DE1648361B2

DE1648361B2 - Ultraschall-doppelwandlertastkopf

Info

Publication number: DE1648361B2
Application number: DE19671648361
Authority: DE
Inventors: Robert V Danen Conn Harns (V St A)
Original assignee: Branson Instruments, Ine , Stamford, Conn (V St A )
Priority date: 1966-07-07
Filing date: 1967-04-13
Publication date: 1972-07-13
Also published as: DE1648361A1; US3325781A

Description

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Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen Ultra- gute Übertragungseigenschaften für Ultraschallsignale

schall-Doppelwandlertastkopf der bekannten Art so auf.

zu verbessern, daß in einem zu untersuchenden Der aus einer Scheibe tines piezoelektrischen Ma-

Werkstück die Laufzeit der Ultraschallwellen sehr terials bestehende sendende Wandler 16 ist durch

genau bestimmt werden kann, selbst wenn sich die 5 einen an seiner flachen Oberseile befestigten Leiter

Schallübertragungseigenschaften der Ankopplungs- mit einem Anschlußstift 30 verbunden, und der emp-

körper infolge veränderter Umgebungsbedingungen fangende Wandler 22 ist in gleicher Weise mit einem

ändern. , Anschlußstift 32 verbunden. Die Anschlußstifte wer-

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungs- den in einem Wandlergehäuse 34 gehalten, mit dem

gemäß dadurch, daß die Stirnflächen der Ankopp- io auch die jeweiligen anderen Seiten der Wandler 16

lungskörper derart konvex gekrümmt sind, daß die und 22 verbunden sind, Der Zwischenraum zwischen

Laufzeit aller Schallsignale in jedem Ankopplungs- dem Wandlergehäuse 34, den piezoelektrischen

körper zwischen dem Wandler und der Kontaktfläche Wandlern und den festen Ankopplungseinrichtungen

gleich ist und daß die von dem sendenden Wandler ist mit einem geeigneten Einbettungsmaterial 36, wie

ausgehenden Ultraschallsignale im wesentlichen in 15 etwa Epoxydharz, ausgefüllt,

der Mittelebene des Zwischenraumes zwischen den Doppelwandlertastköpfe sind normalerweise so

beiden Ankopplungskörpern vor den Kontaktflächen konstruiert, daß sie einen »fokussierten« Strahl er-

des Doppelwandlertastkopfes fokussiert werden. zeugen, d. h„ daß die jeweiligen Schallstrahlachsen

Der nach der Erfindung ausgebildete Ultraschall- schräg gegeneinander geneigt verlaufen, damit sich Doppelwandlertastkopf eignet sich auch für solche 20 die Schallstrahlen in einer Brennebene überschneiden, Anwendungsfälle, bei denen das an der Kontaktfläche die ein wenig vor der Eindringfläche 12 des Gegenzwischen dem Ankopplungskörper und dem Werk- Standes liegt. Dazu sind die Hinterflächen 18 und 24 stück entstehende Reflexionssignal für eine Messung der Ankopplungseinrichtungen 20 und 26 entsprebenötigt wird. Bei solchen Anwendungsfällen kann chend der Darstellung schräg zu den jeweiligen Vordie Schallaufzeit im Werkstück mit einer Genauigkeit 25 derflächen geneigt, so daß der vom sendenden piezobestimmt werden, die mit herkömmlichen Tastköp- elektrischen Wandler 16 ausgehende Schallstrahl die fen nicht erreichbar ist. Außerdem wird durch die Ankopplungseinrichtung 20 durchdringt und die EinErfindung die zur Verfügung stehende Ultraschall- dringfläche 12 des Gegenstandes mit einem von 90° energie wesentlich besser ausgenutzt, als es bei der abweichenden Winkel schneidet. Die gleiche Kon-Aussendung von ebenen Ultraschallwellen der Fall ist. 30 struktion gilt auch in gleicher Weise für die Emp-

Zur weiteren Verbesserung der Lösung der Erfin- fangsseite des Tastkopfs. Wie aus der Darstellung

diingsaufgabe hat sich als zweckmäßig erwiesen, daß hervorgeht, sind die piezoelektrischen Wandler 16

die konvex gekrümmten Stirnflächen Kreiszylinder- und 22 an ebenen, schräg geneigten Hinterflächen der

ausschnitte sind. Ankopplungseinrichtungen befestigt. Die oben be-

Eine weitere Verbesserung der Lösung der Erfin- 35 schriebene Konstruktion ist auch in dem Buch mit

dungsaufgabe ergibt sich dadurch, daß die konvexe dem Titel »Ultrasonic Engineering« von Julian R.

