EP0031049B1 - Akustischer Wandler - Google Patents

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EP0031049B1
EP0031049B1 EP80107438A EP80107438A EP0031049B1 EP 0031049 B1 EP0031049 B1 EP 0031049B1 EP 80107438 A EP80107438 A EP 80107438A EP 80107438 A EP80107438 A EP 80107438A EP 0031049 B1 EP0031049 B1 EP 0031049B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
acoustic transducer
sintered metal
transducer according
grain size
preliminary section
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.)
Expired
Application number
EP80107438A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP0031049A3 (en
EP0031049A2 (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
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
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
Expired legal-status Critical Current

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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.
  • These transducers can be used in opaque media such as liquid sodium, metallic materials tested or surfaces scanned without contact.
  • 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 wave resistance that represents the geometric mean between the wave resistances of the two adjacent media.
  • German laid-open specification DE-A-2 614 376 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 pressed together under 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.
  • US-A-3 663 842 is a leading section for an ultrasound transducer, which consists of a plastic in which metal powders of different grain sizes are integrated in order to continuously change the wave resistance to match the medium to be examined.
  • the basic properties are determined by the plastic and are only changed by adding metal powder.
  • This lead section is also not resistant to high temperatures and radiation.
  • FR-A-2 097 451 a temperature- and radiation-resistant ultrasound transducer is known, which, however, has no lead section for coupling to another medium. From this document, however, it can be seen that as a damping body for damping echoes on the back of the piezoelectric element, a porous metallic body, e.g. made of sintered metal can be used.
  • the object of the present invention is an acoustic transducer which avoids the disadvantages mentioned and can be used at high temperatures and / or radioactive radiation and in aggressive media.
  • the ultrasonic transducer should have a temperature-resistant and radiation-resistant lead section, which brings about a favorable adaptation of the wave resistances and, if appropriate, also enables irradiation at a predetermined angle.
  • an acoustic Proposed converter according to the main claim.
  • a porous metallic body for example made of pressed metal powder or sintered metal, can be greatly influenced in its acoustic properties by suitable selection of the number and size of the grains or pores.
  • the speed of sound can be influenced, which is of great importance for the irradiation at certain angles.
  • the wave resistance can be kept in a favorable range between the wave resistances of the two adjacent media, which leads to good ultrasound transmission.
  • the total pore volume which can be set within wide limits in the production of a porous metallic body is decisive for the acoustic properties. It can be practically influenced by the grain size of the metal powder used and, for example, by appropriate pressing. If the pore dimensions are chosen to be smaller than the ultrasonic wavelengths, the sound attenuation caused by scattering in the porous body becomes small compared to the material-related sound attenuation. All of this means that, for most applications, good compromises regarding damping, speed of sound and wave resistance can be found reproducibly with a porous metallic body.
  • the sintered metal bodies proposed in the second claim as a leading section represent a particularly stable design. They can be produced from corrosion-resistant, heat-resistant material under high pressure and high temperature from metal powder of small grain size. Such lead sections made of sintered metal are not only resistant to temperature and radiation, but also have advantages over the known plastics at room temperature. They are not only more wear-resistant, but also less sensitive to minor damage to their surface. It has been found that the porous sintered metal surface can be coupled with the usual oil to a rough workpiece surface much more reliably than the smooth plastic surface.
  • Sintered metals also have further advantages at the temperatures that are still permissible for plastics, because their expansion coefficients correspond approximately to those of the piezoelectric elements and those of the workpieces to be tested, and therefore the reflection at interfaces is not changed significantly even with temperature fluctuations.
  • the wave resistance of the lead section has approximately the size of the geometric mean between the wave resistances of the adjacent media. This is the optimal design for a loss-free coupling of the ultrasonic transducer. It has been shown that this condition can be met simultaneously with a low speed of sound and with tolerable damping properties.
  • Claim 4 proposes a special embodiment of the invention, in particular for material testing.
  • a test in the material testing e.g. from DE-A-1 648 361 known arrangement with two wedge-shaped lead sections, each with two inclined sound passage surfaces for use at high temperatures and radiation exposure.
  • the wedge-shaped lead lines are made in different areas from sintered metal of different grain size, the space between the two sound passage surfaces each containing a lead section of sintered metal of small grain size and arranged near the other surfaces of sintered metal of larger grain size. This arrangement avoids disturbing reflections within the lead section on the surfaces which are not used for the passage of the sound.
