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Ultraschallgeber für die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung
Bei der
zerstörungsfreien Werkstoffprüfung mittels Ultraschall wird in bekannter Weise ein
Ultraschallstrahl durch den Prüfling geschickt und seine Stärke an der Austrittsstelle
gemessen. Befindet sich innerhalb des Prüflings eine Fehlstelle (mit Luft gefüllter
Riß, Lunker od. dgl.), so wird der Schallstrahl an der Grenzfiäche Fehistellenluft
Werkstoff infolge des großen Unterschieds der Schalkvellenwiderstände in den beiden
Medien praktisch vollkommen reflektiert.
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Der austretende Schallstrahl verschwindet also in diesem Falle. Ist
der Ultraschall von konstanter Frequenz und Amplitude, so bilden sich, wenn die
Dicke des Prüflings eine viertel Wellenlänge oder ein ungeradzahliges Vielfaches
davon beträgt, in dem Prüfling stehende Wellen aus; dabei erfolgt kein Energiedurchtritt
durch das Prüfstück. Es kann also auf diese Weise eine Fehlstelle vorgetäuscht werden.
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Um diesem Übelstand zu entgehen, hat man bisher den Ultraschallsender
mit einer Spannung erregt, die innerhalb eines gewissen Frequenzbandes alle Frequenzen
enthält. Da man diese Spannung, die am elektroakustischen Wandler einige hundert
Volt betragen muß, beispielsweise aus der Rauschspannung eines Widerstandes erzeugt,
ergibt sich bei der erforderlichen Bandbreite ein hoher Aufwand an Röhren und Schwingkreisen.
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Die Erfindung zeigt einen in seiner Einfachheit wesentlich voiteilhafteren
Weg zur sicheren Unterbindung stehendel Wellen. Erfindungsgemäß weist der mit schwingendem
Festkörper ausgerüstete Ultraschallgeber eine Erregungsschaltung für aufeinanderfolgende,
insbesondere gedämpfte Schwingungszüge auf. Indem ferner der die Schwingungen des
einzelnen Schwingungszuges hervorbringende Schwinger und
vorhandenenfalls
auch der ihn erregende oder ihn - enthaltende, vorzugsweise elektrische Schwingungskreis
auf ein ganzzahliges Vielfaches seiner Schwingungsanstoßfrequenz (Impulsfrequenz)
abgestimmt wird, erzielt man maximale Wirkungsgrade. Dabei liegt, wie bereits hervorgehoben,
der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Ultraschallgebers in seinem einfachen
Aufbau. Es kann bei Benutzung einer elektrischen Erregungsschaltung für die aufeinanderfolgenden
Schwingungszüge die Röhrenzahl beispielsweise gegenüber dem Rauschsender von 7 auf
I, die der Schwingungskreise von 15 auf 2 herabgesetzt werden.
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Ferner brauchen an die Kreise keine besonderen Ansprüche mehr gestellt
zu werden wie beim Rauschsender, bei dem sie zu Bandfiltern ziemlich großer Bandbreite
zusammengeschaltet sind. Auch der Abgleich ist wesentlich einfacher.
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Bei der beispielsweise elektrischen Erregungsschaltung der Schwingungszüge
wird ein Schwingungskreis, in den der Schwinger als Blindwiderstand geschaltet ist
und den er mit seinem Strahlungswiderstand dämpft, durch Impulse erregt. Die Impulsfrequenz
ist kleiner als die Eigenfrequenz des Schwingkreises, die mit der mechanischen Eigenfrequenz
des Schwingers oder einem ganzzahligen Vielfachen davon übereinstimmt. Den Verlauf
beispielsweise gedämpfter Schwingungszüge zeigt Abb. I. Es ist, wie schon oben betont,
die Anregung des Schwingungskreises am stärksten, wenn seine Eigenfrequenz mit einer
Oberwelle der Impulsfrequenz übereinstimmt.
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Schaltet man ferner erfindungsgemäß dem den eigentlichen Schwinger
enthaltenden - Schwingungskreis einen Einweggleichrichter vorzugsweise in Form einer
Diode parallel, so wird das Abklingen der gedämpften Schwingung beschleunigt, ohne
daß die Dämpfung des Schwingungskreises größer und damit bei gegebener Impulshöhe
eine schwächere Anregung die Folge sein würde. Die Amplitude der ersten Halbwelle
wird dadurch nicht beeinflußt. Beim Umkehren der Stromrichtung im Schwingkreis wird
der Einweggleichrichter bzw. die Diode leitend und dämpft den Kreis fast aperiodisch
(Abb. 2). Nicht nur, daß auf diese Weise die Energieabgabe erhöht werden kann, werden
auch störende Überlagerungen vermieden, kann die Impuls- oder Anstoßfrequenz der
eigentlichen Schwingungsfrequenz stärker angenähert werden.
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Abb. 3 gibt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Ultraschallgebers
für die Zwecke der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung schematisch wieder.
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Der Triodenteil Tr einer Verbundröhre R erzeugt mit dem Schwingkreis
T die Impuls- oder Schwingungsanstoßfrequenz mit einer Amplitude von 90 V.
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Diese Spannung wird über den Kondensator Cg an das Steuergitter des
in Schirmgitterröhrenschaltung betriebenen Tetrodenteils Te gegeben, wobei sich
Cg auf den Scheitelwert der / Spannung auflädt. Die Tetrode ist daher gesperrt und
führt nur während der positiven Spitzen der Gitterspannung Strom. Diese Stromimpulse
stoßen den Kreis II, bestehend aus dem Quarz Q als Kapazität und der Spule S als
Induktivität, an, der mit seiner Eigenfrequenz ausschwingt.
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Die Zwischenschaltung des in Schirmgitterröhrenschaltung betriebenen
Tetrodenteils erfolgt mit Rück-- sicht auf - den -großen Innenwiderstand der Schirmgitterröhre.
Er sorgt für eine geringe Bedämpfung des Schwingkreises II. Diesem liegt die Diode
D parallel. Der Widerstand W verhindert ein Ansteigen des Stromes des Tetrodenteils
Te auf unzulässige Werte, falls die Spannung des Kreises I ausbleiben sollte. Die
Wirkungsweise der übrigen Schaltelemente bietet nichts Besonderes. Erfindungsgemäß
werden die Anoden- und Schirmgitterspannungen einer Wechselspannungsquelle entnommen,
was zu einem besonders einfachen Aufbau des Senders führt. Dabei entsteht der weitere
Vorteil, daß die empfangsseitig anzuzeigende- Spannung, die der durchtretende Schall
beispielsweise an einem piezoelektrischen Quarz erzeugt, da sie mit der Frequenz
obiger Wechselspannungsquelle moduliert ist, besonders einfach verstärkt werden
kann, da ein Teil der erforderlichen Verstärkung leicht in den Niederfrequenzteil
des Anzeigeverstärkers zu verlegen ist. An die Bandbreite der Schwingkreise des
Anzeigeverstärkers brauchen in diesem Fall im Gegensatz zum Sendebetrieb mit Rauschsender
keine besonderen Anforderungen- gestellt zu werden.