DE2951075C2

DE2951075C2 - Akustischer Wandler mit piezoelektrischem Element

Info

Publication number: DE2951075C2
Application number: DE2951075A
Authority: DE
Inventors: Christian Dipl.-Ing. 5060 Bergisch Gladbach Göhlert; Peter 5063 Overath-Steinenbrück Kanngießer; Hansjakob 5060 Bergisch Gladbach Weiss; Werner Dipl.-Phys. 5000 Köln Wilke
Original assignee: Interatom Internationale Atomreaktorbau GmbH
Current assignee: Interatom Internationale Atomreaktorbau GmbH
Priority date: 1979-12-19
Filing date: 1979-12-19
Publication date: 1982-04-15
Also published as: DE2951075A1; ATE7429T1; DE3067783D1; EP0031049B1; JPH0167562U; EP0031049A2; US4430593A; EP0031049A3; JPS5698651A

Description

a) die Vorlaufstrecken bestehen aus Sintermetall von unterschiedlicher Korngröße.

b) der Raum zwischen den beiden Schalldurchtrittsflächen einer Vorlaufstrecke enthält Sintermetall von geringer Korngröße.

c) in der Nähe der übrigen Flächen ist Sintermetall von größerer Korngröße angeordnet

4. Wandler nach Anspruch 2 mit einer Vorlaufstrecke aus Sintermetall, dadurch gekennzeichnet, daß die Korngröße des Sintermetalls in der Vcriaufstrecke sich quasi-kontinierlich in Richtung von der Grundfläche zum piezo-elektrischen Element hin vermindert.

5. Wandler nach Anspruch 2 mit einem Dämpfungskörper aus Sintermetall, dadurch gekennzeichnet, daß die Korngröße des Sintermetalls in Richtung von dem piezo-elektrischen Element zur Rückseite des Dämpfungskörpers zunimmt

6. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper auf mindestens einer Seite abgedichtet ist.

7. Wandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper durch Schleifen seiner Oberfläche abgedichtet ist.

8. Wandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper durch Borieren abgedichtet ist

Die vorliegende Erfindung betrifft einen akustischen Wandler zum Senden und Empfangen von Schall-, insbesondere Ultraschallsignalen, bestehend aus einem piezo-elektrischen Element, einer Vorlaufstrecke und/ oder einem Dämpfungskörper. Dieser akustische Wandler kann mit Ausnahme des piezo-elektrischen Elementes vollständig aus Metall hergestellt werden und ist daher besonders geeignet bei hohen Temperaturen und/oder bei radioaktiver Strahlenbelastung. Mit diesen Wandlern können in undurchsichtigen Medien, wie z. B. flüssigem Natrium, metallische Werkstoffe geprüft oder Oberflächen berührungslos abgetastet werden. Die sogenannte Vorlaufstrecke schützt das piezo-elektrische Element vor Verschleiß bzw. vor dem Kontakt mit einem aggressiven Medium und kann bei entsprechender Form die Richtung des Schalls verändern. Bei den üblichen Ultraschall-Werkstoffprüfungen bei Raumtemperatur und unter Luflatniosphäre werden als Vorlaufstrecken Kunststoffkeile benutzt, die einen für diesen Zweck geeigneten Wellenwiderstand haben. Der Wellenwiderstand zweier benachbarter Medien bzw. Körper bestimmt die Reflexion an der Grenzfläche dieser Medien und ist jeweils das Produkt aus Dichte und Schallgeschwindigkeit eines Mediums. Eine Vorlaufstrecke soll einen Wellenwiderstand haben, der zwischen dem der beiden angrenzenden Medien liegt Im Idealfall soll eine Vorlaufstrecke einen Wellenwiderstand haben, der das geometrische Mittel zwischen den Wellenwiderständen der beiden angrenzenden Medien darstellt Einige Kunststoffe haben einen für Werkstoffprüfungen geeigneten Wellenwiderstand, andere erhalten durch Zusatz beispielsweise von Wolfram-Pulver einen geeigneten Wellenwiderstand. Alle Kunststoffe haben aber den Nachteil, daß sie bei höheren Temperaturen und bei Strahlenbelastung nicht geeignet sind. Ihre Oberfläche wird beim Bewegen auf rauhen Werkstücken beschädigt Ihr thermischer Ausdehnungskoeffizient weicht erheblich ab von dem der verwendeten piezo-elektrischen Elemente, so daß Temperaturänderungen die Verbindung zwischen Kunststoff und Element verändern können. Die für hohe Temperaturen, Strahlenbelastung und/oder aggressive Medien geeigneten Metalle und Keramiken haben aber einen hohen und für diesen Zweck ungünstigen Wellenwiderstand.

