DE3143811C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Abbildung von sich auf einem Oberflächenbereich eines Prüf- oder Überwachungsobjektes abbildenden Schallfeldern, insbesondere Ultraschallfeldern, mit Hilfe der optischen holographischen Interferometrie. Das Verfahren, auf das sich die Erfindung bezieht, entspricht dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Vorrichtung, auf welche sich die Erfindung bezieht, entspricht dem Oberbegriff des Anspruchs 9.

Die Erfindung soll insbesondere für die Prüfung von Vorrichtungen und Bauteilen auf Schadensstellen sowie für die Überwachung von Objekten auf sich ausbildende Schadensstellen Anwendung finden. Sie ist jedoch nicht nur auf diesen Gebieten anwendbar, sondern auf jedem anderen Gebiet, auf den ein auftretendes Schallfeld mit kleinen Amplituden umfassend und auf einer Fläche gleichzeitig abgebildet werden soll.

Dem Ultraschall kommt heute auf dem Gebiet der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung - aber auch auf anderen Gebieten, wie z. B. der medizinischen Diagnostik - als Mittel für ein volumetrisch arbeitendes Prüfverfahren eine überragende Bedeutung zu. Dies gilt sowohl für Abnahmeprüfungen als auch für Inspektionen und wiederkehrende Prüfungen. Bei der Ultraschallprüfung wird ein Ultraschallimpuls in das zu untersuchende Bauteil gesandt und die Redaktion zwischen Ultraschall und Werkstoff wird ermittelt bzw. beobachtet, gegebenenfalls registriert und ausgewertet. Es sind Techniken bekannt geworden, um die Prüfimpulse hinsichtlich ihrer Dauer, ihrer Amplitude und ihres Spektralgehaltes zu optimieren und den jeweiligen Gegebenheiten anzupassen. Es sei hierzu auf die Veröffentlichung von H.-A. Craostack, V. Deutsch, H. D. Steffens, H. A. Stelling und M. Vogt "Ultraschallprüfung mit Sendeimpulsen stufenlos veränderlicher Frequenz und steuerbarer Spektralverteilung" in "Materialprüfung 20" (1978) S. 372/7, hingewiesen.

Die der Erfindung zugrunde liegende Problemstellung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf das Hauptanwendungsgebiet der Erfindung erläutert.

Die in der Regel für die Erzeugung bzw. Registrierung des Ultraschalls verwendeten piezoelektrischen Schallwandler haben zwar eine hohe Empfindlichkeit, weisen jedoch auch einige wesentliche Nachteile auf.

