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Tastkopfvorrichtung zur Werkstoffprüfung mit Ultraschallwellen
Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Werkstoffprüfung mittels Ultraschall, die als Sender und Empfänger funktioniert und aus zwei bekannten Tastköpfen so zusammengesetzt ist, dass sich mit dieser Vorrichtung zwei voneinander unabhängige Schrägeinstrahlungen mit zwei verschiedenen Winkeln durchführen lassen. Mit der gleichen Vorrichtung ist es auch möglich, in zum Prüfstück normaler Richtung (Normaleinstrahlung) Ultraschallwellen in dieses einzustrahlen und auch zu empfangen, wobei die eingestrahlte Energie nach bekannten physikalischen Grundsätzen gebündelt wird.
Für die Normaleinstrahlung ergeben sich bei der erfindungsgemässen Tastkopfeinrichtung zwei Betriebsmöglichkeiten : Die Schallenergie wird nur von jeweils einem der Tastköpfe abgestrahlt oder Sendung und Empfang erfolgen über beide Tastköpfe gleichzeitig.
Als bekannt sollen alle Vorrichtungen für schräge Einstrahlung von Ultraschallwellen angesehen werden, bei welchen die Vorrichtungen mittels eines Schwingers und eines prismatischen Körpers in starrem oder stetig veränderbarem Winkel strahlen und empfangen. Ebenfalls sollen Vorrichtungen, die neben einer normalen Einstrahlung auch für schräge Einstrahlung geeignet sind, als bekannt vorasugesetzt werden.
Bei der Fehlersuche ist es wichtig, wenn die Einstrahlrichtung einer solchen Vorrichtung so verändert werden kann, dass Messungen wiederholbar sind. Dieser Forderung entsprechen. bekannte Konstruktionen nur teilweise, da sie den Nachteil haben, dass ihr veränderbarer Winkel für die Einstrahlung nicht reproduzierbar ist. Konstruktionen mit starrem Winkel haben wieder den Nachteil, dass nur zwei Einstrahlungsmöglichkeiten vorhanden sind, die sich auf eine übliche Normaleinstrahlung neben nur einer Schrägeinstrahlung beschränken. Sie sind auch nicht so eingerichtet, dass mit zwei Schwingern in einer Ebene in bekannter Weise eine normale Einstrahlung mit an sich bekannter Schallkonzentration möglich ist.
Die Erfindung vereinigt zwei an sich bekannte Vorrichtungen für schräge Einstrahlung mit der Eigenschaft, neben einer an sich bekannten normalen Einstrahlung mit gebündeltenschallwellen auch in zwei schräge Richtungen mit voneinander ganz verschiedenen Winkeln strahlen und empfangen zu können.
Kennzeichnend für die erfindungsgemässe Vorrichtung ist, dass diese so aufgebaut ist, dass zwei an sich bekannte rechtwinkelige Teilprismen so miteinander verbunden werden, dass ihre anstossenden Flächen die Höhe eines Dreiecks bilden, u. zw. in bezug auf die bei der Aneinanderfügung der Teilprismen entstandene ebene Basisfläche. Diese beiden Teilprismen bestehen entweder aus Material, welches den Ultraschall mit verschiedener Geschwindigkeit leitet oder sie sind beide aus dem gleichen Material gefertigt. Im ersten Falle sind sie zueinander symmetrisch gleich, im zweiten Falle aber unsymmetrisch und ungleich. In jedem Falle sind sie aber rechtwinkelige Teilprismen, die sich zu einem prismatischen Körper mit gemeinsamer Basisfläche zusammensetzen lassen (s. Fig. 1-10).
Kennzeichnend ist für diese Vorrichtung auch, dass die beiden Schwinger auf der durch die Zusam- menfügung der zwei Teilprismen, wie schon beschrieben, entstandenen ebenen Basisfläche so montiert sind, dass jeder, unabhängig von dem andern, nur in eines der beiden Teilprismen strahlen kann, wobei, wie, schon beschrieben, die Schrägeinstrahlung und der Empfang in zwei verschiedenen Winkeln möglich ist. Da auf dieser Vorrichtung zwei Schwinger vorhanden sind, ist es auch möglich, diese Schwinger mit verschiedenen Frequenzen zu speisen, wenn dies einen Vorteil für die Prüfung ergibt.
Diese Erfindung gibt nun die Möglichkeit, mit zwei Schwingern auf einer Vorrichtung Eigenschaften von einzelnen, ver-
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schiedenen Tastköpfen mit verschiedenem Abstrahlungswinkel und verschiedenen Frequenzen zu erreichen und zugleich in schon bekannter Art, eine Energiekonzentration in normaler Einstrahlung zu erhalten, was alles bei derzeit bekannten Vorrichtungen noch nicht möglich ist.
