DE3041875C2

DE3041875C2 - Vorrichtung zur Erzeugung von Ultraschallwellen

Info

Publication number: DE3041875C2
Application number: DE3041875A
Authority: DE
Inventors: Wolf Dipl.-Ing. 5060 Bergisch Gladbach Bickel; Erik Dipl.-Phys. Dr. 5000 Köln Primbsch
Original assignee: Krautkraemer GmbH and Co
Current assignee: Krautkraemer GmbH and Co
Priority date: 1980-11-06
Filing date: 1980-11-06
Publication date: 1984-05-10
Also published as: DE3041875A1; JPS5788361A; US4379409A

Description

— daß der optische Ausgang eines Lasers (4) in einer besonderen Haltevorrichtung (3) mit Lichtleitern (1) gekoppelt ist,

— daß die einzelnen Lichtleiter (1) zu LichtleiterbütJeln (la ... Ik) zusammengefaßt sind, die zur Erzeugung vorbestimmter Verzögerungszeiten für den Laserlicht-Austritt aus den Endflächen (6a... 6k) der einzelnen Lichtleiterbündel (la ... \h) unterschiedliche optische Weglängen aufweisen und in einem Prüfkopf (5) enden.

— daß die Formen der Endflächen (6a... 6k) durch Einbetten in ein festes Medium im Prüfkopf (5) fixiert sind, eine gemeinsame, zonengemusterte Endfläche (6) bilden, und

— daß ~nit dem aus der Endfläche (6) austretenden Laserlicht die Prüfstückoberfläche (7) derart beleuchtet wird, daß die zonengemusterte Endfläche (6) auf die Prüfstückoberfläche (7) abgebildet wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch (,dadurch gekennzeichnet, daß zur Abbildung der zonengemusterten Endfläche (6) auf die Prüfstückoberfläche (7) zwischen der Endfläche (6) und der Prüfstückoberfläche (7) ein optisches System (14) vorhanden ist.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Ultraschallwellen für die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung mit vorbestimmter Ausbreitungsrichtung und Wellenform in lichtabsorbierenden Prüfstücken durch Beaufschlagen von vorbestimmten geometrischen Zonen auf der Prüfstückoberfläche mittels Laserimpulsen in vorbestimmten Zeitfolgen.

Es ist bekannt, Schallwellen durch Laserimpulse zu erzeugen, wie es z. B. von J. und H. Krautkrämer, »Werkstoffprüfung mit Ultraschall«, 3. Auflage 1975, Seiten 148—150, Springer-Verlag. Berlin-Heidelberg und in der Patentschrift DE-PS 17 72 530 beschrieben wird.

In diesen beiden Veröffentlichungen wird von der Annahme ausgegangen, daß durch Laserlichtimpulse der belichtete iimi Üehtabsorhierende Obcrflächenanteil eines I'niisihckes ktiiv/eiiij: Miirk erwiinnt wird. Diese thermische, aber lokal en^lK-jjrcn/.ic Ijiergie/ufiihr hut eine /uniichsl ebenso lokal begrenzte Warmcausdehnung zur Folge, wodurch über die elastischen Eigenschaften des Prüfstiiekwcrkstoffes eine stoßförmige Schallwelle erzeugt wird. Das Frcquen/spektrum der Uiiraschallwelle hängt von der Dauer des l.aserimpulses und von der Impulsfolge ab. Die Ausbrcitungsrichlung der Schallwelle ist allgemein senkrecht zur belichteten Prüfstüekoberfläche orientiert und ist unabhängig vom Einfallwinkel des Laserstrahls. Soli sich die Ultraschallwelle in einer anderen Richtung als senkrecht zur Prüfstückoberfläche ausbreiten, so muß nach bekannten Verfahren die Oberfläche des Prüfstückes zonenförmig belichtet werden mit einer Zeitverzögerung von Zone zu Zone. Bei geeigneter Bemessung der Ver iögerungszeiten entstehen durch Interferenzen der elementaren Schallwellen entsprechend dem Huygenschen Prinzip ausgeprägte Schallausbreitungsrichtungen. Entsprechend dem aufbelichteten Zonenmuster kann man gerichtete Ultraschallwellen mit nahezu ebenen Wellenfronten, also einen parallelen Ultraschallstrahl, oder gerichtete Ultraschallwellen mit gekrümmten Wellenfronten zur Fokussierung des Schallwellenstrahles erzeugen. Zylindrisch gekrümmte Wellenfronten bedeuten eine Linienfokussierung des Ultraschallstrahles und sphärisch gekrümmte Wellenfronten fokussieren den Ultraschallstrahl auf einen Punkt. Verfahren zu einer solchen Ultraschallerzeugung sind in den offengclegten Patentanmcldungen DE-OS 27 07 933 und DE-OS 27 07 883 beschrieben. Bei diesen Verfahren werden die einzelnen Zonen nach einem bestimmenden Zeitschema durch Laser belichtet. Die bekannten Verfahren und ihre Ausführungsformen hacen aber wesentliche Nachteile. So muß für jede zu erzeugende Zone ein Laser vorhanden sein, was technisch und kostenmäßig einen hohen Aufwand erfordert. Diese Laser müssen sequentiell mit vorgegebenen Verzögerungszeiten gepulst werden, wobei die Größenordnungen der von Laser zu Laser einzuhaltenden Verzögerungszeiten in der Größenordnung von 10 ns bis 100 ns liegen. Beim Pulsen der Laser treten statistische Zeitschwankungen zwischen dem Auslöseimpuls und dem Laserüchtimpuls in der gleichen Größenordnung auf (Jitterfehler). Wird, wie in der DE-OS 27 07 883, nur ein Laser verwendet, so ist eine Fokussierung nur auf einem Punkt der Senkrechten zur Oberfläche möglich, aber durch die Zonenmaske, die bei diesem Verfahren erforderlich ist, geh' viel an Laserlicht verloren.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung anzugeben, mit der man bei Verwendung nur eines Lasers dem Schallstrahl im Prüfstück eine vorbestimmbare Ausbrcitungsrichtung und Fokussierung geben kann, ohne daß eine Zoncmnaskc oder andere lichtschwächende Mittel erforderlich sind.

