EP0031049A2 - Akustischer Wandler - Google Patents

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EP0031049A2
EP0031049A2 EP80107438A EP80107438A EP0031049A2 EP 0031049 A2 EP0031049 A2 EP 0031049A2 EP 80107438 A EP80107438 A EP 80107438A EP 80107438 A EP80107438 A EP 80107438A EP 0031049 A2 EP0031049 A2 EP 0031049A2
Authority
EP
European Patent Office
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following features
sintered metal
grain size
acoustic transducer
damping
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
EP80107438A
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English (en)
French (fr)
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EP0031049A3 (en
EP0031049B1 (de
Inventor
Christian Göhlert
Peter Kanngiesser
Hansjakob Weiss
Werner Wilke
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Interatom T GmbH
Original Assignee
Interatom Internationale Atomreaktorbau GmbH
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Publication date
Application filed by Interatom Internationale Atomreaktorbau GmbH filed Critical Interatom Internationale Atomreaktorbau GmbH
Priority to AT80107438T priority Critical patent/ATE7429T1/de
Publication of EP0031049A2 publication Critical patent/EP0031049A2/de
Publication of EP0031049A3 publication Critical patent/EP0031049A3/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0031049B1 publication Critical patent/EP0031049B1/de
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    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00—Methods 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
    • G10K11/02—Mechanical acoustic impedances; Impedance matching, e.g. by horns; Acoustic resonators

Definitions

  • the present invention relates to an acoustic transducer for transmitting and receiving sound, in particular ultrasound signals, consisting of a piezoelectric element, a lead section and a damping body.
  • this acoustic transducer can be made entirely of metal and is therefore particularly suitable at high temperatures and / or with radioactive radiation. With these converters in opaque media such. B. liquid sodium, metallic materials tested or surfaces are scanned contactless.
  • the so-called lead section protects the piezo-electric element from wear and tear or from contact with an aggressive medium and can change the direction of the sound if it is of the appropriate shape.
  • plastic wedges are used as the lead sections, which have a wave resistance suitable for this purpose.
  • the wave resistance of two adjacent media or bodies determines the reflection at the interface of these media and is in each case the product of the density and speed of sound of a medium.
  • a lead section should have a wave resistance that lies between that of the two adjacent media.
  • a leading section should have a characteristic impedance that is the geometric mean between the characteristic resistances of the two adjacent media represents.
  • German Offenlegungsschrift 26 14 376 describes an ultrasonic transducer for high temperatures, for example for a nuclear reactor cooled with liquid metal.
  • the coupling wedge proposed there consists of a multiplicity of thin metal plates which are held together under pressure and which have an optically smooth surface towards the piezoelectric element.
  • a wedge made of numerous thin sheets of metal can only be produced with considerable effort and must be constantly pressed together with considerable pressure so that the liquid metal does not creep through the gaps and attack the piezoelectric element.
  • such a wedge constructed from numerous thin sheets has the disadvantage that the transmission of the sound depends on the direction of these sheets.
  • a damping body which can consist of a loose wire mesh or a mixture of rubber and tungsten powder. But rubber is neither temperature nor radiation resistant and the wire mesh is not mechanically strong.
  • the object of the present invention is an acoustic transducer which avoids the disadvantages mentioned and is suitable for high temperatures and / or raioactive radiation exposure and in aggressive media.
  • the pore dimensions are chosen to be smaller than the ultrasonic wavelengths, the sound attenuation caused by scattering becomes small compared to the material-related sound attenuation.
  • the pore volume can be adjusted practically by the grain size of the metal powder.
  • porous metallic bodies proposed in the second claim can be produced in different ways. Most useful z. B. porous body made of so-called sintered metal, as stated in the third claim. This sintered metal made of corrosion-resistant, heat-resistant material is produced under high pressure and high temperature from metal powder of small grain size. A homogeneous sintered metal according to the third claim conducts the sound equally well in all directions and is therefore suitable for acoustic lenses or wedges in which the sound waves are to propagate in different directions. Acoustic lenses are bodies in the form of lenses, which actually concentrate or disperse the sound in a manner similar to that of optical lenses.
  • Alloys of iron, chrome and aluminum can be manufactured with a high specific damping capacity, which makes them suitable for use as damping material in acoustic transducers.
  • a lead section made of such material does not need to be sealed and also meets the requirements for temperature behavior, radiation resistance and mechanical strength.
  • the transducer proposed in the fifth claim avoids disturbing reflections within the lead section on the surfaces not used to pass the sound.
  • the sintered metal body has essentially a small grain size, so that the sound is transmitted from one surface to the other with little attenuation.
  • the sintered metal has a larger grain size and a correspondingly larger pore volume, so that the sound in this area is weakened more by higher absorption.
