DE2918384C2 - Verfahren zum optischen Empfang von Ultraschallwellen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum optischen Empfang von Ultraschallwellen in de. zerstörungsfreien Werkstoffprüfung, wobei die Prüfstückoberfläche mit Laserlicht beleuchtet wird, die durch die Ultraschallwelle bedingte Oberflächenauslenkung am Prüfstück im beleuchteten Teil das gestreute Laserlicht moduliert und diese Streustrahlung mit optischen Interferometeranordnungen empfangen und danach in elektrische Signale umgewandelt wird und diese elektrischen Signale zur Beurteilung des Prüfstückes benutzt werden.

Beim berührungslosen Empfang von Ultraschallwellen in der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung mittels interferometrischer Methoden, z. B. mit einem Laufzeitinterferometer nach OS 24 57 253 wird die Prüfstückoberfläche mit monochromatischem Laserlicht bestrahlt. Die durch die Ultraschallwelle bedingte Oberflächenauslenkung im Takt der Ultraschallfrequenz bewirkt eine Phasenmodulation des Streulichtes und das Laufzeitinterferometer setzt diese Phasenmodulation in ein elektrisches Signal um, dessen Höhe z. B. der Wegamplitude der ausgelenkten Prüfstückoberfläche proportional ist. Bei diesen interferometrischen Verfahren ist es nachteilig, daß mechanische Längenänderungen bzw. Verschiebungen im Interferometer eine Verschiebung des Arbeitspunktes für die Umwandlung der Phasenmodulation in eine elektrische Signalgröße bewirken, wodurch eine zeitliche Veränderung der Empfindlichkeit der optischen Empfangsvorrichtung für die Ultraschallwelle eintritt. Längenänderungen oder Verschiebungen von optisch maßgeblichen Teilen im Interferometer können durch thermische Ausdehnungen oder Vibrationen z. B. Körperschall aus der Umgebung entstehen.

Für medizinische Anwendungen ist eine Schallsichtkamera bekannt, bei der ein Interferometerspiegel als

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Ultraschallempfänger ausgebildet ist und bei der die willkürliche Drift, thermische Expansionen, Luftströmungen und andere unkontrollierbare Einflüsse durch eine aufwendige Wobbeieinrichtung vermieden werden sollen (DE-PS 25 17 628). Derartige Wobbeieinrichtungen erfordern einen hohen elektrischen Aufwand und sind für Laufzeitinterferometer, die ultraschallmoduliertes Laserlicht empfangen, nicht geeignet. Ein weiterer Nachteil der interferometrischen Verfahren ist es, daß bei rauher Oberfläche, wie sie in der Prüfpraxis vorhanden ist, durch Beugungseffekte eine statistische Helligkeitsverteilung im Streulicht zwangsläufig auftritt. Dieser Effekt ist als Granulation bekannt Diese Granulation verursacht eine der statistischen Rauhigk-:itsverteilung entsprechende ungleichmäßige Ausleuchtung des Gesichtsfeldes. Bei Relativbewegungen des Prüfstückes zu der interferometrischen Empfangsanordnung, wie sie bei in der Praxis benutzten Prüfeinrichtungen auftreten, bewegt sich auch das Granulationsmuster mit dem beleuchteten Teil der Prüfstückcberiiäche. Hierdurch entsteht eine zusätzliche störende Amplitudenmodulation, die dem elektrischen Nutzsignal überlagert ist und damit die Nachweisempfindlichkeit für die Ultraschallwelle herabsetzt

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, das eine nicht vermeidbare Arbeitspunktverschiebung und -Jie Störmodulation infolge der Granulation so weit herabgesetzt, daß dadurch das Nutzsignal nicht störend beeinflußt wird.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch den kennzeichnenden Teil des Anspruches gelöst.

Das Verfahren ist anhand der einzigen Figur erläutert Der Argonlaser 1 beleuchtet ein Teil 2 der Oberfläche des Prüfstückes 3 mit, z. B. 6 diskreten Wellenlängen. Ein Anteil des Streulichtes dieses Oberflächenanteils durchläuft ein Empfangsinterferometer 4 (z. B. nach OS 24 57 253) und wird anschließend vorteilhafterweise spektral (z. B. durch ein Prisma 5) in 6 Wellenlängen, jede unter einem tTderen Brechungswinkel, zerlegt. Das in 6 Strahlen verschiedener Richtung gefächerte Licht fällt aiii 6 Fotodetektoren 6a—6/! Jeder dieser Detektoren empfängt nur eine Wellenlänge. Den Detektoren nachgeschaltet sind 6 Zweiweggleichrichter 7a—7f. Die 6 in den Zweiweggleichrichtern gleichgerichteten Signale werden für die notwendige Mittelwertbildung additiv gemischt und es steht damit ein Summensignal am Punkt 8 zur Verfügung, das, gegebenenfalls über eine Pufferstufe 9, abgegriffen und als Nutzsignal, also als Information über die Ultraschallschwingung des optisch abgetasteten Oberflächenanteils 2, benutzt werden kann. Dieses Signal ist in seiner Amplitude — je nach der Arbeitsweise des verwendeten Interferometers — proportional oder in einer anderen mathematischen Form abhängig von der Amplitude der Auslenkung des vom Laser beleuchteten Teils der Prüfstückoberfläche durch die Ultraschallwelle.

Die Erfindung geht von dem Gedanken aus, daß bei Verwendung mehrerer monochromatischer Wellenlängen im Laserlicht mit der Auftrennung in entsprechend viele Empfangskanäle der Arbeitspunkt in der optischen Empfangsanordnung, z. B. einem Interferometer, und daß eine auftretende Granulation immer von der Wellenlänge des Lichtes abhängen. Dadurch ergeben sich für jede diskrete Wellenlänge andere Arbeitspunkte und auch andere Empfangsverhältnisse, die zeitlichen Veränderungen oder Schwankungen unterworfen sein können. So kann /.. B. durch Wegverlagerungen optisch

wirksamer Teile im Interferometer infolge thermischer oder anderer Einflüsse und/oder Helligkeitsschwankungen durch die Granulation für eine diskrete Wellenlänge am Ausgang des Interferometers ein Zustand eintreten, bei dem sich die beiden Ir.terferenzstrahlen — also Referenzstrahl und Meßstrahl — auslöschen oder stark schwächen, wodurch das ultraschallabhängige Ausgangssignal zusammenbricht Bei einer anderen diskreten Wellenlänge wird dieser ungünstige Zustand nicht gleichzeitig auftreten. Verwendet man also mehrere diskrete Wellenlängen im Laserlicht, die vorteilhafterweise ständig äquidistant bleiben, wird die Wahrscheinlichkeit, daß ein gut nutzbares Ausgangssignal vorhanden ist, bedeutend größer, da sämtliche Signale nach einer elektrischen Gleichrichtung addiert werden. In der Praxis ergeben bereits wenige diskrete Wellenlängen im Laserlicht, wie in unserem Beispiel 6 Wellenlängen, eine sehr gute Sicherheit für den ungestörten optischen Schallempfang.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1
Patentanspruch:

Verfahren zum optischen Empfang von Ultraschallwellen in der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung, wobei die Prflfstückoberfläche mit Laserlicht beleuchtet wird, die durch die Ultraschallwelle bedingte Oberflächenauslenkung zum Prüfstück im beleuchteten Teil das gestreute Laserlicht moduliert und diese Streustrahlung mit optischen Interferometeranordnungen empfangen und danach in elektrische Signale umgewandelt wird und diese elektrischen Signale zur Beurteilung des Prüfstückes benutzt werden, dadurch gekennzeichnet, daß

das die Prüfstückoberfläche beleuchtende Laserlicht gleichzeitig zwei oder mehr diskrete Wellenlängen enthält;

nach Passieren der Empfangsanordnung die Streustrahlung spektral in ihre ursprünglichen Wellenlängen zerlegt «ird;

jede·!! dieser monochromatischen Lichtstrahlen separate Fotodetektoren (6a—Sf) zugeordnet sind,
die elektrischen Signale der Fotodetektoren in separaten Gleichrichtern (7a—7f) gleichgerichtet werden, und

die gleichgerichteten Signale additiv zu einem Summensignal gemischt werden, welches die Information über den Schwingungszustand der Prüfstückoberfläche enthält.