  • sintered metal of different grain sizes the sound can be damped differently locally.
  • the sintered metal body has essentially a small grain size between the two sound passage surfaces, so that the sound is passed from one surface to the other with little attenuation. In the vicinity of the other surfaces, 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 acoustic transducer proposed in the fifth claim can be largely adapted to the adjacent materials or media on both sides.
  • a larger wave size of approx. 50 to 100 J tm enables a low wave resistance and on the side of the piezoelectric element a smaller size of approx. 20 J can be used tm set a higher wave resistance.
  • the reflections occurring at a boundary layer between two media are largely reduced and the performance of the converter is thus increased.
  • the transducer proposed in the sixth claim is initially to be mechanically damped in order to achieve the shortest possible transmission pulses, so that the piezoelectric element can not only emit or record as little loss as possible, ie without reflections, sound waves, or on the side facing the object to be examined, but also its damped back can absorb sound waves as far as possible and without reflections.
  • a material at this point whose wave resistance corresponds as closely as possible to that of the piezoelectric element.
  • 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 a damping body 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.
  • porous metallic bodies with different seals 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 surface seal, in particular 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 rall remains of solder in the free pores of the sintered metal and causes corrosion there.
  • a sintered metal made of stainless steel 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. Coating with a boron-containing material, followed by a longer annealing at approx. 900 ° C, you can temper and seal machined steel surfaces with iron boride that occurs during structural transformation.
  • the lead section 1 made of a porous metallic body consists of two separate wedge halves 1 a and 1 b.
  • the angle a of the lead section is selected for the material test so that, depending on the sound velocities in the lead section of the wedge and in the material to be tested, the angle of incidence in the material has a fixed value that lies 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 pressing 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 2 .
  • 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 of 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.
  • FIG. 2 shows a cross section through the transducer according to the invention from FIG. 1. The inclination of both front 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 compressive force to the damping body 8 via the plate springs 5 and the disk 16 made of insulating material.
  • the pin 17 is also made of insulating material and is used to hold the damping body 8 during assembly.
  • the defined contact pressure is applied to the pressure piece 4 from the outside.
  • the set screw 15 is then tightened tight. Since the pressing device 3 has no inherent elasticity through suitable shaping, the force of the setter springs 5 can be applied to it support. There is a gap between the two wedge halves 1 a and 1 b, which prevents the sound waves from passing through.
  • FIG. 3 A possible embodiment of the fastening and mounting of the damping body is described with reference to FIG. 3, the transducer shown here not having a lead section. It consists of a housing 18, one side of which is designed as a sound membrane 19. The piezoelectric element 2 is applied to the inside of the sound membrane 19. In the same way, the damping body 20, which can be made of sintered metal, is connected to the back of the element 2. The connection technology is adapted to the respective operating temperatures.
  • the disc springs 5 prevent the damping body 20 from being detached from the element 2 in the event of vibrations occurring in an unfavorable manner.
  • the damping body 20 also serves as an electrical connecting element 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 representation of a wedge 1 as a leading section of an ultrasonic transducer according to claim 4.
  • the piezoelectric element 2 is applied on the top of the wedge.
  • the wave fronts emanating from element 2 spread out as straight waves in a wedge.
  • a metal powder of larger grain size for example grain size 200 to 300 microns, is arranged in the area B, which causes increased sound absorption.
  • the other areas of the wedge contain a homogeneous material with metal powder of, for example, 100 to 200 micron grain size with a constant and low sound attenuation. May g Rössen the transition surface between different grain at a defined angle to the surface B are applied. 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.
  • Fig. 6 shows a damping body 28 made of sintered metal of different grain size according to claim 6.
  • the grain size is selected so that an acoustic wave resistance is achieved that is as close as possible to that of the piezo material.
  • the grain size of the sintered metal is chosen so large that a sufficiently high damping is achieved and rear wall echoes from the surface H are no longer reflected to the piezoelectric element 2.

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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 Luftatmosphäre 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 Wellenwiderständen 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 DE-A-2 614 376 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 DE-A-2 436 328 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.
