DE19928765A1 - Ultraschallwandleranordnung und Verfahren zur Ultraschallprüfung - Google Patents

Ultraschallwandleranordnung und Verfahren zur Ultraschallprüfung

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Abstract

Bei einer Ultraschallwandleranordnung mit wenigstens zwei, in einer Abstrahlrichtung (11) gesehen hintereinander angeordneten Schwingerschichten (1, 3, 25, 27, 29; 1A, 3A), die einzeln oder in Kombination, eine Gruppe (G1, G2, G3, G4) bildend, ansteuerbar sind, sind zumindest zwei Gruppen mit unterschiedlichen Frequenzen (F 1 , F 2 , F 3 , F 4 ) betreibbar, und es ist wenigstens eine Gruppe als Sender ansteuerbar. Wenigstens eine Gruppe ist als Empfänger betreibbar. Vorzugsweise sind die Gruppen mit gleicher Polarität ansteuerbar. Vorteilhafterweise ist eine der Schwingerschichten (1, 3, 25, 27, 29; 1A, 3A) als Array ausgebildet und z. B. im Sende-Empfangs-Modus betreibbar. Es sind auch besonders einfach kontaktierbare Ausgestaltungen der Ultraschallwandleranordnung angegeben. Ferner ist ein Verfahren zur Ultraschallprüfung beschrieben.

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Ultraschalltechnik.
Die Erfindung betrifft eine Ultraschallwandleranordnung mit wenigstens zwei, in einer Abstrahlrichtung gesehen hinterein­ ander angeordneten Schwingerschichten, die einzeln oder in Kombination eine Gruppe bildend ansteuerbar sind, wobei zu­ mindest zwei Gruppen mit unterschiedlichen Frequenzen be­ treibbar sind und wenigstens eine Gruppe als Sender ansteuer­ bar ist.
Sie betrifft auch ein Verfahren zur Ultraschallprüfung, wobei wenigstens zwei, in einer Abstrahlrichtung gesehen hinterein­ ander gelegene Schwingerschichten einzeln oder in Kombination eine Gruppe bildend angesteuert werden, wobei wenigstens zwei Gruppen mit unterschiedlichen Frequenzen betrieben werden und wenigstens eine Gruppe als Sender angesteuert wird.
Aus der Europäischen Patentschrift EP 0 667 978 B1 ist ein Ultraschallprüfkopf bekannt, der eine in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnete Ultraschallwandleranordnung mit wenig­ stens einem Ultraschallwandler-Array und wenigstens zwei aku­ stisch voneinander getrennten S/E-Ultraschallwandlern umfaßt. Das Ultraschallwandler-Array ist im Impuls-Echo-Modus be­ treibbar und die beiden daneben angeordneten S/E-Ultraschall­ wandler sind im Sende-Empfangs-Modus betreibbar. Das im Im­ puls-Echo-Modus betriebene Ultraschallwandler-Array dient dem Detektieren oberflächenferner Fehler im Werkstück. Dagegen ist der Impuls-Echo-Modus, bei dem das Senden und das Empfan­ gen der Ultraschallwellen in ein und demselben Wandler statt­ findet, zur Detektion oberflächennaher Fehler im Werkstück nicht geeignet, da ein zum Senden aktiver Wandler für eine gewisse Zeitspanne nach dem Sendevorgang für die vom Fehler im Werkstück zurückreflektierten Signale praktisch blind ist ("Nachklingeln"). Zur Detektion oberflächennaher Fehler sieht der in der EP 0 667 978 B1 beschriebene Ultraschallprüfkopf die zwei gesonderten S/E-Ultraschallwandler vor, von denen einer als Sender und der andere als Empfänger betrieben ist. In diesem Ultraschallprüfkopf sind zwar die Vorteile des Im­ puls-Echo-Modus als auch die Vorteile des Sende-Empfangs-Mo­ dus vereinigt, jedoch benötigt ein solcher Ultraschallprüf­ kopf infolge der seitlichen Anordnung der S/E-Ultraschall­ wandler neben dem Ultraschallwandler-Array eine große Ankop­ pelfläche und ist somit für zahlreiche Prüfaufgaben als nicht ausreichend kompakt anzusehen.
Unter der Internet-Adresse http://www.ultrasonic.de/article/splitt/splitt.htm wurde am 07.02.1996 um 15 : 26 Uhr ein Fachartikel von G. Splitt mit dem Titel "Prüfköpfe mit Composite-Schwingern - ein Meilenstein für die Ultraschallprüfung" veröffentlicht. Darin ist ein Wandlermaterial beschrieben, bei dem parallel ausgerichtete Keramikstäbchen in eine Epoxidharz-Matrix eingebettet sind.
Aus der europäischen Patentschrift EP 0 451 984 B1 ist ein Ultraschall-Sondensystem mit einer Vielzahl gestapelter pie­ zoelektrischer Schichten bekannt. Zwischen den Schichten sind Elektroden angeordnet, die mit einer Polarisationsumkehr­ schaltung verbunden sind. Dadurch sind benachbarte piezoelek­ trische Schichten wahlweise mit im wesentlichen entgegenge­ setzt gerichteten elektrischen Feldern oder mit in der glei­ chen Richtung gerichteten elektrischen Feldern beaufschlag­ bar. Durch die Polarisationsumkehr wird erreicht, daß mit dem Ultraschall-Sondensystem Ultraschallwellen mit einer Vielzahl von verschiedenen Frequenzen sendbar sind. Die gestapelten piezoelektrischen Schichten weisen die gleiche Dicke auf.
Nachteilig an dem in der EP 0 451 984 B1 beschriebenen Ultra­ schall-Sondensystem ist, daß die Polarität wenigstens einer der piezoelektrischen Schichten vor jedem Frequenzwechsel ge­ ändert werden muß. Deshalb kann mit diesem Ultraschall-Son­ densystem kein schneller Wechsel der Frequenzen erfolgen. In der deutschen Patentschrift DE 29 49 991 C3 ist eine Vor­ richtung zur Ultraschall-Abtastung offenbart, die mehrere, in einer Schallrichtung gesehen hintereinander angeordnete Schichten Schwingermaterial umfaßt, die einzeln oder in Zu­ sammenfassung die Sender für ausgewählte Frequenzbänder eines Sende-Frequenzspektrums darstellen. Zum Empfangen reflektier­ ter Anteile aller mit unterschiedlichen Frequenzen gesendeten Ultraschallwellen weist die Vorrichtung eine gesonderte als Schallabsorber fungierende PVF2-Folie auf. Diese PVF2-Folie muß von einer abgestrahlten Ultraschallwelle durchstrahlt werden, bevor die Ultraschallwelle in den Prüfling eingekop­ pelt werden kann. Dadurch ergeben sich in nachteiliger Weise Laufzeitverluste bei Betrieb der Vorrichtung im Impuls-Echo- Modus. Nachteilig an der gesonderten PVF2-Folie ist ferner, daß zwischen der PVF2-Folie und den als Sender dienenden Schwingerschichten eine Anpaßschicht zur Anpassung der aku­ stischen Impedanz der PVF2-Folie an die Schwingerschichten erforderlich ist, um übermäßige Reflexionsverluste der emit­ tierten Ultraschallwelle zu vermeiden. Eine derartige Anpaß­ schicht kann aber immer nur für einige oder einige wenige Frequenzen optimal dimensioniert werden. Nachteilig an der Vorrichtung der DE 29 49 991 C3 ist ferner, daß - um für alle von den Schwingerschichten emittierten Ultraschallfrequenzen empfindlich zu sein - die PVF2-Folie sehr breitbandig einge­ stellt sein muß. Dies resultiert in einem schlechten Signal- Rausch-Verhältnis.
