DE3226326A1 - Ultraschallwandleranordnung - Google Patents

Ultraschallwandleranordnung

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DE3226326A1 DE19823226326 DE3226326A DE3226326A1 DE 3226326 A1 DE3226326 A1 DE 3226326A1 DE 19823226326 DE19823226326 DE 19823226326 DE 3226326 A DE3226326 A DE 3226326A DE 3226326 A1 DE3226326 A1 DE 3226326A1
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Heinrich Dipl.-Phys. Dr. 8552 Höchstadt Diepers
Robert Dr. 8521 Heßdorf Schwarz
Michael Dipl.-Phys. 8520 Erlangen Vieth
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Siemens AG
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    • G10KSOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/18Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound
    • G10K11/26Sound-focusing or directing, e.g. scanning
    • G10K11/34Sound-focusing or directing, e.g. scanning using electrical steering of transducer arrays, e.g. beam steering
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
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    • G01N29/06Visualisation of the interior, e.g. acoustic microscopy
    • G01N29/0609Display arrangements, e.g. colour displays
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    • GPHYSICS
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    • G01N29/26Arrangements for orientation or scanning by relative movement of the head and the sensor
    • G01N29/262Arrangements for orientation or scanning by relative movement of the head and the sensor by electronic orientation or focusing, e.g. with phased arrays

Description

  • Ultraschallwandleranordnung
  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Ultraschallwandleranordnung, insbesondere zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung, mit einem Array aus Wandlerelementen, denen ein Sende system und ein Empfangs system mit elektronischer Fokussierung und Schwenkung des Schallfeldes durch Verzögerung der Sende- und Empfangssignale zugeordnet ist. Es wird der zeitliche Abstand der Sendeimpulse sowie die zeitliche Verarbeitung und gegebenenfalls die Amplitudenbewertung der Echoimpulse gesteuert.
  • In der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung mit Ultraschall wird zur Einschallung unter einem vorbestimmten Winkel zur Oberfläche des zu prüfenden Werkstücks von der Brechung und Umwandlung der Wellenarten Gebrauch gemacht. Man benutzt dazu feste keilförmige Zwischenstücke, auf die der Wandler fest aufgedrückt oder aufgekittet wird. Diese keilförmige Vorlauf strecke bewirkt beim Schallübergang zwischen Vorlaufstrecke und Prüfkörper eine Brechung in die gewünschte Richtung und gegebenenfalls eine Wellenumwandlung, beispielsweise die Umwandlung einer einfallenden Longitudinal- in eine gebrochene Transversalwelle.
  • Solche Winkelprüfköpfe werden verwendet zur Fehlerortung in Werkstücken mit dem Impuls-Echoverfahren, bei dem die Tiefe des Fehlers aus dem zeitlichen Abstand zwischen Sende- und Echoimpuls und die Größe des Fehlers aus der Amplitude des Echoimpulses abgeleitet wird. Bei diesem Verfahren wird nicht der geortete Fehler, sondern lediglich der Sende- und Echoimpuls in einem sogenannten A-Bild auf einem Bildschirm sichtbar gemacht (Krautkrämer: Werkstoffprüfung mit Ultraschall", 3. Auflage, 1975, Seiten 228 bis 235).
  • Da bei flächigen Fehlern die Reflexion im allgemeinen in eine vorbestimmte Richtung erfolgt, sind mehrere Einschallwinkel erforderlich, um den Fehler zu orten und seine Orientierung im Werkstück festzustellen.
  • Wenn Lage und Orientierung des Fehlers bekannt sind, kann mit einer Fokussierung des Schallfeldes eine genauere Bestimmung der Größe und Form des Fehlers vorgenommen werden. Die Ermittlung der Lage und Größe des Fehlers erfolgt durch Einsatz mehrerer Schallköpfe, wobei wenigstens vier Winkelrichtungen, je zwei Wandlergrößen und Je zwei Frequenzen,zum Einsatz kommen. Bei ungünstiger Lage und Orientierung des Fehlers können neben diesen 16 Schallköpfen noch weitere Winkel, Frequenzen oder Schwingergrößen erforderlich sein. Außerdem kann zur genaueren Bewertung des Fehlers noch eine Krümmung des Schwingers zur Fokussierung des Schallfeldes notwendig sein. Es ist somit ein vielfaches Abfahren des Prüfkörpers mit den einzelnen Schallköpfen erforderlich, was nur in verhältnismäßig langer Zeit möglich ist.
