DE3720574C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Ultraschall-Mehrfachprüfkopf für die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung oder die medizinische Diagnostik, der zwischen seinem rückwärtigen Dämpfungskörper und seiner etwaigen vorderseitigen Schutz- und/oder Anpassungsschicht mehrere reihenweise angeordnete, elektrisch voneinander getrennte piezoelektrische Einzelelemente mit ähnlichem oder annähernd gleichem Übertragungsverhalten aufweist.

Bei der flächenabdeckenden Untersuchung von Prüflingen (z. B. beim Fehlernachweis in Knüppeln oder Rohren) mittels der Ultraschallprüftechnik ist das Problem gegeben, mittels des von dem zur Prüfung eingesetzten Prüfkopf oder den eingesetzten Prüfköpfen erzeugten Schallfeldes alle im Prüfling möglichen Fehlerlagen mit hinreichender Ultraschallimpuls-Echoamplitude zu erfassen, so daß ein sicherer Fehlernachweis gewährleistet ist. Zu diesem Zweck wird üblicherweise die relative Lage des einge­ setzten Prüfkopfes bzw. der eingesetzten Prüfköpfe zur Oberfläche des Prüflings im Verlaufe der Prüfung so oft verändert, daß sich für alle möglichen Fehlerlagen eine hinreichende Echoamplitude ergibt.

Übliche Prüfköpfe für Impuls-Reflexionsbetrieb sind mit piezoelektrischen Elementen mit kreisförmiger, rechteckförmiger oder anderer Geometrie zur Erzeugung und zum Nachweis von Ultraschall ausgerüstet.

Bekanntermaßen ist das von einem Prüfkopf mit kreis­ förmiger abstrahlender Fläche empfangene Ultraschall- Echosignal eines kreisscheiben- oder kugelförmigen Re­ flektors am größten, wenn sich der Reflektor auf der Mittelachse des Prüfkopfes befindet. Mit zunehmendem seitlichen Abstand des Reflektors von dieser Mittelachse fällt die Echoamplitude ab, und zwar um so mehr, je geringer der Durchmesser des Reflektors in Relation zur abstrahlenden Prüfkopfoberfläche ist. Entsprechendes gilt auch für abstrahlende Flächen anderer Geometrie, z. B. für rechteckförmige piezoelektrische Elemente.

Um der Abhängigkeit der Echoamplitude vom seitlichen Abstand des Reflektors von der Prüfkopfmittelachse Rech­ nung zu tragen, kann der Prüfkopf in Breitenrichtung des Prüflings hin- und herbewegt werden, zusätzlich zur axialen Vorschubbewegung zwischen Prüfling und Prüf­ kopf. Oder es werden so viele Prüfköpfe nebeneinander angeordnet, daß über eine möglichst große Breite des Prüflings, z. B. über dessen gesamte Querabmessung, eine sichere Fehlernachweisbarkeit gegeben ist. Die zuletzt erwähnte Lösung wird insbesondere in automatischen Prüf­ anlagen, z. B. für die Knüppelprüfung, realisiert. Es ist mit ihr eine erheblich höhere Prüfgeschwindigkeit möglich als mit nur einem, zusätzlich zum axialen Vor­ schub längs der Breite hin- und herbewegten Prüfkopf. Bei der Prüfung mittels mehrerer, nebeneinander ange­ ordneter Prüfköpfe haben deren piezoelektrische Elemente (S) jeweils einen Abstand a voneinander, wie in Fig. 1a schematisch wiedergegeben ist, welche die Verhältnisse bei der bekannten Aneinanderreihung üblicher Prüfköpfe veranschaulicht. Da die äußeren Gehäuseabmessungen der Prüfköpfe naturgemäß größer sind als die darin verwendeten piezoelektrischen Wandlerelemente, ist bei diesen bekann­ ten Prüfkopfanordnungen der Abstand zwischen den piezo­ elektrischen Elementen unvermeidbar. Wenn sich bei diesen Prüfkopfanordnungen der Fehler im axialen Abstand von der x-Achse jeweils in der Nähe der lateralen Position y = b + a/2, 2(b + a/2), . . . (n - 1)(b + a/2) (b = Länge des ein­ zelnen piezoelektrischen Elementes) befindet, kann je nach Fehlergröße oftmals wegen der Verringerung des Schalldrucks in den erwähnten lateralen Positionen keine hinreichende Echoamplitude mehr erreicht werden. Die Fehlernachweis­ barkeit ist somit nicht für alle Positionen gewährleistet.

