DE2436856A1

DE2436856A1 - Vorrichtung fuer eine fokussierung und kollimation von ultraschallwellen

Info

Publication number: DE2436856A1
Application number: DE2436856A
Authority: DE
Inventors: Robert Snee Gilmore; Leo Howard Sherwin
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1973-08-06
Filing date: 1974-07-31
Publication date: 1975-02-20
Also published as: CH579775A5; DE2436856C2; US3934460A; JPS5072620A; JPS556430B2

Description

Dr. Horst Schüler

Patentanwalt
6 Prankfurt/Main 1

Niddastr. 52 - 30. Juli 1974

'Dr.Sch.-Schu.

2777-17-MY-2280

GENERAL ELECTRIC COMPANY

1 River Road
Schenectady, N.Y., U.S.A.

Vorrichtung für eine Fokussierung und Kollimation von Ultraschallwellen

Die Erfindung betrifft allgemein eine Wandlervorrichtung und speziell eine Einrichtung für eine Fokussierung und Kollimation von Ultraschallwellen.

Prüfsysteme unter Verwendung von Ultraschallwellen sind bekannt. Dabei handelt es sich im allgemeinen um zwei .Arten: Bei dem Berührungsprüfsystem berührt'ein Wandler zum Erzeugen von Ultraschallwellen ein Werkstück, und die Wellen wer'den über eine Flüssigkeitskopplungsschicht übertragen, während beim Eintauchprüfsystem der Wandler vom Werkstück entfernt ist und die Wellen über eine sich, dazwischen befindliche Flüssigkeit,- in die das Werkstück und der Wandler eingetaucht sind, in das Werkstück übertragen werden. Während es bei der Eintauchprüfung möglich ist, einen engen, fokussierten Ultraschallwellenstrahl mit Kollimation zu erzeugen, waren Versuche zur Realisierung eines derartigen Ergebnisses bei einer Berührungsprüfung, erfolglos.

Bei der Berührungsprüfung ist eine bloße' Fokussierung eines ziemlich, großen Strahls möglich. Bekannte Vorrichtungen verwenden im

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allgemeinen ein Rohr, das eine mit dem Wandler gekoppelte Säule aus Wasser oder einer anderen geeigneten Flüssigkeit enthält. Eine geeignete Fokussiereinrichtung, beispielsweise eine Linse, ist zwischen dem Wandler und dem das Wasser enthaltenden Rohr angeordnet. Das letztere kann entweder mit einer dünnen Membran an. dem dem Werkstück zugewandten Ende abgedichtet sein, oder dieses Ende kann auch offen sein, während ein kontinuierlicher Wasserstrom gegen das Werkstück geführt wird. Mit dieser Prüfart sind zahlreiche Nachteile verbunden. Der erreichbare Wert der Fokussierung ist begrenzt, und bei der zweiten oben erwähnten Alternative werden das Werkstück und der umgebende Bereich einer Wasserströmung ausgesetzt. Ferner beträgt die niedrigste erreichbare f-Zahl etwa 1,4. Ein weiterer wesentlicher Nachteil besteht darin, daß diese Art einer Berührungsprüfung nicht zu einem Ultraschallwellen-Kollimationsstrahl führen kann, der gegebenenfalls bei bestimmten Prüfaufgaben wünschenswert ist.

Zur Erzielung einer hohen Ausgangsenergie und guten Empfindlichkeit wurden bei den bekannten Berührungsprüfvorrichtungen große Wandler verwendet, wobei jedoch der Berührungsbereich derartiger Wandler ebenfalls groß ist. Der durch derart große Wandler erzeugte große Strahl erschwert ferner den PrüfVorgang, da der reflektierende Bereich einer Unregelmäßigkeit nur einen kleinen Prozentsatz des Querschnxttsbereiches des Strahles ausmacht.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, im Hinblick auf die oben erwähnten Probleme eine Vorrichtung zu schaffen, mittels derer ein schmaler, fokussierter Kollimationsstrahl von Ultraschallwellen erzeugt werden kann.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe wird erfindungsgemäß eine Vorrichtung vorgeschlagen, bei der ein Wandler zum Erzeugen von Ultraschallwellen in einem Gehäuse angeordnet ist. Um die Ultraschallwellen zu einer gewünschten Position zu leiten, ist eine Pufferstange, die nach einer ersten Ausführungsform aus Polystyrol oder Aluminium besteht, mit dem Wandler gekoppelt. Zwischen der Pufferstange und dem Wandler befindet sich zumindest ein mit einer

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Flüssigkeit gefülltes Linsenelement, wobei die Flüssigkeit entweder Glyzerin oder Quecksilber sein kann,* Die Pufferstange ist mit einem zusammenlaufenden 'Spitzenbereich in Form eines Sphäroids für eine Kollimation der Ultraschallwellen versehen. Eine andere Ausführungsform der Erfindung schlägt eine flüssigkeitsgefüllte Pufferstange und Fokussier- sowie Kollimationseinrichtungen aus Feststoffmaterialien vor. Weitere Merkmale ergeben sich aus den Patentansprüchen.