  • Bei einem bekannten Prüfkopf zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung mit piezoelektrischen Wandlerelementen, die mit Dämpfungskörpern versehen sind, werden die Wandlerelemente derart mit veränderbarer Amplitude angeregt, daß eine Absenkung der Nebenkeulenniveaus erfolgt. Die Wandlerelemente werden durch die Anwendung der Gruppenschwingertechnik phasenmäßig so angeregt, daß die Hauptkeule aus der Normalen verschwenkbar und auch noch fokussierbar ist. Das Array dieses Prüfkopfes kann auch mit einer keilförmigen Vorlaufstrecke versehen sein (DE-OS 29 01 231).
  • Es ist ferner bekannt, in einer Ultraschallwandleranordnung mit einem Sende- und einem Empfangssystem, die mit elektronischen Verzögerungsketten versehen sind, die Elektronik so zu gestalten, daß eine quadratische Verzögerung möglich ist (DE-AS 25 43 678).
  • Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Ultraschallwandleranordnung anzugeben, mit der die Abtastung eines Winkelbereichs zwischen der ins Werkstück reichenden Flächennormalen und der Oberflächentangente von wenigstens annähernd 900 möglich ist.
  • Zugleich soll neben der insbesondere in der medizinischen Diagnostik bekannten Möglichkeit einer Schnittbilddarstellung des Untersuchungsbereichs für alle gewählten Einstrahlungsrichtungen eine quantitative Bestimmung der Größe eines festgestellten Fehlers bei allen Werkstoffen möglich sein, wie sie in der bekannten A-Bild-Technik mit jeweils einem unter einem vorbestimmten Winkel einstrahlenden Prüfkopf üblich ist.
  • Durch elektronische Ansteuerung soll nur unter solchen Winkeln Schall abgestrahlt und Echos empfangen werden, welche den bisher üblichen sogenannten Einfachwinkelprüfköpfen entsprechen, nämlich etwa 0°, 35°, 450, 600, 700, 800 und 900, wobei unter 900 eine sogenannte Kriechwelle abgestrahlt wird.
  • Es ist nun zwar bereits bekannt, daß die vor allem aus der Medizintechnik bekannten Phased-Array-Geräte oder Sektorscanner einen Winkelbereich bis etwa 450 in dichter Zeilenfolge abtasten. Im Gegensatz zur Medizin tritt jedoch bei der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung, beispielsweise bei der Prüfung von Stahl teilen, aufgrund des Brechungseffektes und der Modenwandlung an der Grenzfläche zwischen Vorlaufstrecke und Prüfkörper bei einem Einschallwinkel zwischen 0 und etwa 30° ein Longitudinal- und Transversalwellenmod und bei Einschallwinkeln größer als etwa 30° nur ein Transversalwellenmod auf. Bei Abtastung in dichter Zeilenfolge treten somit im Winkelbereich von 0 bis 900 beide Moden teilweise sogar gleichzeitig, wenn auch unter verschiedenen Winkeln, auf. Da die Schallgeschwindigkeiten sich um etwa den Faktor 2 unterscheiden, kann dies zu unterschiedlichen Bildformaten innerhalb einer Bilddarstellung und vor allem zu einer Bildkonfusion im Ubergangsbereich von Longitudinalwellen zu Transversalwellen führen.