  • the transducer proposed in claim six can be largely adapted to the adjacent materials or media on both sides.
  • a larger wave size of approx. 50-100 ⁇ m allows a low wave resistance and on the side of the piezoelectric element a small size of approx. 20 ⁇ m is possible Set higher wave resistance.
  • the reflections occurring at a boundary layer between two media are largely reduced and the performance of the converter is increased.
  • the transducer proposed in the seventh claim is to be mechanically damped in order to achieve the shortest possible transmission pulses, so that the piezoelectric element can emit or record as little loss as possible not only on the side facing the object to be examined, ie without reflections, sound waves, but also on it damped back can absorb sound waves as far as possible and without reflections.
  • damping body made of such a material would, however, have to have considerable dimensions in the direction of sound in order to achieve sufficient damping.
  • the greatest attenuation with the least reflection is achieved in an attenuator in which the grain size of the sintered metal increases continuously in the direction from the piezoelectric element to the rear of the damping body. In practice, however, it appears sufficient to arrange two or three different grain sizes in one damping body.
  • the largest grain size for damping bodies should be 0.3 mm 300 ⁇ m.
  • porous metallic bodies proposed in the eighth, ninth and tenth claims are suitable for contact with such aggressive substances which are able to attack the piezoelectric element. It has been found that such a superficial sealing of a sintered metal body does not interfere with the desired acoustic properties.
  • a galvanic coating or the application of solder to the surface has proven to be unsuitable because in the one case the galvanic liquid in the other case residual solder remains in the fine pores of the sintered metal and causes corrosion there.
  • a stainless steel sintered metal can be sealed by grinding with a diamond tool. The numerous small protrusions of the sintered metal are pressed into the adjacent depressions and cavities and seal them. Also by boriding, i.e. H. Coating with a boron-containing material and subsequent long annealing at approx. 900 ° C can be used to treat and seal machined steel surfaces with iron boride that occurs during structural transformation.
  • a body according to the eleventh claim with metallic foils as a seal has a better wave resistance adjustment when adhering to certain foil thicknesses (approximately 1/4 of the wavelength), since the foil has an effect comparable to an optical interference filter.
  • metallic foils As a seal, aluminum, magnesium, stainless steel, etc. are considered as materials.
  • Application by diffusion welding also avoids disadvantages that occur during soldering.
  • the foils can be coated or coated with a noble metal, for example gold.
  • the lead section 1 made of sintered metal or a metal with high specific damping consists of two separate wedge halves 1 a and 1 b.
  • the angle ⁇ of the lead section is like this for material testing chosen that, depending on the speed of sound in the leading section of the wedge and in the material to be tested, the angle of incidence in the material has a fixed value which is between 45 ° and 70 °.
  • Executed lead sections have wedge angles between 24 ° and 35 ° for longitudinal waves.
  • the surfaces set up to accommodate the piezoelectric transducers 2 are lapped optically smooth to less than 1 micron ripple.
  • the pressure device 3 made of stainless steel contains an adjustable pressure piece 4 for receiving disc springs 5 made of temperature-resistant material.
  • the contact pressure is 40 - 60 kp / cm '.
  • the pressing device 3 is fastened on the lead section 1 by a screw 6 and a bolt 7.
  • the pressure force of the disc springs 5 is transmitted to a metallic damping body 8 with high specific damping. Due to the mechanically stable damping body 8, the compressive force is transmitted uniformly to the piezoelectric element 2.
  • the contact surface of the damping body 8 is also machined by lapping to an accuracy of less than 1 micron.
  • Foils made of gold or other ductile and temperature-resistant materials can be used to couple the piezoelectric element 2.
  • the electrical contact is made via a signal conductor 9 connected to the metallic damping body 8 and via the lead section 1 to the ground connection.
  • the two parts of the lead section 1 are fitted in a frame 10 made of stainless steel.
  • the housing 11 is attached to the frame 10 and designed so that it can accommodate the coil 12 for the electrical balance for each piezo-electric element 2 and the connection sockets 13 for the measuring cable.
  • FIG. 2 shows a cross section through the transducer according to the invention from FIG. 1.
  • the inclination of the two half wedge halves 1 a and 1 b can be seen in order to be able to focus the piezoelectric elements 2 for material testing.
  • the pressing device 3 for the defined application of the contact pressure contains a fine thread for receiving an adjusting screw 15.
  • the adjusting screw 15 has a conical bearing surface for the pressure piece 4, which applies the pressure force to the damping body 8 via the plate springs 5 and the disk 16 consisting of insulating material .
  • the pin 17 is also made of insulating material and is used to keep the damping body 2 in position during assembly.