Auch das berührungslose Abtasten bzw. Beobachten von Werkstücken, die sich in undurchsichtigen Medien befinden, stellt ein Problem insbesondere für flüssigmetallgekühlte Kernenergieanlagen dar. Bei diesen AnIagen möchte man zur Beobachtung der Anlagenteile nicht das Kühlmittel, also beispielsweise Natrium ablassen, weil einerseits der Reaktor dann nicht mehr ausreichend gekühlt wird und andererseits die an den zu prüfenden Anlageteilen anhaftenden Flüssigmetallmengen die Beobachtung erschweren und beim Kontakt mit dem in der Luft enthaltenen Sauerstoff oder der Luftfeuchtigkeit Flüssigmetallverbindungen entstehen, die ebenfalls die Beobachtung erschweren und außerdem aggressiv wirken. Daher wurde bereits vorgeschla-

•40 gen, unter Natrium mit Ultraschall, ähnlich wie bei einem Echolot unter Wasser, Entfernungen berührungslos zu messen.

In der deutschen Offenlegungsschrift 26 14 376 wird ein Ultraschallwandler für hohe Temperaturen, beispielsweise für einen mit flüssigem Metall gekühlten Kernreaktor beschrieben. Der dort vorgeschlagene Kopplungskeil besteht aus einer Vielzahl von dünnen Metallplatten, die unter Druck ztsammengehalten werden und die zum piezo-elektrischen Element hin eine optisch glatte Fläche aufweisen. Ein solcher Keil aus zahlreichen dünnen Blechen ist aber nur mit erheblichem Aufwand herzustellen und muß ständig mit erheblichem Druck zusammengepreßt werden, damit nicht das flüssige Metall durch die Spalte hindurchkriecht und das piezo-elektrische Element angreift. Außerdem hat ein solcher aus zahlreichen dünnen Blechen aufgebauter Keil den Nachteil, daß die Weiterleitung des Schalls von der Richtung dieser Bleche abhängig ist.

In der deutschen Offenlegungsschrift 24 36 328 wird ein Dämpfungskörper beschrieben, der aus einem lockeren Drahtgewebe oder einer Mischung aus Gummi und Wolfram-Pulver bestehen kann. Gummi ist aber weder temperatur- noch strahlenbeständig und das Drahtgewebe ist mechanisch nicht belastbar.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein akustischer Wandler, der die erwähnten Nachteile vermeidet und bei hohen Temperaturen und/oder radioaktiver