  • Ferner soll dem Operator eine On-line-Kontrolle ermöglicht werden. Er soll somit während der gesamten Prüfzeit van Ort zu Ort optisch verfolgen können, wo ein Echopuls auftritt, und zwar in Form der A-Bild-Darstellung. Damit bleibt die unmittelbare Rückkopplung zwischen dem als Meßsensor dienenden Ultraschallarray und Operator gewährleistet. Es soll somit ein Gerät angegeben werden, das in verhältnismäßig einfacher Weise durch den Multifunktionsprüfkopf den Prüfaufwand reduziert, durch geringere Ermüdung des Operators die Zuverlässigkeit des Ergebnisses erhöht und keine neue Auswertetechnik mit entsprechendem Zusatzaufwand erfordert.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Die im Werkstück wirkende Schallgeschwindigkeit sowie die das Array kennzeichnenden Größen, wie beispielsweise die Frequenz und Größe, Anzahl und Abstand der Wandlerelemente sowie die Schallgeschwindigkeit in der Vorlaufstrecke, können über das Programmierfeld eingegeben werden und werden in der Zentral steuereinheit zur Steuerung der Verzögerung benutzt. Durch Ausnutzung der Brechung in Verbindung mit der phasenverzögerten Ansteuerung der einzelnen Wandlerelemente kann die Hauptkeule bis zu wenigstens annähernd der Richtung der Oberflächentangente geschwenkt werden.
  • Durch die Vahl diskreter Winkel können die Funktionen von mehreren bisher technisch eingesetzten Einzelprüfköpfen mit jeweils einer Normal- oder Winkelabstrahlung in einem einzigen Prüfkopf verbunden werden.
  • Dies wird durch ein langsames elektronisches Weiterschalten von einer diskreten Winkelstellung zur nächsten, also beispielsweise von 350 auf 450 erreicht, wobei die Taktgeschwindigkeit frei wählbar ist und beispielsweise für einen Durchlauf im Bereich von 0 bis 900 1 sec eingestellt wird. Tritt ein Echo auf, so ist es registrierbar, bevor auf den nächsten Winkel weitergeschaltet wird. Insbesondere werden im allgemeinen Schallprüfungen mit beispielsweise folgenden Strahlwinkeln durchgeführt: a) normal Oo (longitudinal) b) Winkel 350, 450, 600, 700 und 800 (transversal), c) Kriechwelle 900 (longitudinal oder transversal).
  • Andere Strahlwinkel für longitudinale oder transversale Ultraschallwellen können ebenfalls eingestellt werden.
  • Im Falle der Normaleinschallung wird die Wandleranordnung als senkrecht in das Werkstück einschallender Normalprüfkopf betrieben. Dazu wird eine solche Phasenverzögerung zwischen den einzelnen Wandlerelementen des Arrays gewählt, daß die Wellenfront unter einem Winkel i3 zur Normalen auf der Fläche der Wandlerelemente abgestrahlt wird und durch die Austrittsseite des Prüfkopfes, d.h. die Grenzfläche zwischen Vorlaufstrecke und Werkstück, senkrecht ohne Brechung hindurchtritt.
  • Da in diesem Fall sowohl der Einschallwinkel w1 als auch der Strahlwinkel 62 Null sind, ist die Einstellung der Schallgeschwindigkeit hier für die Strahlausbreitung unerheblich.
  • Im Betrieb als Normalprtifkopf durch Zuschaltung weiterer äußerer Elemente wird die Schwingerfläche vergrößert, um die bei der Projektion der aktiven Schwingerfläche auf die Schallaustrittsseite eintretende Verkürzung der effektiven Arraylänge auszugleichen.
  • Die Größe dieser zugeschalteten Fläche kann beispielsweise so gewählt sein, daß die auf die Austrittsseite des Prüfkopfes projizierte Schwingerfläche wieder die Größe der beim Winkelkopfbetrieb empfindlichen Fläche annimmt. Die Größe der zugeschalteten Fläche kann insbesondere so gewählt werden, daß die auf die Austrittsseite des Prüfkopfes projizierte Schwingerfläche eine quadratische Form hat, die flächengleich ist mit der Schwingerfläche eines zu ersetzenden runden Normalprüfkopfes. Hierdurch gewinnt man eine allgemeine Vergleichbarkeit der Meßergebnisse.
  • In einer Ausführungsform der Ultraschallwandleranordnung mit einer keilförmigen Vorlauf strecke kann durch die Wahl eines vorbestimmten Winkels der Vorlaufstrecke und durch Zuschalten von Wandlerelementen die unter der Winkelabstrahlung auftretende verkürzte effektive Arraylänge kompensiert werden, so daß die Abstrahlfläche auch mit dem bekannten Einzelfunktionsprüfkopf vergleichbar ist.