  • the defined contact pressure is applied to the pressure piece 4 from the outside. Then the set screw 15 is tightened tight. Since the pressure device 3 has no inherent elasticity due to a suitable shape, the force of the plate springs 5 can be supported on it. There is a gap between the two front wedge halves 1 a and 1 b, which prevents the sound waves from passing through
  • the transducer consists of a housing 18, one side of which is designed as a sound membrane 19.
  • the element 2 is applied to the inside of the sound membrane 19.
  • the damping body 20 which consists of sintered metal or a metal with high specific damping, is connected to the rear side of the element 2.
  • the connection technology is adapted to the respective operating temperatures.
  • the plate springs 5 prevent the damping body 20 from being detached from the element 2 in the event of unfavorable vibrations.
  • the damping Body 20 also serves as an electrical connector and is conductively connected to a temperature-resistant coaxial line 21.
  • a galvanic separation between the damping body 20 and the housing 18 is achieved via the ceramic insulating parts 22 and 23.
  • the housing 18 is sealed with the cover 24, which also serves as a counter bearing for the plate springs 5, which are centered by the bolt 25.
  • FIG. 4 shows a schematic illustration of a wedge as a leading section of an ultrasonic transducer according to claim 5.
  • the piezoelectric element 2 is applied to the top of the wedge.
  • the wave fronts emanating from element 2 spread out as straight waves in a wedge.
  • the surface A When the surface A is coupled to a body 26 to be tested, only part of the sound energy reaches this body, the other part of the sound energy is reflected at the interface in the direction of the surface B, the angle of reflection being equal to the angle of incidence of the sound waves.
  • a metal powder of larger grain size e.g. B. grain size 200-300 microns arranged, which causes increased sound absorption.
  • the other areas of the wedge contain a homogeneous material with metal powder of z. B. 100 - 200 micron grain size with constant and low sound attenuation.
  • the transition surface between different grain sizes can be created at a defined angle to surface B.
  • the transition from coarse-grained to fine-grained material through a mixing process during production is fluid, so that there is no sharply defined interface with disruptive reflection behavior.
  • the lead section 27 is formed in the area of the piezoelectric element 2 with a homogeneous layer C of smaller grain size, the area D consists of material of coarser grain size and the area E is in turn characterized by a layer of even larger grain size.
  • Figure 6 shows a damping body 28 made of sintered metal of different grain size according to claim 7.
  • the grain size is selected so that a sound wave resistance is achieved which is matched to that of the piezo material as possible.
  • the grain size of the sintered metal is chosen so large that a sufficiently high damping occurs and rear wall echoes from the surface H are practically no longer reflected to the piezoelectric element 2.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen akustischen Wandler mit einem piezo-elektrischen Element (2), einer Vorlaufstrecke (1) und/oder einem Dämpfungskörper (8), welcher zur Materialprüfung und zum Orten in einem undurchsichtigen Medium, auch bei hohen Temperaturen, geeignet ist. Dazu wird die Vorlaufstrecke (1) aus einem metallischen Körper von hoher spezifischer Dämpfung gebildet. Als Material wird eine Eisen-Chrom-Aluminium-Legierung bzw. Sintermetall vorgeschlagen. Bei beiden Alternativen wird ein gutes Verhalten des Wellenwiderstandes erreicht. Durch inhomogene Verteilung der Poren im Sintermetall, bzw. der Korngröße, lassen sich zusätzlich spezielleAnpassungseigenschaften erreichen. Verschiedene Maßnahmen, Schleifen oder Borieren der Oberfläche bzw. Einschweißen in Metallfolie, verhindern ein Eindringen des umgebenden Mediums in das Sintermetall.