildes mit Hilfe des Laserstrahls beleuchtet wird, daß die Lichtstege des Gitterbildes mit den Stellen gleichphasiger Schwingungszustände der Oberfläche zur Deckung gebracht werden, wobei der gleichmäßige Gitterabstand d in Abhängigkeit des Auftreffwinkels χ und/ oder der Ultraschallweiienlänge λ durch die Formel

sin α

bestimmt ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die auf den Stellen gleichphasiger Schwingungszustände liegenden, in dem Empfänger abgebildeten Lichtstege des Gitterbildes bei vorgegebenem Auftreffwinkel χ der ebenen oder quasi ebenen Ultraschallwellen im Werkstück relativ zur Werkstückoberfläche, einzeln und zeitlich nacheinander von dem Laufzeitinterferometer verarbeitet werden, wobei sich die Verzögerungszeiten Jt der zeitlich nacheinander erfolgenden Verarbeitung in Abhängigkeit von der Schallgeschwindigkeit (c) im Werkstück, des Gitterabstandes d und des Auftreffwinkels «durch die Formel

Al

bestimmt.

rf sin α

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Empfang von Ultraschallwellen unter einem vorbestimmten Auftreffwinkel nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei der zerstörungsfreien Prüfung von nicht oder schlecht zugänglichen Werkstücken, einschließlich solcher mit heißer Oberfläche mit Ultraschallwellen, ist es notwendig, die Schallwelle, die nicht über flüssige Ankopplungsmittel zum Schallempfänger geleitel werden kann, berührungslos zu empfangen. Als Ankopplung mittel kommen nur Gase in Frage, die aber wegen di enorm großen Unterschiedes der Schallwellenwide stände zwischen Gas und festem Körper ein Übertrage s der Schallwelle nicht erlauben, auch werden in de Werkstoffprüfung mit Ultraschall nicht nur lotrecht zi Oberfläche verlaufende Schallwellen angewendet, sor dem häufig Schallwellen, deren Ausbreitungsrichtung ι einem Winkel zum Oberflächenlot liegt Die Winkel d< Schallausbreitungsrichtung sind gegeben durch die ü ge der nachzuweisenden Ungänzen. Demzufolge mu der Schallempfänger in seiner Richtcharakteristik, d. > in der räumlichen Verteilung seiner Empfindlichkei dem Auftreffwinkel der Schallwellen auf die Oberfläch des Werkstückes tntsprechen.

Berührungslos arbeitende Empfangsverfahren fü lotrecht auf die Oberfläche auftreffende Schallwelle! sind an sich bekannt, wobei die Auslenkung der Oberfl« ehe durch die Beeinflussung der Schallwelle gemesse werden kann (vgl. »Werkstoffprüfung mit Ultraschall von I. u. H. Krautkrämer, 3. Auflage 1975, Springer Ve: lag, Berlin/Heidelberg, Seite 169, ebenfalls DE-Ol ?4 57 253).

Bei einem Verfahren eingangs genannter Art werdei

unter Einfluß einer Schallwelle entstehenden Auslen kungen unter Verwendung eines streifenförmigen Git

ters im Strahlengang gemessen, wobei die Streifen bzw]

Lichtstege einen gleichmäßigen Abstand haben und i

optischen Strahlengang ein Laserstrahl verwendet wii sowie das Werkstück durch Ultraschall mit Hilfe dei

Ultraschallsender beschallt ist. Allerdings haben hier die Ultraschallsender eine spezielle Anordnung dahinge

hend, um im Werkstück Oberflächenwellen zu erzeu gen. Ferner ist bei der bekannten Anordnung zwischer

Werkstückoberfläche und optischem Empfänger ein« Vielzahl von optischen Richtelementen verwendet so

wie das Gitter mit vorbestimmtem Abstand zur Werk

Stückoberfläche angeordnet. Die Bedingung gerad« Oberflächenwellen zu erzeugen, erschwert die Prüfung

und schränkt das Ergebnis ein. Insbesondere können

Oberflächenwellen nicht tiefer im Werkstück liegende Fehler erfassen (Applied Optics, Band 8, Nr. 8, Augus

1969, Seiten 1567-1576).

Ferner ist ein Verfahren zur Bestimmung der Ober flächengestalt bekannt, bei dem ein aus Streifen mi gleichmäßigem Abstand bestehendes Gitter auf die ζ untersuchende Oberfläche projiziert und dieses Gitter-¹ bild von einem optischen Empfangssystem verarbeite wird. Hierbei liegt das Gitter zwar im Strahlengang zwisehen der Laserquelle und einem Werkstück. Allerdings wird in das Werkstück kein Ultraschall eingeschallt und es sollen die drei Dimensionen der gekrümmten Oberfläche des Werkstücks bestimmt werden, der mangels Ultraschalleinwirkung an der Oberfläche keine Auslenkungen erzeugt und auch in der Tiefe liegende Werkstoffehler auf diese Weise nicht erfaßt werden sollen (DE-OS 26 20 330).