  • Die im Untersuchungsobjekt wirkende Schallgeschwindigkeit wird am Gerät vorab eingestellt und dadurch die Steuerung der Verzögerungsketten, beispielsweise durch einen Mikrocomputer, beeinflußt. Wird nämlich im Untersuchungsobjekt mit der Schallgeschwindigkeit c2 eine Ultraschall strahlung unter dem Strahlwinkel gewünscht, so erhält man unter Berücksichtigung des Snelliusschen Brechungsgesetzes den Einschallwinkel O('o aus der Beziehung Für feste Strahlwinkel 2 und konstante Schallgeschwindigkeit c1 ist der erforderliche Einschallwinkel 11 also eine Funktion der Schallgeschwindigkeit c2. Unter Berücksichtigung eines ebenfalls konstanten Keilwinkels P ergibt sich der Schwenkwinkel &1 mit « o p.
  • Im Mikroprozessor sind weitere Konstanten wie die Schallgeschwindigkeit c1 oder der Keilwinkel 0 gespeichert oder im Programm eingefügt und können bei einer etwaigen Neuprogrammierung auch geändert werden.
  • Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Figur 1 ein Ausführungsbeispiel einer Ultraschallwandleranordnung nach der Erfindung schematisch veranschaulicht ist. In Figur 2 ist eine besondere Ausführungsform des Arrays dargestellt.
  • In der Ultraschallwandleranordnung nach Figur 1 sind Wandlerelemente in ihrer Längsrichtung parallel nebeneinander und in Richtung ihrer Breite derart hintereinander angeordnet, daß sie einen sogenannten Wandlerkamm bilden, der aus einer großen Anzahl von Wandlerelementen bestehen soll und von denen in der Figur zur Vereinfachung lediglich ein Teil angedeutet und mit 2 bis 10 bezeichnet sind. Die Wandlerelemente bilden ein lineares Array 12, dem ein Sendesystem 30 und ein Empfangssystem 40 sowie eine gemeinsame Zentralsteuereinheit 60 zugeordnet sind. Der Zentralsteuereinheit 60, die beispielsweise ein Mikroprozessor sein kann, werden die das Schallfeld bestimmenden Größen über ein Programmierfeld 62, das beispielsweise ein elektronisches Tastenfeld oder auch ein Codierschalter sein kann, vorgegeben. Die Ultraschallwandleranordnung ist zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung eines Werkstücks 14 vorgesehen und mit einer vorzugsweise keilförmigen Vorlaufstrecke 16 sowie einem Backing 18 versehen.
  • Die Wandlerelemente 2 bis 10 sind jeweils über einen elektronischen Umschalter 22 bis 25, die in der Figur zur Vereinfachung als Schalter mit beweglichen Kontakten dargestellt sind, sowohl an das Sendesystem 30 als auch an das Empfangssystem 40 angeschlossen. Das Sendesystem 30 enthält für die einzelnen Wandlerelemente jeweils einen Sender, die in der Figur mit 32 bis 35 bezeichnet sind, sowie elektronische Verzögerungsglieder 36 bis 39, deren Verzögerungszeiten r von der Zentral steuereinheit 60 einstellbar sind. Das Empfangssystem 40 enthält fUr die Wandlerelemente 2 bis 10 jeweils einen Vorverstärker 42 bis 45 und jeweils ein elektronisches Verzögerungsglied 46 bis 49. Die Verzögerungsglieder 46 bis 49 können vorzugsweise Bauelemente sein, deren Verzögerungszeit elektronisch steuerbar ist, vorzugsweise Ladungstransportelemente (charge transfer device), insbesondere sogenannte CCDs (charge coupled device). Die Ausgangssignale der Verzögerungsglieder 46 bis 49 werden einem Summierverstärker 49 zugeführt und können auf einem Bildschirm 50 als Impuls-Echobild, sogenanntes A-Bild, sichtbar gemacht werden.
