DE69222524T2

DE69222524T2 - Ultraschallprüfkopfsatz zur Messung der Laufzeiten von Ultraschallimpulsen

Info

Publication number: DE69222524T2
Application number: DE69222524T
Authority: DE
Inventors: Andrzej Brokowski; Jacek Szelazek
Original assignee: INST PODSTAWOWYCH PROBLEMOW TE
Current assignee: INST PODSTAWOWYCH PROBLEMOW TE
Priority date: 1991-06-27
Filing date: 1992-07-22
Publication date: 1998-02-05
Anticipated expiration: 2012-07-23
Also published as: EP0576627B1; PL290830A1; EP0576627A1; US5549001A; AU2330792A; PL166109B1; WO1993003361A1; ATE158866T1; DE69222524D1

Description

Für Laufzeitmessungen von über Oberflächen gleitende Wellen oder Oberflächenwellen werden gut bekannte Prüfkopfsätze für Differenzmessung verwendet. Solch ein Satz besteht aus einem Sendeprüfkopf und zwei gleichen Empfangsprüfköpfen, die alle in einer Reihe angeordnet sind. Gemessen werden die Laufzeiten zwischen dem Sender und dem entfernteren Empfänger und dann zwischen dem Sender und dem näheren Empfänger. Der Unterschied zwischen diesen Zeiten ist ungefähr gleich der Zeit, der es bedarf, damit sich die Welle entlang der von den Mittelpunkten der beiden Empfangsprüfköpfe bestimmte Strecke ausbreitet. Die Messung von Laufzeitunterschieden beseitigt den Einfluss von Anderungen der Pulsausbreitungsdauern in Kunststoffkeilen aufgrund von z.B. Temperaturänderungen. Differenzsätze von Ultraschallprüfköpfen zur Messung von über Oberflächen gleitende Wellen oder Oberflächenwellen sind aus dem polnischen Patent Nr. 138042 "Verfahren und Vorrichtung zur Messung von Restspannungen in zu untersuchenden Materialien" oder aus der Veröffentlichung von E. Schneider, R. Hertzer, D. Bruche "Automatisierte Bestimmung oberflächennaher Spannungszustände in Walzen mittels Ultraschallverfahren", Mat. Konf. DGZfP, September 1989, Kiel, S. 419-425 bekannt.
Die bekannten Sätze von Prüfköpfen beseitigen den Einfluss von Oberflächenrauheiten des zu untersuchenden Materials auf die gemessenen Zeiten nicht. Ein von einem Geber kummender Ultraschallimpuls durchläuft den Kunststoffkeil des Sendeprüfkopfes, breitet sich in dem zu untersuchenden Material aus, durchläuft den Kunststoffkeil des Empfangsprüfkopfes und muss zwei Schichten aus akustisch kuppelnder Flüssigkeit zwischen den Prüfkopfkeilen und dem zu untersuchenden Material durchlaufen. Die Dicken der Flüssigkeitsschichten hängen von der Oberlächenrauheit des Materials unter den Keilen ab und beeinflussen die gemessenen Laufzeiten. Damit ergibt sich, dass berechnete Zeitunterschiede nicht nur von der Geschwindigkeit der Ultraschallwellen in dem zu untersuchenden Material abhängen, sondern auch von der lokalen Rauheit der Oberfläche des Materials.
Die oben genannten Nachteile der bekannten Prüfkopfsätze machen genaue Messungen auf Objekten mit rauhen, nicht vorbereiteten Oberflächen, wie sie unter industriellen Bedingungen oft vorkommen, unmöglich.
Das Ziel der Erfindung ist ein Ultraschallprüfkopfsatz zur Messung von Laufzeiten von Ultraschallimpulsen, bei dem die gemessenen Zeiten nicht von der Dicke der akustisch kuppelnden Flüssigkeit abhängen und der es ermöglicht, genaue Messungen auf rauhen Oberflächen durchzuführen.
Der erfindungsgemäße Prüfkopfsatz, der beispielhaft in Fig. 1 dargestellt ist, besteht aus 4 Prüfköpfen, von denen 2 als Sender und 2 als Empfänger dienen. Alle 4 Prüfköpfe sind in einer Reihe angeordnet. Die mit auf Keilen 5 bzw. 6 angeordneten, piezoelektrischen Geber 3 bzw. 4 ausgerüsteten Sendeprüfköpfe 1 und 2 erzeugen aufeinanderfolgend über Oberflächen gleitende Wellen oder Oberflächenwellen 7 und 8, die sich entlang der selben Linie, jedoch in zueinander entgegengesetzte Richtungen ausbreiten. Diese Wellen werden von den mit auf Keilen 15 bzw. 16 angeordneten, piezoelektrischen Aufnehmer 11, 12, 13 bzw. 14 ausgerüsteten Empfangsprüfköpfen 9 und 10 detektiert. Die Keile 15 und 16 der Empfangsprüfköpfe sind aus dem gleichen Material hergestellt, und ihre Formen und Abmessungen sind gleich. Die Winkel der Keile hangen in bekannter Weise von der Geschwindigkeit der Ultraschallwellen in dem zu untersuchenden Material und von der Art der Wellen ab.