Nach dem Snellius'schen Brechungsgesetz verhalten sich allgemein die Winkel der Abstrahlung zu den Schallgeschwindigkeiten wie folgt :
EMI2.1
Diese Erkenntnis wird in der erfindungsgemässen Einrichtung so angewendet, dass zwei Teilprismen mit verschiedener Geschwindigkeit leitendem Material so zusammengesetzt werden, dass sie, wie beschrieben, eine symmetrisch gleiche Vorrichtung ergeben, (vgl. Fig. 1-4).
Jedes Teilprisma der Vorrichtung wird entsprechend der der dort vorhandenen Schallgeschwindigkeit auch in verschiedenem Winkel den Ultraschall abstrahlen in den Prüfling senden und auch diesen, wieder empfangen.
Es ist jedoch auch möglich, die erfindungsgemässe Vorrichtung aus zwei Teilprismen aufzubauen, die aus gleichem Material bestehen. Diese Teilprismen müssen aber rechtwinkelig sein und so aneinandergelegt werden, dass sich eine ebene Basisfläche ergibt, auf welcher jeder Schwinger, der einem der Teilprismen zugeordnet ist, aufgebaut werden kann.
Um eine Strahlung eines Schwingers in jenes Teilprisma, welchem er nicht zugeordnet ist, zu vermeiden, werden beim Bau der Vorrichtung Spezialklebemittel verwendet. Es ist auch bekannt, dass die Grenzschichten der beiden Teilprismen, besonders. wenn sie aus verschiedenem Material bestehen, schalldämmend wirken.
Für die Normaleinstrahlung wird die Tastkopfeinrichtung mit den Tastköpfen, 1, und 2 auf den
Prüfling 5 aufgelegt (s. Fig. 4 und 8). Die Prismen S und 4 bzw. 7 und 8 die bei der Schrägeinstrahlung als Zwischenmedium auftreten, dienen nun als Halterung für die Tastköpfe 1 und 2. Zum Schutz der Tastköpfe vor einer Beschädigung während der Prüfarbeit kann zwischen den Tastköpfen und dem Prüfling eine Platte als Zwischenmedium angeordnet werden (in den Figuren nicht zu sehen), die be- kannte Vorteile bringt (Ankopplungsmedium) und daher in bekannten Konstruktionen verwendet wird.
Bei der Normaleinstrahlung stehen zwei Einstrahlungsmöglichkeiten zur Verfügung : a) Einstrahlung und Empfang der Ultraschallenergie von jeweils nur einem Tastkopf, also von 1 oder 2.. Die gesamte Schallenergie wird dann bekanntlich innerhalb eines Kegels abgestrahlt, dessen Symmetrieachse mit der Symmetrieachse des jeweils strahlenden Tastkopfes identisch ist und wobei für den halben Zentriwinkel 6 des Kegels bekanntlich gilt : sin 5 =--.
R
Dabei bezeichnet A die Wellenlänge der Ultraschallwelle und R den Radius des kreisförmigen, kolbenförmig schwingenden ebenen Schallgebers. b) Einstrahlung und Empfang der Ultraschallenergie erfolgt gleichzeitig über beide Tastköpfe, wobei beide Schwinger mit gleicher Frequenz strahlen. Nach dem Gesetz der ungestörten Superposition der Schall- wellen innerhalb der Elastizitätsgrenzen, kommt esdabeibekanntlich zu einer Interferenz der Schallwellen der beiden Tastköpfe ähnlich der Interferenz vonLichtwellen am Doppelspalt. Das MaximumO-ter Ordnung tritt im vorliegenden Falle in jener Ebene auf, die senkrecht zur Verbindungslinie der Tastköpfe 1 und 2 liegt.
Für einen Punkt dieser Ebene ist die Schallintensität 4 mal so gross, wie jene, die von einem einzelnen Schallkopf 1, oder 2 diesem Punkt zukommt. Die Lage dieser Ebene ist bekanntlich unabhängig von der jeweils verwendeten Wellenlänge, dem jeweiligen Radius des betrachteten Tastkopfes oder dem Abstand der Tastköpfe untereinander. Diese Schallabstrahlung wird bei Normaleinstrahlung immer dann verwendet werden, wenn es auf eine grosse Schallintensität ankommt, also bei Fehlersuche in grösserer Entfernung, wenn die Schalleistung eines einzelnen Tastkopfes nicht mehr genügt.
Um diese Schallabstrahlungen zu ermöglichen sind die Tastköpfe 1 und. 2. wie in Fig. 9 und 10 ersichtlich, angeschlossen : Jeder der Tastköpfe besitzt an seiner Vorder- und Rückseite eine aufgedampfte Elektrode, über die die Betriebsspannung zugeführt werden kann. Eine Elektrode des einen Tastkopfes liegt gemeinsam mit einer des andern über die Leitung 11 an Masse des Energiegerätes (in den Figuren nicht zu sehen).
