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UltraschallwandleranordnunE
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Ultraschallwandleranordnung, insbesondere
zur zerstörungsfreien Werkatoffprüfung, mit einem Array aus Wandlerelementen, denen
ein Sende system und ein Empfangasystem 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.
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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 Zwischen stücke, auf die der Wandler fest aufgedrückt oder aufgekittet
wird. Diese keilförmige Vorlauf strecke bewirkt beim Schallübergang zwischen Vorlauf
strecke und BTUfkörper eine Brechung in die gewünschte Richtung und gegebenenfalls
eine Wellenumwandlung, beispielsweise die Umwandlung einer einfallenden Longitudinal-
in eine gebrochene Transversalwelle.
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Solche Winkelprüfköpfe werden verwendet zur Fehler ortung in Werkstücken
mit dem Impuis-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: 1Werkstoffprüfung mit
Ultraschall", 3. Auflage, 1975, Seiten 228 bis 235).
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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.
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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 KrUmmung 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.
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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
PrUfkopfes kann auch mit einer keilförmigen Vorlaufstrecke versehen sein (DE-OS
29 01 231).
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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).
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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 annahernd
900 möglich ist.
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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.
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Durch elektronische Ansteuerung soll nur unter solchen Winkeln Schall
abgestrahlt und Echos empfangen werden, welche den bisher üblichen sogenannten Einfachwinkelprüfköpfe
entsprechen, nämlich etwa 00, 350, 450, 600, 700, 800 und 900, wobei unter 900 eine
sogenannte Kriechwelle abgestrahlt wird.
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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 Stahlteilen, aufgrund des Brechungseffektes
und der Modenwandlung an der Grenzfläche zwischen Vorlaufstrecke und Prüfkörper
bei einem Einsehallwinkel zwischen 0 und etwa 30° ein Longitudinal- und Transversalwellenmod
und bei Einschallwinkeln größer als etwa 300 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
fUhren.
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Ferner soll dem Operator eine On-line-Kontrolle ermöglicht werden.
Er soll somit während der gesamten Prüfzeit von Ort zu Ort optisch verfolgen können,
wo ein Echopuls auftritt, und zwar in Form der A-Bild-Darstellung. Damit bleibt
die unmittelbare RUckkopplung zwischen dem als Meßsensor dienenden Ultraschallarray
und Operator gewahrleistet. Es soll somit ein Gerät angegeben werden, das in verhältnismäaig
einfacher Weise durch den Multifunktionsprufkopf den Prüfaufwand reduziert, durch
geringere Ermüdung des Operators die Zuverlässigkeit des Ergebnisses erhöht und
keine neue Auswertetechnik mit entsprechendem Zusatzaufwand erfordert.
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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.
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Durch die Wahl diskreter Winkel können die Funktionen von mehreren
bisher technisch eingesetzten EinzelprUfköpfen mit Jeweils einer Normal- oder Winkelabstrahlung
in einem einzigen Prüfkopf verbunden werden.
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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 90° 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
p° (longitudinal) b) Winkel 350, 450, 600, 70° und 800 (transversal), c) Kriechwelle
900 (longitudinal oder transversal).
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Andere Strahlwinkel für longitudinale oder transversale Ultraschallwellen
können ebenfalls eingestellt werden.
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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 p zur Normalen auf der Fläche der Wandlerelemente
abgestrahlt wird und durch die Austrittsseite des Prufkopfs, d.h. die Grenzfläche
zwischen Vorlaufstrecke und Werkstück, senkrecht ohne Brechung hindurchtritt.
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Da in diesem Fall sowohl der Einsch611winkel z1 als auch der Strahlwinkel
h Null sind, ist die Einstellung der Schallgeschwindigkeit hier für die Strahlausbreitung
unerheblich.
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Im Betrieb als Normalprüfkopf durch Zuschaltung weiterer äußerer Elemente
wird die Schwingerfläche vergrößer, um die bei der ProJektion der aktiven Schwingerfläche
auf die Schallaustrittsseite eintretende Verkürzung der effektiven Arraylänge auszugleichen.
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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 Normalprüfkopf 5. Hierdurch
gewinnt man eine allgemeine Vergleichbarkeit der Meßergebnisse.
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In einer Ausführungsform der Ultraschallwandleranordnung mit einer
keilförmigen Vorlaufstrecke 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.
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Die im Werkstück wirkende Schallgeschwindigkeit wird am Gerät vorab
eingestellt und dadurch die Steuerung der Verzögerungsketten, beispielsweise durch
einen Mikrocomputer, beeinflußt. Wird nämlich im Werkstück mit der Schallgeschwindigkeit
c2 eine Ultraschallstranlung unter dem Strahlwinkel N gewünscht, so erhält man unter
Berücksichtigung des Snelliusschen Breehungsgesetzes den Einschallwinkel aus der
Beziehung c1 sin α0 = c2 . sin α2.