Um hier eine Verbesserung herbeizuführen durch Verringerung des Abstandes a sind spezielle Anreihprüfköpfe (vgl. P. Möller: "Rationales, automatisches Prüfen mit Ultraschall an Rohren und Rundmaterial" in Bänder, Bleche, Rohre 14 (1973), 1-6) oder sog. Mehrfachprüfköpfe entwickelt worden. Bei diesen sind zwischen dem rückwärtigen Dämpfungskörper und einer etwaigen vorderseitigen Schutz- und/oder Anpassungsschicht mehrere(n) elektrisch voneinander getrennte piezoelektrische Einzelelemente der Länge b mit ähnlichem oder annähernd gleichem Übertragungsverhalten in einem Prüfkopfgehäuse dicht nebeneinander gereiht, so daß der zusätzliche Abstand zwischen den Einzelelementen durch Gehäusewandungen entfällt. Eine solche Reihe aus n piezoelektrischen Einzelelementen der Länge b kann auch durch n Elektroden der Länge b auf einer zusammenhängenden piezoelektrischen Schicht der Länge n.b gebildet sein. Auch mit den bekannten Anreihprüfköpfen bzw. Mehrfachprüfköpfen, deren Elementen-Anordnung Fig. 1b veranschaulicht, ist, wenn sich der Fehler in den lateralen Positionen y = b, 2b, . . . (n - 1)b befindet, je nach Fehlergröße oftmals keine hinreichende Echoamplitude erreichbar.

Um die Einbrüche des Schalldrucks bzw. der Echoamplitude in den Bereichen zwischen den Elementen weiter zu verringern, sind die nachfolgend erwähnten Wege bekanntgeworden:

• - Es ist die Geometrie der Einzelelemente und/oder der Elektroden gegenüber der üblichen Rechteckform verändert worden, z. B. in die Rautenform.
• - Zur Verbesserung der Signalamplitude werden z. B. in der Sendephase alle Einzelelemente gleichzeitig (elektrisch parallel) betrieben und nur in der Empfangsphase einzeln. Dies geschieht bei SE-Prüfköpfen (Prüf­ köpfe mit akustisch und elektrisch getrennten Elementen für Sende- und Empfangsfunktion durch entsprechende Geometrie der sendenden und empfangenden Elemente; bei den sonst üblichen Mehrfachprüfköpfen ist dies durch entsprechende elektronische Ansteuerung zu realisieren. Mit dieser Betriebsart läßt sich in der Sendephase eine mehr oder minder gleichmäßige Schalldruckverteilung längs des Bereiches y = 0 bis y = n.b erreichen (entsprechend den physikalischen Ausbreitungsgesetzen bei einer Schallquelle mit Länge n.b und Breite c), jedoch bleiben im Empfangsfall die örtlichen Einbrüche der Empfindlichkeit weiterhin bestehen.

In der DE 24 21 249 A1 ist in bezug auf einen SE-Prüfkopf mit getrennten Schwingereinheiten als Sender und Empfänger, die voneinander akustisch isoliert und über eine Vorlaufstrecke an einen Prüfling angekoppelt sind, vorgeschlagen worden, in einem Prüfkopfgehäuse mehr als eine Sender-Empfänger-Einheit unterzubringen, wobei der Sender nur als Sender und der Empfänger nur als Empfänger geschaltet ist, und die zugehörige Schwingerfläche des Senders und des jeweiligen Empfängers hinsichtlich ihrer Größe unterschiedlich auszubilden und die Anzahl der Sender kleiner zu halten als die Anzahl der Empfänger. Daraus resultiert eine Anordnung, bei der die Sender gegenüber den Empfängern überlappend angeordnet sind. Dies führt jedoch nicht zu einer Verringerung der Einbrüche des Schalldrucks bzw. der Echoamplituden sowohl auf der Sender- als auch auf der Empfängerseite, da ja die überlappend angeordneten Elemente akustisch und elektrisch voneinander getrennt sind. Die überlappende Anordnung von derartigen Schwingerelementen eines SE-Prüfkopfes bewirkt nur eine Überlappung der getrennten Echocharakteristiken von Sender und Empfänger ohne Auswirkung auf die Charakteristiken als solche.

Ein großer Winkelbereich innerhalb eines zu prüfenden Werkstücks kann mit einer gemäß den Fig. 1a oder 1b aufgebauten Elementenzeile erfaßt werden, indem die Hauptrichtkeule der gesamten Anordnung innerhalb der x-y-Ebene gemäß den Fig. 1a und 1b geschwenkt wird. Dies ist jedoch nur mit entsprechendem Aufwand an Elek­ tronik zu realisieren, da alle Elemente mit einzeln steuerbaren elektronischen Zeitverzögerungsschaltungen versehen sein müssen. Auch die Signalauswertung ist mit erheblichem elektronischen Aufwand verbunden, so daß insgesamt ein sehr hoher technischer Aufwand erforderlich ist.

Der Erfindung hat die Aufgabe zugrunde gelegen, einen Ultraschall-Mehrfachprüfkopf zu schaffen, der eine möglichst lückenlose Fehlernachweisbarkeit längs der gesamten wirksamen Prüfkopfbreite gewährleistet und dabei mit geringem technischem Aufwand herstellbar und auch leicht reparierbar ist.