Der Erfindung liegt demzufolge die Aufgabe zugrunde, eine Ul­ traschallwandleranordnung anzugeben, mit der Ultraschallwel­ len unterschiedlicher Frequenzen sendbar sind. Dabei sollen Ultraschallwellen auch in einem breiten Frequenzband fre­ quenzselektiv und mit höherer Empfindlichkeit empfangbar sein, als bei den bekannten Vorrichtungen. Zu diesem Zweck ist es auch Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Ultra­ schallprüfung anzugeben.
Die anordnungsbezogene Aufgabe wird bei einer Ultraschall­ wandleranordnung der eingangs genannten Art gemäß der Erfin­ dung dadurch gelöst, daß wenigstens eine Gruppe als Empfänger betreibbar ist.
Es kann z. B. zumindest
  • - eine erste Gruppe bei einer ersten Frequenz und
  • - eine zweite Gruppe bei einer von der ersten Frequenz ver­ schiedenen zweiten Frequenz betreibbar sein.
Dabei können die erste und optional die zweite Gruppe als Sender ansteuerbar sein. Die erste Gruppe kann z. B. auch als Empfänger bei der ersten Frequenz betreibbar sein.
Nach einer bevorzugten Weiterbildung ist die als Sender an­ steuerbare Gruppe von der als Empfänger betreibbaren Gruppe verschieden.
Beispielsweise ist die zweite Gruppe als Empfänger bei der zweiten Frequenz betreibbar.
Vorzugsweise ist jede Schwingerschicht sowohl als Sender als auch als Empfänger ansteuerbar.
Die Schwingerschichten sind bevorzugt aus einer Piezokeramik gefertigt. Ein aus einer Piezokeramik gefertigter Ultra­ schallempfänger erzeugt beim Schallempfang eine besonders hohe Signalamplitude.
Die Gruppen, die eine oder mehrere gemeinsam angesteuerte Schwingerschichten umfassen und als Empfänger betreibbar sind, sind in vorteilhafter Weise selektiv bei ihrer jeweili­ gen Frequenz, d. h. insbesondere für die erste bzw. zweite Frequenz, als empfindlicher Empfänger mit gutem Signal- Rausch-Verhältnis betreibbar. Dabei sind z. B. die erste und die zweite Frequenz innerhalb eines breiten Frequenzbands weitgehend beliebig wählbar durch
  • a) Wahl geeigneter Dicken der Schwingerschichten, wodurch die Resonanzfrequenz der betreffenden Schwingerschicht beein­ flußbar ist, und/oder
  • b) Kombination bestimmter Schwingerschichten zu einer gemein­ sam ansteuerbaren Gruppe.
Dadurch, daß bei der Ultraschallwandleranordnung nach der Er­ findung einzelne Schwingerschichten sowohl als Sender als auch als Empfänger betreibbar sind, ist die Ultraschallwand­ leranordnung besonders einfach und kompakt aufbaubar und au­ ßerdem störunanfällig. Bei einem Betrieb im Impuls-Echo-Modus tritt darüber hinaus kein störender Laufzeitverlust auf, da das Senden und das Empfangen im wesentlichen an der gleichen räumlichen Stelle stattfindet.
Die einer Gruppe zugeordnete Frequenz liegt entweder in einem Frequenzband um die Resonanzfrequenz einer einzeln angesteu­ erten Schwingerschicht oder in einem Frequenzband um eine "Summenresonanzfrequenz" von in Kombination gemeinsam ange­ steuerten Schwingerschichten. Bevorzugt wird die Kombination durch benachbarte Schwingerschichten gebildet. Diese werden beispielsweise in Kombination angesteuert, indem eine Steuer­ spannung in Abstrahlrichtung über die aus den beiden einzel­ nen Dicken der Schwingerschichten gebildete Gesamtdicke ge­ schaltet ist.
Nach einer anderen bevorzugten Weiterbildung weist die Ultra­ schallwandleranordnung wenigstens drei Schwingerschichten auf, die derart ansteuerbar sind, daß wenigstens vier Gruppen mit unterschiedlichen Frequenzen bildbar sind.
Zwischen jeweils zwei benachbarten Schwingerschichten kann ein Elektrodenfilm angebracht sein.
Vorzugsweise sind die Gruppen mit gleicher Polarität ansteu­ erbar.
Beispielsweise sind hierzu Elektrodenfilme, mit Hilfe derer die Schwingerschichten mit einem elektrischen Feld beauf­ schlagbar sind, in oder entgegen der Abstrahlrichtung mit ei­ nem jeweils größeren elektrischen Potential beaufschlagbar als der vorangegangene Elektrodenfilm. Mit anderen Worten: Das Potential wird von Elektrodenfilm zu Elektrodenfilm ent­ weder jeweils nur kleiner oder jeweils nur größer. Bei einer derartigen Ansteuerung der Schwingerschichten bzw. der Grup­ pen ist zum Erzeugen unterschiedlicher Sendefrequenzen ein Wechsel der Polarität einer emittierenden Schwingerschicht nicht erforderlich, so daß z. B. der Wechsel von der ersten Frequenz zur zweiten Frequenz besonders schnell durchführbar ist.
Vorzugsweise weist eine erste der Schwingerschichten eine von der Dicke der zweiten Schwingerschicht verschiedene Dicke auf. Dadurch lassen sich vorteilig viele unterschiedliche Frequenzen beim Senden und/oder Empfangen einstellen.
Nach einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist wenigstens eine der Schwingerschichten als Composite-Schwinger aufge­ baut. Bei einem Composite-Schwinger sind kleine Keramikteile in eine Matrix, beispielsweise aus Epoxidharz, eingebettet, und es kann über den Füllgrad der Matrix, d. h. insbesondere über das Mengenverhältnis von Keramik zu Epoxidharz, eine ge­ ringere akustische Impedanz als bei einer reinen Piezokeramik eingestellt werden, so daß sich die akustische Impedanz des Schwingers z. B. an die eines Prüflings aus Stahl oder eines Vorlaufkörpers aus Plexiglas annähern läßt. Dadurch wird er­ reicht, daß keine gesonderte Anpaßschicht nötig ist, die in der bereits eingangs geschilderten Weise die Breitbandigkeit des Ultraschallempfangs einschränken würde.
