DE2436856C2

DE2436856C2 - Wandlervorrichtung

Info

Publication number: DE2436856C2
Application number: DE2436856A
Authority: DE
Inventors: Robert Snee Burnt Hills N.Y. Gilmore; Leo Howard Schenectady N.Y. Sherwin
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1973-08-06
Filing date: 1974-07-31
Publication date: 1982-06-09
Also published as: CH579775A5; DE2436856A1; JPS556430B2; JPS5072620A; US3934460A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Wandlervorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

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 werden 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 KoIIimation zu erzeugen, waren Versuche zur Realisierung eines derartigen Ergebnisses bei einer Berührungsprüfung erfolglos.

Bei der Berührungsprüfung ist eine einfache Fokussierung mit einem ziemlich großen Strahl möglich. Bekannte Vorrichtungen verwenden im 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 ίο 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 /"-Zahl etwa 1,4. Ein weiterer wesentlicher Nachteil besteht darin, daß diese Art einer Berührungsprüfung nicht zu einem kollimierten Strahl von Ultraschallwellen führen kann, der bei einigen Prüfaufgaben wünschenswert ist

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

Es ist iiie Aufgabe der Erfindung, eine Wandlervorrichtung zu schaffen, mit der ein schmaler, fokussierter, kolümierter Ultraschallwellenstrahl erzeugt werden kann. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die Wandlervorrichtung transportabel ist, 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. In der Praxis ist es lediglich erforderlich, eine dünne Schicht eines Kopplungsmittels zu verwenden, die einen Kollimationsstrahl von Ultraschallwellen erzeugt Das Kopplungsmittel muß nicht den den Strahl bildenden Träger darstellen, der sich auch nicht in Berührung mit dem Werkstück befinden muß, denn die flüssigkeitsgefüllten Fokussiereinrichtungen sind vom Werkstück getrennt und befinden sich zwischen der als Koppelschwinger dienenden Pufferstange und dem Wandler.
Die Erfindung wird nachfolgend an zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 — eine schematische Ansicht einer Wandlervorrichtung zur Darstellung einer Anzahl von flüssigkeitsgefüllten Linsenelementen und einer Pufferstange mit einem zusammenlaufenden bzw. abgerundeten Kopf,

F i g. 2 — eine schematische Ansicht ähnlich derjenigen aus Fig. 1, jedoch mit einem einzigen flüssigkeitsgefüllten Linsenelement und einer Pufferstange mit einem ebenen Kopf,

Fig.3A, 3B und 3C — schematische Ansichten ähnlich derjenigen aus F i g. 2, die jedoch die Verwendung von ein oder mehreren flüssigkeitsgefüllten Linsenelementen mit einer Pufferstange mit ebenem Kopf zeigen,

F i g. 4 — eine schematische Ansicht ähnlich derjenigen aus F i g. 2 mit einer Anzahl von flüssigkeitsgefüllten

Linsenelementen in einer Anordnung zur Bildung einer Anzahl von flüssigkeitsgefüllten, doppelt konvexen sphärischen Linsen.

k'n F i g. 1 ist ein Ultraschallwandler 10 mit einem Gehäuse 11 dargestellt, in dem ein aktives Element 12 als Wandler angeordnet ist 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 10 über eine Hülse

14 gekoppelt, die den Flansch 15 umschließt und mit dem Gehäuse 11 verschraubt ist. Ein zweites einzelnes Linsenelement \7b befindet sich stapelartig über dem scheibenähnlichen Element 15 und grenzt an das aktive Element 12 an. Das Linsenelement 176 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 flüssigkeitsgefüilten Linsen vorgesehen werden, indem lediglich scheibenähnliche Linsenelemente vor der Ankopplung der Pufferstange 13 an den Wandler 10 auf das scheibenähnliche Element 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 20 erzielt. Zwischen einem Werkstück 25 und dem sphärischen Kopf 20 ist ein Kopplungsfilm 26 angeordnet. Diese Elemente bilden zusammen eine plankonkave Kollimationslinse für eine Kollimation der fokussierten Wellen.

Fig.2 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der in Fig. 1 gezeigten Wandlervorrichtung. Zunächst ist nur ein einzelnes Linsenelement l?a vorgesehen. Wie zuvor stellt dieses ein scheiben- bzw. plattenähnliches Element

