DE2756988C2

DE2756988C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Darstellung der Schallfelder von Ultraschallköpfen

Info

Publication number: DE2756988C2
Application number: DE19772756988
Authority: DE
Inventors: Paul Dipl.-Phys.Dr. 6000 Frankfurt Himmelstein; Jörg Ing.(grad.) 6451 Neuberg Quittkat
Original assignee: Nukem GmbH
Current assignee: Nukem GmbH
Priority date: 1977-12-21
Filing date: 1977-12-21
Publication date: 1984-04-05
Also published as: DE2756988A1; JPS5497080A

Description

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Gegenstand der Erfindung sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Darstellung des Verlaufs eines von einem Ultraschallprüfkopf erzeugten Schallfeldes, von dem Isobaren durch Ausmessung des Schallfeldes « mittels eines Reflektors in einer senkrecht zur Schallkopfachse verlaufenden Ebene ermittelt werden.

In der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung spielen Ultraschall-Prüfmethoden eine bedeutende Rolle. Dabei ist die Qualität der Fehlererkennbarkeit ganz wesentlich mit von den jeweilig eingesetzten Schallkopfeigenschaften abhängig. Insbesondere ist die Kenntnis über die räumliche Verteilung der Schallintensität im Gebiet des Meßabstandes wichtig, damit die Erkennbarkeit kleiner Fehler gewährleistet und somit die Produktqualität μ sichergestellt werden kann.

Bekanntlich kann mit Hilfe der klassischen Toeplerschen Schlierenmethode (F. Kohlrausch »Praktische Physik«, Bd. 1, Verlag Teubner, Stuttgart und B. B. Kudrjawzew »Anwendung von Ultraschallverfahren bei physikalisch-chemischen Untersuchungen, VEB Deutscher Verlag der Wissenschaften, Berlin, 1955, S. 55 u. f.) ein Schallfeld zweidimensional dargestellt werden. Diese Darstellung hat jedoch nur eine qualitative Aussagekraft, die für den optimalen Schall- «> kopfeinsatz für spezielle Prüfaufgaben nicht ausreicht.

Ergiebiger ist die Aussage über die von einem Reflektor zurückgestrahlte Ultraschallenergie. Hier ist ein Verfahren bekanntgeworden, bei dem ein definiertes Energieband elektrisch in einem Diskriminator ausgewählt wird und man mit einer elektromotorischen Steuerung durch Abtasten der oberen und unteren Grenze des Energiebandes den Reflektor in einer x-y-Ebene so bewegt, daß er eine Isobare abfährt Diese Bewegung läßt sich durch eine geeignete mechanischelektrische Übertragung auf einen x-y-Schreiber überführen, der diese Isobare registriert Durch Abfragen anderer Energiebänder läßt sich ein Isobarenfeld aufbauen. Nachteilig bei diesem Verfahren ist aber, daß man eine neue Isobare erst sorgfältig suchen muß, und daß man eventuell vorhandene sogenannte Nebenkeulen im Schallfeld nicht findet, weil man zunächst von deren Existenz nichts weiß. Zudem ist die elektromotorische Steuerung der Reflektorbewegung durch ständiges Abtasten des jeweiligen Energiebandes aufwendig und zeitraubend.

Es war daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Darstellung des Schallfeldes von Ultraschallköpfen zu Finden, das die genannten Nachteile vermeidet und insbesondere ein vollständiges Bild der Isobaren eines Schallfeldes für den jeweiligen Ultraschallkopf liefert, so daß ein optimaler prüftechnischer Einsatz möglich ist

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gelöst, das sich dadurch auszeichnet, daß die in der Ebene vom Reflektor hervorgerufenen Echosignale nacheinander Zeile für Zeile gemessen werden, daß die mit der Messung erhaltenen analogen Spannungen mit einer vorgebbaren Anzahl von gegeneinander abgestuften Schwellenwerten, die jeweils einen oberen und einen unteren Toleranzwert aufweisen und Isobarenwerten entsprechen, verglichen werden, und daß zu jedem Echosignal, das mit einem der Schwellwerte übereinstimmt, auf einem der ebenen Fläche entsprechenden Aufzeichnungsmedium an derjenigen Stelle, die der Meßstelle entspricht, eine Markierung angebracht wird.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist gekennzeichnet durch einen mit Antrieb und Steuerung versehenen, in x-y·Richtung orthogonal zur Schallkopfachse verschiebbaren Kreuztisch mit einem daran befestigten Reflektor, der in eine Küvette taucht, die den zu prüfenden Ultraschallkopf enthält, der über einen Sender/Empfänger und einen die elektrischen Fenster enthaltenden Mehrfachkomparator mit einem Schreibgerät verbunden ist.