Die Erfindung besteht in den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere Merkmale der Erfindung sind Gegenstand der Unter­ ansprüche.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist davon ausgegangen worden, daß es grundsätzlich möglich ist, Schwingerscheiben kongruent übereinanderzustapeln und akustisch derart miteinander zu verbinden, daß ein Schwinger durch die in Abstrahlrichtung davor angeordneten Schwinger bzw. piezoelektrischen Elemente hindurchschallt.

Schwinger mit kongruent übereinander gestapelten und akustisch miteinander verbundenen Schwingerscheiben sind in der Veröffentlichung von K. M. Sung in Ultrasonics, Band 22 (1984) auf den Seiten 61-68 in dem Artikel "Piezo­ electric multilayer transducers for ultrasonic pulse compression" beschrieben. Die vorbekannten Anordnungen gemäß dieser Veröffentlichung, bei denen bis zu 13 Wandlerscheiben mit in Schallausbreitungsrichtung ent­ sprechend der Vorgabe eines binären Barker-Codes ge­ wählten Polarisationsrichtungen übereinander gestapelt sind, um Barker-codierte Ultraschallsignale zu erzeugen und korreliert zu empfangen, sind jedoch zur Lösung der der vorliegenden Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe nicht geeignet. Bei den bekannten Schwingern ist nämlich eine vollständige Kongruenz der übereinander angeordneten Schwingerscheiben Voraussetzung für die Erzeugung und den korrelierten Empfang der Barker-codierten Ultra­ schallsignale. Alle übereinanderliegenden Wandler­ scheiben werden dabei im Sendefall gleichzeitig ange­ steuert. Entsprechend tragen im Empfangsfall alle Ele­ mente gleichzeitig zum Empfangssignal bei. Mit kongruent übereinander angeordneten Schwingerscheiben ist die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe nicht zu lösen.

Die Erfindung ist in der nachstehenden Beschreibung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1a das Anordnungsprinzip der einzelnen piezo­ elektrischen Elementen bei der bekannten Prüf­ kopf-Aneinanderreihung,

Fig. 1b das Anordnungsprinzip der einzelnen Wandler­ elemente bei den bekannten Mehrfachprüfköpfen,

Fig. 1c den Echoamplitudenverlauf für einen bekannten Mehrfachprüfkopf gemäß Fig. 1b,

Fig. 2 den Echoamplitudenverlauf für einen Mehrfachprüf­ kopf gemäß Fig. 3,

Fig. 3, 4 und 5 das Anordnungsschema der piezoelektrischen Elemente für unterschiedliche Ausführungsformen eines Mehrfachprüfkopfes gemäß der Erfindung, wobei Fig. 5 einen kombinierten Mehrfach-Anreih­ prüfkopf betrifft.

Im Mehrfachprüfkopf gemäß Fig. 3 sind N (N = eine ganze Zahl ≧ 2) Schichten, von denen die zwei Schichten I und II dargestellt sind, mit je n (n = eine ganze Zahl ≧ 2) piezoelektrischen Einzelelementen S_{I, 1}, S_{I, 2}, . . . S_{I, n}, S_{II, 1}, S_{II, 2}, . . . S_{II, n}, getrennt durch eine elektrisch isolierende Zwischenschicht Z, in Schallausbreitungsrichtung übereinanderliegend angeordnet. Die Zahl n kann für jede Schicht einen unterschiedlichen Wert haben. So be­ finden sich bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel in der Schicht I sieben Elemente S_{I, 1}, S_{I, 2}, . . . S_{I, 7} und in der Schicht II sechs Elemente S_{II, 1}, S_{II, 2}, . . . S_{II, 6}. Bei der dargestellten Ausführungsform haben alle Elemente S_{N, n} die gleiche Länge L und Breite b. Die Schichten I, II, . . . N sind (über die Zwischenschicht(en) Z) mecha­ nisch und akustisch miteinander verbunden. Den rückwärtigen Abschluß des Wandlers bildet ein Dämpfungskörper D. An der Vorderseite des Wandlers befindet sich eine Schicht A, die als mechanische Schutz- und/oder Anpassungsschicht ausgelegt sein kann.

