DE2951075C2 - Akustischer Wandler mit piezoelektrischem Element - Google Patents
Akustischer Wandler mit piezoelektrischem ElementInfo
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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 35C 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 (3)
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:
Priority Applications (7)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE2951075A DE2951075C2 (de) | 1979-12-19 | 1979-12-19 | Akustischer Wandler mit piezoelektrischem Element |
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