  • Unter Umständen kann es zweckmäßig sein, daß die Zentralsteuereinheit 60 nicht über die Verzögerungsglieder 36 bis 39, sondern gegebenenfalls über geeignete Anpassungsglieder direkt auf die einzelnen Sender 32 bis 35 einwirkt.
  • Die Abstrahlfläche der Wandlerelemente 2 bis 10 ist in einem vorbestimmten Keilwinkel 8 von beispielsweise 36,70 zur Oberfläche des Werkstücks 14 angeordnet. Die Wandlerelemente 2 bis 10 sind sowohl im Sende- als auch im Empfangsfall über die elektronischen Umschalter 22 bis 25 getrennt elektronisch ansteuerbar. Sie werden von den Sendern 32 bis 35 angeregt, wobei eine zeitliche Verzögerung der Sendesignale durch die Verzögerungsglieder 36 bis 39 dazu führt, daß die von den Wandlerelementen 2 bis 10 ausgehenden Signale eine Wellenfront bilden, die unter einem der Verzögerung entsprechenden Schwenkwinkel 1 zum Array 12 steht.
  • Die Strahlkeule der Array-Antenne ist somit zum Array 12 geneigt. Der größere Einschallungswinkel &2 entsteht durch die Brechung des Schalls an der Grenzfläche von der Vorlaufstrecke 16 zum Werkstück 14.
  • Durch kontinuierlich steuerbare Verzögerung der Wandlerelemente 2 bis 10 können beliebige Abstrahlwinkel eingestellt werden.
  • Entsprechend werden im Empfangsfall die an den Wandlerelementen 2 bis 10 registrierten Empfangssignale mit Hilfe der Verzögerungsglieder 46 bis 49 so verzögert, daß die unter einem vorbestimmten Winkel ankommenden Signale wiederum phasenrichtig dem Summierverstärker 49 zugeführt und anschließend in der A-Bildtechnik auf dem Bildschirm 50 dargestellt werden können. Zur Einstellung eines vorbestimmten Strahlwinkels s sind also einmal eine im allgemeinen fest vorgegebene lineare Verzögerung der Sendesignale durch die Verzögerungsglieder 36 bis 39 und außerdem die mit den Wandlerelementen 2 bis 10 verbundenen Verzögerungsglieder 46 bis 49 des Empfangs systems 40 erforderlich.
  • Soll nacheinander unter mehreren Strahlwinkeln 52 gemessen werden, so werden für jeden Strahlwinkel den Verzögerungsgliedern 36 bis 39 des Senders 30 von der Zentral steuereinheit 60 jeweils verschiedene Verzögerungszeiten t vorgegeben. Die Einschallung in das zu prüfende Werkstück unter den verschiedenen Strahlwinkeln d, erfolgt somit immer mit dem gleichen Array 12.
  • Die Umschaltung zwischen mehreren fest vorgewählten Strahlwinkeln &2 für Sende- und Empfangsbetrieb kann vorzugsweise automatisch erfolgen und zwar mit so niedriger Frequenz, daß eine Beobachtung und Verwertung der A-Bildanzeige auf dem Bildschirm 50 möglich ist.
  • Tritt unter einem vorbestimmten Strahlwinkel h eine Echoanzeige im Empfangssystem 40 auf, so kann der automatische Durchlauf der Strahlwinkelrichtungen angehalten werden. Dies erfolgt entweder von Hand oder bei Uber- oder Unterschreiten eines vorbestimmten Signalpegels innerhalb eines einstellbaren Anzeigebereichs durch entsprechende Steuerung der Zentralsteuereinheit 60.
  • Durch Zu- oder Abschaltung von am Rand der Gesamtschwingerfläche liegenden Wandlerelementen kann die Abstrahlfläche des Arrays 12 und somit die Form des Schallfeldes und die Lage des in der Figur nicht dargestellten natürlichen Fokuspunktes innerhalb des Werk stücks in den einzelnen Winkellagen verändert werden. Insbesondere kann bei zunehmendem Schwenkwinkel a1 die für das Schallfeld wirksame Abstrahlfläche, die der Projektion der Wandlerfläche in die Schwenkrichtung entspricht, konstantgehalten werden.