Nach einer anderen bevorzugten Ausgestaltung ist der Elektro­ denfilm zwischen zwei benachbarten Schwingerschichten gebil­ det aus
  • - einer ersten elektrisch leitfähigen Beschichtung auf einer der Schwingerschichten,
  • - einer zweiten elektrisch leitfähigen Beschichtung auf der anderen Schwingerschicht sowie
  • - einer die Beschichtungen verbindenden, elektrisch leitfähi­ gen Klebeschicht.
Eine derartige Anordnung ist besonders einfach herstellbar.
Unter Beschichten wird in diesem Zusammenhang allgemein das Aufbringen einer fest haftenden Schicht aus formlosem Stoff auf ein Werkstück verstanden, wobei der Stoff insbesondere aus dem gas-, dampf-, pulverförmigen oder ionisierten Zustand aufgebracht wird.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Ultraschallwandleran­ ordnung ragt eine der Schwingerschichten einen Vorsprung bil­ dend in einer von der Abstrahlrichtung abweichenden Richtung über eine benachbarte Schwingerschicht hinaus, und ein zwi­ schen benachbarten Schwingerschichten angebrachter Elektro­ denfilm erstreckt sich bis auf den Vorsprung.
Der sich bis auf den Vorsprung erstreckende Elektrodenfilm bietet in vorteilhafter Weise eine einfache Möglichkeit, an dem Elektrodenfilm eine elektrische Leitung, beispielsweise durch Löten oder Bonden, anzubringen. Über die Leitung kann an den Elektrodenfilm das zum Senden einer Schwingerschicht erforderliche elektrische Potential angelegt werden. Die elektrische Leitung kann auch dazu dienen, ein Empfangssignal einer der Schwingerschichten einer Auswerteeinheit zuzufüh­ ren.
Der Vorsprung ragt insbesondere seitlich über eine benach­ barte Schwingerschicht hinaus.
Der Elektrodenfilm ist auf dem Vorsprung bevorzugt kontak­ tiert.
Bei einer anderen äußerst vorteilhaften Weiterbildung weist die hinausragende Schwingerschicht auf ihrer dem Elektroden­ film abgewandten Rückseite eine Nut auf, die sich entlang ei­ ner Kante der benachbarten Schwingerschicht erstreckt. Durch die Nut wird erreicht, daß die - zum Senden und/oder Empfan­ gen aktivierte - Schwingerquerschnittsfläche in den benach­ barten Schwingerschichten identisch ist. Die eine akustische Trennung bewirkende Nut verhindert, daß der Vorsprung einer hinausragenden Schwingerschicht nicht zum Senden und/oder Empfangen aktiviert wird. Durch eine identische aktive Schwingerquerschnittsfläche benachbarter Schwingerschichten wird erreicht, daß bei Ansteuerung unterschiedlicher Schwin­ gerschichten die Sende- bzw. Empfangscharakteristik, bei­ spielsweise die Schallfeldausbreitung, jeweils unverändert bleibt. Außerdem werden störende Echos an den Vorsprüngen vermieden.
In Abstrahlrichtung betrachtet überdeckt die Nut bevorzugt die Kante oder schließt mit der Kante bündig ab.
Bei einer anderen die Kontaktierung betreffenden Weiterbil­ dung weist eine der Schwingerschichten randseitig eine Aus­ nehmung auf, und ein zwischen benachbarten Schwingerschichten angebrachter Elektrodenfilm erstreckt sich bis zu der Ausneh­ mung. Auch diese Weiterbildung bietet den Vorteil einer ein­ fachen Kontaktierung des Elektrodenfilms. Außerdem ist die zum Senden und/oder Empfangen aktivierte Schwingerquer­ schnittsfläche in den benachbarten Schwingerschichten im we­ sentlichen die gleiche, da die Ausnehmung auf die Größe einer Lötstelle beschränkt sein kann.
Vorzugsweise ist der Elektrodenfilm in der Ausnehmung kontak­ tiert.
Nach einer anderen bevorzugten Weiterbildung ist mindestens eine der Schwingerschichten als Array ausgebildet.
Dies hat den Vorteil, daß durch phasenverzögerte Ansteuerung einzelner Array-Elemente die Abstrahlrichtung, z. B. definiert durch den Einschallwinkel oder einen Schielwinkel, schwenkbar ist. Ferner ist durch Zu-/Abschalten einzelner Array-Elemente die Fokustiefe und die Nahfeldlänge einstellbar. Mit der der­ art weitergebildeten Ultraschallwandleranordnung nach der Er­ findung lassen sich deshalb besonders viele Prüffunktionen jeweils bei unterschiedlichen Frequenzen mit ein und demsel­ ben Prüfkopf ausführen, z. B.
  • a) die Einschallwinkel 45° und 60° mit einer Transveralwelle,
  • b) die Einschallwinkel 70° und 0° mit einer Longitudinal­ welle,
  • c) sowie die Wellenumwandlungstechnik im Impuls-Echo-Modus und
  • d) negative und positive Schielwinkel.
Die in der genannten Art weitergebildete Ultraschallwand­ leranordnung ist demzufolge platzsparend, kompakt und mit kleiner Ankoppelfläche aufbaubar und somit besonders vielsei­ tig einsetzbar.
Vorzugsweise sind zwei Schwingerschichten als Array-Schwin­ gerschicht ausgebildet, deren Abstrahlrichtungen insbesondere zumindest mit einer Komponente in unterschiedlichen, nicht parallelen Ebenen schwenkbar sind.
Beispielsweise ist eine der Array-Schwingerschichten im Sende-Empfangs-Modus betreibbar, d. h. einige ihrer Array-Ele­ mente sind als Sender und andere Array-Elemente als Empfänger ansteuerbar. Beispielsweise ist auch eine der Array-Schwin­ gerschichten im Impuls-Echo-Modus betreibbar. Die Kombination eines Sende-Empfangs-Modus und eines Impuls-Echo-Modus in ei­ ner stapelartigen bei verschiedenen Frequenzen betreibbaren Ultraschallwandleranordnung erlaubt überaus zahlreiche Prüf­ funktionen bei minimalem Platzbedarf.
Die Aufgabe ein Verfahren anzugeben, wird bezogen auf das eingangs genannte Verfahren gemäß der Erfindung dadurch ge­ löst, daß eine erste Gruppe als Empfänger bei einer ersten Frequenz betrieben wird.
Beispielsweise wird die erste Gruppe auch als Sender bei der ersten Frequenz betrieben.
Das Verfahren nach der Erfindung ist besonders vorteilhaft mit der Ultraschallwandleranordnung nach der Erfindung durch­ führbar. Die diesbezüglich genannten Vorteile gelten für das Verfahren entsprechend.
Bevorzugt wird/werden eine zweite Gruppe und optional weitere Gruppen als Empfänger bei einer zweiten Frequenz bzw. weite­ ren Frequenzen betrieben. Insbesondere ist die zweite Gruppe von der ersten Gruppe verschieden.
Zum Beispiel wird die zweite Gruppe auch als Sender bei der zweiten Frequenz betrieben.
Die Gruppen werden vorzugsweise mit gleicher Polarität ange­ steuert.