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 einem bei 21 ebenen Kopf. Im Betrieb wird ein dünner gleichförmiger Kopplungsfilm verwendet, und die Ultraschallwellen gelangen direkt durch das Werkstück 25 zu einem Brennpunkt 27. Dieses Ausführungsbeispiel erzeugt einen fokussierten Strahl von Ultraschallwellen ohne Kollimation.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in den F i g. 3A, 3B und 3C dargestellt, wonach die Länge der als Koppelschwinger dienenden Pufferstange 30 entsprechend der Anzahl der Linsenelemente verändert werden kann. Auch bei diesem Aufbau ist ein einteilig mit der Pufferstange 30 ausgebildetes, scheiben- oder plattenähnliches Element verwendbar, und aie Pufferstange 30 kann mit dem Wandler 31 durch eine übergreifende Hülse 32 verschraubt sein. Um eine ungewollte Randinterferenz zu vermindern, ist es erwünscht, die Ultraschallwellen in den durch gestrichelte Linien 33 in Fi g. 3A dargestellten Bereich zu bringen. Daher ist ein geeigneter Konvergenzwinkel Φ dargestellt, der von der Fokussierungsleistung der flüssigkeitsgefüllten Linsenelemente 176 abhängt. Gemäß Fig.3B ist eine Halbierung der Pufferstange 13 möglich, wenn ein zweites Linsenelement zugefügt und der Konvergenzwinkel Φ auf 2 Φ vergrößert wird. In ähnlicher Weise ist in F i g. 3C die Pufferstange 13 auf ein Drittel ihrer ursprünglichen Länge verkürzt, wobei ein drittes Linsenelement zugefügt und der Konvergenzwinkel Φ auf 3 Φ vergrößert ist. Es können jedoch auch andere entsprechende Linsenstrukturen und Koivergenzwinkel vorgesehen sein. Die Wandlervorrichtung ist hervorragend vielseitig und kann an tatsächlich alle Prüferfordernisse angepaßt werden.
In F i g. 4 ist eine andere Anordnung von Linsenele-

menten 17a und 176 dargestellL Ähnlich wie in F i g. 1 ist eine als Koppelschwinger dienende Pufferstange 13 vorgesehen, mit der ein scheiben- bzw. plattenähnliches Element 15 einstückig ausgebildet ist. Auf diesem Element 15 ist eine Reihe von einzelnen Linsenelementen \7b aufgestapelt, deren Vorderseiten jeweils aufeinander zuweisen, um zwei doppelt konvexe, sphärische, flüssigkeitsgefüllte Linsen 34 a und 34 b zu bilden.

Zur Vermeidung innerer Reflexionen in den Linsen und der Pufferstange ist es 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 aus Glyzerin-Polystyrol. Der planare Interferenzreflexionskoeffizient dieser Materialien beträgt 0,003, was bedeutet, daß diese Materialien weitgehend nicht reflektieren. Jedoch beträgt die erreichbare minimale /-Zahl etwa 2,65. Dieser Mangel wird jedoch durch Anwendung mehrerer Linsen überbrückt, die die /-Zahl eines solchen nichtreflektierenden Linsensystems vermindern. Es besteht auch die 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 0,06, der ein größeres Reflexionsvermögen als die Glyzerin-Polystyrol-Kombination begründet. Jedoch beträgt der Brechungsindex für Quecksilber-Aluminium 4,40 irr Vergleich zu 1,23 für Glyzerin-Polystyrol, wodurch gezeigt ist, daß Quecksilber-Aluminium eine wirksamere Linse ergibt. Zusätzlich beträgt die erreichbare minimale /-Zahl bei Quecksilber-Aluminium 0,65. Die oben erwähnten Materialien sind gleich gut verwendbar, wenn die Flüssigkeit in eine Linse eingefüllt wird. Demgegenüber arbeiten die Feststoffmaterialien gleich gut bei Verwendung als Pufferstange.

Neben den dargestellten sind noch weitere Ausführungsbeispiele 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 an de<· Spitze ebenen Pufferstange erzeugt werden. Bei einer Flüssigkeits-Pufferstange kann eine Anzahl von übertragenden festen Linsen benutzt werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Wandlervorrichtung zum Obertragen von Ultraschallwellen von einem aktiven Element als Wandler auf ein Werkstück, mit einem den Wandler enthaltenen Gehäuse, mit einer mit dem Wandler gekoppelten Pufferstange zum Richten der Ultraschallwellen auf eine gewünschte Stelle und mit einer Fokussiereinrichtung für die Ultraschallwellen, dadu,rch gekennzeichnet, daß die Fokussiereinrichtung wenigstens ein Linsenelement (17a, 17b) enthält, daß die Pufferstange (13, 30) als Koppelschwinger einerseits über die Fokussiereinrichtung an den Wandler angekoppelt und andererseits zusammenlaufend ausgebildet ist und daß die akustische Impedanz der Pufferstange (13, 30) an diejenige des Linsenelementes der Fokussiereinrichtung eng angepaßt ist

2. Wandlervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Linsenelement (17a, \7b) der Fokussiereinrichtung flüssigkeitsgefüllt ist.

3. Wandlervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die als Koppelschwinger dienende Pufferstange (13) aus Aluminium besteht und die Flüssigkeitsfüllung des Linsenelementes (^,^Quecksilber ist

4. Wandlervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere flüssigkeitsgefüUte Linsenelemente (17a, 17^ eine konvexe Doppellinse bilden (F ig. 4).

5. Wandlervorrichtung nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die als Koppelschwinger dienende Pufferstange (13) aus Polystyrol besteht und die Flüssigkeitsfüllung des Linsenelementes (17a, ^f^Glyzerin ist.

6. Wandlervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kopf (20) der Pufferstange (13) als Koppelschwinger kugelförmig ist.

7. Wandlervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Kopfende (21) der Pufferstange (13) als Koppelschwinger eben ist.