Die Erfindung wird nachfolgend an zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es,zeigen:

Figur 1 - eine schematisehe Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Darstellung einer Anzahl von flüssigkeitsgefüllten Linsenelementen und einer Pufferstange mit einem zusammenlaufenden bzw. abgerundeten kopf,

Figur 2 - eine schematisehe Ansicht ähnlich derjenigen aus Figur

1, jedoch mit einem einzigen flüssigkeitsgefüllten Linsenelement und einer.Pufferstange mit einem flachen Kopf,

Figuren . ·

3A, 3B .

und 3C - schematisehe Ansichten ähnlich derjenigen aus Figur 2,

die jedoch die Verwendung von ein oder mehreren flüssigkeitsgefüllten Linsenelementen mit einer Pufferstange mit flachem Kopf zeigen,
Figur 4 - eine schematisehe Ansicht _t ähnlich derjenigen aus Figur

2, mit einer Anzahl von flüssigkeitsgefüllten Linsenelementen in einer Anordnung zur Bildung einer Anzahl von flüssigkeitsgefüllten, doppelt konvexen sphärischen Linsen und

Figur 5 -· eine schematisehe Ansicht einer .anderen Ausführungsform nach der vorliegenden Erfindung/ bei der eine flüssigkeitsgefüllte Pufferstange mit einem Wandler gekoppelt ist und bei der die-Fokussierung und Kollimation von festen Linsenelementen erzeugt werden.

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In Figur 1 ist ein ültraschallwandler Io mit einem Gehäuse 11 dargestellt, in dem ein aktives Element 12 angeordnet ist. Der Wandler kann irgendeinen bekannten, handelsüblich erhältlichen Typ darstellen. Mit einer Pufferstange 13 ist ein erstes scheiben- bzw. plattenähnliches Element 15 einteilig ausgebildet, das ein Flanschteil 15a und eine sphärisch konvexe Einsenkung bzw. Mulde 16 aufweist. Beim Auffüllen mit einer geeigneten Flüssigkeit bildet die konvexe Mulde 16 ein Linsenelement 17a. Die Pufferstange 13 ist mit dem Wandler Io über einen Kragen 14 gekoppelt, der den Flansch 15 umschließt und mit dem Gehäuse 11 verschraubt ist. Ein zweites einzelnes Linsenelement 17b befindet sich stapelartig über dem scheibenähnlichen Glied 15 und in Angrenzung an das aktive Element 12. Das Linsenelement 17b besteht aus demselben Material wie die Pufferstange 13 und enthält eine sphärisch konvexe Einsenkung bzw. Mulde nach Art der Einsenkung bzw. Mulde 16. Daher kann eine Anordnung mit einer einzigen oder mit mehreren flüssigkeitsgefüllten Linsen vorgesehen werden, indem lediglich scheibenähnliche Linsenelemente vor der Ankopplung der Pufferstange 13 an den Wandler Io auf das scheibenähnliche Glied 15 gestapelt werden.

Die Kollimation der vom aktiven Element 12 erzeugten Ultraschallwellen, die gemäß den gestrichelten Linien bei 18 begrenzt sind, wird durch Verjüngung der Pufferstange .13 zu einer zusammenlaufenden Spitze bzw. einem Kopf 19 in Form eines Sphäroids 2o erzielt. Zwischen einem Werkstück 25 und dem sphärischen Kopf 2o ist ein Kopplungsfilm 26 angeordnet. Diese Elemente bilden zusammen eine¹ plankonkave Kollimationslinse für eine Kollimation der fokussierten Wellen.