  • Eine besonders hohe Auflösung erhält man dadurch, daß zu der linearen Verzögerung der Verzögerungsglieder 46 bis 49 eine zusätzliche quadratische Verzögerung aufgeschaltet wird. Damit erhält man bei den verschiedenen Strahlwinkeln $2 in einer vorbestimmten Tiefe im zu prüfenden Objekt eine stärkere, über den sogenannten natürlichen Fokus hinausgehende Bündelung, d.h.
  • eine Fokussierung des Schallfeldes.
  • In einer besonders einfachen Ausführungsform der Ultraschallwandleranordnung kann es ausreichend sein, wenn die Fokussierung nur innerhalb des Empfangssystems 40 vorgenommen wird. Die Fehlerauflösung kann jedoch noch gesteigert werden, wenn auch im Sendefall eine Fokussierung überlagert wird. In diesem Fall wird auch das Sendesystem 30 mit einer quadratischen Verzögerung gesteuert.
  • In der Ausführungsform der Ultraschallwandleranordnung nach Figur 1 ist zwischen den Wandlerelementen 2 bis 10 und dem zu prüfenden Werkstück 14 eine keilförmige Vorlaufstrecke 16 vorgesehen. Unter Umständen kann es zweckmäßig sein, zwischen den Wandlerelementen 2 bis 10 und dem Werkstück 14 eine planparallele Vorlaufstrecke anzuordnen, die aus einem Material besteht, dessen Schallgeschwindigkeit sich von der Schallgeschwindigkeit des Werkstücks 14 erheblich unterscheidet.
  • Wird dann im Sende- und Empfangsfall der Schallstrahl mit festen Verzögerungszeiten unter einem vorbestimmten Winkel in die Vorlaufstrecke eingespeist, so kommt es an der Grenzfläche zwischen der Vorlaufstrecke und dem Werkstück 14 durch die unterschiedlichen Schallgeschwindigkeiten zu einer Brechung der Schallstrahlrichtung und bei vorbestimmter Wahl des Vorlaufmediums und des Strahlwinkels in der Vorlaufstrecke zur Umwandlung der Longitudinal- in eine Transversalwelle beim Eintritt dieser Welle in das Werkstück 14. Auch in dieser Ausführungsform kann die Umschaltung zwischen mehreren fest gewählten Schallwinkelrichtungen der Longitudinal- oder Transversalwelle automatisch erfolgen, so daß ohne Auswechseln des Prüfkopfes eine Fehlerortung unter verschiedenen Richtungen möglich ist.
  • Als Material für die Vorlauf strecke ist beispielsweise Polymethylmethacrylat (Plexiglas) oder ein verwandter Kunststoff geeignet, sofern eine Schallstrahlbrechung erwünscht ist. Mit einer derartigen Vorlaufstreckeerfolgt im zu untersuchenden Werkstück 51, beispielsweise aus Stahl, eine Strahlbrechung mit einem großen Strahlwinkel zu beiden Seiten der ins Werkstück reichenden Flächennormalen, ohne daß sich wie bei direktem Aufsetzen des Wandlerkamms auf die Werkstückoberfläche eine wesentliche Abnahme der Empfindlichkeit ergibt.
  • Bei Verwendung der Vorlaufstrecke wird zusätzlich die durch die Länge der Sendopulse bedingte Totzeit, innerhalb derer im Werkstück 14 keine Ortung möglich ist, wenigstens teilweise vermindert oder ganz aufgehoben.