Die heisse Leitung 15 des Energiegerätes führt zum Bauelement 14, das im Griff der Tastkopfeinrichtung untergebracht ist. Dieses enthält die Kopplungseinrichtungen für die Tastköpfe 1. und 2 und einen Umschalter, der die heisse Leitung 15 über die Kopplungsglieder an die Leitung 12. an die Leitung 13 oder an beide gleichzeitig anschliesst. Die Leitungen 12 und 13 führen zu den zweiten Elektroden der Tastköpfe 1 und 2.
Die Tastkopfeinrichtung ist mittels der Achse 10 - s. Fig. 9 - am Griff befestigt (der Griff ist in
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der Figur nicht zu sehen). Um diese Achse 10 ist sie drehbar gelagert und gestattet so einen schnellen Wechsel von einer Einstrahlrichtung in eine andere (z. B. von Normaleinstrahlung auf Schrägeinstrahlung). Die Leitungen. ll, 12 und'. 13'können über Schleifringe oder über ein flexibles Kabel von der drehbaren Tastkopfeinrichtung 9 zum Griff führen.
In den Fig. 1-10 ist diese Tastkopfvorrichtung mit der Schwingeranordnung in folgenden Darstellungen zu sehen
Fig. 1 zeigt die Vorrichtung im Querschnitt, Fig. 2 zeigt die Schrägstrahlung mittels eines Schwingers über einen prismatischen Körper bestimmter Schallgeschwindigkeit. Fig. 3 zeigt die gleiche Einstrahlung mit einem zweiten Schwinger über einen prismatischen Körper anderer Schallgeschwindigkeit. Fig. 4 zeigt eine Normaleinstrahlung mit beiden Schwingern, wobei, wenn beide zugleich vom Generator gespeist werden, die schon erläuterte Schallkonzentration zustandekommt. Fig. 5 zeigt zwei Schwin- ger auf der Basisfläche eines unsymmetrischen Körpers, dessen Teilprismen aus gleichartigem Material be- stehen. Fig. 6 zeigt diesen unsymmetrischen Körper gleichen Materials bei der Prüfung eines Werkstückes mittels eines grösseren Einstrahlwinkels.
Fig. 7 zeigt die gleiche Überprüfung mittels eines kleineren Win- kels. Fig. 8 : In dieser Figur wird die gleiche Überprüfung wie in Fig. 4 gezeigt. Fig. 9 zeigt die um die
Achse 10 drehbare Tastkopfeinrichtung 9 und die Anschlüsse der Schwinger 1 und 2. Fig. 10 schematisiert die elektrische Stromversorgung der Tastköpfe 1 und 2.
Es bedeuten in den Fig. 1-10 die Ziffern 1-15 folgendes :
1) Schwinger montiert auf einem prismatischen Körper mit einer bestimmten Schallgeschwindigkeit,
2) Schwinger montiert auf einem prismatischen Körper mit einer andern Schallgeschwindigkeit.
3) Prismatischer Körper einer bestimmten Schallgeschwindigkeit.
4) Prismatischer Körper einer andern Schallgeschwindigkeit.
5) Prüfstück.
6) Fehler im Prüfstück.
7) Prismatischer Körper mit Schrägeinstrahlung unter dem Winkel ss.
8) Prismatischer Körper mit Schrägeinstrahlung unter dem Winkel a.
9) Prismatischer Körper zusammengesetzt aus den Teilprismen 3 und 4 bzw. 7 und 8.
10) Achse um die der Körper 9 drehbar gelagert ist.
11) Gemeinsame Masseleitung der Tastköpfe 1 und 2.
12) Zuleitung der für die zweite Elektrode des Tastkopfes 1.
13) Zuleitung der für die zweite Elektrode des Tastkopfes 2.
14) Bauelement, das die Ankopplungsglieder und den Umschalter enthält.
15) Heisse Leitung vom Energiegerät.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Tastkopfvorrichtung zur Werkstoffprüfung mittels Ultraschall, mit welcher die Einstrahlung in mehrere Richtungen möglich ist. und die als Sender und Empfänger funktioniert, dadurch gekennzeichnet, dass diese Vorrichtung aus zwei bekannten Tastköpfen zusammengesetzt ist, von denen jeder aus einem rechtwinkeligen Teilprisma (3) und (4) oder (7) und (8) besteht, die so miteinander verbunden sind dass ihre aneinanderstossenden Flächen die Höhe eines Dreieckes in bezug auf die bei der Aneinanderfügung der Teilprismen (3) und (4) oder (7) und (8) entstandene gemeinsame Basisfläche bilden, auf der die beiden voneinander unabhängigen Schwinger angebracht sind.