Strahlenbelastung sowie in aggressiven Medien geeignet isL

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Wandler nach dem ersten Anspruch vorgeschlagen. Poröse metallische Körper haben gegenüber massiven metallischen Körpern einen wesentlich geringeren Wellenwiderstand, weil sowohl die Dichte als auch die tatsächliche Schallgeschwindigkeit in ihnen wesentlich geringer ist Porosität in Sinterwerkstoffen verringert die Schallgeschwindigkeit, wobei das Gesamtporenvolinnen maßgebend ist "Wenn die Porenabmessungen kleiner als die Ultraschall-Wellenlängen gewählt werden, wird die durch Streuung verursachte Schallschwächung klein gegenüber der materialbedingten Schallschwächung. Das Porenvolumen läßt sich praktisch durch die Korngröße des Metallpulvers einstellen. Die vorgeschlagenen porösen metallischen Körper lassen sich auf verschiedene Weise herstellen. Am zweckmäßigsten erscheinen z. Z. poröse Körper aus sogenanntem Sintermetall. Dieses Sintermetall aus korrosionsresistentem hitzebeständigem Material wird unter hohem Druck und hoher Temperatur aus Metallpulver von geringer Korngröße hergestellt. Ein homogenes Sintermetall nach dem zweiten Anspruch leitet den Schall in allen Richtungen gleich gut und ist daher für akustische Linsen oder auch Keile geeignet, bei denen sich die Schallwellen in unterschiedlichen Richtungen ausbreiten sollen. Akustische Linsen sind Körper in Linsenform, die tatsächlich den Schall ähnlich wie bei optischen Linsen konzentrieren oder zerstreuen.

Vorlaufstrecken aus Sintermetall sind nicht nur temperatur- und strahlenbeständig, sondern haben auch bei Raumtemperatur Vorteile gegenüber den bekannten Kunststoffen. Sie sind nämlich nicht nur verschleißfester, sondern auch unempfindlicher gegen kleine Beschädigungen ihrer Oberfläche. Es hat sich herausgestellt, daß die poröse Sintermetalloberfläche mit dem üblichen Öl wesentlich zuverlässiger an eine rauhe Werkstückoberfläche angekoppelt werden kann als die glatte Kunststoffoberfläche. Auch bei den für Kunststoffe noch zulässigen Temperaturen haben Sintermetalle weitere Vorteile, weil ihre Ausdehnungskoeffizienten denen der piezo-elektrischen Elemente und denen der zu prüfenden Werkstoffe etwa entsprechen und daher auch bei höheren Temperaturen die Reflexion an ή Grenzflächen nicht wesentlich geändert wird. Als Dämpfungskörper geeignet sind Sintermetalle, deren Porenabmessupgen größer sind als die in der Vorlaufstrecke.

Der im dritten Anspruch vorgeschlagene Wandler vermeidet störende Reflexionen innerhalb der Vorlaufstrecke an den sich zur Durchleitung des Schalls dienenden Flächen. Durch die Anordnung von Sintermetall unterschiedlicher Korngröße kann man den Schall örtlich unterschiedlich dämpfen. Zwischen den beiden Schalldurchtrittsflächen hat der Sintermetallkörper im wesentlichen eine geringe Korngröße, so daß der Schall mit geringer Schwächung von der einen zur anderen Fläche weitergeleitet wird. In uer Nähe der übrigen Flächen hat das Sintermetall eine größere Korngröße und ein entsprechend größeres Porenvolumen, so daß der Schall in diesem Bereich durch höhere Absorption stärker geschwächt wird.

Der im vierten Anspruch vorgeschlagene Wandler läßt sich auf beiden Seiten weitgehend an die angrenzenden Werkstoffe bzw. Medien anpassen. Auf der Seite des flüssigen Mediums, also beispielsweise Flüssigmetall oder Wasser, läßt sich durch eine größere Korngröße von ca. 50—100 .am ein niedriger Wellenwiderstand und auf der Seite des piezo-elektrischen Elementes läßt sich durch eine geringe Korngröße von ca. 20 um ein höherer Wellenwiderstand einstellen. Mit dieser Anpassung werden die an einer Grenzschicht zweier Medien auftretenden Reflexionen weitgehend verringert und damit die Leistung des Wandlers erhöht.