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen akustischen Wandler zum Senden und Empfangen von Schall-, insbesondere Ultraschallsignalen, bestehend aus einem piezo-elektrischen Element, einer Vorlaufstrecke und einem Dämpfungskörper. Dieser akustische Wandler kann mit Ausnahme des piezo-elektrischen Elementes vollständig aus Metall hergestellt werden und ist daher besonders geeignet bei hohen Temperaturen und/oder bei radioaktiver Strahlenbelastung. Mit diesen Wandlern können in undurchsichtigen Medien, wie z. B. flüssigem Natrium, metallische Werkstoffe geprüft oder Oberflächen berührungslos abgetastet werden. Die sogenannte Vorlaufstrecke schützt das piezo-elektrische Element vor Verschleiß bzw. vor dem Kontakt mit einem aggressiven Medium und kann bei entsprechender Form die Richtung des Schalls verändern. Bei den üblichen Ultraschall-Werkstoffprüfungen bei Raumtemperatur und unter Luftatmoshäre werden als Vorlaufstrecken Kunststoffkeile benutzt, die einen für diesen Zweck geeigneten Wellenwiderstand haben. Der Wellenwiderstand zweier benachbarter Medien bzw. Körper bestimmt die Reflexion an der Grenzfläche dieser Medien und ist jeweils das Produkt aus Dichte und Schallgeschwindigkeit eines Mediums. Eine Vorlaufstrecke soll einen Wellenwiderstand haben, der zwischen dem der beiden angrenzenden Medien liegt. Im Idealfall soll eine Vorlaufstrecke einen Wellenwiderstand haben, der das geometrische Mittel zwischen den Wellwiderständen der beiden angrenzenden Medien darstellt. Einige Kunststoffe haben einen für Werkstoffprüfungen geeigneten Wellenwiderstand, andere erhalten durch Zusatz beispielsweise von Wolfram-Pulver einen geeigneten Wellenwiderstand. Alle Kunststoffe haben aber den Nachteil, daß sie bei höheren Temperaturen und bei Strahlenbelastung nicht geeignet sind. Ihre Oberfläche wird beim Bewegen auf rauhen Werkstücken beschädigt. Ihr thermischer Ausdehnungskoeffizient weicht erheblich ab von dem der verwendeten piezo-elektrischen Elemente, so daß Temperaturänderungen die Verbindung zwischen Kunststoff und Element verändern können. Die für hohe Temperaturen, Strahlenbelastung und/oder aggressive Medien geeigneten Metalle und Keramiken haben aber einen hohen und für diesen Zweck ungünstigen Wellenwiderstand.
  • Auch das berührungslose Abtasten bzw. Beobachten von Werkstücken, die sich in undurchsichtigen Medien befinden, stellt ein Problem insbesondere für flüssigmetallgekühlte Kernenergieanlagen dar. Bei diesen Anlagen möchte man zur Beobachtung der Anlagenteile nicht das Kühlmittel, also beispielsweise Natrium, ablassen, weil einerseits der Reaktor dann nicht mehr ausreichend gekühlt wird und andererseits die an den zu prüfenden Anlageteilen anhaftenden Flüssigmetallmengen die Beobachtung erschweren und beim Kontakt mit dem in der Luft enthaltenen Sauerstoff oder der Luftfeuchtigkeit Flüssigmetallverbindungen entstehen, die ebenfalls die Beobachtung erschweren und außerdem aggressiv wirken. Daher wurde bereits vorgeschlagen, unter Natrium mit Ultraschall, ähnlich wie bei einem Echolot unter Wasser, Entfernungen berührungslos zu messen.
  • In der deutschen Offenlegungsschrift 26 14 376 wird ein Ultraschallwandler für hohe Temperaturen, beispielsweise für einen mit flüssigem Metall gekühlten Kernreaktor beschrieben. Der dort vorgeschlagene Kopplungskeil besteht aus einer Vielzahl von dünnen Metallplatten, die unter Druck zusammengehalten werden und die zum piezo-elektrischen Element hin eine' optisch glatte Fläche aufweisen. Ein solcher Keil aus zahlreichen dünnen Blechen ist aber nur mit erheblichem Aufwand herzustellen und muß ständig mit erheblichem Druck zusammengepreßt werden, damit nicht das flüssige Metall durch die Spalte hindurchkriecht und das piezo-elektrische Element angreift. Außerdem hat ein solcher aus zahlreichen dünnen Blechen aufgebauter Keil den Nachteil, daß die Weiterleitung des Schalls von der Richtung dieser Bleche abhängig ist.
  • In der deutschen Offenlegungsschrift 24 36 328 wird ein Dämpfungskörper beschrieben, der aus einem lockeren Drahtgewebe oder einer Mischung aus Gummi und Wolfram-Pulver bestehen kann. Gummi ist aber weder temperatur- noch strahlenbeständig und das Drahtgewebe ist mechanisch nicht belastbar.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein akustischer Wandler, der die erwähnten Nachteile vermeidet und bei hohen Temperaturen und/oder raioaktiver Strahlenbelastung sowie in aggressiven Medien geeignet ist.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Wandler nach dem ersten Anspruch vorgeschlagen. Metallische Körper von hoher spezifischer Dämpfung haben gegenüber üblichen metallischen Körpern einen wesentlich geringeren Wellenwiderstand, weil die Schallgeschwindigkeit in ihnen wesentlich geringer ist. Insbesondere Porösität, z. B.
  • in Sinterwerkstoffen, verringert die Schallgeschwindigkeit, wobei das Gesamtporenvolumen maßgebend ist. Wenn die Porenabmessungen kleiner als die Ultraschall-Wellenlängen gewählt werden, wird die durch Streuung verursachte Schallschwächung klein gegenüber der materialbedingten Schallschwächung. Das Porenvolumen läßt sich praktisch durch die Korngröße des Metallpulvers einstellen.