• A. Aus den vorgegebenen Abmessungen des Schwingers sowie der Wellenlänge des Ultraschalls ergibt sich ein Schallfeld, das ein Nahfeld und ein sich öffnendes Fernfeld besitzt.
  • 1. Das Nahfeld bringt den Nachteil mit sich, daß in ihm die Prüfbarkeit aufgrund der stark schwankenden Intensität eingeschränkt ist.
  • 2. Der Umstand, daß sich die erzielbare Information auf den gesamten Querschnitt des Schallfeldes erstreckt, hat folgende nachteilige Auswirkungen:
    • a) das zu prüfende Objekt muß entsprechend den Abmessungen des Schallfeldes abgetastet werden, sodaß die Gesamtinformation nicht zeitgleich erzielbar ist. D. h. es muß mit zahlreichen Signalen abgetastet werden.
    • b) andererseits beinhaltet das Signal die integrale Information über den gesamten Schallfeldquerschnitt, sodaß z. B. das störende Gefügerauschen im Verhältnis zu einem Fehlerecho mit der Größe des Schallfeldes wächst (vergl. H. A. Crostack "Beitrag zur Verbesserung der Ultraschallprüfung beim Ermitteln von Fehlern in schwer prüfbaren Werkstücken", Rehabilitationsschrift Universität Dortmund, 1978).
    • c) Die Integration über das Schallfeld bedingt auch eine schlechte laterale Auflösung. Dies bedeutet, daß die Echos vieler kleiner Fehler innerhalb des Schallfeldes bei gleicher Entfernung nicht voneinander getrennt und nicht vom Echo eines einzelnen, größeren Fehlers zu unterscheiden sind. Als Anhaltswert für die laterale Auflösung läßt sich für Normalprüfköpfe ein Wert von ca. der zehnfachen Wellenlänge angeben. Sofern das Schallfeld speziell geformt wird (Fokusköpfe), läßt sich dieser Wert reduzieren, was allerdings eine umfangreichere Abtastung des Werkstückes und eine Verschlechterung der axialen Auflösung zur Folge hat, sodaß diese Technik eigentlich erst praktische Bedeutung in Verbindung mit einer frequenzabhängigen Prüfung erhält. Es wird in diesem Zusammenhang auf die bereits vorstehend erwähnte Veröffentlichung in "Materialprüfung" 20 (1978) S. 372/7 hingewiesen.
• B. Daneben sind beim Prüfen mittels der Ultraschall-Impuls- Echo-Technik einige weitere Einschränkungen gegeben, die sowohl die Fehlerdetektion als auch in besonderem Maße die Fehlerbeschreibung betreffen.
  • 1. Infolge der Länge des Impulses, des Nachschwingverhaltens des Prüfkopfes und der Eigenschaften der Elektronik ergibt sich eine sogenannte "tote Zone", die die Prüfung oberflächennaher Zonen sowie dünner Werkstoffe und Beschichtungen verhindert.
  • 2. Darüberhinaus bringt die große Länge des Impulses (bei Normalprüfköpfen ∼ 5.λ) eine geringe axiale Auflösung mit sich, die vor allem die Interpretation der Anzeige erschwert. Dadurch wird die Auflösung mehrerer in unterschiedlichen Entfernungen liegender Fehler herabgesetzt. Wird die Länge des Impulses herabgesetzt (Stoßwellenköpfe), so ergeben sich Probleme durch undefinierte Änderung des Frequenzspektrums. Da die Reaktionen zwischen Ultraschall und Fehler frequenzabhängig sind, erfordert eine übersehbare Fehlerbewertung ein definiertes Frequenzspektrum. Bezug genommen wird in diesem Zusammenhang auf die Veröffentlichung von H.-A. Crostack und W. Oppermann in "Materialprüfung" 21 (1979) 12, S. 449/54.
• C. Zusätzlich zu den vorstehend erläuterten Problemen existieren noch die Schwierigkeiten infolge der Kopplung der piezoelektrischen Köpfe an den Prüfling. Diese Kopplung, die in der Regel durch Flüssigkeiten oder Pasten erfolgt, versagt bei rauhen Oberflächen bzw. komplexer Geometrie (vergl. H. A. Stelling "Analyseverfahren", Lehrgang "Ultraschall II", Technische Akademie Esslingen 24.-26. 6. 1980). Außerdem kann bei heißen und gegebenenfalls kontaminierten Teilen keine derartige Kopplung erfolgen.

Ähnliche Schwierigkeiten hinsichtlich der Schallfelder der Prüfköpfe, der Empfindlichkeit sowie der Kopplung ergeben sich beim Empfang von Körperschall und Schallemissionen.

Um den Schwierigkeiten bei der Kopplung abzuhelfen, hat man berührungslos arbeitende Systeme eingeführt.

Hierbei kann man auf optischem Wege vorgehen, wobei insbesondere die Zweistrahl-Interferometer zum Einsatz kommen. Hierzu wird verwiesen auf "Optical probing of surface waves and surface wave devices" von G. I. Stegmann, IEEE Trans. Sonics Ultrasonics, SU - 23, No. 1, 33-63 (1976). Diese Technik besitzt jedoch noch einige Nachteile: vor allem muß die Oberfläche eben sein und spiegeln, d. h. blankgeschliffen sein. Demnach läßt sich das Verfahren nicht an technisch rauhen Flächen anwenden. Wenn ein größerer Körper abzubilden ist, muß das betreffende Teil abgetastet werden. Die hierdurch entstehenden Zeitverluste erlauben aber keine gleichzeitige Abbildung eines Vorganges, da die Zeitdauer des Abtastens groß ist gegenüber der Dauer des Ultraschallimpulses. Sofern Impulsfolgen möglich sind, wächst die Versuchsdauer derart an, daß eine Realisierung technisch uninteressant wird. Diese Technik ist auch beschrieben worden von C. H. Palmer, R. O. Claus und S. E. Fick in einer Veröffentlichung "Ultrasonic wave measurement by differential interferometry" in Appl. Opt. 16 No. 7, 1849 -1856 (1977).