Das oben beschriebene System hat zahlreiche Vorteile. Die Prüfvorrichtung kann transportabel ausgebildet sein, so daß sie von Werkstück zu Werkstück getragen werden kann. Auch ist kein Eintauchen bzw. Versenken des Wandlers und Werkstücks erforderlich, und es entfällt eine Wasserströmung. Zur Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in der Praxis ist es lediglich erforderlich, eine dünne Schicht eines Kopplungsmittels mit der Vorrichtung zu verwenden, die einen Kollimationsstrahl von Ultraschallwellen er-

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zeugt. Das Kopplungsmittel muß nicht den den Strahl bildenden Träger darstellen, der sich auch nicht in Berührung mit dem Werkstück befinden'muß. Dies trifft deshalb zu, da die flüssigkeitsgefüllten Fokussiereinrichtungen vom Werkstück isoliert sind und sich zwischen der Pufferstange 13 und dem Ultraschallwandler Io befinden.

Figur 2 zeigt die Vorrichtung aus Figur 1 mit bestimmten unterschiedlichen Merkmalen. Zunächst ist nur ein einzelnes Linsenelement 17a vorgesehen. Wie zuvor stellt dieses ein scheiben- bzw. plattenähnliches Glied 15 mit sphärisch konvexer Einsenkung bzw. Mulde 16 dar, die mit einer Flüssigkeit gefüllt ist. Am anderen Ende der Pufferstange 13 verjüngt sich·ein zusammenlaufender Teil 19 nicht zu einer sphärischen Spitze, sondern zu e^inem bei 21 flachen Kopf. Im Betrieb wird ein dünner^ gleichförmiger Kopplungsfilm verwendet/ und die Ultraschallwellen gelangen direkt durch das Werkstück 25 zu einem Brennpunkt ,27. Diese Vorrichtung erzeugt einen fokussierten¹ Strahl von Ultraschallwellen ohne Kollimation.

Eine alternative Ausführungsform ist in Figuren 3A₇ 3B und 3C dargestellt, wonach die Länge der'Pufferstange 30 entsprechend der Anzahl der Linsenelemente verändert werden kann. Es ist ersichtlich, daß' auch bei diesem Aufbau ein einteilig mit der Pufferstange 3o ausgebildetes, scheiben- oder plattenähnliches Glied verwendbar ist und daß die Pufferstange 3o mit dem Wandler 31 mittels eines darübergelagerten bzw. überstehenden Kragens bzw. Rings

schraubbar ' ■

32 !gekoppelt werden kann. Um eine ungewollte Randinterferenz zu vermindern, ist es erwünscht-, die Ultraschallwellen in den durch gestrichelte Linien 33 in Figur 3Ά dargestellten Bereich zu bringen. Daher ist ein geeigneter Konvergenzwinkel <p dargestellt, der von der Fokussierungsleistuhgsfähigkeit der flüssigkeitsgefüllten Linsenelemente 17b abhängt. Gemäß Figur 3B ist eine Halbierung der Pufferstange 13 möglich, wenn ein zweites Linsenelement zugefügt und der Konvergenzwinkel φ auf 2, 0 vergrößert wird, in ähnlicher Weise ist in Figur 3C die Pufferstange 13 auf ein Drittel ihrer ursprünglichen Länge verkürzt, wobei ein drittes Linsenelement zu-

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gefügt und der Konvergenzwinkel φ auf 3 <p vergrößert ist. Es
können auch andere entsprechende Linsenstrukturen und Konvergenzwinkel vorgesehen sein, wie es für die spezielle Verwendung erforderlich ist, für die die erfindungsgemäße Vorrichtung gedacht ist. Das System'ist hervorragend vielseitig und kann an tatsächlich alle Prüferfordernisse angepaßt werden.

In Figur 4 ist eine andere Anordnung von Linsenelementen 17a und 17b dargestellt. Unter Verwendung derselben Hinweiszahlen ist
eine Pufferstange ähnlich der Pufferstange 13-aus Figur 1 vorgesehen, mit der ein scheiben- bzw. plattenähnliches Glied 15 einteilig ausgebildet ist. Auf diesem Glied 15 ist eine Reihe von
einzelnen Linsenelementen 17b aufgestapelt, deren Vorderseiten
jeweils aufeinander zuweisen, um zwei doppelt konvexe, sphärische, flüssigkeitsgefüllte Linsen 34a und 34b zu bilden.