Die Geometrie der Keile 15 und 16 ist derart, dass sich von der Mitte der Aufnehmer ausgehende, zu den Flächen der Aufnehmer normale Linien in den auf den Bodenf lächen der Keile 15 bzw. 16 liegenden Punkten 17 bzw. 18 schneiden. Die Keile 15 und 16 sind mit diesen Flächen an das zu untersuchenden Material 19 angekuppelt.
Alle Prüfköpfe des Satzes sind in ein Gehäuse 20 eingebaut und mittels eines Kables 21 mit einer bekannten Vorrichtung 22 für Laufzeitmessungen verbunden. Der Ultraschallprüfkopf satz ist an das zu untersuchenden Material mittels Kupplungsflüssigkeit angekuppelt, die den Raum zwischen den Bodenflächen der Keile und der Oberläche des zu untersuchenden Materials ausfüllt. Im Geber 3 des Sendeprüfkopfes 1 erzeugte Ultraschallimpulse durchlaufen den Keil 5 des Prüfkopfes, die Schicht aus Kupplungsflüssigkeit 23, werden an der Oberfläche des zu untersuchenden Materials 19 gebrochen, und breiten sich in dem Material als Oberflächenwellen oder über die Oberfläche gleitende Wellen eines bestimmten Typs 7 aus. Gemessen wird die Laufzeit des Impulses von dem Geber 3 zum Aufnehmer 14 im Empfangsprüfkopf 10. Während seines Laufes muss der Ultraschallimpuls auch die Flüssigkeitsschicht 25 und den Keil 16 durchlaufen. Als Nächstes wird die Laufzeit des Impulses vom Geber 3 zum Aufnehmer 12 im Empfangsprüfkopf 9 gemessen. Der Impuls muss während seines Laufes die Flüssigkeitsschicht 24 und den Keil 15 durchlaufen. Dann werden die Laufzeiten der sich in der zur Welle 7 entgegengesetzen Richtung ausbreitenden Welle 8 gemessen. Das sind die Laufzeiten vom Geber 4 zu den Aufnehmern 11 bzw. 13. Um die Aufnehmer 11 bzw. 13 in den Empfangsprüfköpfen 9 bzw. 11 zu erreichen, müssen die Impulse dieser Wellen die Flüssigkeitsschichten 24 bzw. 25 und die Keile 15 bzw. 16 durchlaufen.
Die Laufzeit zwischen dem Geber 3 und dem Aufnehmer 14 ist gegeben durch:
t(3-14) = t5 + t23 + tL1 + tL + t25 + t16
wobei t die Laufzeit bezeichnet, die Nummern Elementnummern bezeichnen, und L und L1 Entfernungen gemäß Fig. 1 bezeichnen.
Die Laufzeit zwischen dem Geber 3 und dem Aufnehmer 12 ist gegeben durch:
t(3-12) = t5 + t23 + tL1 + t24 + t15
Die Laufzeit zwischen dem Geber 4 und dem Aufnehmer 11 ist:
t(4-11) = t6 + t26 + tL2 + tL + t24 + t15
und zwischen dem Geber 4 und dem Aufnehmer 13 ist sie:
t(4-13) + t6 +t26 +tL2 + t25 +t16
Die Flugzeit des Impulses entlang des längs der Oberfläche des zu untersuchenden Materials 19 von den Punkten 17 und 18 bestimmten Abstandes L berechnet sich zu
tL = [ t(3-14) - t(3-12) + t(4-11) - t(4-13) ] / 2
und hängt nicht von den Dicken der Kupplungsflüssigkeisschichten 24 und 25 ab. Deshalb hängt die Zeit tL nicht von der Höhe der Oberflächenunregelmäßigekeiten des Materials 19 sondern nur von der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Ultraschallwelle in dem zu untersuchenden Material ab.
Der erfindungsgemäße Ultraschallprüfkopfsatz kann bei genauen Laufzeitmessungen von Oberflächenwellen oder über Oberflächen gleitenden Longitudinalwellen und in vertikaler Richtung polärisierten Transversalwellen (SV-Wellen) oder in horizontaler Richtung polarisierten Transversalwellen (SH- Wellen) Anwendung finden. Solche Messungen werden bei nichtzerstörenden Ultraschallmessungen von Spannungen und der Materialstruktur sowie bei der Überprüfung elastischer Eigenschaften verwendet.

Claims

Ultraschallprüfkopfsatz für Laufzeitmessungen von Oberflächenwellen mit:

zwei Ultraschallsendeprüfköpfen (1, 2), die in dem zu untersuchenden Material sich entlang einer Linie, jedoch in zueinander entgegengesetzte Richtungen ausbreitende Ultraschallwellen erzeugen, und

zwei gleichen, in einer Reihe mit den Sendeprüfköpfen und zwischen diesen angeordneten Ultraschall-Empfangsprüfköpfen (9, 10), wobei jeder der Empfangsprüfköpfe je zwei Aufnehmer (11, 12, 13, 14) aufweist, die Ultraschallimpulse aus zueinander entgegengesetzten Richtungen empfangen, wobei die Aufnehmer (11, 12, 13, 14) in jedem Empfangsprüfkopf (9, 10) auf einem gemeinsamen Keil (15, 16) angebracht sind, und

Keilen (15, 16) der Empfangsprüfköpfe an Stellen, an denen die von der Mitte der Aufnehmer und dem Schnittpunkt der von der Mitte der Aufnehmer ausgehenden und zur Fläche der Aufnehmer normalen Linien bestimmten Abstände gleich sind und die Schnittpunkte auf den Bodenflächen der Keile liegen.