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

Die Erfindung wird im folgenden mit Hilfe der Figuren an einigen Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es bedeutet

F i g. 1 das Prinzip eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Laser, Lichtleiterkabel aus verschieden langen Teilbündeln und Zusammenfassung der Teilbündel zu einem Prüfkopf;
F i g. 2 das Aufspleißen eines Teilbündels zu einer Zone;

Fig.3 schematischer Querschnitt durch ein Zonenmusicr zur Erzeugung eines parallelen Ultrasehallstrnhlev

mi I^-" ig. Ί scheinalisihcr (Jticrschmil durch cm /<«ιη·π muster zur l-ir/.uugung eines linieiifokussicrteri Ultraschallstrahles; und

Fig. 5 Anordnung zur kontaktlosen Anregung von Ultraschallwellen.

οϊ In einem Ausführungsbeispiel entsprechend der f" i g. I wird ein Lichtleiterkabel 1, das aus mindestens so vielen Teilbündeln la. 16... lit besteht wie Zonen beuchtet werden sollen, und dessen Lichteinirittsfläche 2

Geschliffen ist, mit bekannten technischen Mitteln, z. B. ;iner Steckkupplung 3, optisch an den Laser 4 angeschlossen. Die Teilbündel enden in einer gemeinsamen Fläche 6. wobei die Teilbündel mit ihren ausgeformten Endflächen und den vorbestimmten gegenseitigen Abständen a in einem Prüfkopf 5 fixiert sind, z. B. in Kunststoff eingegossen. Die Endflächen der Teilbündel 6a... 5fc also die Gesamtfläche 6, wird dann geschliffen oder anderswie geglättet Jedes Teilbündel la ... IA" ist an seinem jeweiligen Ende 6s...6kaus den einzelnen Fasern der Teilbündel so geformt (aufgespleißt), wie es die jeweilige Zone erfordert. In Fig.2 ist eine derartige Ausformung eines Teilbündels angedeutet Die Zone ist hierbei durch eine Fläche b · /dargestellt Der Abstand zur Nachbarzone ist a. In diesem Beispiel sind gerade (lineare) streifenförmige Zonen dargestellt die nichtfokussierte, gerichtete parallele Schallwellen mit ebenen Fronten erzeugen, wie in F i g. 3 als Schnittbild skizziert Die durch Interferenz nach dem Huygenschen Prinzip auftretenden Wellenfronten sind mit tO und die senkrechten auf diese Wellenfronten, also die Scbillausbreitungsrichtung, mit 11 bezeichnet. Der so aufgebaute Prüfkopf 5 kann, wie bei der Werkstoffprüfung mit Ultraschallwellen üblich, als Sendeprüfkopf manuell oder maschinell über die Prüfstückoberfläche 7 bewegt werden, wobei ein körperlicher Kontakt von Prüfkopf und Prüfstückoberfläche nicht notwendig ist, wodurch vorteilhafterweise sowohl ein mechanischer Abrieb der Prüfkopffläche 6 als auch die Verwendung eines Ankoppelmediums vermieden wird.