  • Auch aus der US-A-3 663 842 ist eine Vorlaufstrecke für einen Ultraschallwandler bekannt, welche aus einem Kunststoff besteht, in den zur kontinuierlichen Änderung des Wellenwiderstandes in Anpassung an das zu untersuchende Medium Metallpulver von unterschiedlicher Korngrösse eingebunden ist. Auch in dieser Schrift werden jedoch die Grundeigenschaften durch den Kunststoff bestimmt und durch Beimischung von Metallpulver lediglich abgeändert. Auch diese Vorlaufstrecke ist nicht beständig gegen hohe Temperaturen und Strahlenbelastung. Aus der FR-A-2 097 451 ist allerdings ein temperatur- und strahlenbeständiger Ultraschallwandler bekannt, welcher allerdings keine Vorlaufstrecke zur Ankopplung an ein anderes Medium besitzt. Aus dieser Schrift ist allerdings zu entnehmen, dass als Dämpfungskörper zur Dämpfung von Echos an der Rückseite des piezo-elektrischen Elementes ein poröser metallischer Körper, z.B. aus Sintermetall verwendet werden kann. Dabei sind die akustischen Eigenschaften des Dämpfungskörpers jedoch nicht näher behandelt, was bei einem relativ unkritischen Bauteil wie dem Dämpfungskörper eines Ultraschallwandlers auch nicht nötig ist. Möglichkeiten zu einer optimalen Ankopplung des Ultraschallwandlers an ein anderes Medium, gegebenenfalls noch unter einem bestimmten Winkel, werden in dieser Schrift nicht aufgezeigt.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein akustischer Wandler, der die erwähnten Nachteile vermeidet und bei hohen Temperaturen und/oder radioaktiver Strahlenbelastung sowie in aggressiven Medien verwendbar ist. Insbesondere soll der Ultraschallwandler eine temperatur- und strahlenbeständige Vorlaufstrecke besitzen, welche eine günstige Anpassung der Wellenwiderstände bewirkt und gegebenenfalls auch eine Einstrahlung unter einem vorgegebenen Winkel möglich macht.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein akustischer Wandler nach dem Hauptanspruch vorgeschlagen. Ein solcher akustischer Wandler mit einem piezo-elektrischen Element, einer metallischen Vorlaufstrecke und gegebenenfalls einem metallischen Dämpfungskörper, bei dem die Vorlaufstrecke ein poröser metallischer Körper ist, wobei Anzahl und Grösse der Poren so bemessen sind, dass der Körper im Bereich des Schallweges einen Wellenwiderstand hat, der zwischen den Wellenwiderständen von piezo-elektrischem Element und anzukoppelndem Medium liegt, erfüllt die oben genannten Anforderungen. Es hat sich gezeigt, dass ein poröser metallischer Körper, beispielsweise aus gepresstem Metallpulver oder aus Sintermetall, durch geeignete Wahl von Anzahl und Grösse der Körner bzw. Poren in seinen akustischen Eigenschaften stark beeinflusst werden kann. Insbesondere lässt sich die Schallgeschwindigkeit beeinflussen, was für die Einstrahlung unter bestimmten Winkeln von grosser Bedeutung ist. Gleichzeitig lässt sich der Wellenwiderstand in einem günstigen Bereich zwischen den Wellenwiderständen der beiden angrenzenden Medien halten, was zu einer guten Ultraschallübertragung führt. Das bei der Herstellung eines porösen metallischen Körpers in weiten Grenzen einstellbare Gesamtporenvolumen ist für die akustischen Eigenschaften massgebend. Es lässt sich praktisch durch die Korngrösse des verwendeten Metallpulvers und beispielsweise durch entsprechendes Pressen beeinflussen. Wenn die Porenabmessungen kleiner als die Ultraschall-Wellenlängen gewählt werden, wird die durch Streuung verursachte Schallschwächung in dem porösen Körper klein gegenüber der materialbedingten Schallschwächung. Alles dies führt dazu, dass sich für die meisten Anwendungen gute Kompromisse bezüglich Dämpfung, Schallgeschwindigkeit und Wellenwiderstand mit einem porösen metallischen Körper reproduzierbar finden lassen.
  • Die im zweiten Anspruch vorgeschlagenen Sintermetallkörper als Vorlaufstrecke stellen eine besonders stabile Ausführung dar. Sie lassen sich aus korrosionsresistentem, hitzebeständigem Material unter hohem Druck und hoher Temperatur aus Metallpulver von geringer Korngrösse herstellen. Solche 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 Öl 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 Werkstücke etwa entsprechen und daher auch bei Temperaturschwankungen die Reflexion an Grenzflächen nicht wesentlich geändert wird.