Wesentlich bessere Lösungsmöglichkeiten bietet die optische holographische Interferometrie. Diese ist beschrieben worden von Ch. M. Vest in "Holographic Interferometry" Wiley & Sons, New York 1979. Mit ihr ist es möglich, auf technisch rauhen Oberflächen Verformungen zu erfassen und umfassend bildhaft auf einer großen Fläche gleichzeitig darzustellen. (Vergl. W. Jüptner und H.-A. Crostack in "Untersuchungen von Eigenspannungen in Punktschweißverbindungen", Laser "73 Optoelectronics, München 1973, Berichtsband S. 134-138).

Die optische holographische Interferometrie wird als sogenannte Schwingungsholographie auch bereits zur Erfassung von Schwingungen eingesetzt, wie nachzulesen ist bei L.A. Kersch in "Laminate structure inspection" in: R. K. Erf. (ed.): Holographic nondestructive testing, Academic Press, New York 1974. Hierzu gehören auch die Verfahren der Referenzstrahlmodulation. Diese Verfahren sind jedoch relativ unempfindlich, sodaß die Erfassung von Ultraschallfeldern mit hoher Frequenz und/oder kleiner Amplitude sowie der Nachweis von Materialfehlern und damit der Einsatz in der zerstörungsfreien Prüfung stark eingeschränkt ist. Die angeregten Schwingungen müssen, damit sie nachgewiesen werden können, in den Eigenfrequenzen des Bauteiles liegen. Das bedeutet:

• - daß stehende Wellen mit Resonanzen, d. h. Schwingungsknoten und -bäuchen, auftreten, wodurch die verschiedenen Punkte des Bauteiles mit unterschiedlichen Amplituden angeregt werden. Demzufolge werden sich gleich große Fehler an verschiedenen Orten unterschiedlich äußern;
• - da mit dicker werdenden Bauteilen die Eigenfrequenz rasch abfällt, die Fehlererkennbarkeit aber direkt mit der Wellenlänge zusammenhängt, nimmt das Fehlernachweisvermögen ebenfalls schnell ab (J. u. H. Krautkrämer, "Werkstoffprüfung in Ultraschall", 4. Auflage 1980, Springer-Verlag);
• - da in komplizierten Geometrien sich derartige Eigenfrequenzen nicht definiert und intensiv genug anregen lassen, wird ein Fehlernachweis hier unmöglich;
• - mit den Verfahren der Referenzstrahlmodulation lassen sich ohnehin nur relativ große Fehler nachweisen, die mehr als 20% der Wanddicke ausmachen, wie aus der bereits erwähnten Veröffentlichung von L. A. Kersch hervorgeht.

In der britischen Offenlegungsschrift 20 00 290 ist ein akustisch-optisches Abbildungssystem für ultraschalldurchlässige Objekte beschrieben, das insbesondere für die Beobachtung von mechanischen Teilen oder von Zellgewebe bestimmt ist. Das Objekt muß zum Zwecke der Abbildung in eine mit einem Brechungsmedium gefüllte Zelle eingebracht werden. In dieser wird eine im System erzeugte Ultraschallwelle durch das Objekt hindurchgeleitet, die in der Zelle auf einen ebenfalls im System erzeugten kohärenten, zylindrischen, konvergenten optischen Strahl einwirkt unter Bildung eines durch BRAGG- Beugung des optischen Strahls erzeugten Beugungsmusters, das die optischen Abbildungen des zu untersuchenden Objektes enthält. Die kohärente Erfassung eines so erzeugten Abbildes erfolgt in einem dicken, elektrooptischen und lichtleitenden holographischen Wiedergabematerial (Kristall), das unter der Einwirkung eines elektrischen Feldes steht, durch holographische Wiedergabe der Interferenzen zwischen der abzubildenden Beugungsordnung und einem Referenzstrahl gleicher Frequenz. Die Abbildung erfolgt in Realzeit durch Rekonstruktion des Objektstrahls mittels eines Lesestrahls gleicher Frequenz wie der Referenzstrahl.