Die Schwingerschichten können - in Abstrahlrichtung betrach­ tet - jeweils an ihrer Vorder- und Rückseite mit einem Elek­ trodenfilm kontaktiert sein. Durch Anlegen einer Spannung zwischen zwei dieser Elektrodenfilme wird/werden die zwischen den Elektrodenfilmen gelegene Schwingerschicht bzw. die da­ zwischen gelegenen Schwingerschichten eine Gruppe bildend als Sender oder Empfänger angesteuert.
Beispielsweise werden Ultraschallwellen unterschiedlicher Frequenzen gesendet und/oder empfangen, indem wenigstens drei Schwingerschichten gruppenweise angesteuert werden, wobei eine erste Gruppe aus mehreren benachbarten Schwingerschich­ ten gebildet ist und davon verschiedene weitere Gruppen aus einer Schicht oder mehreren benachbarten Schwingerschichten gebildet sind.
Nach einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens werden die Gruppen zeitlich nacheinander angesteuert. Dadurch wird in vorteilhafter Weise eine zeitlich gesteuerte oder getak­ tete Empfangs- und/oder Sendebandbreite erzielt ("Gate").
Bevorzugt wird zunächst die erste Gruppe als Empfänger bei der ersten Frequenz und dann die zweite Gruppe als Empfänger bei einer von der ersten Frequenz verschiedenen zweiten Fre­ quenz betrieben.
Das Verfahren ist mit besonderem Vorteil derart ausgestaltet, daß zunächst eine Gruppe als Sender bei einer Sendefrequenz und anschließend nach Abschluß der Sendeaktivität die erste Gruppe als Empfänger bei einer von der Sendefrequenz ver­ schiedenen ersten Frequenz betrieben wird.
Damit ist ein besonders vorteilhafter Sende-Empfangs-Betrieb möglich, bei dem Sender und Empfänger den gleichen Schallaus­ trittspunkt aufweisen, da sie in Abstrahlrichtung gesehen hintereinander angeordnet sind. Sender und Empfänger sind da­ bei mit unterschiedlichen Frequenzen betrieben.
Optional werden nach dem Senden eine oder mehrere weitere Gruppen als Empfänger bei von der Sendefrequenz verschiedenen Frequenzen betrieben. Beispielsweise wird mit großer Band­ breite gesendet und anschließend bei verschiedenen Frequenzen innerhalb des Sendefrequenzbands empfangen. Damit lassen sich besonders gut Risse in einem Werkstück (Prüfling) klassifi­ zieren oder bewerten, da bei Anregung mit einem breiten Fre­ quenzband unterschiedliche Zonen eines Risses mit unter­ schiedlichen Frequenzen abstrahlen.
Nach einer anderen vorzugsweisen Weiterbildung des Verfahrens umfassen zwei der Gruppen jeweils eine Array-Schwinger­ schicht, und die Abstrahlrichtungen der beiden Gruppen werden zumindest mit einer Komponente in unterschiedlichen, nicht parallelen Ebenen geschwenkt, wobei die beiden Gruppen als Sender bei unterschiedlichen Frequenzen betrieben werden.
Bevorzugt stehen die Ebenen senkrecht aufeinander.
Weiterhin bevorzugt wird eine der Gruppen im Sende-Empfangs- Modus betrieben. Die Abstrahlrichtung dieser Gruppe kann der­ art geschwenkt werden, daß der Schielwinkel der von ihr abge­ strahlten Ultraschallwelle variiert wird ("Horizontal­ schwenk").
Außerdem wird bevorzugt eine der Gruppen, insbesondere eine andere als die vorgenannte Gruppe, im Impuls-Echo-Modus be­ trieben. Beispielsweise wird die Abstrahlrichtung dieser Gruppe derart geschwenkt, daß der Einschallwinkel der von dieser Gruppe abgestrahlten Ultraschallwelle variiert wird ("Vertikalschwenk).
Ausführungsbeispiele der Ultraschallwandleranordnung nach der Erfindung werden anhand der Fig. 1 bis 13 näher erläutert. Die Figuren, die zum Teil nur schematischen Charakter haben, dienen auch der Erläuterung des Verfahrens nach der Erfin­ dung. Es zeigen:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Ultraschall­ wandleranordnung nach der Erfindung,
Fig. 2 die Ultraschallwandleranordnung der Fig. 1 in ei­ nem an einen Prüfling angekoppelten Zustand,
Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Ultraschall­ wandleranordnung nach der Erfindung,
Fig. 4 einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 3, in dem ein Elektrodenfilm der Ultraschallwandleranordnung der Fig. 3 im Detail dargestellt ist,
Fig. 5 ein drittes Ausführungsbeispiel einer Ultraschall­ wandleranordnung nach der Erfindung,
Fig. 6 ein viertes Ausführungsbeispiel einer Ultraschall­ wandleranordnung nach der Erfindung,
Fig. 7 ein fünftes Ausführungsbeispiel einer Ultraschall­ wandleranordnung nach der Erfindung,
Fig. 8 einen Ausschnitt aus der Frequenzcharakteristik der Ultraschallwandleranordnung der Fig. 3,
Fig. 9 ein sechstes Ausführungsbeispiel einer Ultraschall­ wandleranordnung nach der Erfindung mit als Array ausgebildeten Schwingerschichten,
Fig. 10 die Ultraschallwandleranordnung der Fig. 9 bei Be­ trieb in einem ersten Sende-Empfangs-Modus,
Fig. 11 die Ultraschallwandleranordnung der Fig. 9 bei Be­ trieb in einem zweiten Sende-Empfangs-Modus,
Fig. 12 die Ultraschallwandleranordnung der Fig. 9 bei Be­ trieb in einem ersten Impuls-Echo-Modus, und
Fig. 13 die Ultraschallwandleranordnung der Fig. 9 bei Be­ trieb in einem zweiten Impuls-Echo-Modus.
Fig. 1 zeigt eine Ultraschallwandleranordnung mit einer er­ sten Schwingerschicht 1 und einer zweiten Schwingerschicht 3, die als piezoelektrische Composite-Schwinger mit einer aku­ stischen Impedanz von ca. 8 bis 10 ausgebildet sind. Die er­ ste Schwingerschicht 1 weist an ihrer Rückseite einen dünnen ersten Elektrodenfilm 5 auf. Die beiden Schwingerschichten 1, 3 sind über einen dünnen zweiten Elektrodenfilm 7 miteinander verbunden, der als Klebeverbindung wirkt. An der Vorderseite der zweiten Schwingerschicht 3 ist ein dünner dritter Elek­ trodenfilm 9 aufgebracht. Die Elektrodenfilme 5, 7, 9 er­ strecken sich senkrecht zur Zeichenebene über die gesamte Breite der Schwingerschichten 1, 3.