  • Die im zweiten Anspruch vorgeschlagenen porösen metallischen Körper lassen sich auf verschiedene Weise herstellen. Am zweckmäßigsten erscheinen z. B. poröse Körper aus sogenanntem Sintermetall, wie im dritten Anspruch ausgeführt ist. Dieses Sintermetall aus korrosionsresistentem hitzbeständigem Material wird unter hohem Druck und hoher Temperatur aus Metallpulver von geringer Korngröße hergestellt. Ein homogenes Sintermetall nach dem dritten Anspruch leitet den Schall in allen Richtungen gleich gut und ist daher für akustische Linsen oder auch Keile geeignet, bei denen sich die Schallwellen in unterschiedlichen Richtungen ausbreiten sollen. Akustische Linsen sind Körper in Linsenform, die tatsächlich den Schall ähnlich wie bei optischen Linsen konzentrieren oder zerstreuen.
  • Vorlaufstrecken aus Sintermetall sind nicht nur temperatur- und strahlenbeständig, sondern haben auch bei Raumtemperatur Vorteile gegenüber den bekannten Kunststoffen. Sie sind nämlich nicht nur verschleißfester, sondern auch unempfindlicher gegen kleine Beschädigungen ihrer Oberfläche. Es hat sich herausgestellt, daß die poröse Sintermetalloberfläche mit dem üblichen 01 wesentlich zuverlässiger an eine rauhe Werkstückoberfläche angekoppelt werden kann als die glatte Kunststoffoberfläche. Auch bei den für Kunststoffe noch zulässigen Temperaturen haben Sintermetalle weitere Vorteile, weil ihre Ausdehnungskoeffizienten denen der piezo-elektrischen Elemente und denen der zu prüfenden Werkstoffe etwa entsprechen und daher auch bei Temperaturschwankungen die Reflexion an Grenzflächen nicht wesentlich geändert wird. Als Dämpfungskörper geeignet sind Sintermetalle, deren Porenabmessungen größer sind als die in der Vorlaufstrecke.
  • Eine Alternative für die Wahl des Materials wird im vierten Anpruch vorgeschlagen. Legierungen aus Eisen, Chrom und Aluminium können mit hohem spezifischen Dämpfungsvermögen hergestellt werden, wodurch sie für die Verwendung als Dämpfungsmaterial in akustischen Wandlern geeignet sind. Eine Vorlaufstrecke aus solchem Material braucht nicht abgedichtet zu werden und erfüllt ebenfalls die Anforderungen an Temperaturverhalten, Strahlenbeständigkeit und mechanische Festigkeit.
  • Der im fünften Anspruch vorgeschlagene Wandler vermeidet störende Reflexionen innerhalb der Vorlaufstrecke an den nicht zur Durchleitung des Schalls dienenden Flächen. Durch die Anordnung von Sintermetall unterschiedlicher Korngröße kann man den Schall örtlich unterschiedlich dämpfen. Zwischen den beiden Schalldurchtrittsflächen hat der Sintermetallkörper im wesentlichen eine geringe Korngröße, so daß der Schall mit geringer Schwächung von der einen zur anderen Fläche weitergeleitet wird. In der Nähe der übrigen Flächen hat das Sintermetall eine größere Korngröße und ein entsprechend größeres Porenvolumen, so daß der Schall in diesem Bereich durch höhere Absorption stärker geschwächt wird.
  • Der in sechsten Anspruch vorgeschlagene Wandler läßt sich auf beiden Seiten weitgehend an die angrenzenden Werkstoffe bzw. Medien anpassen. Auf der Seite des flüssigen Mediums, also beispielsweise Flüssigmetall oder Wasser, läßt sich durch eine größere Korngröße von ca. 50 - 100 µm ein niedriger Wellenwiderstand und auf der Seite des piezo-elektrischen Elementes läßt sich durch eine geringe Korngröße von ca. 20 µm ein höherer Wellenwiderstand einstellen. Mit dieser Anpassung werden die an einer Grenzschicht zweier Medien auftretenden Reflexionen weitgehend verringert und damit die Leistung des Wandlers erhöht.