Das bekannte System ist nicht direkt am Objekt anwendbar, da dieses für die Abbildung in eine mediumgefüllte Zelle eingebracht werden muß. Größere Objekte können daher mit ihm nicht abgebildet werden. Für eine Überwachung von Objekten auf das Auftreten von durch sich ausbildende Fehler erzeugtem Schall kann das System ebenfalls nicht benutzt werden. Die Vorrichtung nach der erwähnten britischen Offenlegungsschrift kommt wegen ihres komplizierten Aufbaus für industrielle Prüf- und Überwachungszwecke überhaupt nicht infrage.

Generell aber sind bei dem bekannten System die Kopplungsmaßnahmen, welche durch das Arbeiten mittels der holographischen Interferometrie überflüssig gemacht werden sollten, in Form des Einbringens des Objekts in eine mediumgefüllte Zelle wieder eingeführt worden. Hinzu kommt noch die notwendige, erheblich aufwendige Rauschpegelverminderung durch Polarisationsmaßnahmen.

Zusammenfassend ist festzustellen:
Aus den vorstehend dargelegten Gründen stößt die Abbildung von Ultraschallfeldern, die durch Materialfehler beeinflußt werden, und damit die Bestimmung und Beschreibung von Fehlern mittels der bekannten Verfahren und Vorrichtungen bereits bei einfachen Bauteilen, wie Platten oder Rohren, auf Schwierigkeiten. Bei komplizierten Geometrien, wie sie in Anlagen und Maschinen gegeben sind, sowie auf technisch rauhen Bauteilen wird die Abbildung unmöglich.

Der Erfindung hat die Aufgabe zugrunde gelegen, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die ohne Kopplungsmaßnahmen einen verbesserten Nachweis von Materialfehlern sowie eine verbesserte Auflösung und Beschreibung der Fehlerform ermöglichen dadurch, daß sie auf einfache Weise die Abbildung kleiner Schallamplituden umfassend und flächenhaft mit geringem Rauschpegel auf technischen Oberflächen möglich machen.

Die Erfindung besteht in den Lehren gemäß den Kennzeichen der Ansprüche 1 bzw. 9.

Weitere Merkmale der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird in der nachstehenden Beschreibung von zwei Ausführungsbeispielen einer Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach der Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1a: ein Blockschaltbild einer Vorrichtung für die Abbildung eines eigenerregten Ultraschallfeldes,

Fig. 1b: ein Blockschaltbild einer Vorrichtung für die Abbildung eines fremderregten Ultraschallfeldes und

Fig. 2: eine Prinzipskizze zur Veranschaulichung einzelner Verfahrensmaßnahmen.

Bei der in Fig. 1a gezeigten Vorrichtung hat die Erfindung Anwendung gefunden im Rahmen einer Vorrichtung für die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung mittels Ultraschalles, während die Vorrichtung nach Fig. 1b für die Überwachung bezüglich fremderregten Ultraschalles im Rahmen der Überwachung auf Schadensstellen und der Auffindung solcher Schadensstellen bestimmt ist.