Die erste Schichtdicke d1 der ersten Schwingerschicht 1 und die zweite Schichtdicke d2 der zweiten Schwingerschicht 3 sind unterschiedlich. Durch die Schichtdicken d1, d2 sind die Resonanzfrequenzen f1, f2 der Schwingerschichten 1, 3 vorge­ geben. Die erste Resonanzfrequenz f1 der ersten Schwinger­ schicht 1 beträgt in etwa:
f1 = c/(2.d1)
Die zweite Resonanzfrequenz f2 der zweiten Schwingerschicht 3 beträgt:
f2 = c/(2.d2)
Dabei bezeichnet c die Schallgeschwindigkeit.
Die Elektrodenfilme 5, 7, 9 sind über eine erste Leitung 5A, eine zweite Leitung 7A bzw. eine dritte Leitung 9A kontak­ tiert. Dadurch sind unter anderem Spannungen V1, V2 an die Schwingerschichten 1, 3 angelegt zum Ansteuern der Schwinger­ schichten 1, 3 zum Senden von Ultraschallwellen. Über die Leitungen 5A, 7A, 9A sind auch Empfangssignale abführbar.
Zwischen den die erste Schwingerschicht 1 einschließenden Elektrodenfilmen 5, 7 ist eine erste Spannung V1 und zwischen den die zweite Schwingerschicht 3 einschließenden Elektroden­ filmen 7, 9 eine zweite Spannung V2 derart angelegt, daß die beiden Schwingerschichten 1, 3 in gleicher Richtung elek­ trisch polarisiert werden. Mit anderen Worten: der zweite Elektrodenfilm 7 ist Anode für die erste Schwingerschicht 1 und Kathode für die zweite Schwingerschicht 3.
Durch Anlegen einer dritten Spannung V3 zwischen dem ersten Elektrodenfilm 5 und dem dritten Elektrodenfilm 9 ist auch eine durch die erste Schwingerschicht 1 und die zweite Schwingerschicht 3 gebildete Gesamtschwingerschicht mit einer aus der Summe der ersten Schichtdicke d1 und der zweiten Schichtdicke d2 gebildeten Schichtdicke d1 + d2 als Ultraschall­ wandler ansteuerbar.
Die dritte Spannung V3 ist in Betrag und Polarität mit der ersten Spannung V1 und der zweiten Spannung V2 identisch.
Auch in der Gesamtschwingerschicht ist die von der dritten Spannung V3 erzeugte elektrische Polarisation in die gleiche Richtung gerichtet wie die in den einzelnen Schwingerschich­ ten 1, 3 bei Ansteuerung mit der ersten Spannung V1 bzw. der zweiten Spannung V2 erzeugten Polarisationsrichtungen.
Zur Ansteuerung ist eine Ansteuereinheit 8 vorhanden, z. B. ein SAPHIR-Gerät oder eine mehrkanalige, gruppenstrahlerfä­ hige Ansteuereinheit.
Mit der in Fig. 1 dargestellten, aus zwei Schwingerschich­ ten 1, 3 aufgebauten Ultraschallwandleranordnung lassen sich insgesamt drei Gruppen mit unterschiedlichen Frequenzen bil­ den:
  • 1. eine erste Gruppe G1, die durch alleinige Ansteuerung der ersten Schwingerschicht 1 gebildet ist, und die bei einer ersten Frequenz F1 im Frequenzband um die erste Resonanz­ frequenz f1 ≈ 2 MHz der ersten Schwingerschicht 1 betreib­ bar ist,
  • 2. eine zweite Gruppe G2, die durch alleinige Ansteuerung der zweiten Schwingerschicht 3 gebildet ist, und bei einer zweiten Frequenz F2 in der Umgebung der zweiten Resonanz­ frequenz f2 ≈ 3 MHz der zweiten Schwingerschicht 3 be­ treibbar ist, und
  • 3. eine dritte Gruppe G3, die durch kombinierte Ansteuerung der ersten Schwingerschicht 1 und der zweiten Schwinger­ schicht 3 gebildet ist, und die bei einer dritten Fre­ quenz F3 in der Umgebung einer "Summenresonanzfrequenz" der Gesamtschwingerschicht betreibbar ist. Für die dritte Frequenz F3 gilt:
    1/F3 = 1/f1 + 1/f2; F3 ≈ 1,2 MHz
Die drei Gruppen G1, G2, G3 sind sowohl als Sender mit einer Abstrahlrichtung 11 als auch als Empfänger mit einer Emp­ fangsrichtung 10 betreibbar.
Beispielsweise wird mit der ersten Gruppe G1 gesendet und mit der zweiten Gruppe G2 ein zurückreflektierter Anteil empfan­ gen. Bei einem derartigen Sende-Empfangs-Betrieb der Ultra­ schallwandler-Anordnung nach der Erfindung mit unterschiedli­ chen Frequenzen F1, F2 haben Sender und Empfänger in vorteil­ hafter Weise den gleichen Schallein- bzw. Schallaustritts­ punkt.
In Fig. 2 ist die Ultraschallwandleranordnung der Fig. 1 über einen Vorlaufkeil 12 an einen Prüfling oder ein Werk­ stück 14 akustisch angekoppelt dargestellt.
Das in Fig. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel einer Ultra­ schallwandleranordnung nach der Erfindung umfaßt insgesamt fünf Schwingerschichten 1, 3, 25, 27, 29, die jeweils sowohl als Sender als auch als Empfänger betreibbar sind. Die Schwingerschichten 1, 3, 25, 27, 29 sind stapelartig, in der Abstrahlrichtung 11 gesehen hintereinander angeordnet. Sie weisen endseitig bzw. zwischen jeweils zwei Schwingerschich­ ten dünne, großflächige Elektrodenfilme 5, 7, 9, 31, 33, 35 auf, die über Leitungen 5A, 7A, 9A, 31A, 33A, 35A elektrisch kontaktiert sind. Die Schwingerschichten 1, 3, 25, 27, 29 weisen unterschiedliche Resonanzfrequenzen f1, f2, f3, f4, f5 auf. Durch Anlegen einer nicht dargestellten elektrischen Spannung zwischen jeweils zwei der Elektrodenfilme 5, 7, 9, 31, 33, 35 ist bzw. sind die zwischen diesen elektrisch be­ aufschlagten Elektrodenfilmen angeordneten Schwingerschichten als Gruppe ansteuerbar. Beispielhaft sind in Fig. 3 aus ei­ ner Vielzahl möglicher Gruppen insgesamt vier Gruppen G1, G2, G3, G4 dargestellt. Diese sind im einzelnen:
  • 1. eine erste Gruppe G1, die durch gemeinsame Ansteuerung der ersten Schwingerschicht 1 und der zweiten Schwinger­ schicht 3 gebildet ist, und die bei einer ersten Fre­ quenz F1 betrieben ist, für die gilt:
    1/F1 = 1/f1 + 1/f2
  • 2. eine zweite Gruppe G2, die durch Ansteuerung der ersten Schwingerschicht 1 gebildet ist, und die bei einer zweiten Frequenz F2 betreibbar ist, für die gilt:
    F2 ≈ f1
  • 3. eine dritte Gruppe G3, gebildet durch gemeinsame Ansteue­ rung der ersten Schwingerschicht 1, der zweiten Schwinger­ schicht 3 und der dritten Schwingerschicht 25, und be­ treibbar bei einer Frequenz F3:
    1/F3 = 1/f1 + 1/f2 + 1/f3
  • 4. eine vierte Gruppe G4, gebildet durch gemeinsame Ansteue­ rung der dritten Schwingerschicht 25, der vierten Schwin­ gerschicht 27 und der fünften Schwingerschicht 29, und be­ trieben bei einer Frequenz F4:
    1/F4 = 1/f3 + 1/f4 + 1/f5.