Krümmung der Stirnflächen sphärisch ist. Frederick, John Wiley & Sons, Inc., New York, N. Y.

Die Zeichnung zeigt ein Aust'ührungsbeispiel der (1965), Seite 263, Fig. 7, 18 dargestellt.

Erfindung, und zwar ist Wenn ein genau definiertes, klares, von der Grenz-

Fig. 1 eine teilweise geschnittene Ansicht eines 40 fläche zwischen der Ankopplungseinrichtung 20 und

bekannten Ultraschall-Doppelwandlertastkopfes, der Eindringfläche 12 des Gegenstandes abhängiges

Fig. 2 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 1, wobei Reflexionssignal erforderlich ist, wie es etwa bei der

jedoch die erfindungsgemäßen Verbesserungen dar- Untersuchung von Metallabschnitten mit einer Dicke

gestellt sind, von beispielsweise 6,5 mm oder weniger der Fall ist,

F i g. 3 eine erläuternde Skizze und 45 ist die in F i g. 1 dargestellte Konstruktion nicht gut

F i g. 4 eine Draufsicht, in der das Verfahren zur geeignet, da das Reflexionssignal nicht klar definiert

Herstellung des verbesserten Doppelwandlertastkop- ist. Dieser Fehler liegt in der dargestellten Konstruk-

fes dargestellt ist. tion begründet. Die Entfernung und damit auch die

In Fig. 1 ist ein Doppelwandlertasvkopf 10 dar- Signallaufzeit Tl vom Außenrand des sendenden gestellt, der auf eine Eindringfläche 12 eines Gegen- 50 Wandlers 16 bis zur Eindringfiäche 12 des Gegenstandes 14 einwirkt, der mit Ultraschallenergie unter- Standes 14 ist kürzer als die Signallaufzeit T 2, die der sucht werden soll. Entfernung des Innenrandes des gleichen Wandlers

Der Doppelwandlertastkopf enthält einen senden- von der Eindringfläche 12 entspricht. Auf diese Weise

den piezoelektrischen Wandler 16, einen empfangen- tritt eine gestörte Wellenfront auf, die für eine ge-

den piezoelektrischen Wandler 12 und zwei feste An- 55 naue Grenzflächenauslösung nicht verwendet werden

kopplungseinrichtungen 20 und 26. Die Wandler sind kann.

jeweils auf den Hinterflächen 18 und 24 der Ankopp- In F i g. 2 ist eine verbesserte Konstruktion nach

lungseinrichtungen befestigt. Die zwei nebeneinander- der Erfindung dargestellt. Die Hinterfläche 18 A der

liegenden Ankopplungseinrichtungen 20 und 26 sind betreffenden Ankopplungseinrichtung 2OA ist dabei

durch einen engen Längsspalt voneinander getrennt, 60 gekrümmt ausgeführt, so daß sie beispielsweise einen

der mit einem akustischen Isolierungsmaterial 28, wie zylindrischen Ausschnitt bildet. Die von verschiede-

etwa Kork, gefüllt ist, damit eine Verkopplung der nen seitlichen Stellen des piezoelektrischen Wandlers

akustischen Signale unterdrückt wird. 16/4 ausgehenden Teile des Schallenergiestrahls

Die festen Ankopplungseinrichtungen 20 und 26 durchdringen dadurch gleiche Strecken in der An-

bestehen in einer typischen Ausführungsform aus 65 kopplungseinrichtung 20/4, so daß sie sich an einem

einem thermoplastischen Polyamid, welches hitze- Punkt F treffen, wie in F i g. 3 dargestellt ist. Dieser

beständig ist. Obwohl solches Material hohen Tempe- Punkt F liegt in einer bevorzugten Ausführungsform

raturen widerstehen kann, weist es aber trotzdem ein wenig vor der Stirnfläche der Ankopplungsein-

richtung direkt vor dem Innenrand der Ankopplungseinrichtung 20 A.

Zur Erzielung eines scharfen Echosignals ist die Hinterfläche 24 A der Ankopplungseinrichtung 26 A in gleicherweise gekrümmt. Der empfangende Wandler 22 A ist an dieser Hinterfläche befestigt. Auf diese Weise lassen sich ein klares, von Grenzflächen abhängiges Signal und ein klares Reflexionssignal erzielen. Wenn die konvexen Hinterflächen 18 A und 24 A Zylinderausschnitte bilden, dann treffen sich die Strahlen in einer Brennebene. Damit eine verbesserte Empfindlichkeit erzielt wird, können die Hinterflächen 18 A und 24 A auch aus Kugelausschnitten bestehen, so daß sich die Strahlen in einem Brennpunkt treffen. Die piezoelektrischen Wandler 16 A und 22A der Anordnung von Fig. 2 werden durch Schleifen oder ein anderes Verfahren so geformt, daß sie mit der Krümmung der zugehörigen Hinterflächen ISA und 24 A übereinstimmen. Diese Krümmung bildet den Gegensatz zu den ebenen Rächen der bisher bekannten Wandler 16 und 22 von Fig. 1.