  • Die Wandlerelemente 2 bis 10 des linearen Arrays 12 können vorzugsweise gruppenweise gemeinsam gesteuert werden. Besteht beispielsweise die Vorlaufstrecke 16 aus Plexiglas mit einer Schallgeschwindigkeit C1 = 2730 m/s und der zu untersuchende Körper 14 aus Stahl mit einer Schallgeschwindigkeit c2 = 3230 m/s, so ergeben sich bei einem Keilwinkel p = 36,70 die in der folgenden Tabelle aufgeführten Schwenkwinkel: Strahlwinkel A2 Schwenkwinkel Oo - 36,7o 900 (long.) - 9,10 350 (trans.) - 7,70 450 0° 600 10,40 700 15,90 800 19,6° 900 21,00 Wird beispielsweise ein Werkstück 14 aus einem Stahl mit einer anderen als der erwähnten Schallgeschwindigkeit oder andere Materialien mit der Ultraschallwandleranordnung getestet, so kann durch Eingabe der geänderten Schallgeschwindigkeit die Steuerung der Verzögerungsglieder 36 bis 39 und 46 bis 49 so geändert werden, daß wiederum mit den erwähnten gebräuchlichen Strahlwinkeln f2 geprüft werden kann.
  • Damit erhält man einen wesentlichen Unterschied zum Prüfverfahren mit bekannten Winkelprüfköpfen, deren Winkelangabe sich nur auf eine vorbestimmte Stahlsorte bezieht.
  • Die Anpassung der Steuerung der Verzögerungszeiten an die Schallgeschwindigkeit des Werkstücks 14 ist insbesondere auch beim Betrieb der Ultraschallwandleranordnung als Kriechwellenprüfkopf von Bedeutung, da sich die Kriechwelle nur beim Grenzwinkel der Totalreflexion zwischen keilförmiger Vorlauf strecke 16 und Werkstück 14 anregen läßt. Durch Anderung der Einstellung der Schallgeschwindigkeit kann die Erzeugung der Kriechwelle also optimiert werden.
  • Wird die Ultraschallwandleranordnung als Winkelprüfkopf betrieben, so kann bei unbekanntem Material des Werkstücks 14 oder bei unbekannter Schallgeschwindigkeit des bekannten Materials die Schallgeschwindigkeit mit Hilfe der Ultraschallwandleranordnung bestimmt werden. Enthält das Werkstück 14 beispielsweise eine Oberfläche bekannter Neigung, so kann bei davon abhängiger konstanter Winkeleinstellung die Schallgeschwindigkeit so lange verändert werden, bis der Ultraschallstrahl die reflektierende Oberfläche senkrecht trifft und das reflektierte Echo mit maximaler Amplitude von der Empfangseinrichtung 40 der als Winkelscanner arbeitenden Ultraschallwandleranordnung aufgenommen wird. Die Einstellung der Schallgeschwindigkeit am Gerät gibt dann den wahren Wert der Schallgeschwindigkeit im Werkstück 14 an.
  • Der Keilwinkel kann vorzugsweise so ausgelegt sein, daß die stärksten positiven und negativen Schwenkwinkel W1 etwa gleich groß sind und zugleich für einen der Strahlwinkel s2 ein Schwenkwinkel tt1 = °° eingesetzt werden kann.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Ultraschallwandleranordnung mit einer Gruppensteuerung der Wandlerelemente 2 bis 10 kann durch Zuschaltung weiterer äußerer Wandlerelemente die Schwingerfläche vergrößert werden, da sich vor allem bei hohen Schwenkwinkeln 9 eine Verkürzung der effektiven Länge Leff des Arrays 10 ergibt. Die Größe der zugeschalteten Fläche kann bei der Normalprüffunktion beispielsweise so gewählt werden, daß die auf die Austrittsseite der Anordnung projizierte Schwingerfläche L2 wieder die Größe der beim Winkelkopfbetrieb empfindlichen Schwingerfläche L1 annimmt.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Anordnung werden bei der Winkelprüffunktion Schwinger aus der zusätzlichen Schwingerfläche zur Arrayfläche zugeschaltet, so daß die effektive Arrayfläche wieder gleich ist der Arrayfläche beim Schwenkwinkel «1 = 0.
  • Beim Durchtakten der einzelnen Schwenkwinkel W1 verschiebt sich der Schallaustrittspunkt S1 des Prüfkopfs zum Schnittpunkt 2 der Mittelsenkrechten der effektiven geschwenkten Schwingerfläche, die in der Figur mit U1 angedeutet ist, mit der Schallaustrittsseite.