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Für feste Strahlwinkel α2 und konstante Schallgeschwindigkeit
c1 ist der erforderliche Einschaliwinkel also eine Funktion der Schallgeschwindigkeit
c2. Unter Berücksichtigung eines ebenfalls konstanten Keilwinkels p ergibt sich
der Schwenkwinkel $1 mit α1 = α0 - ß.
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Im Mikroprozessor sind weitere Konstanten wis die Schallgeschwindigkeit
c1 oder der Keilwinkel gespeichert oder im Programm eingefügt und können bei einer
etwaigen Neuprogrammierung auch geändert werden.
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug
genommen, in deren Figur 1 ein AusfUhrungsbeispiel einer Ultraschallwandleranordnung
nach der Erfindung schematisch veranschaulicht ist. In
Figur 2
ist eine besondere Ausführungsform des Arrays dargestellt.
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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
Empfangs system 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.
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Die Wandlerelemente 2 bis 10 sind jeweils über einen elektronischen
Umschalter 22 bis 24, 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 Sende system 30 enthält für die einzelnen Wandlerelemente
jeweils einen Sender, die in der Figur mit 32 bis 34 bezeichnet sind, sowie elektronische
Verzögerungsglieder 36 bis 38, deren Verzögerungszeiten r von der Zentral steuereinheit
60 einstellbar sind. Das Empfangssystem 40 enthält für die Wandlerelemente 2 bis
10 jeweils einen Vorverstärker 42 bis
44 und jeweils ein elektronisches
Verzögerungsglied 46 bis 48. Die Verzögerungsglieder 46 bis 48 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 48 werden
einem Summierverstärker 49 zugeführt und können auf einem Bildschirm 50 als Impuls-Echobild,
sogenanntes A-Bild, sichtbar gemacht werden.
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Unter Umständen kann es zweckmäßig sein, daß die Zentralsteuereinheit
60 nicht über die Verzögerungsglieder 36 bis 38, sondern gegebenenfalls über geeignete
Anpassungsglieder direkt auf die einzelnen Sender 32 bis 34 einwirkt.
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Die Abstrahlfläche der Wandlerelemente 2 bis 10 ist in einem vorbestimmten
Keilwinkel p 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 24 getrennt elektronisch ansteuerbar. Sie werden
von den Sendern 32 bis 34 angeregt, wobei eine zeitliche Verzögerung der Sendesignale
durch die Verzögerungsglieder 36 bis 38 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.
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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 Vorlauf strecke 16 zum Werkstück 14.
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Durch kontinuierlich steuerbare Verzögerung der Wandlerelemente 2
bis 10 können beliebige Abstrahlwinkel
eingestellt werden.
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Entsprechend werden im Empfangsfall die an den Wandlerelementen 2
bis 10 registrierten Empfangssignale mit Hilfe der Verzögerungsglieder 46 bis 48
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 s2 sind also einmal eine im allgemeinen fest vorgegebene lineare Verzögerung
der Sendesignale durch die Verzögerungsglieder 36 bis 38 und außerdem die mit den
Wandlerelementen 2 bis 10 verbundenen Verzögerungsglieder 46 bis 48 des Empfangssystems
40 erforderlich.
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Soll nacheinander unter mehreren Strahlwinkeln h gemessen werden,
so werden für Jeden Strahlwinkel den Verzögerungsgliedern 36 bis 38 des Senders
30 von der Zentralsteuereinheit 60 jeweils verschiedene Verzögerungszeiten t vorgegeben.
Die Einschallung in das zu prüfende Werkstück unter den verschiedenen Strahlwinkeln
b2 erfolgt somit immer mit dem gleichen Array 12.
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Die Umschaltung zwischen mehreren fest vorgewählten Strahlwinkeln
e 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.
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Tritt unter einem vorbestimmten Strahlwinkel G2 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.
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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 Werkstücks in den einzelnen Winkellagen verändert werden. Insbesondere kann
bei zunehmendem Schwenkwinkel &1 die für das Schallfeld wirksame Abstrahlfläche,
die der Projektion der Wandlerfläche in die Schwenkrichtung entspricht, konstant
gehalten werden.
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Eine besonders hohe Auflösung erhält man dadurch, daß zu der linearen
Verzögerung der Verzögerungsglieder 46 bis 48 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.
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eine Fokussierung des Schallfeldes.