Auf den Oberflächen jedes Elementes S_{I, n} der Schicht I und jedes Elementes S_{II, n} der Schicht 2 befinden sich Elektroden E_{I, 1 bis 7}, E′_{I, 1 bis 7}, bzw. E_{II, 1 bis 6}, E_{II, 1 bis 6}, deren elektrische Zuleitungen Z_{I, 1 bis 7}, Z′_{I, 1 bis 7} bzw. Z_{II, 1 bis 6}, Z_{II, 1 bis 6} nur für die Elemente S_{I, 6} und S_{II, 5} eingezeichnet und mit Z_{I, 6} und Z_{II, 5} bezeichnet sind. An­ stelle der teilweise unmittelbar übereinanderliegenden und beim Betrieb elektrisch auf das gleiche Potential aufgela­ denen Elektroden E′_{I, 1 bis 7} und E_{II, 1 bis 6} kann jeweils eine einzige durchgehende Elektrode auf den einander gegenüber­ liegenden Oberflächen der Schichten I, II, . . . N ange­ bracht sein, die im Betrieb auf Masse zu legen ist. Eine elektrische Isolation zwischen unmittelbar übereinander­ liegenden Elektroden von Elementen S_{N, n} ist nur dann not­ wendig, wenn diese nicht auf gemeinsamem Potential liegen können. Das ist dann der Fall, wenn mehr als zwei Schich­ ten von piezoelektrischen Elementen vorgesehen sind, weil dann, wenn beispielsweise die Elektroden zwischen den Schichten I und II auf gemeinsamem Masse-Potential liegen würden, die Elektroden zwischen den Schichten II und III gegeneinander isoliert sein müßten. Wenn Drucksignale glei­ cher Polarität erzeugt werden sollen, müssen die Polarisa­ tionsrichtungen P_I der Elemente der Schicht I entgegenge­ setzt zu den Polarisationsrichtungen P_II der Elemente der Schicht II gewählt werden, wie es in Fig. 3 in den Elementen S_{I, 4} und S_{II, 4} eingezeichnet ist.

Die Elemente S_{I, 1 bis 7} bzw. S_{II, 1 bis 6} der Schicht I bzw. II sind so angeordnet, daß jedes Element der einen Schicht das ihm gegenüberliegende Element bzw. die ihm gegenüber­ liegenden Elemente der benachbarten Schicht(en) in Schicht- Breitenrichtung überlappt. Bei der Ausführung gemäß Fig. 3 ist die Überlappung - wie zweckmäßig ist - so gewählt, daß die seitlichen Trennflächen der Elemente der einen Schicht jeweils mittig zu dem (den) gegenüberliegenden Element(en) der benachbarten Schicht(en) verlaufen.

Für die Elemente der Schicht I würde, wenn sie allein be­ trieben werden würde, sich ein Echoamplitudenverlauf gemäß Fig. 1c ergeben, wenn man einen Reflektor unter gleichblei­ bendem Abstand in Schicht-Breitenrichtung an den Elementen vorbeibewegen würde. Die Kurven K_{I, 1}, K_{I, 2}, . . . K_{I, n} geben den Echoamplitudenverlauf für die einzelnen Elemente S_{I, 1}, S_{I, 2}, . . . S_{I, n} an. Die einhüllende Kurve K^E _I gibt die Feh­ lernachweisempfindlichkeit der Schicht I an. Sie ent­ spricht dem Verlauf der Fehlernachweisempfindlichkeit eines bekannten Mehrfachprüfkopfes gemäß Fig. 1b. Werden zusätzlich zu den Elementen der Schicht I noch die der Schicht II nacheinander betrieben, so ergibt sich für einen unter gleichbleibendem Abstand von den Elementen in Schicht-Breitenrichtung an den Elementen vorbeibewegten Reflektor der Echoamplitudenverlauf gemäß Fig. 2, wobei die Einzelkurven K_{II, 1}, K_{II, 2}, . . . K_{II, n} den Echoamplitu­ denverlauf für die einzelnen Elemente S_{II, 1 bis n} wieder­ geben und die Einhüllende K^E _G die Fehlernachweisempfind­ lichkeit des Prüfkopfes gemäß Fig. 3 wiedergibt. Ein Ver­ gleich der Kurven K^E _I und K^E _G läßt den gleichmäßigeren Empfindlichkeitsverlauf des Prüfkopfes gemäß Fig. 3 gegen­ über dem des bekannten Mehrfachprüfkopfes erkennen.

Fig. 4 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform eines Mehr­ fachprüfkopfes, von dem ebenfalls zwei Schichten I und II mit fünf bzw. vier piezoelektrischen Elementen S_{I, 1}, S_{I, 2}, . . . S_{I, 5} bzw. S_{II, 1}, S_{II, 2}, . . . S_{II, 4} wiedergegeben sind. Die piezoelektrischen Elemente sind innerhalb ihrer Schicht durch Bereiche S^O _I bzw. S^O _II voneinander getrennt, die nicht zur Schallerzeugung bzw. zum Schallnachweis beitragen. Demgemäß überlappen die Elemente der einen Schicht das (die) ihnen gegenüberliegende(n) Element(e) der benachbar­ ten Schicht(en) nur mit Teilbereichen. Statt aus einzelnen Elementen kann jede Schicht I, II, . . . N auch aus einem einzigen Element aus piezoelektrischem Material gebildet sein, wobei die Funktion als piezoelektrische Einzelele­ mente dadurch bewirkt wird, daß nur die Bereiche S_{I, 1 bis 5} und S_{II, 1 bis 4} mit beidseitigen Elektroden versehen werden. Es können auch die Zwischenräume S^O _I und S^O _II durch Materia­ lien ausgefüllt werden, deren Wellenwiderstände dem Wellen­ widerstand der verwendeten piezoelektrischen Materialien entsprechen.