Eine alternative Ausführungsform der Erfindung ist in Figur 5 dargestellt. Hierbei werden der Wandler, das Gehäuse und das aktive Element aus Figuren 3A, 3B und 3C verwendet. Statt der festen
Pufferstange 3o wird jedoch eine flüssigkeitsgefüllte Pufferstange 4o benutzt, was durch eine zylindrische Einrichtung 41 erreicht wird, die mittels eines O-Rings 43 eine Flüssigkeitsabdichtung mit dem Ultraschallwandler 31 bildet. Die Zylindereinrichtung 41 wird durch einen abgeflanschten Kragen 44 gehalten.
Eine mit Strömungsöffnungen 46 versehene feste Fokussierlinse 45 ist umsetzend bzw. übertragend in der Zylindereinrichtung ·41 angeordnet, in der die Flüssigkeit durch einen Kollimationslinsenkopf 47 gehalten wird. Der letztere ist mit der Zylindereinrichtung 41 verschraubt und bildet mittels eines O-Rings 48 eine
Flüssigkeitsabdichtung. Im Betrieb wird die Zylindereinrichtung
41 mit Flüssigkeit gefüllt, nachdem die Fokussierlinse 45 auf
eine geeignete Position eingestellt ist. Der Kollimationslinsenkopf 47 wird zum Halten der Flüssigkeit in die Zylindereinrichtung 41 eingeschraubt. Die vom Wandler 31 erzeugten Ultraschallwellen werden durch die flüssigkeitsgefüllte Pufferstange 4o geleitet und durch die Fokussierlinse 45 fokussiert. Die Wellenausbreitung ist gemäß den gestrichelten Linien bei 49 begrenzt, und

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— / — . ■

die Kollimation dieser Wellen wird durch den Kollimationslinsenkopf 47 erzielt. Wie auch bei den anderen Aüsführungsformen der Erfindung kann die Vorrichtung transportabel ausgebildet werden, und sie erfordert kein Eintauchen der Vorrichtung und des Werkstücks. Auch ist keine Flüssigkeitsströmung gegen das Werkstück oder den das Werkstück umgebenden Bereich erforderlich. Wie bei der erstgenannten Ausführungsform stellt das Kopplungsmedium keinen'den Strahl formenden Träger dar/ der sich ferner nicht in Berührung mit dem Werkstück befindet." ·

Die speziellen bei der vorliegenden Erfindung verwendeten Materialien sind wesentlich und stellen einen Teil der Erfindung selbst dar. Zur Vermeidung innerer Reflexionen in den Linsen und der Pufferstange ist es nach der Erfindung erforderlich, daß die akustische Impedanz bzw. der Schallwiderstand der Flüssigkeit in den Linsen und der entsprechende Wert des festen Materials der Pufferstange sowie der Linsenelemente weitgehend angepaßt sind. Eine gut verwendbare Flüssigkeits-Feststoff-Kombination besteht erfindungsgemäß aus Glyzerin-Polystyrol. Der planare Interferenzreflexionskoeffizient dieser Materialien beträgt o,oo3, was bedeutet, daß diese Materialien weitgehend nicht reflektieren. Jedoch beträgt die erreichbare Minimum-f-Zahl etwa 2,65. Nach der Erfindung wird dieser Mangel durch Anwendung mehrerer Linsen überbrückt, die die f-Zahl eines solchen nichtreflektierenden Linsensystems vermindern. Andere Vorteile des Systems bestehen in der Möglichkeit einer Veränderung des Fokus durch Ändern der Linsenelemente und einer Verminderung der durch ungewollte Schwingungsarten und Echos begründeten Interferenz durch Verwendung einer viskosen Dämpfung. Auch wird eine Interferenz dadurch vermindert, daß die Ultraschallwellen von den Grenzen der Pufferstange weg fokussiert werden. ,

Eine andere Flüssigkeits-Feststoff-Kombination mit hervorragenden akustischen Impedanzeigenschaften ist .Quecksilber-Aluminium. Der Planarinterferenz-Reflexionskoeffizient dieser Kombination beträgt o,o6, der ein größeres Reflexionsvermögen als die Glyzerin-Polystyrol-Kombination begründet. Jedoch beträgt der Brechungsindex

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— ο —

für Quecksilber-Aluminium 4,4o im Vergleich zu 1,23 für Glyzerin-Polystyrol, wodurch gezeigt ist, daß Quecksilber-Aluminium eine wirksamere Linse ergibt. Zusätzlich beträgt die erreichbare Minimum-f-Zahl bei Quecksilber-Aluminium o,65. Die oben erwähnten Materialien sind gleich gut verwendbar, wenn die Flüssigkeit in eine Linse oder gemäß Figur 5 in eine Pufferstange eingefüllt wird. Demgegenüber arbeiten die Feststoffmaterialien gleich gut bei Verwendung als Pufferstange oder gemäß Figur 5 als Fokussier- oder Kollimationslinsen.