Form und gegenseitige Abstände der Endflächen 6a ...6k der Teilbündel ergeben sich aus den Beugungsgesetzen. Wenn man vom Huygenschen Prinzip ausgehend benachbarte Zonen zeitverzögert nacheinander (sequentiell) anregt, so entstehen Vorzugsrichtungen der Wellenausbreitung durch Interferenz der Elementarwellen. Betrachtet man nur die Interferenz erster Ordnung, dann gilt für den Abstrahlwinkel der Welle, wie in F i g. ~ angedeutet,

sin α

cSAT

AT

d ■ sin g
cS

ben sich von Zone zu Zone Verzögerungszeiten von
0,2 mm · sin 30⁰C

Darin sind: c/der Absland der Erregungszentren, hier der Mitteilabstand d = 2 ■ */₂ + a = a + b in F i g. 2: λ der Winkel der Schallabstrahlung, gemessen zur Senkrechten auf die optisch angeregte Oberfläche 7 des Prüfstückes 8; cS die Ausbreitungsgeschwindigkeit der erzeugten Schallwelle unil ΔΤdie Verzögerungszeit, mit der eine Zone nach der anderen angeregt wird. Diese Verzöge: ungszeit ergibt sich dann zu

AT-

5 945 000 mm/s

16,82 ns.

Wird weiter in diesem Beispiel ein Lichtleiter mit einer Signallaufzeit von 4,6ns/m, das entspricht einer Lichtausbreitungsgeschwindigkeit im Lichtleiter von cL=2,174 - 10" m/s gewählt so sind die einzelnen Teilbündel von Zone zu Zone um

Wenn zeitlich genügend lange und damit interferenzfähige Wellenzüge auf die Prüfstückoberfläche 7 aufbelichtet werden, entstehen die vom optischen Gitter bekannten Beugungsordnungen. Eine Mehrdeutigkeit entfällt dann, wenn kurze und im Bereich der Sehallfrequenzen nichtperiodische Laserimpulse benutzt werden.

Will man in einer beispielsweisen Ausführung eine Schallwelle in einem Werkstoff mit der Schallausbreitungsgeschwindigkeit cS = 5945 m/s unter einem Winkel λ = 30" anregen, und betragt der Mitlcnabslund d = a + b = 0,2 mm (Zonenbreite b = 0.1 mm und gegenseitiger Abstand der Zonen a = 0,1 mm), wo erge- AL = AT- cL = 16,82
= 3,657 m

10-" s · 2,174 - 10«m/s

zu verlangern. Es könnten folgende Teilbündellängen gewählt werden:

Länge des Teilbündels:

la ist 5.000 m;
Xb ist 8.657 m:

lcist 12314 m:

Idist 15S7I m:

!eist 19,628 m;

1/"ist 23285 m;
\g.si 26.942 m;

1Λ ist 30.599 m:

1/ ist 34,256 m;

Xk ist 37313 m.

Die einzelnen Teilbündel la ... IJt können auf eine oder mehrere Rollen 9a... 9k, wie in F i g. 1 angedeutet, aufgespult werden.

Werden die Mittenabstände d der Zonen oder die Zeitverzögerungen nicht äquidistant gewählt, so kann man eine Linienfokussierung erhalten. In F i g. 4 sind für den Fall äquidistanter Mittenabstände der Zonen die entsprechend erzeugten Winkel aa ...<xkskizziert, wobei die Schallstrahlen mit 13 und die zylinderföriiiig gekrümmten Wellenfronten mit 12 bezeichnet sind. Für ein* Linienfokussierung sind dabei die Zonen linear streifenförmig.

Die Verzögerungszeiten werden entsprechend der Beziehung

d ■ sin g,
cS

; ν = a...k

gewählt. In der F i g. 4 sind wegen der Übersichtlichkeit nur 4 der beispielhaften 10 Schallstrahlen skizziert.

Soll der Prüfkopf 5 die Schallwellen kontaktlos über eine größere Entfernung anregen, d. h. zwischen der Endfläche 6 des Prüfkopfes 5 und der Prüfstückoberfläche >' ist eine Entfernung zu überbrücken, so kann man entsprechend der F i g. 5 zwischen dem Prüfkopf 5 und der Prüfstückoberfläche 7 ein abbildendes optisches System 14 anbringen, so daß das Zonenmuster der Endfläche 6 auf der Prüfstückoberfläche 7 konturenscharf abgebildet wird.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Erzeugung von Ultraschallwellen für die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung mit vorbestimmter Ausbreitungsrichtung und Wellenform in lichtabsorbierenden Prüfstücken durch Beaufschlagen von vorbestimmten geometrischen Zonen auf der Prüfstückoberfläche mittels Laserimpulsen in vorbestimmten Zeitfolgen, dadurch gekennzeichnet,