  • Im Anspruch 3 wird vorgeschlagen, dass der Wellenwiderstand der Vorlaufstrecke etwa die Grösse des geometrischen Mittels zwischen den Wellenwiderständen der angrenzenden Medien hat. Dies ist die optimale Ausführung für eine möglichst verlustfreie Ankopplung des Ultraschallwandlers. Es hat sich gezeigt, dass die Erfüllung dieser Bedingung gleichzeitig mit einer niedrigen Schallgeschwindigkeit und mit tolerierbaren Dämpfungseigenschaften möglich ist.
  • Im Anspruch 4 wird eine besondere Ausführungsform der Erfindung, insbesondere zur Werkstoffprüfung, vorgeschlagen. Danach soll eine an sich bei der Werkstoffprüfung z.B. aus der DE-A-1 648 361 bekannte Anordnung mit zwei keilförmigen Vorlaufstrecken mit jeweils zwei zueinander geneigten Schalldurchtrittsflächen für die Verwendung bei hohen Temperaturen und Strahlenbelastung ertüchtigt werden. Dazu werden die keilförmigen Vorlaufstrekken in verschiedenen Bereichen aus Sintermetall von unterschiedlicher Korngrösse hergestellt, wobei der Raum zwischen den beiden Schalldurchtrittsflächen jeweils einer Vorlaufstrecke Sintermetall von geringer Korngrösse enthält und in der Nähe der übrigen Flächen Sintermetall von grösserer Korngrösse angeordnet ist. Diese Anordnung 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 im fünften Anspruch vorgeschlagene akustische 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 bis 100 Jtm ein niedriger Wellenwiderstand und auf der Seite des piezo-elektrischen Elementes lässt sich durch eine geringere Korngrösse von ca. 20 Jtm 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 sechsten Anspruch vorgeschlagene Wandler soll zunächst zur Erreichung möglichst kurzer Sendeimpulse mechanisch gedämpft 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 gedämpften 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 einer Korngrösse von ca. 100 bis 200 Jtm 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 Dämpfungkörpers zunimmt. In der Praxis erscheint es aber ausreichend, zwei oder drei unterschiedliche Korngrössen in einem Dämpfungskörper anzuordnen. Die grösste Korngrösse für Dämpfungkörper sollte bei 0,3 mm = 300 Jtm liegen.
  • Die im achten, neunten und zehnten Anspruch vorgeschlagenen porösen metallischen Körper mit verschiedenen Abdichtungen 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, insbesondere 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 Rall Reste von Lötmittel in den freien 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 zehnten Anspruch wird eine weitere Möglichkeit zur Abdichtung der Vorlaufstrecke vorgeschlagen. Ein Körper nach dem zehnten Anspruch mit metallischen Folien als Abdichtung hat bei Einhalten bestimmter Foliendicken (ungefähr 1/4 Wellenlänge) eine bessere Wellenwiderstandsanpassung, da die Folie eine einem optimalen Interferenzfilter vergleichbare Wirkung hat. Als Materialien kommen je nach Umgebungsmedium Aluminium, Magnesium, Edelstahl und andere 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.
    • Fig. 1 zeigt einen akustischen Wandler zur Feststellung von Materialfehlern in Werkstoffen in Seitenansicht.
    • Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch Fig. 1.
    • Fig. 3 zeigt einen akustischen Wandler, der gleichzeitig als Sender und Empfänger dient.
    • Fig. 4 zeigt einen Keil als Vorlaufstrecke eines Wandlers,der aus Sintermetall von unterschiedlicher Korngrösse hergestellt ist.
    • Fig. 5 zeigt eine Vorlaufstrecke aus Sintermetall von unterschiedlicher Korngrösse.
    • Fig. 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 einem porösen metallischen Körper besteht aus zwei getrennten Keilhälften 1 a und 1 b. Der Winkel a 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 eingerichteten 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/cm2. Die Anpressvorrichtung 3 wird durch eine Schraube 6 und einen Bolzen 7 auf der Vorlaufstrecke 1 befestigt. Die Druckkraft der Tellerfedern 5 wird auf einem 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 in 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. Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch den erfindungsgemässen Wandler aus Fig. 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 8 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 derTetterfedern 5 an ihr abstützen. Zwischen den beiden Vorsatzkeilhälften 1 a und 1 b ist ein Spalt vorhanden, der einen Durchgang der Schallwellen verhindert.