  • Der im siebten Anspruch vorgeschlagene Wandler soll zur Erreichung möglichst kurzer Sendeimpulse mechanisch bedämpft werden, so daß das piezo-elektrische Element nicht nur auf der dem zu untersuchenden Objekt zugewandten Seite möglichst verlustfrei, d. h. ohne Reflexionen, Schallwellen abgeben oder aufnehmen kann, sondern auch auf seiner bedämpften Rückseite Schallwellen möglichst weitgehend und ohne Reflexionen absorbieren kann. Um Reflexionen an der Grenzfläche zwischen dem piezo-elektrischen Element und dem Dämpfungskörper zu vermeiden, ist es einerseits zweckmäßig, an dieser Stelle ein Material einzusetzen, dessen Wellenwiderstand möglichst weitgehend dem des piezo-elektrischen Elementes entspricht. Bei Elementen aus Bleizirkonattitanat, Bleimetaniobat oder Lithiumniobat ist an dieser Stelle ein Sintermetall mit geringer Korngröße von ca. 100 - 200 µm geeignet. Ein Dämpfungskörper aus einem solchen Material müßte aber erhebliche Abmessungen in Schallrichtung aufweisen, um eine ausreichende Dämpfung zu erzielen. Andererseits wird die größte Dämpfung bei geringster Reflexion erreicht in einem Dämpfungskörper, bei dem die Korngröße des Sintermetalls kontinuierlich in Richtung von dem piezo-elektrischen Element zur Rückseite des Dämpfungskörpers zunimmt. In der Praxis erscheint es aber ausreichend, zwei oder drei unterschiedliche Korngrößen in einem Dämpfungskörper anzuordnen. Die größte Korngröße für Dämpfungskörper sollte bei 0,3 mm 300 µm liegen.
  • Die im achten, neunten und zehnten Anspruch vorgeschlagenen porösen metallischen Körper sind geeignet für den Kontakt mit solchen aggressiven Stoffen, die in der Lage sind, das piezo-elektrische Element anzugreifen. Es hat sich herausgestellt, daß eine solche oberflächliche Abdichtung eines Sintermetallkörpers die gewünschten schalltechnischen Eigenschaften nicht stört. Eine galvanische Beschichtung oder ein Aufbringen von Lot auf die Oberfläche hat sich als unzweckmäßig herausgestellt, weil in dem einen Fall die galvanische Flüssigkeit in dem anderen Fall Rest-von Lötmittel in den feinen Poren des Sintermetalls zurückbleiben und dort Korrosionen verursachen. Es hat sich herausgestellt, daß man ein Sintermetall aus Edelstahl durch Schleifen mit einem Diamantwerkzeug abdichten kann. Die zahlreichen kleinen Vorsprünge des Sintermetalls werden auf diese Weise in die benachbarten Vertiefungen und Hohlräume hineingedrückt und dichten diese ab. Auch durch Borieren, d. h. Beschichten mit einem borhaltigen Material und anschließendes längeres Glühen bei ca. 900 °C kann man bearbeitete Stahloberflächen durch bei Gefügeumwandlung entstehendes Eisenborid vergüten und abdichten.
  • Im elften Anspruch wird eine weitere Möglichkeit zur Abdichtung der Vorlaufstrecke vorgeschlagen. Ein Körper nach dem elften Anspruch mit metallischen Folien als Abdichtung hat bei Einhalten bestimmter Foliendicken (ungefähr 1/4 der Wellenlänge) eine bessere Wellenwiderstandsanpassung, da die Folie eine einem optischen Interferenzfilter vergleichbare Wirkung hat. Als Materialien kommen je nach Umgebungsmedium Aluminium, Magnesium, Edelstahl u. a. in Betracht. Ein Aufbringen-durch Diffusionsschweißen vermeidet auch Nachteile, wie sie beim Löten auftreten. Zum Schutz vor einem aggressiven Medium und um ein Benetzen zu fördern, können die Folien mit einem Edelmetall, beispielsweise Gold, beschichtet oder bedampft werden.
    • Figur 1 zeigt einen akustischen Wandler zur Feststellung von Materialfehlern in Werkstoffen in Seitenansicht.
    • Figur 2 zeigt einen Schnitt durch Figur 1.
    • Figur 3 zeigt einen akustischen Wandler, der gleichzeitig als Sender und Empfänger dient.
    • Figur 4 zeigt einen Keil als Vorlaufstrecke eines Wandlers, der aus Sintermetall von unterschiedlicher Korngröße hergestellt ist.
    • Figur 5 zeigt eine Vorlaufstrecke aus Sintermetall von unterschiedlicher Korngröße.
    • Figur 6 zeigt einen Dämpfungskörper aus Sintermetall von unterschiedlicher Korngröße.
  • In den Figuren 1 und 2 werden getrennte Sender und Empfänger verwendet.
  • Die Vorlaufstrecke 1 aus Sintermetall oder einem Metall von hoher spezifischer Dämpfung besteht aus zwei getrennten Keilhälften 1 a und 1 b. Der Winkel α der Vorlaufstrecke wird für die Materialprüfung so gewählt, daß nach Maßgabe der Schallgeschwindigkeiten in der Vorlaufstrecke des Keils sowie im zu prüfenden Werkstoff der Einschallwinkel im Werkstoff einen festen Wert hat, der zwischen 45° und 70° liegt. Ausgeführte Vorlaufstrecken haben Keilwinkel zwischen 24° und 35° für Longitudinalwellen.