Die Ultraschall-Eigenerregung erfolgt bei der Vorrichtung nach Fig. 1a mittels einer Bau-Einheit E-US, die einen Trägerfrequenzgenerator TG für die Erzeugung der Ultraschallschwingung mit der Prüffrequenz aufweist, eine von einem Impulsfrequenz-Oszillator IFO gesteuerte Impulsformung IF und einen Prüfkopf P. Die Impulsformung IF bestimmt die Dauer und Form der Impulse, in welche die ihr vom Trägerfrequenzgenerator TG zugeführte Schwingung zerlegt wird, und leitet diese Impulse mit der vom Oszillator IFO festgelegten Impulsfolgefrequenz dem Prüfkopf P zu, von dem aus sie in das zu prüfende Werkstück W eingeleitet werden. Der gesamte Vorgang wird dabei durch eine externe Armierung A in Bereitschaft versetzt. Bei der Vorrichtung nach Fig. 1b wird die Oberfläche des Werkstückes mittels der Bau- Einheit FS auf das Auftreten eines fremderregten Schallfeldes überwacht, die einen Schallempfänger zum Erfassen des fremderregten Schallfeldes und zum Auslösen des holographischen Beleuchtungsvorganges aufweist, z. B. ein punktförmig abtastendes Interferometer IFM und eine Fotodiode nach G. I. Stegmann (Vergl. Seite 5, letzter Absatz).

Die Bau-Einheiten E-US und FS können als austauschbare Baueinheiten ausgeführt sein, die wahlweise in die Gesamtvorrichtung einsetzbar sind zwecks Zusammenwirken mit den übrigen Einheiten der Gesamtvorrichtung, die bei den Ausführungen nach Fig. 1a und Fig. 1b übereinstimmen. Demgemäß bezieht sich die nachfolgende Beschreibung dieser für die holographische Beleuchtung und die Erstellung des Interferogramms bestimmten Einheiten sowohl auf Fig. 1a als auch auf Fig. 1b.

Die Erzeugung des für die Proben- oder Ultraschallimpuls- Beleuchtung dienenden Objektstrahls OS und des mit ihm zur Interferenz gebrachten Referenzstrahls RS erfolgt mittels eines Impulslasers oder eines mittels eines akusto-optischen Auskopplers stroboskopartig getakteten Lasers. Das Startsignal für die erste Beleuchtung wird dem Impuls-Laser 1 über eine einstellbare Verzögerung 2 zugeleitet. Dieses Startsignal wird bei der Vorrichtung nach Fig. 1a gleichzeitig mit der Einleitung des ersten Impulses in das Werkstück W dem Impulsfrequenz- Oszillator IFO abgenommen und, um die Zeit Δt₁, die der Laufzeit des Ultraschallimpulses im Werkstück W entspricht, verzögert, dem Impuls-Laser 1 zugeführt. Bei der Vorrichtung nach Fig. 1b wird dieses Startsignal der Fotodiode FD abgenommen und um die Zeit Δt₁, die gleich der Laufzeit des Schallimpulses vom Ort des Triggers (hier: Michelson-Interferometer) ist, verzögert. Das von der Verzögerung 2 ausgesandte Signal setzt auch einen Zähler 3 in Gang, welcher nach einer mittels einer Einstellvorrichtung 4 wählbaren Zeit nach der ersten Beleuchtung den zweiten Beleuchtungsvorgang auslöst. Der Zähler 3 zählt die Halb- oder Viertelwellen der differenzierten oder quadrierten und verdoppelten Trägerfrequenz, die ihm über eine Differentiations- Einheit 5a oder eine Frequenzverdopplung 5b sowie einen Digitalisierer 6 vom Trägerfrequenzgenerator TG (TG (Fig. 1a) bzw. von der Fotodiode FD (Fig. 1b) her zugeleitet werden. Mittels der Einstellvorrichtung 6 ist die Anzahl der Halb- und Viertelwellen wählbar, nach deren Durchlauf durch den Zähler 3 der zweite Laserimpuls ausgesandt wird, der dem ersten Laserimpuls nach einer wählbaren Zeit Δt₁, ±n · folgt, wobei n eine ganzzahlige ungerade Zahl und τ eine ganze bzw. halbe Periodendauer der Schwingung ist. Ein Komparator 7 vergleicht die gewählte Anzahl von Halb- oder Viertelwellen mit der gezählten Anzahl und löst bei Erreichen der eingestellten Anzahl einen Laserimpuls aus.