Die vorstehend beschriebene Elementen-Anordnung kann auch bei mehrlagigen flächenhaften Schwingeranordnungen Anwendung finden (z. B. bei sog. "Arrays" in der Medizin­ technik), wobei mehrere Schichten I, II, . . . N in ähn­ licher Weise jeweils teilweise überlappend übereinander­ gestapelt sein können.

Eine besondere Ausführungsform eines Mehrfachprüfkopfes gemäß der Erfindung ist in Fig. 5 dargestellt. Dieser Prüfkopf ist in an sich bekannter Weise als Anreihprüf­ kopf ausgebildet, indem mehrere Einzel-Prüfköpfe W₁, W₂, . . . W_v, bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel vier Einzel-Prüfköpfe W₁, W₂, W₃, W₄, nebeneinander angeordnet sind. Jeder Einzel-Prüfkopf ist mit drei piezoelektrischen Elementen S_{I, 1(1)}, S_{II, 2(1)}, S_{II, 3(1)} bzw. S_{I, 1(2)}, S_{II, 2(2)}, S_{II, 3(2)} bzw. S_{I, 1(3)}, S_{II, 2(3)}, S_{II, 3(3)} bzw. S_{I, 1(4)}, S_{II, 2(4)}, S_{II, 3(4)} ausgerüstet, die in zwei Schichten I und II angeordnet sind. In der Schicht I befindet sich in jedem Einzelprüfkopf W₁, W₂, W₃, W₄ nur je ein Element S_{I, 1 (v)}, während in der Schicht II in jedem Einzel-Prüfkopf ein Paar von Elementen S_{II, 2 (v)} + S_{II, 3 (v)} angeordnet ist. Die Breite b_I der Elemente der Schicht I ist gleich der doppelten Breite b_II der Elemente in der Schicht II zuzüglich des Abstandes zwischen den beiden ein Paar bildenden Elementen in der Schicht II, so daß das Ele­ mentenpaar der Schicht II und das zum gleichen Einzel­ prüfkopf gehörende Element der Schicht I deckungsgleich im Einzelprüfkopf angeordnet sind. Die gleichartigen Einzel-Prüfköpfe W₁, W₂, W₃ und W₄ werden zu einem Anreih-Mehrfachprüfkopf aneinandergereiht und wie ein einziger Mehrfachprüfkopf mit entsprechender Elementen- Anzahl betrieben.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 5 werden die vier Elemente S_{I, 1(1-4)} der Schicht I jeweils gesondert betrieben, während benachbarte Elemente S_{II, 3(1)} und S_{II, 2(2)} bzw. S_{II, 3(2)} und S_{II, 2(3)} bzw. S_{II, 3(3)} und S_{II, 2(4)} (also jeweils die Elemente S_{II, 3 (v)} und S_{II, 2 (v +1)} durch elektrische Parallelschaltung wie ein einziges Element betrieben wird. Damit die richtungsabhängigen Sende- und Empfangsverläufe der zusammengeschalteten Elemente denen der übrigen Elemente entspricht, muß entweder der Abstand zwischen den zusammengeschalteten Elementen klein bemessen werden oder es müssen die zu­ sammenhängenden Elemente S_{I, 1 (v)} in der Mitte mit einem nicht zum Signal beitragenden Streifen derselben Breite versehen werden, wie es dem Abstand der zusammengeschal­ teten Elemente entspricht. Dies kann beispielsweise durch entsprechende Unterteilung der Elektroden bewirkt werden.

Für einen sinnvollen Betrieb zur Fehlererkennung ist es erforderlich, daß die Elemente der Schichten I, II, . . . N für die jeweilige Ausführungsform des Mehrfach­ prüfkopfes annähernd gleiches oder ähnliches Frequenz­ übertragungsverhalten zeigen. Hierfür bieten sich die drei nachstehend geschilderten Möglichkeiten des akusti­ schen Aufbaus an.

I. Prüfkopf mit piezoelektrischen Kunststoff-Elementen

Der konstruktiv einfachste Weg besteht darin, die Elemente der Schichten I, II, . . . N aus piezoelektrischen Kunst­ stoffen herzustellen, z. B. aus Polyvinylidenfluorid (PVDF) oder dem Copolymer VDF/TrFE. Dabei werden die Elemente der einzelnen Schichten zweckmäßigerweise in der Weise hergestellt, daß auf einen zusammenhängenden Streifen entsprechend der gewünschten Elementen-Anzahl, -Abmessung und -Anordnung angeordnete und dimensionierte Elektroden angebracht werden, z. B. durch Aufdampfen im Vakuum.

Der rückseitige Dämpfungskörper D besteht aus akustisch dem Material der Elemente angepaßtem und stark schall­ absorbierendem Material, z. B. aus nichtpiezoelektrischem Polyvinylidenfluorid PVDF.