In F i g. 4 ist die Herstellung der Ankopplungseinrichtungen und der Wandler dargestellt, In einem typischen Fall werden die Ankopplungseinrichtungen 20/4 und 26/4 aus einem einzigen Stück eines thermoplastischen Rundstangenmaterials mit einem Durchmesser von 12,5 mm und einer Länge von etwa 12,5 mm hergestellt. Die gegenüberliegenden Längsflächen werden dann durch Entfernen der gestrichelten Teile 40 nach F i g. 4 abgeflacht, und der Schlitz 41 wird im Mittelteil eingeschnitten. Jede der Ankopplungseinrichtungen besitzt dann die Abmessungen von etwa 9,5 mm χ 4 mm χ 12,5 mm. Wenn die

ίο Hinterflächen 18/4 und 24 A aus Zylinderausschnitten bestehen, dann besitzen sie etwa einen Radius von 19 mm, wobei der Ursprung der Radien im wesentlichen längs der gemeinsamen Längsachse liegt. Die Wandler 16A und 22/4 aus piezoelektrischem Material, an die zu beiden Seiten die gleichen Radien angeschliffen sind, sind an die entsprechenden gekrümmten Hinterflächen 18/4 und 24 A der Ankopplungseinrichtungen 20/4 und 26/4 geklebt, wie aus der Darstellung hervorgeht. Das Verfahren zur Befestigung der Wandler an den Ankopplungseinrichtungen zur Herstellung der elektrischen Verbindungen, zur Einbettung in Harz und zur Durchführung anderer Vorgänge bei der Herstellung der Wandler ist wohl bekannt und in der Technik beschrieben und ausgeführt worden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

1 ^ 2 liegen. Da diese Stirnflächen der Ankoppiungskürper und damit auch die Flächen der olektroakustischen Patentansprüche: Wandler, von denen die Ultraschallwellen ausgehen bzw. die die Reflexionssignale aufnehmen, zu den

1. Ultraschall-Doppelwandlertastkopf mit zwei 5 Kontaktflächen der Ankopplungskörper schräg verlänglichen, aus festem Material bestehenden An- laufen, sind die Abstände von verschiedenen Stellen kopplungskörpern, die parallel im Abstand von- auf der Fläche des Wandlers zu der Kontaktfläche einander liegen, akustisch voneinander isoliert sind des Ankopplungskörpers unterschiedlich lang. Damit und in ihrer Längserstreckung sehr viel größer benötigen die von unterschiedlichen Stellen des Sensind als der zu untersuchende Tiefenbereich eines io ders ausgehenden Ultraschallwellen unterschiedliche Werkstücks, mit der akustischen Isolierungs- Laufzeiten, bis sie an die Oberfläche des zu prüfenschicht als Symmetrieebene, mit einem im wesent- den Werkstückes gelangen. Auch die_ von der Oberlichen als Sender dienenden ersten elektroakusti- fläche des Werkstückes von verschiedenen Stellen sehen Wandler, der auf einer Sthnfläche des einen reflektierten Ultraschallwellen erreichen_ die Ober-Ankopplungskörpers aufliegt, und mit einem als 15 fläche des Empfängers nach unterschiedlichen Lauf-Empfänger dienenden zweiten elektroakustischen zeiten. Das bedeutet, daß eine im wesentlichen Wandler, der auf einer entsprechenden Stirnfläche parallel zur Wandlerfläche fortschreitende Wellendes anderen Ankopplungskörpers aufliegt, wobei front bei ihrem schrägen Durchdringen der Kontaktdie beiden Stirnflächen schräg zu den an den je- fläche ein stark verbreitertes Reflexionssignal auslöst, wcils gegenüberliegenden Enden des Ankopp- 20 das für präzise Messungen nicht geeignet ist.
lungskörpers liegenden Kontaktflächen am Werk- Nach einem nicht zum Stand der Technik gehörenstück verlaufen, dadurch gekenn zeich- den Vorschlag verwendet eine Ultraschallprüfvornet, daß die Stirnflächen (ISA, 24A) der An- richtung zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung das kopplungskörper (2OA, 26A) derart konvex ge- an der Kontaktfläche des Ankopplungskörpers rekrümmt sind, daß die Laufzeit aller Schallsignale 25 flektierte Signal als Startsignal für eine Zeitmeßvorin jedem Ankopplungskörper (20A, 26A) zwi- richtung, wobei dieses Reflexionssignal vom sendenschen dem Wandler (16 A, 22A) und der Kon- den Wandler empfangen wird.