Der als Objektstrahl OS verwendete Laserimpuls wird bei der hier gewählten Ausführungsform durch einen in den Strahlengang eingebrachten Phasenschieber 8 auf die auszuleuchtende Werkstücksfläche bzw. den überwachten Probenbereich geworfen. Die Höhe des mittels des Phasenschiebers 8 zu bewirkenden Phasensprunges π ± ε ist mittels eines Potentiometers 9 (angelegte Spannung) frei wählbar und wird den Prüfbedingungen (Rauschen der Fotoschicht, erforderlicher Kontrast) so angepaßt, daß sie eine Grundhelligkeit erzeugt, die das optische Rauschen der Fotoplatte bzw. Fotoschicht bei der anschließenden holographischen Überlagerung (Interferometrie) der beiden Aufnahmen unterdrückt bzw. einem akustischen Schwellwert entspricht. Dem Phasenschieber 8 wird ein vom Trägerfrequenzgenerator TG bzw. von der Fotodiode FD abgenommenes, im Digitalisierer 10 digitalisiertes Signal zugeführt, mit dem die Phase im Takt der Trägerfrequenz geschaltet wird.

Der Objektstrahl zur Zeit Δt₁ (erster Laserimpuls), der z. B. die Phase 0 besitzt (Fig. 2) wird vom Werkstück W zurückgeworfen, interferiert mit dem unmittelbar vom Impuls-Laser 1 herkommenden Referenzstrahl RS und wird auf einer Fotoplatte oder einer Sofortbildkamera 11 zwecks Erstellung eines Hologramms festgehalten.

Mit dem zweiten Laserimpuls, der zum Zeitpunkt Δt₁ + ausgelöst wird und der in der Phase gegenüber dem ersten Impuls um einen von π verschiedenen Betrag π ± ε abweicht, wird nach erfolgter Interferenz mit dem Referenzstrahl RS das Hologramm zum zweitenmal belichtet und anschließend rekonstruiert. Oder es wird der zweite Beleuchtungsvorgang zur direkten Wiedergabe des Hologramms verwendet und die Interferenzinformation z. B. fotografiert oder mit einer Kamera und einem Monitor 12 erfaßt oder einem Rechner 13 zugeführt und quantitativ ausgewertet. In jedem Fall ist in der Wiedergabe der Hologramme das Schallfeld in seiner Form, seiner Struktur und seinen Abmessungen bereits anhand seiner Interferenzstreifen erkennbar.

Die Fig. 2 dient zur Veranschaulichung des mit den vorstehend beschriebenen Vorrichtungen auszuübenden Verfahrens. Abb. A zeigt den Verlauf des abzubildenden Ultraschallimpulses mit der Periode T und der Dauer Δt_U-S, die dem überwachten Bereich entspricht. Abb. B veranschaulicht die Auslösung der Laserimpulse zu den Zeitpunkten Δt₁ und Δt₁ +, wobei n eine vorwählbare ganze ungerade Zahl ist und τ = T oder ist. Δt₁ ist gleich der Laufzeit des Ultraschallimpulses vom Ort des Triggers (US-Sender oder Michelson-Interferometer) bis zum abzubildenden Bereich. Aus Abb. C ist die relative Phase (π + ε) zwischen Referenzstrahl und Objektstrahl in Abhängigkeit von der Zeit zu entnehmen.

Mit dem Verfahren und der Vorrichtung nach der Erfindung wird die Erfassung auch von Schallfeldern mit kleiner Amplitude und die Abbildung solcher Schallfelder auf optischem Wege möglich. Dabei trägt die Empfindlichkeitssteigerung gegenüber den bekannten holographischen Techniken bei einer Auswertung mit dem Auge das ca. 25fache.

Die wesentlichen Kriterien für den durch die Erfindung erreichten technischen Fortschritt sind in folgenden Fakten zu sehen:

• - es können hohe Frequenzen und damit kleinere Fehler erfaßt werden.
• - es können kleine Amplituden und damit Gefügeinhomogenitäten, wie z. B. Streuanzeigen, erfaßt werden,
• - es können Ultraschallimpulse hoher Frequenz und kleiner Amplitude verwendet werden, die im Gegensatz zu stehenden Wellen (Resonanzen) gleiche Empfindlichkeit gegenüber Fehlern im gesamten Probenbereich aufweisen,
• - bei komplizierter Probengeometrie kann der überwachte Probenbereich eingegrenzt werden, da die Länge des Ultraschallimpulses - unter Berücksichtigung von - dem überwachten Bereich entspricht,
• - obgleich eine vorwählbare beliebig große Fläche ausgeleuchtet werden kann, wird das Schallfeld entsprechend der optischen Auflösung mit hoher Genauigkeit in den Einzelheiten dargestellt,
• - es wird das Signal-Rausch-Verhältnis bei der Ultraschallprüfung grobkörniger Werkstoffe verbessert, da die Streuanzeige nicht mehr als Integration aller Einzelstreuer erfolgt, sondern das einzelne Streufeld getrennt abbildet. Damit wird das Signal-Rausch- Verhältnis, das vom Verhältnis Schallfeldquerschnitt/ Impulslänge/Streupartikelgröße abhängig ist, beim Fehlernachweis angehoben.
• - durch Wahl des Phasensprunges π ± ε kann die Empfindlichkeit sowohl dem optischen als auch dem akustischen Rauschen angepaßt werden, sodaß eine unmittelbare Registrierung aller größeren Anzeigen erfolgen kann (Schallwellenregistrierung),
• - die axiale und laterale Auflösung wird im Vergleich zu der mit der Ultraschalltechnik erreichbaren wesentlich angehoben, sodaß Einzelheiten weit unterhalb einer Wellenlänge noch erkennbar sind,
• - aufgrund dieser hohen Auflösung wird die Erkennung von Fehlerform, -größe und -lage wesentlich verbessert, sowohl bei Volumenwellen als auch bei geführten Wellen,
• - es werden die Streufelder von Fehlern auch bei Wellenarten sichtbar, die im ungestörten Zustand nicht die Oberfläche erreichen, wie z. B. parallel laufende Longitudinalwellen und Transversalwellen verschiedener Polarisation. Damit werden Fehler unter rauhen Oberflächen erfaßbar und besser bewertbar.
• - durch die freie Wahl der Ultraschallimpulse werden selbst komplizierte Geometrien prüfbar,
• - bei fremderregten Feldern werden durch die Abbildung des Feldes die Ursprungsrichtung und gegebenenfalls der Ort der Erregung erkennbar.

Claims (21)

1. Verfahren zur Abbildung von sich auf einem Oberflächenbereich eines Prüf- oder Überwachungsobjektes abbildenden Schallfeldern, insbesondere Ultraschallfeldern, mit Hilfe der optischen holographischen Interferometrie,

• - bei dem dieser Oberflächenbereich zu verschiedenen Zeitpunkten mit Laserimpulsen von gegenüber der Periodendauer der dort abgebildeten Schallimpulse kurzer Dauer beleuchtet wird zur Bildung von von dem abzubildenden Oberflächenbereich ausgehenden Objektstrahlen,
• - bei dem weiterhin Referenzstrahlen für die Interferenz mit diesen Objektstrahlen gebildet werden und
• - bei dem mindestens zwei Objektstrahlen, von denen mindestens einer nach Interferenz mit einem Referenzstrahl holographisch abgebildet wird, holographisch überlagert werden zu einem auszuwertenden Interferogramm,

dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtung des abzubildenden Schallfeldes mit einem Laserimpuls bei mindestens zwei Extremwerten der Schallimpulse, nämlich je einem Minimum und je einem Maximum, erfolgt und daß dabei die relative Phase des Objektstrahles (OS) und des mit diesem zur Interferenz gebrachten Referenzstrahles zwischen den einzelnen Beleuchtungen um einen vorwählbaren, von π abweichenden und das optische und/oder akustische Rauschen unterdrückenden Betrag geändert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung mittels Ultraschalles die von dem Ultraschallsender in das Prüfobjekt (W) eingeleiteten und nach dessen Durchlaufen auf dessen Oberfläche abgebildeten Ultraschallimpulses in diesem Oberflächenabbildungsbereich mittels der Laserimpulse (OS) beleuchtet werden (Fig. 1a).

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Abbildung eines fremderregten Schallfeldes dieses an einem Punkt innerhalb des Meßfeldes mittels eines Schallempfängers erfaßt wird (Fig. 1b) zur Einleitung der Beleuchtungsvorgänge.

4. Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch die Verwendung eines punktförmig abtastenden Interferometers (IF) für die Erfassung des abzubildenden Schallfeldes.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Beleuchtungsvorgang zur direkten Wiedergabe des mittels des ersten Laserimpulses (OS) erstellten Hologramms verwendet wird und die Interferenzinformation dargestellt oder einem Rechner zugeführt und quantitativ ausgewertet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Interferenzinformation mit einer Kamera oder einem Monitor erfaßt wird.

7. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß von der Trägerfrequenz des abzubildenden Schallimpulses ein Signal für die Auslösung des Laserimpulses abgeleitet wird.

8. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die relative Phase zwischen Objektstrahl (OS) und Referenzstrahl (RS) im Takte der Trägerfrequenz des abzubildenden Schallimpulses geschaltet wird.

9. Vorrichtung zur Abbildung von sich auf einem Oberflächenbereich eines Prüf- oder Überwachungsobjektes abbildenden Schallfeldern, insbesondere Ultraschallfeldern, mit Hilfe der optischen holographischen Interferometrie,

• - mit einem Aggregat für die Beleuchtung dieses Oberflächenbereichs zu verschiedenen Zeitpunkten mit Laserimpulsen von gegenüber der Periodendauer der dort abgebildeten Schallimpulse kurzer Dauer zur Bildung von von dem Objekt ausgehenden Objektstrahlen,
• - einem Aggregat für die Erzeugung von Referenzstrahlen für die Interferenz mit diesen Objektstrahlen und/oder die Beleuchtung des Hologramms eines voraufgegangenen Beleuchtungsvorganges,
• - einem Aggregat für die Steuerung der einzelnen Beleuchtungsvorgänge,
• - mindestens einer Vorrichtung für die Aufnahme eines Hologramms und
• - mindestens einem Aggregat für die holographische Überlagerung der Strahlengänge nach den Beleuchtungen,

gekennzeichnet durch

• - einen von dieser Zeitverzögerung (2) gestarteten Zähler (3) zum Zählen der Halb- oder Viertelwellen des Schallimpulses, der nach Erreichen einer vorwählbaren, ungeraden Zahl das Objektstrahl-Erzeugungsaggregat (1) veranlaßt, einen weiteren Objektstrahl zu erzeugen,
• - einen bezüglich der Höhe des Phasensprunges einstellbaren Phasenschieber (8) zur Veränderung der relativen Phase zwischen Objektstrahl (OS) und Referenzstrahl (RS),
• - und einen Taktgeber (10) zum Steuern der Phasensprünge im Takte der Trägerfrequenz des Schallimpulses.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Taktgeber (10) die Frequenz der abzubildenden Schallsignale digitalisiert.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitverzögerung (2) vom Impulsfolgefrequenzoszillator (IFO) eines Prüfkopfaggregates (E-US) für die Ultraschall-Prüfung gesteuert wird.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Prüfkopf (P) mit einem Trägerfrequenzgenerator (TG), einer Impulsformung (IF) und dem Impulsfolgefrequenzoszillator (IFO) zu einer austauschbaren Baueinheit zusammengebaut ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, gekennzeichnet durch einen innerhalb des Meßfeldes angeordneten Schallempfänger für die Abnahme eines fremderregten Schallfeldes.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Schallempfänger ein punktförmig abtastendes Interferometer (IFM) ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitverzögerung (2) von einer dem Schallempfänger nachgeschalteten Fotodiode (FD) gesteuert wird.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Fotodiode (FD) an den Taktgeber (10) für die Steuerung des Phasensprunges angeschaltet oder anschaltbar ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Schallempfänger mit der Fotodiode (FD) zu einer austauschbaren Baueinheit zusammengebaut ist.

18. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 17, gekennzeichnet durch eine dem Zähler (3) vorgeschaltete Differenziation (5) und Digitalisierung (6).

19. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 17, gekennzeichnet durch eine dem Zähler (3) vorgeschaltete Frequenzverdopplung (5b) und Digitalisierung (6).