Durch Anwendung einer bekannten Klebe- und Verbindungs­ technik, wie sie in der Veröffentlichung von M. Platte "Ultraschallwandler aus Polyvinylidenfluorid mit breit­ bandigem Übertragungsverhalten" in Acustica, 54 (1983), Seiten 23-32, beschrieben ist, läßt sich ein akustisch nahezu reflexionsfreier Abschluß auf der Rückseite der Elemente S_{N, n} der Reihen I, II, . . . N erreichen.

Wenn für die Schutzschicht A auch ein dem Material der Elemente akustisch angepaßtes Material verwendet wird, als welches verschiedene Epoxidharzsysteme in Frage kommen, erhält man ein breitbandiges Übertragungsverhalten des Prüfkopfes, und zwar unabhängig von der Dicke d_A der Schutzschicht A. Das Maximum im Übertragungsverhalten liegt dann annähernd bei der Frequenz f₀ = c/2d_I = c/2d_II, also bei der "λ/2 Frequenz". Hierbei bedeuten c die Schallgeschwindigkeit im piezoelektrischen Material und d_I bzw. d_II die Dicken des piezoelektrischen Materials der Schichten I bzw. II.

II. Prüfkopf mit piezoelektrischen Keramik-Elementen

Die Elemente S_{N, n} des Mehrfachprüfkopfes können auch aus piezoelektrischen keramischen Materialien hergestellt sein, wie etwa Bleizirkonattitanat, Bleimetaniobat oder Bleititanat. Auch bei dieser Ausführung können die Einzel- Elemente durch entsprechende Unterteilung der Elektroden auf einem zusammenhängenden Materialstreifen gebildet werden. Der Dämpfungskörper D und die elektrisch iso­ lierenden Zwischenschichten Z bzw. Klebeschichten zwischen den Schichten I, II, . . . N sind wiederum so ausgelegt, daß keine oder nur unbedeutend geringe akustische Re­ flexionen an der Verbindung zwischen dem Dämpfungskörper D und der angrenzenden piezoelektrischen Schicht und zwi­ schen den einzelnen piezoelektrischen Schichten auftreten. Wenn die Zwischenschichten Z aus einem Material mit gleichem oder ähnlichem Wellenwiderstand bestehen wie dem des piezoelektrischen Materials der Elemente S_{N, n}, so treten unabhängig von der Dicke der Schichten Z keine oder nur geringe Reflexionen auf.

Eine konstruktive Möglichkeit zur Verwirklichung einer solchen Reflexions­ freiheit ist am Beispiel von Bleizirkonattitanat in der Dissertation RWTH Aachen von K. M. Sung "Piezoelek­ trische Mehrschichtwandler für Ultraschall" beschrieben.

Die Schutzschicht A kann bei der Verwendung von Wasser oder sonstigen Flüssigkeiten als Übertragungsmedium (Ü) als λ/4 Anpassungsschicht ausgelegt sein, wobei der Wellenwiderstand des für die Schicht A verwendeten Materials zwischen dem der piezoelektrischen Schicht I und dem von Wasser liegt. Entspricht der Wellenwiderstand der Schicht A dem der piezoelektrischen Schichten I und II, so ergibt sich wiederum ein breitbandiges Über­ tragungsverhalten mit einem Übertragungsmaximum bei etwa der Frequenz f₀ = c/2d_I = c/2d_II, unabhängig von der Dicke der Schicht A und der Art des Übertragungs­ mediums Ü.

III. Prüfkopf mit Kunststoff- und Keramik-Elementen

Bei einem aus nur zwei Element-Schichten I und II beste­ henden Mehrfachprüfkopf kann dessen akustischer Aufbau dem des bekannten "kombinierten SE-Wandlers" entsprechen, wie er in der Offenlegungsschrift DE 34 41 563 A1 be­ schrieben ist (M. Platte: "Kombinierte Ultraschallwandler aus keramischen und hochpolymeren piezoelektrischen Materialien"). Die Schicht I mit einer Gesamtdicke d_I besteht dabei aus piezoelektrischem Kunststoff, während die Schicht II mit der Dicke d_II aus keramischem piezo­ elektrischen Material besteht, wie in der vorstehend erwähnten Offenlegungsschrift beschrieben, kann die Schicht I auch aus zwei übereinander geklebten Teil­ schichten bestehen.

Eine solche Materialkombination ist insbesondere in Prüfköpfen zur Ankopplung an flüssige Medien oder Kunst­ stoffe mit ähnlichem Wellenwiderstand wie dem der Schicht I geeignet. Wenn die Dicke d_A der Schutzschicht vernach­ lässigbar gering ist und die Dicke d_I bzw. d_II der piezo­ elektrischen Schichten I und II zu den Schallgeschwin­ digkeiten c_I bzw. c_II in den Materialien der Schichten I bzw. II in der Beziehung c_I/4d_I = c_II/2d_II steht, ist das Übertragungsverhalten der Elemente S_{I, n} und S_{II, n} der Schichten I und II bei Wasserankopplung ähnlich. Es ist auch eine Ausführungsform für Wasserschallanwendung möglich, bei der die Dicke d_I der Schicht I gegenüber der Dicke d_II der Schicht II sehr klein gehalten wird. Auch in diesem Fall wirken die Schutzschicht A und die piezoelektrische Schicht I zusammen als λ/4-Schicht für den Betrieb der piezoelektrischen Schicht II, während das Übertragungsverhalten der rückseitig mit dem hohen Wellenwiderstand der piezoelektrischen Schicht II abge­ schlossenen, dünnen piezoelektrischen Schicht I ebenfalls durch das λ/4-Übertragungsmaximum der Schutzschicht A und der piezoelektrischen Schicht I geprägt ist.