taktfläche gleich ist und daß die vom sendenden Mit den bekannten Ultraschall-Doppelwandlertast-

Wandler (16A) ausgehenden Ultraschallsignale köpfen ist es jedoch nicht möglich, von der Kontaktim wesentlichen in der Mittelebcne des Zwischen- 3° fläche des Ankopplungskörpers ein präzises Reraumes zwischen den beiden Ankopplungskör- flexionssignal zu erhalten, da die Laufzeiten der pern (20A, 26A) vor den Kontaktflächen des Ultraschallsignale, die von verschiedenen Kanten des Doppelwandlertastkopfes (10) fokussiert werden. Senders ausgehen, voneinander verschieden sind. Es

2. Ultraschall-Doppelwandlertastkopf nach entsteht also bei den bekannten Ultraschall-Doppel-Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die 35 wandlertastköpfen kein scharfes Reflexionssignal, konvex gekrümmten Stirnflächen (ISA, 24A) das als Startsignal für die Zeitmeßvorrichtung ver-Kreiszylinderausschnitte sind. wendet werden kann.

3. Ultraschall-Doppelwandlertastkopf nach Nach dem Stand der Technik ist ein Ultraschall-Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wandler mit einer konvex gekrümmten Fläche bekonvexe Krümmung der Stirnflächen (ISA, 24A) 40 kannt, mit dem Ultraschallsignale im Inneren eines sphärisch ist. Werkstückes fokussiert werden. Damit verschiedene

Stellen im Inneren des Werkstückes erreicht werden können, kann der bekannte Wandler verschiedene

Schräglagen einnehmen. Der Wandler befindet sich

45 bei dieser bekannten Anordnung in einem mit einer Flüssigkeit gefüllten Gefäß. Für Präzisionsmessungen,

Die Erfindung betrifft einen Ultraschall-Doppel- bei denen das an der Kontaktfläche zwischen dem wandlertastkopf mit zwei länglichen, aus festem Ma- Tastkopf und dem Werkstück reflektierte Ultraschallterial bestehenden Ankopplungskörpern, die parallel signal ausgenutzt wird, ist dieser bekannte Tastkopf im Abstand voneinander liegen, akustisch voneinan- 50 nicht geeignet, da auch bei ihm die Abstände von der isoliert sind und in ihrer Längserstreckung sehr verschiedenen Stellen der Wandlerfläche zur Tastviel größer sind als der zu untersuchende Tiefen- kopfkontaktfläche unterschiedlich sind. Damit sind bereich eines Werkstückes, mit der akustischen Iso- auch die Laufzeiten der von verschiedenen Stellen lierungsschicht als Symmetrieebene, mit einem im des Wandlers ausgehenden Signale unterschiedlich, wesentlichen als Sender dienenden ersten elektro- 55 so daß nur ein sehr unscharfes Reflexionssignal an akustischen Wandler, der auf einer Stirnfläche des der Kontaktfläche entsteht.

einen Ankopplungskörpers aufliegt und mit einem als Bei einer bekannten Einrichtung zur Behandlung

Empfänger dienenden zweiten elektroakustischen von Körpern mit Ultraschallwellen wird ein hohl-Wandler, der auf einer entsprechenden Stirnfläche spiegelartig gekrümmter Ultraschallwellenerzeuger des anderen Ankopplungskörpers aufliegt, wobei die 60 verwendet, um die Ultraschallwellen an einer gebeiden Stirnflächen schräg zu den an den jeweils wünschten Stelle zu fokussieren. Bei dieser bekanngegenüberliegenden Enden des Ankopplungskörpers ten Einrichtung wird jedoch kein als Empfänger liegenden Kontaktflächen am Werkstück verlaufen. dienender elektroakustischer Wandler verwendet. Die

Bei bekannten Ultraschall-Doppelwandlertastköp- ausgesendeten Ultraschallwellen dienen lediglich zur fen dieser Art werden als Sender bzw. als Empfänger 65 Behandlung bestimmter Körperstellen. Eventuell aufdienende elekuoakustische Wandler mit ebenen An- tretende Reflexionssignale von irgendeiner Stelle finkopplungsflächen benutzt, die auf den eben ausge- den bei dieser bekannten Einrichtung keinerlei Verbildeten Stirnflächen der Ankopplungskörper auf- Wendung.