Der im fünften Anspruch vorgeschlagene Wandler soll zur Erreichung möglichst kurzer Sendeimpulse mechanisch bedämpft werden, so daß das piezoelektrische Element nicht nur auf der dem zu untersuchenden Objekt zugewandten Seite möglichst verlustfrei, d. h. ohne Reflexionen, Schallwellen abgeben oder aufnehmen kann, sondern auch auf seiner bedämpften Rückseite Schallwellen möglichst weitgehend und ohne Rc-flexionen absorbieren kann. Um Reflexionen an der Grenzfläche zwischen dem piezo-elektrischen Element und dem Dämpfungskörper zu vermeiden, ist es einerseits zweckmäßig, an dieser Stelle ein Material einzusetzen, dessen Wellenwiderstand möglichst weitgehend dem des piezo-elektrischen Elementes entspricht. Bei Elementen aus Bleizirkonattitanat, Bleimetaniobat oder Liihiumniobat ist an dieser Stelle ein Sintermetall mit geringer Korngröße von ca. 100—200 μίτι geeignet. Ein Dämpfungskörper aus einem solchen Material müßte aber erhebliche Abmessungen in Schallrichtung aufweisen, um eine ausreichende Dämpfung zu erzielen. Andererseits wird die größte Dämpfung bei geringster Reflexion erreicht in einem Dämpfungskörper, bei dem die Korngröße des Sintermetalls kontinuierlich in Richtung von dem piezo-elektrischen Element zur Rückseite des Dämpfungskörpers zunimmt. In der Praxis erscheint es aber ausreichend, zwei oder drei unterschiedliche Korngrößen in einem Dämpfungskörper anzuordnen. Die größte Korngröße für Dämpfungskörper sollte bei 0,3 mm = 300 μιη liegen.

Die im sechsten, siebten und achten Anspruch vorgeschlagenen Abdichtungen der porösen metallischen Körper sind geeignet für den Kontakt mit solchen aggressiven Stoffen, die in der Lage sind, das piezo-eleklrische Element anzugreifen. Es hat sich herausgestellt, daß eine solche oberflächliche Abdichtung eines Sintermetallkörpers die gewünschten schalltechnischen Eigenschaften nicht stört. Eine galvanische Beschichtung oder eine Verlötung der Oberfläche hat sich als unzweckmäßig herausgestellt, weil in dem einen Fall die galvanische Flüssigkeil und in dem anderen Fall Reste von Lötmittel in den feinen Poren des Sintermetalls zurückbleiben und dort Korrosionen verursachen. Es hat sich herausgestellt, daß man ein Sintermetall aus Edelstahl durch Schleifer mit einem Diamantwerkzeug abdichten kann. Die zahlreichen kleinen Vorsprünge des Sintermetalls werden auf diese Weise in die benachbarten Vertiefungen und Hohlräume hineingedrückt und dichten diese ab. Auch durch Borieren, d. h. Beschichten mit einem bor-haltigen Material und anschließendes längeres Glühen bei ca. 900⁰C kann man bearbeitete Stahloberlächen durch bei Gefügeumwandlung entstehendes Eisenborid vergüten und abdichten.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Figuren näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen akustischen Wandler zur Feststellung von Materialfehlern in Werkstoffen in Seitenansicht.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch Fig. 1.

F i g. 3 zeigt einen akustischen Wandler, der gleichzei-

tig als Sender und Empfänger dient.

Hg.4 zeigt einen Keil als Vorlaufstrecke eines Wandlers, der aus Sintermetall von unterschiedlicher Korngröße hergestellt ist.

F i g. 5 zeigt eine Vorlaufstrecke aus Sintermetall von unterschiedlicher Korngröße.

F i g. 6 zeigt einen Dämpfungskörper aus Sinterme'.all von unterschiedlicher Korngröße.

In den Fig. 1 und 2 werden getrennte Sender und Empfänger verwendet.