Die Erfindung wird anhand der Abbildung I —VI näher erläutert. Die

Abb. I zeigt schematisch eine vorteilhafte Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, während die

Abb. II bis Vl die damit gewonnenen Schallfelder einiger Ultraschallköpfe wiedergeben.

Erfindungsgemäß wird ein in einer Küvette (1) befindlicher, z. B. kugelförmiger Reflektor (2) in einem vorgewählten Abstand zum Schallkopf (3), in der Regel in der Fokusebene, zeilenweise über die x-y- Fläche, die orthogonal zur Schallkopfachse steht, mit Hilfe eines elektromotorisch angetriebenen Kreuztisches (4) bewegt. Das Echo-Signa! wird zunächst durch handelsübliche Geräte wie Sender/Empfänger (5) und Monitor (6) angemessen verstärkt und erscheint auf einem Sichtgerät (7). Das beim Bewegen des Reflektors (2) durch das Schallfeld entstehende auf- und abschwellende Echosignal wird anschließend erfindungsgemäß so ausgewertet, daß die der Intensität des Echos analoge Spannung durch einen Mehrfachkomparator (8) geschickt wird. Dieser unterteilt, von einer Maximalspannung ausgehend, den durchlaufenden Bereich in eine Anzahl Schritte bzw. Stufen, beispielsweise in fünf Schritte. Diese fünf Schritte werden durch elektrische Fenster

mit je einer unteren und oberen Schwelle dargestellt, bei deren Passieren ein kurzes elektrisches Signal ansteht, das registriert wird. Dieses Signal win: beispielsweise auf einen Funkenerosionsstift gegeben, der, auf einem jf-y-Schreiber (9) montiert, getreu die x-y-Bewegung des Reflektors (2) in vergrößertem Maßstab nachahmt Durch die beim Passieren der verschiedenen Fenster auf dem metallisierten Schreiberpapier erzeugten Erosionspunkte bauen sich nach und nach Isobarenlinien des abgefragten Schallfeldes auf. Ein Poskionsmelder (10) gibt die Positionen des Kreuztisches (4) maßstabgetreu auf dem Schreiber (9) wieder.

Die Abbildungen Il bis Vl zeigen solche Schallfelder (13), die aus einzelnen Punkten bestehen.

Die Informationen über die Abstufung der Isobaren werden gewonnen durch Abfragen einer Spur (11) quer durch die maximale Intensität des Schallfeldes und Registrierung der Analogwerte über de*n Isobarendiagramm (12). Mit stufenweiser Verstellung des Verstärkerknopfes um jeweils 1 dB wird schließlich der relative Maßstab registriert. Durch Ausloten der Isobaren über die Analogregistrierung zur dB-Skala ist das Schallfeld in dem gewählten Abstand zum Schallkopf charakterisiert.

Eine vorteilhafte Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht aus einem mit Antrieb und Steuerung versehenen, in x-y-Richtung verschiebbaren Kreuztisch (4) mit einem daran befestigten Reflektor (2), der in eine Küvette (1) taucht, die den zu prüfenden Ultraschallkopf (3) enthält, der über einen Sender/Empfänger (5), einen Monitor (6) und einen die elektrischen Fenster enthaltenden Mehrfachkomparator (S) mit einem Schreibgerät (9) zur Registrierung des Schallfeldes verbunden ist

Die folgenden Beispiele sollen anhand der A b b. Il bis VI das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutern:

Beispiel 1

Mit einer Vorrichtung gemäß A b b. I wird die vollständige Schallfeldaufzeichnung eines Ultraschallprüfkopfes von sechs Megahertz durchgeführt, der zur Rißfehlerprüfung eingesetzt werden soll. A b b. II zeigt das Ergebnis (13) dieser Schallfeldaufnahme. Man hat hierbei eine Linienfokussierung mit einer Fokusbreite von ca. 5 mm, bei nur 1 dB Schwankung. Der vorliegende Schallkopf garantiert daher eine hohe Reproduzierbarkeit der Fehleranzeige bei Verwendung in der Rißfehlerprüfung.