Zusätzlich könnten die zweite Schwingerschicht 3 (zweite Re­ sonanzfrequenz f2) und die dritte Schwingerschicht 25 (dritte Resonanzfrequenz f3) als fünfte bzw. sechste (nicht näher be­ zeichnete) Gruppe betrieben werden.
In Fig. 4 sind die zwischen zwei Schwingerschichten 1, 3, 25, 27, 29 angeordneten Elektrodenfilme 7, 9, 31, 33 am Bei­ spiel des Elektrodenfilms 7 zwischen der ersten Schwinger­ schicht 1 und der zweiten Schwingerschicht 3 im Detail ver­ größert dargestellt. Der zweite Elektrodenfilm 7 ist gebildet aus einer ersten elektrisch leitfähigen Beschichtung 41, die auf die erste Schwingerschicht 1 aufgebracht wurde, sowie aus einer zweiten elektrisch leitfähigen Beschichtung 43, die auf die zweite Schwingerschicht 3 aufgebracht wurde. Der zweite Elektrodenfilm 7 ist ferner gebildet aus einer die Beschich­ tungen 41, 43 verbindenden elektrisch leitfähigen Klebe­ schicht 45. Die Dicke der Klebeschicht 45 beträgt bevorzugt weniger als λ/10, so daß durch sie keine störenden Reflexio­ nen entstehen. Dabei ist λ bezogen auf die kleinste auftre­ tende Ultraschallwellenlänge.
Bei dem in Fig. 5 dargestellten dritten Ausführungsbeispiel einer Ultraschallwandleranordnung nach der Erfindung sind insgesamt vier Schwingerschichten 1, 3, 25, 27 stapelartig, in Abstrahlrichtung 11 gesehen hintereinander angeordnet. Die erste Schwingerschicht 1 und die dritte Schwingerschicht 25 ragen seitlich, d. h. in einer zur Abstrahlrichtung 11 senk­ rechten Richtung 54, über die zweite Schwingerschicht 3 und die vierte Schwingerschicht 27 hinaus, wodurch an der ersten Schwingerschicht 1 ein erster Vorsprung 51 und an der dritten Schwingerschicht 25 ein zweiter Vorsprung 53 gebildet ist. Der zweite Elektrodenfilm 7 und der vierte Elektrodenfilm 31 erstrecken sich bis auf den Vorsprung 51 bzw. 53. Sie sind dort über Lötstellen 7B bzw. 31B mit Leitungen 7A bzw. 31A elektrisch verbunden.
An der dem zweiten Elektrodenfilm 7 bzw. dem vierten Elektro­ denfilm 31 abgewandten Seite weisen die erste Schwinger­ schicht 1 und die dritte Schwingerschicht 25 eine erste Nut 61 bzw. eine zweite Nut 63 auf. Die Nuten 61, 63 erstrec­ ken sich entlang der Kante 71 der zweiten Schwingerschicht 3.
Durch die Nuten 61, 63 wird erreicht, daß auch die vorstehen­ den Schwingerschichten 1, 25 mit ihren Vorsprüngen 51 bzw. 53 nur innerhalb einer aktiven Zone 100 senden bzw. empfangen, die sich weitgehend mit der Ausdehnung der nicht vorstehenden Schwingerschichten 3, 27 deckt.
Die Tiefe der Nuten beträgt 50-70% der Dicke der jeweiligen Schwingerschicht.
Bei dem in Fig. 6 dargestellten vierten Ausführungsbeispiel sind insgesamt fünf Schwingerschichten 1, 3, 25, 27, 29 sta­ pelartig in Abstrahlrichtung gesehen hintereinander angeord­ net. Die Schwingerschichten 1, 3, 25, 27, 29 ragen abwech­ selnd in einander entgegengesetzten Richtungen 54, 58 seit­ lich über die jeweils benachbarte Ultraschallschwingerschicht hinaus. In Fig. 6 sind dadurch auf der linken Seite ein er­ ster Vorsprung 51 und ein zweiter Vorsprung 53 und auf der rechten Seite ein dritter Vorsprung 55 und ein vierter Vor­ sprung 57 gebildet. Die Elektrodenfilme 7, 9, 31, 33 erstrec­ ken sich bis auf den jeweiligen Vorsprung 51, 53, 55 bzw. 57 und sind dort über Lötstellen 7B, 9B, 31B, 33B mit elektri­ schen Leitungen 7A, 9A, 31A bzw. 33A verbunden.
Auf einer Seite, die derjenigen Seite gegenüberliegt, auf der sich der anliegende Elektrodenfilm bis auf den jeweiligen Vorsprung erstreckt, weist die jeweilige Schwingerschicht eine Nut 61, 63, 65 bzw. 67 auf, die sich entlang von Kan­ ten 71 der Schwingerschichten 3, 25 erstrecken. Die Nuten 61, 63, 65 bzw. 67 schließen mit den Kanten 71 weitgehend bündig ab bzw. überdecken in Abstrahlrichtung 11 betrachtet die Kan­ ten 71. Dadurch wird erreicht, daß die aktive Zone 100 in al­ len Schwingerschichten 1, 3, 25, 27, 29 weitestgehend iden­ tisch ist.
Bei dem in Fig. 7 dargestellten fünften Ausführungsbeispiel sind im Gegensatz zu dem in Fig. 5 dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiel keine Vorsprünge vorhanden. Statt dessen sind die drei zuunterst angeordneten Schwingerschichten 1, 3, 25 jeweils an einer Ecke mit einer Ausnehmung 69 versehen, in der an Lötstellen die Leitungen 7A, 9A bzw. 31A an den Elek­ trodenfilmen 7, 9 bzw. 31 angebracht sind. Die Lötstellen sind vollständig in den Ausnehmungen 69 angeordnet, so daß die Schwingerschichten 1, 3, 25, 27 an der genannten Ecke bündig und ohne Vorsprung abschließen. Eine derartige stapel­ förmige Anordnung von Schwingerschichten ist besonders robust und widerstandsfähig.
In Fig. 8 ist die Frequenzcharakteristik der in Fig. 3 dar­ gestellten Ultraschallwandleranordnung auszugsweise darge­ stellt. Aufgetragen ist in halb-logarithmischer Darstellung die normierte (Sende- und/oder Empfindlichkeits-)Ampli­ tude A einzelner Gruppen und Schwingerschichten gegenüber der (Sende- bzw. Empfangs-)Frequenz f. Bei einer tolerierten Ab­ weichung von 3 dB vom jeweiligen Maximalwert der Sende- bzw. Empfindlichkeitskurve einer einzelnen Gruppe bzw. Schwinger­ schicht ergibt sich für die gesamte Ultraschallwandleranord­ nung ein Frequenzband, das von der dritten Resonanzfrequenz f3 bis herunter zur dritten Frequenz F3 und darüber hinaus reicht, und in dem durch selektive Ansteuerung von Gruppen oder einzelnen Schwingerschichten mit unterschiedlichen Fre­ quenzen lückenlos sowohl das Senden als auch das Empfangen von Ultraschallwellen möglich ist.