Die Vorlaufstrecke 1 aus Sintermetall besteht aus 2 getrennten Keilhälften Xa und Xb. Der Winkel & der Vorlaufstrecke wird für die Materialprüfung so gewählt, daß nach Maßgabe der Schallgeschwindigkeiten im Sintermetall des Keils sowie im zu prüfenden Werkstoff der Einschalhvinke! irr. Werkstoff einen festen Wert hat. der zwischen 45° und 70° liegt. Ausgeführte Vorlaufstrecken haben Keilwinkel zwischen 24° und 35^C für Longitudinalwellen.

Die zur Aufnahme der piezo-elektrischen Wandler 2 eingerichteten Flächen sind optisch glatt auf kleiner als 1 μιη Welligkeit geläppt. Die Anpreßvorrichtung 3 aus rostfreiem Stahl enthält ein einstellbares Druckstück 4 zur Aufnahme von Tellerfedern 5 aus temperaturbeständigem Material. Der Anpreßdruck beträgt 400—600 N/cm². Die Anpreßvorrichtung 3 wird durch eine Schraube 6 und einen Bolzen 7 auf der Vorlaufstrecke 1 befestigt. Die Druckkraft der Tellerfedern 5 wird auf einen Dämpfungskörper 8 aus Sintermetall übertragen. Durch den mechanisch beständigen Dämpfungskörper 3 wird die Druckkraft gleichmäßig auf das piezoelektrische Element 2 übertragen. Die Kontaktfläche des Dämpfungskörpers 8 ist ebenfalls durch Läppen auf eine Genauigkeit von kleiner 1 Mikron bearbeitet. Folien aus Gold oder anderen duktilen und temperaturbeständigen Werkstoffen können zur Ankopplung des piezo-elektrischen Elementes 2 zum Einsatz kommen. Die elektrische Kontaktierung erfolgt über einen mit dem metallischen Dämpfungskörper 8 verbundenen Signalleiter 9 sowie über die Vorlaufstrecke 1 zum Masseanschluß. Die beiden Teile der Vorlaufsirecke 1 werden in einen Rahmen 10 aus Edelstahl eingepaßt. Das Gehäuse 11 ist auf dem Rahmen 10 befestigt und so gestaltet, daß es die Spule 12 fur den elektrischen Abgleich für jedes piezo-elektnscht Element 2 sowie die Anschlußbuchsen 13 für die Meßkabel aufnehmen kann.

F i g. 2 zeigt einen Querschnitt durch den erfindungsgemäßen Wandler aus Fig. 1. Erkennbar ist die Neigung beider Vorsatzkeilhälften la und ib. um die piezo-elektrischen Elemente 2 für die Materialprüfung fokussieren zu können. Die Anpreßvorrichtung 3 zur definierten Aufbringung des Anpreßdruckes enthält ein Feingewinde zur Aufnahme einer Stellschraube 15. Die Stellschraube 15 hat eine konische Auflagefläche für das Druckstück 4. welches über die Tellerfedern 5 sowie die aus isolierendem Material bestehende Scheibe 16 die Druckkraft auf den Dämpfungskörper 8 aufbringt Der Stift 17 ist ebenfalls aus isolierendem Material gefertigt und dient zur Lagehaltung des Dämpfungskörpers 2 während der Montage. Der definierte Anpreßdruck wird von außen auf das Druckstück 4 aufgebracht Anschließend wird die Stellschraube 15 stramm festgedreht Da die Anpreßvorrichtung 3 durch geeignete Formgebung keine Eigenelastizität besitzt, kann sich die Kraft der Tellerfedern 5 an ihr abstützen.

Zwischen den beiden Vorsatzkeilhälften la und Xb ist ein Spalt vorhanden, der einen Durchgang der Schallwellen verhindert.

In F i g. 3 bestellt der Wandler aus einem Gehäuse 18, dessen eine Seite als Schallmembran 19 ausgebildet ist. Auf der Innenseite der Schallmembran 19 ist das Element 2 aufgebracht. In der gleichen Weise ist der Dämpfungskörper 20, der aus Sintermetall besteht, mit der Rückseite des Elements 2 vebrbunden. Die

ίο Verbindungstechnik wird den jeweiligen Betriebstemperaturen angepaßt.