  • Die zur Aufnahme der piezo-elektrischen Wandler 2 eingerichtete Flächen sind optisch glatt auf kleiner als 1 Mikron Welligkeit geläppt. Die Anpreßvorrichtung 3 aus rostfreiem Stahl enthält ein einstellbares Druckstück 4 zur Aufnahme von Tellerfedern 5 aus temperaturbeständigem Material. Die Anpreßkraft beträgt 40 - 60 kp/cm'. Die Anpreßvorrichtung 3 wird durch eine Schraube 6 und einen Bolzen 7 auf der Vorlaufstrecke 1 befestigt. Die Druckkraft der Tellerfedern 5 wird auf einen metallischen Dämpfungskörper 8 von hoher spezifischer Dämpfung übertragen. Durch den mechanisch beständigen Dämpfungskörper 8 wird die Druckkraft gleichmäßig auf das piezo-elektrische Element 2 übertragen. Die Kontaktfläche des Dämpfungskörpers 8 ist ebenfalls durch Läppen auf eine Genauigkeit von kleiner als 1 Mikron bearbeitet. Folien aus Gold oder anderen duktilen und temperaturbeständigen Werkstoffen können zur Ankopplung des piezo-elektrischen Elementes 2 zum Einsatz kommen. Die elektrische Kontaktierung erfolgt über einen mit dem metallischen Dämpfungskörper 8 verbundenen Signalleiter 9 sowie über die Vorlaufstrecke 1 zum Massenanschluß. Die beiden Teile der Vorlaufstrecke 1 werden im einem Rahmen 10 aus Edelstahl eingepaßt. Das Gehäuse 11 ist auf dem Rahmen 10 befestigt und so gestaltet, daß es die Spule 12 für den elektrischen Abgleich für jedes piezo-elektrische Element 2 sowie die Anschlußbuchsen 13 für die Meßkabel aufnehmen kann.
  • Figur 2 zeigt einen Querschnitt durch den erfindungsgemäßen Wandler aus Figur 1. Erkennbar ist die Neigung beider Vorsatzkeilhälften 1 a und 1 b, um die piezo-elektrischen Elemente 2 für die Materialprüfung fokussieren zu können. Die Anpreßvorrichtung 3 zur definierten Aufbringung des Anpreßdruckes enthält ein Feingewinde zur Aufnahme einer Stellschraube 15. Die Stellschraube 15 hat eine konische Auflagefläche für das Druckstück 4, welches über die Tellerfedern 5 sowie die aus isolierendem Material.bestehende Scheibe 16 die Druckkraft auf den Dämpfungskörper 8 aufbringt. Der Stift 17 ist ebenfalls aus isolierendem Material gefertigt und dient zur Lagehaltung des Dämpfungskörpers 2 während der Montage. Der definierte Anpreßdruck wird von außen auf das Druckstück 4 aufgebracht. Anschließend wird die Stellschraube 15 stramm festgedreht. Da die Anpreßvorrichtung 3 durch geeignete Formgebung keine Eigenelastizität besitzt, kann sich die Kraft der Tellerfedern 5 an ihr abstützen. Zwischen den beiden vorsatzkeilhälften 1 a und 1 b ist ein Spalt vorhanden, der einen Durchgang der Schallwellen verhindert.
  • In Figur 3 besteht der Wandler aus einem Gehäuse 18, dessen eine Seite als Schallmembran 19 ausgebildet ist. Auf der Innenseite der Schallmembran 19 ist das Element 2 aufgebracht. In der gleichen Weise ist der Dämpfungskörper 20, der aus Sintermetall oder einem Metall hoher spezifischer Dämpfung besteht, mit der Rückseite des Elements 2 verbunden. Die Verbindungstechnik wird den jeweiligen Betriebstemperaturen angepaßt.
  • über die Tellerfedern 5 wird verhindert, daß bei ungünstig auftretenden Schwingungen der Dämpfungskörper 20 von dem Element 2 abgelöst wird. Der Dämpfungskörper 20 dient gleichzeitig als elektrisches Verbindungsglied und ist leitend mit einer temperaturbeständigen Koaxialleitung 21 verbunden. über die keramischen Isolierteile 22 und 23 wird eine galvanische Trennung zwischen dem Dämpfungskörper 20 und dem Gehäuse 18 erreicht. Das Gehäuse 18 wird mit dem Deckel 24 abgedichtet, der auch als Gegenlager für die Tellerfedern 5 dient, die durch den Bolzen 25 zentriert werden.
  • Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Keils als Vorlaufstrecke eines Ultraschallwandlers nach Anspruch 5. Auf der Oberseite des Keils ist das piezo-elektrische Element 2 aufgebracht. Die vom Element 2 ausgehenden Wellenfronten breiten sich als ebene Wellen geradlinig im Keil aus.
  • Bei Ankopplung der Fläche A an einen zu prüfenden Körper 26 gelangt nur ein Teil der Schallenergie in diesen Körper, der andere Teil der Schallenergie wird an der Grenzfläche reflektiert in Richtung der Fläche B, wobei der Reflexionswinkel gleich dem Einfallwinkel der Schallwellen ist. Im Bereich der Fläche B ist ein Metallpulver größerer Körnung, z. B. Korngröße 200 - 300 Mikron angeordnet, das eine erhöhte Schallabsorption bewirkt. Die anderen Bereiche des Keils enthalten ein homogenes Material mit Metallpulver von z. B. 100 - 200 Mikron Korngröße mit einer konstanten und niedrigen Schallschwächung. Die übergangsfläche zwischen verschiedenen Korngrößen kann unter einem definierten Winkel zur Fläche B angelegt werden. Der übergang vom grobkörnigen zum feinkörnigen Material durch einen Mischvorgang beim Herstellen ist fließend, so daß dort keine scharf definierte Grenzfläche mit störendem Reflexionsverhalten auftritt.
  • In Figur 5 ist die Vorlaufstrecke 27 nach Anspruch 6 im Bereich des piezo-elektrischen Elements 2 mit einer homogenen Schicht C geringerer Korngröße ausgebildet, der Bereich D besteht aus Material gröberer Körnung und der Bereich E ist wiederum durch eine Schicht noch größerer Korngröße gekennzeichnet.
  • Figur 6 zeigt einen Dämpfungskörper 28 aus Sintermetall von unterschiedlicher Korngröße nach Anspruch 7. Im Bereich F des fest angekoppelten piezo-elektrischen Elements 2 ist die Körnung so gewählt, daß ein Schallwellenwiderstand erreicht wird, der dem des Piezomaterials möglichst angepaßt ist. Im Bereich G wird die Körnung des Sintermetalls so groß gewählt, daß eine ausreichend hohe Dämpfung zustande kommt und Rückwandechos von der Fläche H praktisch nicht mehr zum piezo-elektrischen Element 2 reflektiert werden.

Claims (11)

1. Akustischer Wandler mit einem piezo-elektrischen Element, einer Vorlaufstrecke und/oder einem Dämpfungskörper, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
a) Die Vorlaufstrecke ist ein metallischer Körper von hoher spezifischer Dämpfung.
2. Akustischer Wandler nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
a) Der metallische Körper ist porös.
3. Akustischer Wandler nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
a) Der metallische Körper besteht aus einem Sintermetall.
4. Akustischer Wandler nach Anpruch 1, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
a) Der metallische Körper besteht aus einer Eisen-Chrom-Aluminium-Legierung.
5. Akustischer Wandler nach Anspruch 3, insbesondere zur Werkstoffprüfung, mit einer oder zwei keilförmigen Vorlaufstrecken mit jeweils zwei zueinander geneigten Schalldurchtrittsflächen, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
a) Die Vorlaufstrecken bestehen aus Sintermetall von unterschiedlicher Korngröße.
b) Der Raum zwischen den beiden Schalldurchtrittsflächen einer Vorlaufstrecke enthält Sintermetall von geringer Korngröße.
c) In der Nähe der übrigen Flächen ist Sintermetall von größerer Korngröße angeordnet.
6. Wandler nach Anspruch 3 mit einer Vorlaufstrecke aus Sintermetall, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
a) Die Korngröße des Sintermetalls in der Vorlaufstrecke vermindert sich quasi-kontinuierlich in Richtung von der Grundfläche zum piezoielektrischen Element.
7. Wandler nach Anspruch 3 mit einem Dämpfungskörper aus Sintermetall, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
a) Die Korngröße des Sintermetalls nimmt zu in Richtung von dem piezo-elektrischen Element zur Rückseite des Dämpfungskörpers.
8. Poröser metallischer Körper nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
a) Der Körper ist mindestens auf einer Seite abgedichtet.
9. Körper nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
a) Der Körper ist durch Schleifen seiner Oberfläche abgedichtet.
10. Körper nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
a) Der Körper ist durch Borieren abgedichtet.
11. Körper nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
a) Der Körper ist durch metallische Folien von geringer Dicke (ungefähr 1/4 der Wellenlänge) abgedichtet.
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