Bei dem in Fig. 9 dargestellten sechsten Ausführungsbeispiel sind eine erste Schwingerschicht 1A und eine zweite Schwin­ gerschicht 3A als Array ausgebildet. Es handelt sich dabei um lineare Ultraschallwandler-Arrays mit je sechs zeilenartig ausgebildeten Wandlerelementen oder Array-Zeilen, wobei die Array-Zeilen gekreuzt zueinander angeordnet sind. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind jeweils nur sechs Array-Zeilen dargestellt. In der Praxis sind z. B. je 16 Array-Zeilen vor­ handen.
Die erste Array-Schwingerschicht 1A wird als erste Gruppe G1 bei einer ersten Frequenz F1 von z. B. ca. 2 MHz und die zweite Array-Schwingerschicht 3A als zweite Gruppe G2 bei ei­ ner davon verschiedenen zweiten Frequenz F2 von z. B. ca. 1,5 MHz betrieben. Hierzu sind die Dicken der Array-Schwinger­ schichten 1A, 3A voneinander verschieden. Anstelle von oder zusätzlich zur zweiten Gruppe G2 kann auch die erste Array- Schwingerschicht 1A zusammen mit der zweiten Array-Schwinger­ schicht 3A als dritte Gruppe G3 betrieben sein. Die nachfol­ gend gemachten Ausführungen bezüglich der zweiten Gruppe G2 gelten also auch für die dritte Gruppe G3.
Die erste Array-Schwingerschicht 1A und die zweite Array- Schwingerschicht 3A sind über einen Vorlaufkeil am Prüf­ ling 14 akustisch angekoppelt. Der Vorlaufkeil ist gebildet durch einen ersten Teilkeil 12-1 und einen zweiten Teil­ keil 12-2. Die beiden Teilkeile 12-1 und 12-2 überdeckend an­ geordnet ist die erste Array-Schwingerschicht 1A, die an ih­ rer Unterseite einen ersten Elektrodenfilm 5 aufweist.
Die Ausbildung des Vorlaufkeils als zwei Teilkeile 12-1, 12-2 dient der Durchführung eines Sende-Empfangs-Modus, wobei Wandlerelemente einer Array-Schwingerschicht als Sender mit dem ersten Teilkeil 12-1 und andere Wandlerelemente derselben Array-Schwingerschicht als Empfänger unter Verwendung des zweiten Teilkeils 12-2 angesteuert werden (siehe Fig. 10 und 11).
Die beiden Teilkeile 12-1, 12-2 sind über eine akustische Trennschicht 110 akustisch entkoppelt.
An ihrer Oberseite weist die erste Array-Schwingerschicht 1A sechs in Richtung der Trennschicht 110 orientierte Längselek­ troden 7-1, 7-2, . . . 7-6 auf. Durch diese Längselektroden 7-1. 7-2, . . . 7-6 sind die zwischen ihnen und dem ersten Elektroden­ film 5 angeordneten Bereiche des piezoelektrischen Materials als zeilenartige Wandlerelemente (Array-Zeilen) aktivierbar.
Zugehörige elektrische Anschlußleitungen sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gezeichnet.
Über den Längselektroden 7-1, 7-2, . . . 7-6 ist die zweite Ar­ ray-Schwingerschicht 3A akustisch angekoppelt, die ihrerseits an der Oberseite Querelektroden 9-1, 9-2, . . . 9-6 aufweist, die senkrecht zu den Längselektroden 7-1, 7-2, . . . 7-6 angeordnet sind. Durch die Querelektroden 9-1, 9-2, . . . 9-6 sind ebenfalls zeilenartige Wandlerelemente (Array-Zeilen) aktivierbar.
Zwischen benachbarten Längselektroden 7-1, 7-2, . . . 7-6 und be­ nachbarten Querelektroden 9-1, 9-2, . . . 9-6 sind jeweils Nuten eingesägt oder eingefräst, durch die die jeweils aktivierba­ ren zeilenartigen Wandlerelemente akustisch teilweise von ei­ nem benachbarten Wandlerelement getrennt sind.
Die Abstrahlrichtung der ersten Array-Schwingerschicht 1A ist in einer ersten Ebene E1 und die Abstrahlrichtung der zweiten Array-Schwingerschicht 3A in einer senkrecht darauf stehenden zweiten Ebene E2 schwenkbar. Dies bedeutet bei der in Fig. 9 dargestellten Ultraschallwandleranordnung, daß mit der ersten Array-Schwingerschicht 1A ein sogenannter "Horizontalschwenk" durchführbar ist, bei dem der Schielwinkel γ, γ1, γ2 (siehe Fig. 10 bis 12) der abgestrahlten Ultraschallwelle veränder­ bar ist. Mit der zweiten Array-Schwingerschicht 3A ist ein sogenannter "Vertikalschwenk" durchführbar, wobei der Ein­ schallwinkel α (siehe Fig. 2) der abgestrahlten Ultraschall­ welle gemessen bezüglich des Einfallslots veränderlich ist.
Fig. 10 zeigt die erste Gruppe G1 der Ultraschallwandleran­ ordnung der Fig. 9 im Sende-Empfangs-Betrieb bei einem sen­ deseitigen Schielwinkel γ1 von +10° und einem empfangsseiti­ gen Schielwinkel γ2 von -10°. Dabei ist die Ultraschallwand­ leranordnung der Fig. 8 in einer Draufsicht dargestellt, und die die zweite Gruppe G2 bildende zweite Array-Schwinger­ schicht 3A aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht darge­ stellt.
Fig. 11 zeigt die erste Gruppe G1 der Ultraschallwandleran­ ordnung der Fig. 9 bei einem Sende-Empfangs-Betrieb mit ei­ nem sendeseitigen Schielwinkel γ1 von ca. 30°. Der empfangs­ seitige Schielwinkel γ2 beträgt z. B. ca. 25°. Die Schielwin­ kel γ1, γ2 können von -30° bis +30° variiert werden.
Bei dem in den Fig. 10 und 11 dargestellten Sende-Emp­ fangs-Betrieb werden jeweils drei nebeneinander angeordnete Array-Zeilen der ersten Array-Schwingerschicht 1A als Sender betrieben, und zwar die von den linken Längselektroden 7-4, . . . 7-6 aktivierbaren Array-Zeilen. Die verbleibenden drei Array-Zeilen, die von den rechten Längselektroden 7-1, . . . 7-3 aktivierbar sind, werden als Empfänger betrieben. Der Ein­ fachheit wegen sind jeweils nur drei Array-Zeilen darge­ stellt.