  • Anhand von Fig. 3 wird eine mögliche Ausführung der Befestigung und Halterung des Dämpfungskörpers beschrieben, wobei der hier gezeigte Wandler keine Vorlaufstrecke aufweist. Er besteht aus einem Gehäuse 18, dessen eine Seite als Schallmembran 19 ausgebildet ist. Auf der Innenseite der Schallmembran 19 ist das piezo-elektrische Element 2 aufgebracht. In der gleichen Weise ist der Dämpfungskörper 20, der aus Sintermetall bestehen kann, mit der Rückseite des Elementes 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.
  • Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Keils 1 als Vorlaufstrecke eines Ultraschallwandlers nach Anspruch 4. 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 bis 300 Mikron angeordnet, das eine erhöhte Schallabsorption bewirkt. Die anderen Bereiche des Keils enthalten ein homogenes Material mit Metallpulver von z.B. 100 bis 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 Fig. 5 ist die Vorlaufstrecke 27 nach Anspruch 5 im Bereich des piezo-elektrischen Elementes 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.
  • Fig. 6 zeigt einen Dämpfungskörper 28 aus Sintermetall von unterschiedlicher Korngrösse nach Anspruch 6. Im Bereich F des fest angekoppelten piezo-elektrischen Elementes 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 nicht mehr zum piezo-elektrischen Element 2 reflektiert werden.

Claims (10)

1. Akustischer Wandler mit einem piezo-elektrischen Element (2), einer metallischen Vorlaufstrecke (1) und gegebenenfalls einem metallischen Dämpfungskörper (8), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorlaufstrecke (1) ein poröser metallischer Körper ist, wobei Anzahl und Grösse der Poren so bemessen sind, dass der Körper im Bereich des Schallweges einen Wellenwiderstand hat, der zwischen den Wellenwiderständen von piezo-elektrischem Element (2) und anzukoppelndem Medium (26) liegt.
2. Akustischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Körper aus einem Sintermetall besteht.
3. Akustischer Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenwiderstand der Vorlaufstrecke etwa die Grösse des geometrischen Mittels zwischen den Wellenwiderständen der angrenzenden Medien hat.
4. Akustischer Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere zur Werkstoffprüfung, mit einer oder zwei keilförmigen Vorlaufstrekken (1) mit jeweils zwei zueinander geneigten Schalldurchtrittsflächen, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorlaufstrecken in verschiedenen Bereichen aus Sintermetall von unterschiedlicher Korngrösse bestehen, wobei der Raum zwischen den beiden Schalldurchtrittsflächen einer Vorlaufstrecke Sintermetall von geringer Korngrösse enthält und in der Nähe der übrigen Flächen Sintermetall von grösserer Korngrösse angeordnet ist.
5. Akustischer Wandler nach Anspruch 2 mit einer Vorlaufstrecke aus Sintermetall, dadurch gekennzeichnet, dass die Korngrösse des Sintermetalls in der Vorlaufstrecke sich quasi-kontinuierlich in Richtung von der Grundfläche in Richtung zum piezo-elektrischen Element vermindert.
6. Akustischer Wandler nach Anspruch 2 mit einem Dämpfungskörper aus Sintermetall, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Dämpfungskörper die Korngrösse des Sintermetalls in Richtung von dem piezo-elektrischen Element zur Rückseite des Dämpfungskörpers hin zunimmt.
7. Akustischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der die Vorlaufstrecke bildende poröse metallische Körper auf mindestens einer Seite abgedichtet ist.
8. Akustischer Wandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der die Vorlaufstrecke bildende poröse metallische Körper durch Schleifen seiner Oberfläche abgedichtet ist.
9. Akustischer Wandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der die Vorlaufstrecke bildende poröse metallische Körper durch Borieren abgedichtet ist.
10. Akustischer Wandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der die Vorlaufstrecke bildende poröse metallische Körper durch metallische Folien von geringer Dicke (ungefähr 1/4 der Wellenlänge) abgedichtet ist.
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