  • Dadurch kann sich die Messung der Lage von Fehlern im Werkstück verfälschen. Es wird deshalb nach Figur 2 für jeden Schwenkwinkel > aus der ganzen zur Verfügung stehenden Schwingerfläche eine solche in der Figur mit U2 angedeutete Unterfläche gewählt und angesteuert, daß bei allen Schwenkwinkeln W1 der Schallaustrittspunkt annähernd an der gleichen Stelle verbleibt.
  • 8 Patentansprüche 2 Figuren Leerseite

Claims (8)

  1. Patentansprüche .) Ultraschallwandleranordnung mit einem Array (10) aus Wandlereiementen (2 bis 10), denen ein Sendesystem (30) und ein Empfangssystem (40)mit elektronischer Schwenkung und Fokussierung des Schallfeldes durch Verzögerung der Sende- und Empfangssignale zugeordnet ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß eine Vorlaufstrecke vorgesehen ist und daß eine programmierbare Steuerung mit einer Zentralsteuereinheit (60) vorgesehen ist, der ein Programmierfeld (62) zugeordnet ist, das als Eingabe für die das Schallfeld der Wandlerelemente (2 bis 10) bestimmenden Größen vorgesehen ist
  2. 2. Ultraschallwandleranordnung nach Anspruch 1, g e k e n n z e i c h n e t durch eine Vorlaufstrecke mit einander parallelen Oberflächen der Schalleintritts- und der Schallaustrittsseite.
  3. 3. Ultraschallwandleranordnung nach Anspruch 1, g e k e n n z e i c h n e t durch eine keilförmige Vorlaufstrecke (16).
  4. 4. Anordnung nach Anspruch 3 mit einer Vorlaufstrecke (16) aus Plexiglas in Verbindung mit einem zu prüfenden Körper (14) aus Stahl, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß für die keilförmige Vorlaufstrecke (16) der Keilwinkel P = 36,70 beträgt.
  5. 5. Ultraschallwandleranordnung nach Anspruch 3 mit einer keilförmigen Vorlaufstrecke (16) aus Plexiglas in Verbindung mit einem zu prüfenden Körper (14) aus Stahl, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß für die keilförmige Vorlaufstrecke (16) der Keilwinkel ß = 28,8° wo beträgt.
  6. 6. Ultraschallwandleranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß beim Betrieb als Normalprüfkopf durch Zuschaltung mehrerer äußerer Wandlerelemente der Wandlergruppe die Schwingerfläche derart vergrößert wird, daß die auf die Austrittsseite des Prüfkopfes proJizierte Schwingerfläche (L2) wieder die Größe der beim Winkelkopfbetrieb empfindlichen Schwingerfläche (L1) hat.
  7. 7. Ultraschallwandleranordnung nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Größe der zugeschalteten Fläche derart gewählt wird, daß die auf die Austrittsseite des Prüfkopfs projizierte Schwingerfläche eine quadratische Form hat, die flächengleich ist mit der Schwingerfläche eines zu ersetzenden runden Normalprüfkopfs.
  8. 8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß für jeden Schwenkwinkel (%) aus der zur Verfügung stehenden Schwingerfläche eine solche Unterfläche (U2) ansteuerbar ist, daß bei allen Schwenkwinkeln der Schallaustrittspunkt wenigstens annähernd an der gleichen Stelle (S1) ) verbleibt (Fig. 2).
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DE3425811A1 (de) * 1983-07-14 1985-03-14 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V., 8000 München Verfahren zum bestimmen der wandstaerke eines werkstueckes und/oder der schallgeschwindigkeit in einem werkstueck sowie vorrichtung zur durchfuehrung der verfahren
DE102008041835A1 (de) * 2008-09-05 2010-03-18 Ge Inspection Technologies Gmbh Impulsechoverfahren mittels Gruppenstrahler und Temperaturkompensation
DE102008041831A1 (de) * 2008-09-05 2010-03-25 Ge Inspection Technologies Gmbh Impulsechoverfahren mit Ermittlung der Vorlaufkörpergeometrie
CN102778511A (zh) * 2011-05-13 2012-11-14 中国石油天然气股份有限公司 一种平板无损检测的超声导波换能器

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