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In einer besonders einfachen Ausführungsform der Ultraschallwandleranordnung
kann es ausreichend sein, wenn die Fokussierung nur innerhalb des Empfangssystem
40 vorgenommen wird. Die Fehlerauflösung kann jedoch nochgesteigert werden, wenn
auch im Sendefall eine Fokussierung überlagert wird. In diesem Fall wird auch das
Sende system 30 mit einer quadratischen Verzögerung gesteuert.
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In der Ausführungsform der Ultraschallwandleranordnung nach Figur
1 ist zwischen den Wandlerelementen 2 bis 10 und dem zu prüfenden Werkstück 14 eine
keilförmige Vorlauf strecke 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.
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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 Vorlauf strecke 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.
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Als Material für die Vorlauf strecke ist beispielsweise Polymethylmethacrylat
(Plexiglas) ) oder ein verwandter Kunststoff geeignet, sofern eine Schallstrahlbrechung
erwünscht ist. Mit einer derartigen Vorlaufstrecke erfolgt im zu untersuchenden
Werkstück 14, 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 Werkstück oberfläche eine wesentliche
Abnahme der Empfindlichkeit ergibt.
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Bei Verwendung der Vorlaufstrecke wird zusätzlich die durch die Lange
der Sendepulse bedingte Totzeit, innerhalb derer im Werkstück 14 keine Ortung möglich
ist, wenigstens teilweise vermindert oder ganz aufgehoben.
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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 mis und das Werkstück 14
aus Stahl mit einer Schallgeschwindigkeit c2 = 3230 m/s, so ergeben sich bei einem
Keilwinkel p = 36,7° die in der folgenden Tabelle aufgeführten Schwenkwinkel: Strahlwinkel
N2 Schwenkwinkel Oo - 36,70 900 (long.) - 9,10 35° (trans.) - 7,7° 450 Oo 600 10,40
700 15,90 800 19,60 900 21,ovo Wird beispielsweise ein Werkstück 14 aus einem Stahl
mit einer anderen als der erwahnten Schallgeschwindigkeit oder andere Materialien
mit der Ultraschallwandleranordnung getestet, so kann durch Eingabe der geänderten
Schallgeschwindigkeit die Steuerung der Verzögerungsglieder 36 bis 38 und 46 bis
48 so geändert werden, daß wiederum mit den erwahnten gebräuchlichen Strahlwinkeln
«2 geprüft werden kann.
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Damit erhält man einen wesentlichen Unterschied zum
Prüfverfahren
mit bekannten Winkelprüfköpfen, deren Winkelangabe sich nur auf eine vorbestimmte
Stahlsorte bezieht.
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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 Vorlaufstrecke 16 und Werkstück 14 anregen
läßt. Durch Änderung der Einstellung der Schallgeschwindigkeit kann die Erzeugung
der Kriechwelle also optimiert werden.
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Wird die Ultraschallwandleranordnung als WinkelprUfkopf 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 Winkel scanner arbeitenden Ultraschallwandleranordnung aufgenommen wird.
Die Einstellung der Schallgeschwindigkeit am Gerät gibt dann den wahren Wert der
Schallgeschwindigkeit im Werkstück 14 an.
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Der Keilwinkel kann vorzugsweise so ausgelegt sein, daß die stärksten
positiven und negativen Schwenkwinkel b1 etwa gleich groß sind und zugleich für
einen der Strahlwinkel s2 ein Schwenkwinkel %1 ~ 0° eingesetzt werden kann.
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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 α1 eine Verkürzung der effektiven Länge Leff des
Arrays 10 ergibt. Die Größe der zugeschalteten Fläche kann bei der Nornalprüffunktion
beispielsweise so gewählt werden, daß die auf die Austrittsseite der Anordnung proJizierte
Schwingerfläche L2 wieder die Größe der beim Winkelkopfbetrieb empfindlichen Schwingerfläche
L1 annimmt.
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In einer weiteren Ausfühngsform 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 æ O.
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Beim Durchtakten der einzelnen Schwenkwinkel W1 verschiebt sich der
Schallaustrittspunkt S1 des Prüfkopfes zum Schnittpunkt S2 der Mittelsenkrechten
der effektiven geschwenkten Schwingerfläche, die in der Figur mit U1 angedeutet
ist, mit der Schallaustrittsseite.
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Dadurch kann sich die Messung der Lage von Fehlern im Werkstück verfälschen.
Es wird deshalb nach Figur 2 für Jeden Schwenkwinkel α1 aus der ganzen zur
Verfügung stehenden Schwingerfläche eine solche in der Figur mit U2 angedeutete
Unterfläche gewählt und angesteuert, daß bei allen Schwenkwinkeln ffi der Schallaustrittspunkt
annahernd an der gleichen Stelle verbleibt.
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8 Patentansprüche 2 Figuren
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