Beispiel 2

Mit einer Vorrichtung gemäß \bb. I wird die vollständige Schallfeldaufnahme eines Ultraschallkopfes von 16 MHz durchgeführt, der zur Wanddickenmes-

i» sung von Rohren im Bereich von vorzugsweise 0,5 bis 2 mm dienen soll. Abb. III zeigt das registrierte Schallfeld (13) dieses Schallkopfes. Man hat eine Punktfokussierung ohne Nebenkeulen, so daß dieser Ultraschallkopf eine sehr gute Qualität besitzt und eine

is hohe Reproduzierbarkeit im gewünschten Einsatzgebiet verspricht.

Beispiel 3

Mit einer Vorrichtung gemäß Abb. I wird die vollständige Schallfeldaufzeichnung eines Ultraschallkopfes von 6 Mhz durchgeführt. Das registrierte Schallfeld (13) zeigt Abb. IV. Man hat eine Linienfokussierung mit 5 mm Fokusbreite, aber einer Schwankung von 2,5 dB. Ein solcher Schallkopf läßt eine schlechte Fehlerreproduzierbarkeit erwarten und ist daher z. B, für die Rißfehlerprüfung kaum geeignet.

Beispiel 4

Mit einer Vorrichtung gemäß A b b. I wird die vollständige Schallfeldaufzeichnung eines Ultraschallkopfes von 6 MHz durchgeführt. Das registrierte Schallfeld (13) ist in Abb. V dargestellt. Es zeigt einen Abfall des Schalldruckes von ca. 4 dB über eine Linienfokusbreite von etwa 5 mm. Ein solcher Prüfkopf J5 läßt eine sehr schlechte Fehlerreproduzierbarkeit erwarten.

Beispiel 5

Mit einer Vorrichtung gemäß A b b. i wird die vollständige Schallfeldaufzeichnung eines Schallkopfes von 5 MHz durchgeführt (A b b. VI). Es zeigt einen punktfokussierten Schallkopf mit Nebenkeulen, der prüftechnisch nicht einsetzbar ist.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Darstellung des Verlaufs eines von einem Ultraschallprüfkopf erzeugten Schallfeldes, von dem Isobaren durch Ausmessung des Schallfeldes mittels eines Reflektors in einer senkrecht zur Schallkopfachse verlaufenden Ebene ermittelt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Ebene vom Reflektor hervorgerufenen Echosignale nacheinander Zeile ι ο für Zeile gemessen werden, daß die mit der Messung erhaltenen analogen Spannungen mit einer vorgebbaren Anzahl von gegeneinander abgestuften Schwellwerten, die jeweils einen oberen und einen unteren Toleranzwert aufweisen und Isob?renwerten entsprechen, verglichen werden, und daß zu jedem Echosignal, das mit einem der Schwellenwerte übereinstimmt, auf einem der ebenen Fläche entsprechenden Aufzeichnungsmedium an derjenigen Stelle, die der Meßstelle entspricht, eine Markierung angebracht wird.

2. Vorrichtung zur Darstellung des Verlaufs eines von einem Ultraschallprüfkopf erzeugten Schallfeldes nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen mit Antrieb und Steuerung versehenen, in x-y-Richtung orthogonal zur Schallkopfachse verschiebbaren Kreuztisch (4) mit einem daran befestigten Reflektor (2), der in eine Küvette (1) taucht, die den zu prüfenden Ultraschallkopf (5) enthält, der über einen Sender/Empfänger (5) und einen die elektrisehen Fenster enthaltenden Mehrfachkomparator (8) mit einem Schreibgerät (9) verbunden ist.