Abgesehen von der speziellen Darstellung bestimmter Ausführungsformen sind im Rahmen der Erfindung zahlreiche Kombinationen von Elementen möglich. Beispielsweise können flüssigkeitsgefüllte Linsen an beiden Enden einer festen Pufferstange verwendet werden, und zwar jeweils als Einzel- oder Mehrfachlinsen. Auch kann die Kollimation anders als mit einer konvergierenden Pufferstange mit einem Sphäroidkopf auch mit einer Anzahl von flüssigkeitsgefüllten Linsen in Verbindung mit einer Pufferstange erzeugt werden, die einen flachen Spitzenbereich bzw. Kopf enthält. Mit einer Flüssigkeits-Pufferstange kann eine Anzahl von übertragenden festen Linsen benutzt werden.

- Patentansprüche -

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Claims

- 9 Patentansprüche'

flλ Wandlervorrichtung, gekennzeichnet durch einen Wandler (lo, Vy 31) zum Erzeugen von Ultraschallwellen, durch ein Gehäuse (11), in dem der Wandler angeordnet ist, durch eine mit dem Wandler gekoppelte Pufferstange (13,30,40), die die Ultraschallwellen zu einer gewünschten Position leitet, und durch eine Fokussiereinrichtung (17a, 17b, 45) zum Fokussieren der Ultraschallwellen, wobei die Pufferstange einen zusammenlaufenden Kopf für eine Kollimation der Ultraschallwellen aufweist.
2. Wandlervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussiereinrichtung zumindest ein flüssigkeitsgefülltes Linsenelement (17a, 17b) aufweist.
.3. Wandlervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Pufferstange (13) aus Polystyrol und das ·flüssigkeitsgefüllte Linsenelement (17a, 17b) aus Glyzerin bestehen.
4. Wandlervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Pufferstange (13) aus Aluminium und das flüssigkeitsgefüllte Linsenelement (17a, 17b) aus Quecksilber bestehen.
5. Wandlervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl von flüssigkeitsgefüllten Linsenelementen (17a, 17b) angeordnet ist, um zumindest eine 'flüssigkeitsgefüllte, doppelt konvexe Linse (34a, 34b) zu bilden.
6. .Wandlervorrichtung nach Anspruch 5, dadurch, gekennzeichnet, daß die Pufferstange (13) aus Polystyrol und die flüssigkeitsgefüllten Linsenelemente (17a, 17b) aus Glyzerin bestehen.
7. Wandlervorrichtung nach Anspruch 5 ,· dadurch gekennzeichnet, daß die feste Pufferstange (13) aus Aluminium und die flüssigkeitsgefüllten Linsenelemente (17a, 17b) aus Quecksilber bestehen.

- Io -

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8. Wandlervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kopf der Pufferstange in Form eines Sphäroids (2o) ausgebildet ist.
9. Wandlervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussiereinrichtung (17a, 17b, 45) zwischen dem Wandler (lo, 31) und der Pufferstange (13, 4o) angeordnet ist.
lo. Wandlervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussiereinrichtung eine Anzahl von flüssigkeitsgefüllten Linsenelementen (17a, 17b) zum Fokussieren der Ultraschallwellen aufweist, wobei die Linsenelemente zwischen dem Wandler (lo) und der Pufferstange (13) angeordnet sind und wobei die Pufferstange einen flachen Kopf (21) enthält und die Linsenelemente für eine Kollimation der Ultraschallwellen sorgen.
llo Wandlervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussiereinrichtung (17a, 17b) entfernt vom Wandler nahe dem Ende der Pufferstange angeordnet ist und daß diese an dem demWandler abgewandten Ende einen flachen Kopf aufweist, wobei die Fokussiereinrichtung eine Kollimation der Ultraschallwellen begründet.
12. Wandlervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussiereinrichtung (45) in einer flüssigkeitsgefüllten Pufferstange (4o) zum Fokussieren der Ultraschallwellen angeordnet ist und daß die Pufferstange an einem Ende einen festen Linsenkopf (47) für eine Kollimation der Ultraschallwellen aufweist.
13. Wandlervorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das feste Linsenelement (45) eine Übertragung bzw. Umsetzung innerhalb der flüssigkeitsgefüllten Pufferstange (4o) ermöglicht.

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14. Wandlervorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die flüssigkeitsgefüllte Pufferstange,(4o) Glyzerin und die festen Linsenelemente (45) sowie der feste Linsenkopf (47) Polystyrol enthalten.

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