Über die Tellerfedern 5 wird verhindert, daß bei ungünstig auftretenden Schwingungen der Dämpfungskörper 20 von dem Element 2 abgelöst wird. Der Dämpfungskörper 20 dient gleichzeitig als elektrisches Verbindungsglied und ist leitend mit einer temperaturbeständigen Koaxialleitung 21 verbunden. Über die keramischen Isolierteile 22 und 23 wird eine galvanische Trennung zwischen dem Dämpfungskörper 20 und dem Gehäuse 18 erreicht. Das Gehäuse 18 wird mit dem Deckel 24 abgedichtet, der auch als Gegenlager für die Tellerfedern 5 dient, die durch den Bolzen 25 zentriert werden.

Fig.4 zeigt eine schematische Darstellung eines Keils 1 als Vorlaufstrecke eines Ultraschallwandlers nach Anspruch 3. Auf der Oberseite des Keils ist das piezo-elektrische Element 2 aufgebracht. Die vom Element 2 ausgehenden Wellenfronten breiten sich als ebene Wellen geradlinig im Keil aus.

Bei Ankopplung der Fläche A an einen zu prüfenden Körper 26 gelangt nur ein Teil der Schallenergie in diesen Körper, der andere Teil der Schallenergie wird an der Grenzfläche reflektiert in Richtung der Fläche B, wobei der Reflexionswinkel gleich dem Einfallwinkel der Schallwellen ist. Im Bereich der Fläche ß ist ein Metallpulver größerer Körnung mit z. B. Korngrößen von 200—300 μιη angeordnet, das eine erhöhte Schallabsorption bewirkt. Die anderen Bereiche des Keils enthalten ein homogenes Material mit Metallpulver von z.B. 100—200 μπι Korngröße mit einer konstanten und niedrigen Schallschwächung. Die Übergangsflächc zwischen verschiedenen Korngrößen kann unter einem definierten Winkel zur Fläche B angelegt werden. Der Übergang vom grobkörnigen zum feinkörnigen Material durch einen Mischvorgang beim Herstellen ist fließend, so daß dort keine scharf definierte Grenzfläche mit störendem Reflexionsverhalten auftritt.

In F i g. 5 ist die Vorlaufstrecke 27 nach Anspruch 4 im Bereich des piezo-elektrischen Elements 2 mit einer homogenen Schicht C geringerer Korngröße ausgebildet der Bereich D besteht aus Material gröberer Körnung und der Bereich E ist wiederum durch eine Schicht noch größerer Korngröße gekennzeichnet

F i g. 6 zeigt einen Dämpfungskörper 28 aus Sintermetall von unterschiedlicher Korngröße nach Anspruch 5. Im Bereich F des fest angekoppelten piezo-elektrischen Elementes 2 ist die Körnung so gewählt, daß ein Schallwellenwiderstand erreicht wird, der dem des Piezomaterials möglichst angepaßt ist Im Bereich G wird die Körnung des Sintermetalls so groß gewählt daß eine ausreichend hohe Dämpfung zustande kommt und Rückwandechos von der Fläche H praktisch nicht mehr zum piezo-elektrischen Element 2 reflektiert werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Akustischer Wandler mit einem piezoelektrischen Element, einer metallischen Vorlaufstrecke und/oder einem metallischen Dämpfungskörper, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorlaufstrecke und/oder der Dämpfungskörper ein poröser metallischer Körper ist

2. Akustischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der poröse metallische Körper aus einem Sintermetall besteht

3. Akustischer Wandler nach Anspruch 1, insbesondere zur Werkstoffprüfung, mit einer oder zwei keilförmigen Vorlaufstrecken mit jeweils zwei zueinander geneigten Schalldurchtrittsflächen, durch folgende Merkmale gekennzeichnet: