DE2931609C2 - Einrichtung zur Untersuchung metallischer Körper mittels Ultraschall - Google Patents

Description

— zwei ebenen Sendekristallen(Z t,Z2) und

— zwei ebenen Empfangskristallen (01,0 2),

— die auf dem Koppelungsstack mit ihren Längsseiten parallel nebeneinander angeordnet sind,

— wobei die Normalen der beiden äußeren Kristalle in einer rechtwinklig zur Kristallängsrichtung liegenden und die Kristallquerrichtung enthaltenden Ebene unter einem ersten Winkel zueinander geneigt sind.

durch gekennzeichnet, daß

die beiden inneren Kristalle unter demselben ersten Winkel geneigt sind wie der jeweils benachbarte äußere Kristall, und
alle vier Kristalle um die Querrichtung verdreht sind und mit ihren Flächen einen zweiten Winkel von etwa 26° zur Unterfläche des Koppelungskörpers (3) bilden, wobei in Abhängigkeit der Brechungsindizes des Materials des Koppelungskfirpers und des metallischen Körpers die in den metallischen Körper eingestrahlten Schallwellen unter einer.i Winkel von etwa 70° zur Normalen auf Jer Unterfläche des Koppelungskörpers stehen, gesehen in der Ebene, die die Normale auf der Unterfläche enthält und die rechtwinklig zur Querrichtung steht.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß abwechselnd einmal der äußere Kristall einer Seite mit dem inneren Kristall der anderen Seite und dann wieder der innere Kristall einer Seite mit dem äußeren Kristall der anderen Seite jeweils als Sende-Empfangskombination zusammenschaltbar sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß abwechselnd einmal die beiden inneren Kristalle als eine Sende-Empfangskombination und dann wieder die beiden äußeren Kristalle als zweite Sende-Empfangskombination zusammenschaltbar sind.

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Untersuchen bestimmter Tiefenbereiche unterhalb der Oberfläche eines metallischen Körpers mittels Ultraschall gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches.

Eine derartige Einrichtung mit einem Ultraschallfühler ist aus der GB-PS 8 95 636 bekannt. Der dort angegebene Fühler dient dazu, Risse an Befestigungslöchern in Schienen festzustellen. Die verschiedenen Kristalle sind zueinander schräg gestellt, so daß Fokussierpunkte innerhalb der Schiene erzielt werden. Die vier Kristalle werden nacheinander jeweils als Sender oder Empfänger liciriebcii, so duU unterschiedliche Signale für die unterschiedlichen Fokussierpunkte erhalten werden. Die vier Kristalle sind über Koppelungsstücke mit dem zu untersuchenden metallischen Körper verbunden. Die Brechungsindizes für Schallweilen des Materials des Koppelungskörpers und des zu untersuchenden Körpers sind dabei so aufeinander abgestimmt, daß keine Brechung an der Obergangsstelle zwischen beiden Körpern stattfindet.

Aus der genannten Schrift ist es also bekannt. Kristalle aufeinander zuzuneigen, so daß ein FokusJerpunkt im Inneren des zu untersuchenden Körpers erhalten

to wird. Flache Tiefen von z. B. bis 22 mm sind mit einer derartigen Anordnung aufgrund des dann auftretenden stumpfen Winkels zwischen sendendem und empfangendem Strahl nur ungenau abzutasten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die trotz möglichst breitem Strahlenbündel auch für geringe Abtasttiefen einen flachen Scheitel der Bündel gegeneinander ohne Verlust an Auflösekraft liefert
Die erfindungsgemäße Lösung der gestellten Aufgabe ist kurz gefaßt im Hauptanspruch angegeben.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß die Kristalle des Ultraschallfühlers in zwei Ebenen geneigt sind und daß die Schallwellen sehr flach in den zu untersuchenden Körper eingestrahlt werden. Durch das flache Einstrahlen läßt sich trotz vorgegebener geringer Untersuchungstiefe eine große Fokussierlänge erzielen. Dadurch ist trotz breiter Strahlenbündel ein flacher Scheitel zwischen dem gesendeten und dem empfangenen Strahl gewährleistet

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles mit einem Vierkristallfühlers anhand der Zeichnungen erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine Seitenansicht des Fühlergehäuses mit darin befindlichen vier Kristallen,

F i g. 2 eine Ansicht des Gehäuses aus der F i g. 1 von oben,
Fi g. 3 ein kammförmiges Muster, nach welchem der Fühler entlang der Oberfläche einer metallischen Wand bewegt werden kann,

F i g. 4A ein Schema eines Abtastbündels bei drei Kristallen,

F i g. 4B das zum Fühler nach der F i g. 4A zugehörige Antwortsignal,

F i g. 5A und 5B die Zusammenschaltung von vier Kristallen gemäß der Erfindung und

Fig.6 ein Beispiel des Antwortsignales bei einem Vierkristallfühler.

so In der F i g. 1 ist die Seitenansicht eines Fühlergehäuses dargestellt, wobei die vier nebeneinander gelegenen Kristalle 1 unter einem Winkel von ca. 26° zur Oberfläche des Fühlergehäuses 2 angeordnet sind. Zwischen der unteren Fläche und den Kristallen 1 befindet sich ein keilförmiges Element 3 (Prisma) aus Kunststoff. Die Kristalle bestehen zum Beispiel aas PZT-Material. Hinter den Kristallen ist eine Dämpfungsmasse 4 angeordnet Der obere Teil des Fühlergehäuses ist mit einer Ausgießmasse 5 versehen, wobei sich in einem Raum 6 des Fühlergehäuses über den Kristallen die Anschlüsse für das Kabel und die Anpassung befinden. An den Seitenwänden des Fühlergehäuses ist noch eine akustische Dämpfungsschicht 7 angeordnet. Zum Abstützen auf der Unterfläche sind Gleitschuhe 8 vorgesehen.

ta In Abhängigkeit vom Neigungswinkel und in Anhängigkeit vom Brechungsindex des zu untersuchenden Metalles entsteht ein Einfallswinkel der sich im Material fortpflanzenden Schallwellen bezüglich der Normalen

zur Oberfläche. Bei einem Neigungswinkel von zum Beispiel 26° und Stahl als zu untersuchendem Material entsteht ein Bündel 9 von longitudinalen Schallwellen, die sich unter einem Winkel von ca. 70° zur Normalen im Metall fortpflanzen. Die Frequenz der Ultraschallwellen kann zum Beispiel 2 MHz betragen.

Die Fig.2 zeigt eine Ansicht des Fühlergehäuses nach der Fig.¹. von oben, wobei die Schnittlinie I-I in der F i g. 2 dem in F i g, 1 dargestellten Schnitt entspricht Zur akustischen Trennung zwischen den paarweise gruppierten vier Kristallen 1 jeweils eine Schicht aus Kork angeordnet Die Flächennormalen der Kristallpaare sind dabei um ca. 13° geneigt, damit im Metall im gewünschten Abstand ein Schnittpunkt der Strahlenbündel erhalten wird. Die Kristalle sind rechtwinklig und haben Abmessungen von zum Beispiel 7,5 mal 20 mm.

Im vorliegenden Fall können die beiden oberen Kristalle die beiden Sendekristalle Z₁ und Z₂ sein, die beiden unteren Kristalle die Empfangskristaüe G\ und G₂. Es ist jedoch auch möglich, die Sendekristalle unc die Empfangskristalle abwechselnd nebeneinander anzuordnen.

In der Fig.3 ist ein kammförmiges Bewegungsmuster für den Fühler bei mechanischer Untersuchung dargestellt, wobei die Spuren 20 mm voneinander entfernt liegen, und das Muster mit dem Fühler stufenweise durchlaufen wird. Dabei ist die Breite des gebildeten Strahlungsbündels ebenfalls ca. 20 mm, so daß, wenn das Fühlergehäuse in der Fortbewegungsrichtung entlang der Spurlinien 10 in der Richtung der eingezeichneten Pfeile bewegt wird, die bestrichenen Gebiete in der Mitte zwischen den Spurlinien aneinander ohne Zwischenräume anschließen.

In der F i g. 4A ist ein Beispiel einer möglichen Anordnung von nur drei nebeneinander befindlichen Kristallen dargestellt, wobei die beiden äußeren Kristalle Sendekristalle sind, die Schallbündel 11 abgeben, und der mittlere Kristall ein Empfangskristall ist. Dabei kann durch eine bewegung des Fühlergehäuses entlang der Oberfläche der zu untersuchenden Metallwand ein in der F i g. 4B dargestelltes Antwortsignal erhalten werden.

Nun soll bei jedem Abtasten ein möglichst breites Signal über ein möglichst breites Gebiet erhalten werden, um die Oberfläche möglichst rationell abtasten zu können.

Nachteile einer derartigen Anordnung von drei Kristallen sind einerseits die geringe Breite des Hauptbündels sowie die bedeutenden Einschnitte der Amplitude zwischen dem mittleren Scheitelpunkt und den beiden seitlichen Scheitelpunkten, wie auch der große Unterschied in den Amplituden dieser Scheitelpunkte. Die Ursache dieses Verlaufes besteht im Auftreten von Interferenzen zwischen den durch die beiden Sendekristalle gebildeten Schallwellen.

In den Fig. 5A und5B sind Beispiele von Zusammenschaltungen mit vier Kristallen dargestellt, wobei drei verschiedene Fokusabstände entstehen.

Die F i g. 5A zeigt, wie gemäß der Erfindung von den vier nebeneinander angeordneten Kristallen die beiden eo linken die Sendekristalle und die beiden rechten die Empfangskristalle bilden und wie die Kombination Z₁-Oi und Z₂- O₂ zwei verschiedene Antwortsignale gibt.

In der Fig. 5B ist dargestellt, wie die vier Kristalle auch in einer anderen Kombination geschaltet sein können.

Bei einer derartigen Anordnung wird durch jede Kombination ein eigenes Antwortsigna! erhalten. Dadurch läßt sich eine in einer bestimmten Tiefenzone befindliche Materialstörung ermitteln.

Auf diese Weise ist der Fühler außer zur Verbreiterung der Spur durch die Wahl von verschiedenen Kombinationen zeitlich nacheinander auch zum gleichzeitigen Untersuchen verschiedener Tiefenbereiche geeignet

Wenn der Sendekristall Z_x mit dem Empfangskristall O\ kombiniert wird und ebenso Z₂ mit O₂, dann können die einander überlappenden Signale gemeinsam ein breites Antwortsignal bilden, wie es in der F i g. 6 als zusammengesetztes Signal .für ein Flachbodenloch mit 3 mm Durchmesser dargestellt ist

Es muß dabei jeweils vermieden werden, daß der Einschnitt zwischen zwei Scheiteln der beiden Antwortsignale zu tief wird. Dabei besteht die Bedingung, daß das Signal in der Mitte zwischen den Scheiteln nur maximal um 6 dB gegenüber den an beider leiten befindlichen Scheiteln absinkt

Der erfindungsgemäße Vierkristallfühler ist besonders zum Auffinden von Rissen, zum Beispiel von Rissen unterhalb einer Plattierschicht Gaseinschlüssen, nicht einwandfreien Schweißnähten und dergleichen in Tiefen von 5 bis 20 mm unterhalb der Oberfläche, auf welcher der Fühler abgestützt ist geeignet Beim genannten Ausführungsbeispiel beträgt der Fokusabstand ca. 35 mm, wenn die Kombinationen Zp-Oi und Z₂-O₂ verwendet werden.

Wird zur Erzielung anderer Fokusabstände die Kombination Z₂-Oi oder Zi-O₂ verwendet dann beträgt der Fokusabstand 20 beziehungsweise 50 mm.

Wenn zum Erhalten einer großen Spurbreite die Kristallkombinationen Zi-Oi und Z₂-O₂ verwendet werden, müssen nacheinander zwei aufeinander folgende Zyklen in einer mehrkanaligen Ultraschallvorrichtung durchlaufen werden. Eine derartige Vorrichtut;g wird gewöhnlich bei einer mechanischen Untersuchung mit mehrteiligen Fühlervorrichtungen in der Praxis verwendet

Wenn die Vorrichtung zum Beispiel 30 Kanäle enthält, die zyklisch nacheinander betätigt werden, kann der Vierkristallfühler jeweils zwei davon besetzen.

Die übrigen Kanäle stehen zur Untersuchung der übrigen tiefen Bereiche unter Verwendung anderer Fühlertypen zur Verfügung.

Bei 30 Kanälen kann die Taktfrequenz zum Beispiel 3000 Hz betragen, wobei die Zyklusfrequenz oder Impulswiederholungsfrequenz pro Kanal 100 Hz beträgt.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zum Untersuchen bestimmter Tiefenbereiche unterhalb der Oberfläche eines metallischen Körpers mittels Ultraschall, mit einem auf den metallischen Körper aufzusetzenden Koppelungsstück mit