Bei der in Fig. 12 dargestellten Betriebsweise werden die insgesamt sechs Array-Zeilen der ersten Array-Schwinger­ schicht 1A, also der Gruppe G1, im Impuls-Echo-Modus betrie­ ben. Der Schielwinkel γ wird von -30° bis +30° variiert.
In den Fig. 10 bis 12 beträgt der Einschallwinkel α (siehe Fig. 2) ca. 70° und es wird eine Longitudinalwelle einge­ schallt. Der Einschaliwinkel α ist abhängig vom Keilwinkel β (siehe Fig. 2).
Fig. 13 zeigt die Gruppe G2 der Ultraschallwandleranordnung der Fig. 9, die durch die zweite Array-Schwingerschicht 3A gebildet ist. Die zweite Gruppe G2 führt einen "Vertikal­ schwenk" im Impuls-Echo-Modus durch. Der Einschaliwinkel α (siehe Fig. 2) wird von 0° bis 70° variiert. Es wird eine Longitudinal- oder Transversalwelle eingeschallt und empfan­ gen. Die Ultraschallwandleranordnung kann auch mit Wellenum­ wandlung (LLT-Technik) betrieben werden.

Claims (23)

1. Ultraschallwandleranordnung mit wenigstens zwei, in einer Abstrahlrichtung (11) gesehen hintereinander angeordneten Schwingerschichten (1, 3, 25, 27, 29; 1A, 3A), die einzeln oder in Kombination eine Gruppe (G1, G2, G3, G4) bildend an­ steuerbar sind, wobei zumindest zwei Gruppen mit unterschied­ lichen Frequenzen (F1, F2, F3, F4) betreibbar sind und wenig­ stens eine Gruppe als Sender ansteuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Gruppe als Empfänger betreibbar ist.
2. Ultraschallwandleranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die als Sender ansteuerbare Gruppe von der als Empfänger betreibbaren Gruppe verschieden ist.
3. Ultraschallwandleranordnung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch wenigstens drei Schwingerschichten (1, 3, 25, 27, 29; 1A, 3A), die derart an­ steuerbar sind, daß wenigstens vier Gruppen (G1, G2, G3, G4) mit unterschiedlichen Frequenzen (F1, F2, F3, F4) bildbar sind.
4. Ultraschallwandleranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gruppen (G1, G2, G3, G4) mit gleicher Polarität ansteuerbar sind.
5. Ultraschallwandleranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste der Schwingerschichten (1) eine von der Dicke (d2) einer zweiten Schwingerschicht (3) verschiedene Dicke (d1) auf­ weist.
6. Ultraschallwandleranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Schwingerschichten (1, 3, 25, 27, 29) als Composite- Schwinger aufgebaut ist.
7. Ultraschallwandleranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Schwingerschichten (1, 25 bzw. 3, 27) einen Vorsprung (51, 53 bzw. 55, 57) bildend in einer von der Abstrahlrichtung (11) abweichenden Richtung (54 bzw. 58) über eine benachbarte Schwingerschicht (3, 27 bzw. 25, 29) hinausragt, und daß sich ein zwischen benachbarten Schwingerschichten (1-3, 25-27 bzw. 3-25, 27-29) angebrachter Elektrodenfilm (7, 31 bzw. 9, 33) bis auf den Vorsprung (51, 53 bzw. 55, 57) er­ streckt.
8. Ultraschallwandleranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektro­ denfilm (7, 31 bzw. 9, 33) auf dem Vorsprung (51, 53 bzw. 55, 57) kontaktiert ist.
9. Ultraschallwandleranordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die hinaus­ ragende Schwingerschicht (1, 25 bzw. 3, 27) auf ihrer dem Elektrodenfilm (7, 31 bzw. 9, 33) abgewandten Rückseite eine Nut (61, 63 bzw. 65, 67) aufweist, die sich entlang einer Kante (71) der benachbarten Schwingerschicht (3, 27 bzw. 25, 29) erstreckt.
10. Ultraschallwandleranordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in Abstrahl­ richtung (11) betrachtet die Nut (61, 63 bzw. 65, 67) die Kante (71) überdeckt oder mit der Kante (71) bündig ab­ schließt.
11. Ultraschallwandleranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Schwingerschichten (1, 3, 25) randseitig eine Ausnehmung (69) aufweist, und daß sich ein zwischen benachbarten Schwinger­ schichten (1-3, 3-25, 25-27) angebrachter Elektrodenfilm (7, 9, 31) bis zu der Ausnehmung (69) erstreckt.
12. Ultraschallwandleranordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektro­ denfilm (7, 9, 31) in der Ausnehmung (69) kontaktiert ist.
13. Ultraschallwandleranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Schwingerschichten (1A, 3A) als Array ausgebildet ist.
14. Verfahren zur Ultraschallprüfung, wobei wenigstens zwei in einer Abstrahlrichtung (11) gesehen hintereinander gelegene Schwingerschichten (1, 3, 25, 27, 29; 1A, 3A) einzeln oder in Kombination eine Gruppe (G1, G2, G3, G4) bildend angesteuert werden, wobei wenigstens zwei Gruppen mit unterschiedlichen Frequenzen (F1, F2, F3, F4) betrieben werden und wenigstens eine Gruppe als Sender angesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Gruppe (G1) als Empfänger bei einer ersten Frequenz (F1) be­ trieben wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Gruppe (G2) und optional weitere Gruppen (G3, G4) als Empfän­ ger bei einer zweiten Frequenz (F2) bzw. weiteren Frequenzen (F3, F4) betrieben wird/werden.
16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Gruppen (G1, G2, G3, G4) mit gleicher Polarität angesteuert werden.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Gruppen (G1, G2, G3, G4) zeitlich nacheinander angesteuert werden.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst die erste Gruppe (G1) als Empfänger bei der ersten Frequenz (F1) und dann die zweite Gruppe (G2) als Empfänger bei einer von der ersten Frequenz (F1) verschiedenen zweiten Frequenz (F2) betrieben wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst eine Gruppe (G2) als Sender bei einer Sendefrequenz (F2) und anschließend nach Abschluß der Sendeaktivität die erste Gruppe (G1) als Empfänger bei einer von der Sendefrequenz (F2) verschiedenen ersten Frequenz (F1) betrieben wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet,
  • 1. daß zwei der Gruppen (G1, G2) jeweils eine Array-Schwinger­ schicht (1A, 3A) umfassen, und
  • 2. daß die Abstrahlrichtungen der beiden Gruppen (G1, G2) zu­ mindest mit einer Komponente in unterschiedlichen, nicht parallelen Ebenen (E1, E2) geschwenkt werden,
  • 3. wobei die beiden Gruppen (G1, G2) als Sender bei unter­ schiedlichen Frequenzen (F1, F2) betrieben werden.
21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Ebenen (E1, E2) senkrecht aufeinander stehen.
22. Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Gruppen (G1) im Sende-Empfangs-Modus betrieben wird.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Gruppen (G2) im Impuls-Echo-Modus betrieben wird.
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