Für alle vorstehend beschriebenen akustischen Bauweisen ist die Schwingungsform und Amplitude der Einzelelemente in bekannter Weise durch elektrische Beschaltung beein­ flußbar.

Zur besseren Abschirmung der Elemente S_{I, n} kann die Anpassungs- bzw. Schutzschicht A mit einer leitenden und mit Erdpotential verbundenen Schicht, z. B. einer metallischen Aufdampfschicht, versehen sein.

Wenn der rückseitige Abschluß (Dämpfungskörper) D elek­ trisch leitfähig ist, kann eine elektrische Isolierung zwischen den Elektroden E_{N = max, n} der an den Abschluß D angrenzenden Schicht N = max dadurch sichergestellt sein, daß der Abschlußkörper D, wie in Fig. 3 gezeigt ist, mittels sich in Schallausbreitungsrichtung erstrecken­ der, nichtleitender dünner Trennschichten T unterteilt ist, wobei die Unterteilung durch die Trennschichten T der Elementenzahl, Elementenanordnung und Elementen­ dimensionierung in der an den Abschluß D angrenzenden Schicht N = max angepaßt ist.

Es sind noch weitere Ausgestaltungen der Mehrfachprüfköpfe gemäß der Erfindung möglich als die in bezug auf die Ausführungsbeispiele bereits erläuterten. So können beispielsweise die beschriebenen Mehrfachprüfköpfe in Mehrschichtbauweise durch Anbringen einer akustischen Trennschicht, z. B. zwischen zwei nebeneinanderliegenden Mehrschichtabschnitten aus übereinanderliegenden Einzel­ elementen, als sog. SE-Wandler für getrennten Sende- und Empfangsbetrieb ausgelegt sein.

Durch entsprechende Neigung der Elemente gegenüber der Oberfläche des Übertragungsmediums Ü können die beschrie­ benen Mehrfachprüfköpfe als Winkelprüfköpfe ausgestaltet sein. Zweckmäßigerweise wird dazu die Anpassungs- und Schutzschicht A keilförmig ausgelegt. Auch kann diese Schicht A als fokussierender Vorsatz ausgebildet sein.

Claims (19)

1. Ultraschall-Mehrfachprüfkopf für die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung oder die medizinische Diagnostik, der zwischen seinem rückseitigen Dämpfungskörper (D) und seiner etwaigen vorderseitigen Schutz- und/oder Anpassungsschicht (A) mehrere reihenweise angeordnete, elektrisch voneinander getrennte piezoelektrische Einzelelemente (S) mit ähnlichem oder annähernd gleichem Übertragungsverhalten aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß

• - diese piezoelektrischen Elemente (S_{i, n}) in zwei oder mehreren, in Schalldurchtrittsrichtung akustisch miteinander verbundenen Schichten (W=I, II, . . . N) mit je n (n≧2) einzeln für sich oder gruppenweise als Wandlereinheit antreibbaren, reihenweise angeordneten piezoelektrischen Elementen (S_{i, n}) angeordnet sind, die angrenzend an den Dämpfungskörper (D) zwischen diesem und einer Schutz- oder Anpassungsschicht (A) aus gesonderten piezoelektrischen Schichtelementen mit gesonderten Elektrodenbelägen oder durch Anbringen von gesonderten Elektroden auf einer zusammenhängenden piezoelektrischen Schicht gebildet sind,
• - und dabei die Wandlereinheiten (S_{i, n}) einer Schicht (I, II . . . N) mit ihren Mittelachsen gegenüber den Mittelachsen der ihnen gegenüberliegenden Wandlereinheiten der benachbarten Schicht(en) in Schichtbreitenrichtung versetzt angeordnet sind, so daß die Maxima der Echoamplitudenverlaufskurven (K_{N, n}; Fig. 2) der einzelnen Schichten (N) (Verlauf der Echoamplituden für einen in Schichtbreitenrichtung an den Elementen einer Schicht (N) vorbeibewegten Reflektor) für benachbarte Schichten in Schicht-Breitenrichtung gegeneinander versetzt auftreten (Fig. 2).

2. Mehrfachprüfkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die piezoelektrischen Elemente (S_{N, n}) innerhalb der von ihnen gebildeten Schicht (I, II, . . . N) durch Bereiche (S^o _I, S^o _II, . . . S^o _N) voneinander getrennt sind, die nicht zur Schallerzeugung bzw. zum Schallnachweis beitragen (Fig. 4), so daß die einander gegenüberliegenden Elemente (S_{N, n}) benachbarter Schichten einander nur mit einem Teil ihrer Gesamtbreite überlappen.

3. Mehrfachprüfkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Anzahl (n) der piezoelektrischen Elemente (S_{N, n}) in den einzelnen Schichten (N) unterschiedlich ist.

4. Mehrfachprüfkopf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl (n) der Elemente (S_II, _n) in mindestens einer Schicht (II) ein ganzzahliges Vielfaches der Anzahl (n) der Elemente (S_I, _n) in mindestens einer benachbarten Schicht (I) beträgt (Fig. 5).

5. Mehrfachprüfkopf nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die Breite (b_I) der Elemente (S_I, _n) in mindestens einer Schicht (I) ein ganzzahliges Vielfaches der Breite (b_II) der Elemente (S_II, _n) in mindestens einer benachbar­ ten Schicht (II) beträgt und daß die schmaleren Elemente (S_II, _n) gruppenweise fluchtend zu den breiteren Elementen (S_I, _n) oder Gruppen derselben mindestens einer benachbar­ ten Schicht (II) angeordnet sind (Fig. 5).

6. Mehrfachprüfkopf nach mindestens einem der vorhergehen­ den Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten (I, II, . . . N) aus einzeln austauschbaren, je n piezoelektrische Elemente (S_{N, n}) (n = eine ganze Zahl ≧2) enthaltenden Schicht­ abschnitten (W₁, W₂, . . . W_v) zusammengesetzt bzw. zusammensetzbar sind.

7. Mehrfachprüfkopf nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtabschnitte (W₁, W₂, . . . W_v) für alle Schichten (I, II, . . . N) gleiche Breite haben und fluchtend über- bzw. untereinander angeordnet sind, bei einer unterschiedlichen Anzahl von piezoelektrischen Elementen (S_{N, n}) je Abschnitt (W_v) in den einzelnen Schichten (N).

8. Mehrfachprüfkopf nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß die fluchtend über- bzw. untereinander angeordneten bzw. anzuordnenden Schichtabschnitte (W₁, W₂, . . . W_v) in einzeln austauschbare Teilprüfköpfe (W₁, W₂, . . . W_v) eingebaut sind.

9. Mehrfachprüfkopf nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß er aus aneinander gereihten Teilprüfköpfen (W₁, W₂, . . . W_v) zusammengesetzt bzw. zusammensetzbar ist und daß die nebeneinander angeordneten piezoelektrischen Elemente benachbarter Teilprüfköpfe elektrisch zusammengeschaltet bzw. zusammenschaltbar sind.

10. Mehrfachprüfkopf nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er zwei Schichten (I, II) von Elementen (S_{I, n}, S_{II, n}) aufweist, wobei die Elemente der dem Übergangsmedium (Ü) nächstgelegenen Schicht (I) aus piezoelektrischem Kunststoff bestehen und die der anderen Schicht (I) aus piezokeramischem Material.

11. Mehrfachprüfkopf nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die piezoelektrische Kunststoffschicht (I) aus mehreren aufeinander geklebten Schichten besteht.

12. Mehrfachprüfkopf nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Klebe- und Zwischenschichten (Z) zwischen den Schichten (N) aus einem Material bestehen, dessen Schallwellenwiderstand dem des piezoelektrischen Elemente-Materials annähernd gleich ist.

13. Mehrfachprüfkopf nach mindestens einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der aus elektrisch leitendem Material bestehende rückseitige Wandler-Abschluß (D) mittels dünner, nicht leitender Trennschichten (T) entsprechend der Elementenzahl der an ihn angrenzenden piezoelektrischen Schicht (N = max) unterteilt ist.

14. Mehrfachprüfkopf nach mindestens einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der rückseitige Wandler-Anschluß (D) aus einem Material besteht, dessen Schallwellenwiderstand dem des piezoelektrischen Elemente- Materials annähernd gleich ist.

15. Mehrfachprüfkopf nach mindestens einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anpassungs- und Schutzschicht (A) aus einem Material besteht, dessen Schallwellenwiderstand dem des piezoelektrischen Elemente- Materials annähernd gleich ist.

16. Mehrfachprüfkopf nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anpassungs- und Schutzschicht (A) mit einer elektrisch leitenden und mit Erdpotential verbundenen Schicht versehen ist.

17. Mehrfachprüfkopf nach mindestens einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden für einander gegenüberliegende Oberflächen benachbarter Schichten (N) durch die Zwischenschicht (Z) bildende oder in diese Schicht eingelassene leitfähige Schichten gebildet sind.

18. Mehrfachprüfkopf nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (Z) aus Epoxidharz oder Kleber auf Kunststoffbasis besteht.

19. Mehrfachprüfkopf nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch akustische Trennschichten zwischen nebeneinanderliegenden piezoelektrischen Elementen oder Elementen-Gruppen.