Ferner ist eine elektronische als Signalprozessur dienende Schaltung zur Darstellung einer Ultraschallabbileo dung bekannt, bei der der Empfängerteil eine Vielzahl von Empfängereinheiten aufweist, die an eine Phasenwählschaltung angeschlossen sind, um bestimmte Ver· zögerungswcrte auszuwerten, so daß je nach Auswahl, benachbarte Empfänger oder Sender bestimmte Richtbereiche erfassen. Allerdings wird kein optischer Empfänger bzw. ein Gitter eingesetzt, so daß sich das eingangs gestellte Problem, die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung auf Werkstücke zu erstrecken, die schierht

zugänglich sind bzw. eine heiße Oberfläche haben, sich nicht stellt (US-PS 40 05 382).

Ferner ist es bekannt, daß durch Abdeckung von Oberflächenzonen, welche in definierten Phasenlagen zueinander schwingen, nur Schwingungen selektiert werden, die bei Oberlagerung eine Schallausbreitung (Lichtausbreitung) in vorbestimmten, von der Abdekkung abhängigen Richtungen erzeugen. Aus diesem eilgemeinen physikalischen Fachwissen kann man aber nicht allein ohne besondere Überlegungen auf ein spezielles Problem der Werkstoffprüfung und ihre Lösung schließen (L Bergmann: »Der Ultraschall«; 6. Auflage; 1954; S. 325-329).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren eingangs genannter Art in einem Verfahren der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung für schlecht zugängliche oder eine heiße Oberfläche aufweisende Werkstücke eine verläßliche und betriebssichere sowie hochempfindliche Messung durchzuführen, welche in maximaler Weise einen vorgegebenen Auftreffwinkel ausnutzt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Eine vorteilhafte Ausgestaltung ist in dem Unteranspruch dargestellt.

Zum Erfindungsgegenstand leitet folgende Betrachtung über: Wird vom Innern eines Prüfstücks ein Oberflächenbereich des Prüfstücks 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

voneinander haben.

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.

Hierin ist ζ eine natürliche Zahl und durch die bei der gedachten Beugung nach dem Huygenschen Prinzip entstehenden Interfrequenzen gegeben (z=O für den Beugungsstrahl Nullter-Ordnung, also der nicht gebeugte Strahl, z= 1 für den Beugungsstrahl 1. Ordnung, also dem unter kleinstem Winkel gebeugten Strahl); λ die Schall wellenlänge und λ der Winkel zwischen Lot und abgebeugtem Schallstrahl.

Unter Empfangsfläche wird der geeignet beleuchtete und vom Interferometer erfaßte Teil der Prüfstückoberfläche verstanden; also die Fläche, von der Schallwellen nachgewiesen werden sollen. Das Interferometer integriert über die gösiimte 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 FaI! 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 ■ sin««z · Λ

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

sine '

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 dhaben, der sich nach der genannten Formel (1) bzw. (2) aus der Schallwellenlänge und dem Winkel ergibt.

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 Ordnungsymmetrisch 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 Richtung ist

At -

d < »in α

aus

d · sin Λ=/ί —c · At

Darin sind cdie Schallgeschwindigkeit für die zu empfangenden Wellen und At die Schallaufzeitdifferenz von beleuchtetem Gittersteg zu Gittersteg.

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

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

eo 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

b5 aus den Gilterstreifen 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:

SchallwellenlängeΛ=\ mm,
Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schallwelle
c= 6000 m/s.

Der Mittenabstand der einzelnen Lichtstreifen ergibt sich dann zu

10

sin 30°

10"³m - 2 mm.

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

Will man Schallwellen aus der Richtung 3a nicht empfangen, so ist mit den optischen Mitteln des Interferometers 6 jeder der Lichtstreifen 4a bis Ah auf eine separate Fotozelle Ta bis 7ή abzubilden, 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 Aa 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-\)t
mit η=Anzahl der Gitterstreifen, also 7 · 167 ns-1169 ns

30

bei n = 8 das Signal an das summierende Auswerteglied 9 weiterleitet. Um die Zeit i-167 ns trifft die Wellenfront den Gitterstreifen Ab und die Fotozelle 7b. auf die dieser Gitterstreifen abgebildet ist, gibt ein Signal an den Verstärker Sb. das um

6 ■ 167 ns= 1002 ns

verzögert wird.

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

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Empfang von Ultraschallwellen aus einem Werkstück unter einem vorbestimmten Auftreffwinkel zur Werkstuckoberfläche bei der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung, bei dem die von Ultraschallwellen ausgelenkte Oberfläche durch einen Laserstrahl bestrahlt, die von der Oberfläche reflektierten und durch die Oberflächenauslenkung phasenmodulierten Laserstrahler durch ein im Strahlengang eines berührungslos arbeitenden optischen Empfänger angeordnetes Gitter auf dem Empfänger abgebildet und danach fotoelektrisch als Meßsignalwerte angezeigt werden,