DE2707933C2 - Verfahren zur Erzeugung impulsförmiger ebener Schallwellen vorbestimmter Ausbreitungsrichtung in stark lichtabsorbierenden Werkstücken - Google Patents
Verfahren zur Erzeugung impulsförmiger ebener Schallwellen vorbestimmter Ausbreitungsrichtung in stark lichtabsorbierenden WerkstückenInfo
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Description
30
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung impulsförmiger ebener Schallwellen mit vorbestimmbarer
Ausbreitungsrichtung in stark lichtabsorbierenden Werkstücken, insbesondere ?.ur Anwendung in der
zerstörungsfreien Materialprüfung mit Ultraschall, bei dem die Ultraschallwelle vom Laser in der Werkstückoberfläche
berührungslos erzeugt wird.
Es ist bekannt, Schallwellen durch Laserimpulse zu erzeugen, siehe »Werkstoffprüfung mit Ultraschall«,
Krautkrämer 1975, S. 148-150. Wird ein Licht absor- <,o
bierendes Werkstück mit kurzen Lichtimpulsen hoher Intensität bestrahlt, entsteht durch die relativ hohe
örtliche Erwärmung eine mechanische Verspannung des Materialgefüges, die sich als elastische Welle, d. h. als
Schallwelle, vom beleuchteten Teil der Prüfstüqkoberfläche in das Innere des Prüfstücks fortpflanzt. Die
Schichtdicke, in der das Licht absorbiert wird, muß klein gegenüber der erzeugten Schallwellenlänge sein. Zur
Erzeugung des thermoakustischen Effektes werden vorzugsweise LASER-Strahlen eingesetzt Die Impulsdauer
des LASER-Strahls bestimmt das Frequenzspektrum des Schallimpulses und muß klein sein gegenüber
der Periodendauer der erzeugten Schallschwingung. Bei dieser thermischen Schallerzeugung ist die Ausbreitungsrichtung
des Schalles immer senkrecht zur Oberfläche des Prüfstückes gerichtet. Auch eine schräg
zur Oberfläche orientierte Lichteinstrahlung würde wegen der großen Differenz zwischen der Lichtgeschwindigkeit
und der Schallgeschwindigkeit nur zu einer senkrecht von der Oberfläche ausgehenden bo
Schallwelle führen.
Durch Verwendung eines Beugungsgitters, das auf die Prüfstückoberfläche aufgebracht werden kann, ist es
möglich, die Schallwellen zu richten, nur könnte dieses Verfahren dann nicht mehr als berührungslos angesehen
werden. Ein Ausweg wäre die Streifenstruktur durch eine geometrische optische Abbildung, z. B. eine Maske,
die an anderer Stelle in den Strahlengang des LASERS eingeführt ist, auf die Oberfläche abzubilden. Man
könnte auch den LASER-Strahl in zwei kohärente Teilstrahlen aufspalten, die dann auf der Oberfläche des
Prüfstücks durch Interferenz ein Streifenmuster erzeugen. Diese Möglichkeiten sind zwar bekannt, aber
praktisch nicht angewendet, weil die gerichtete Schallausbreitung nicht eindeutig ist, sondern in zwei
symmetrischen Winkeln zum Oberflächenlot erfolgt und außerdem immer noch der nicht gebeugte Anteil (nullte
Beugungsordnung) vorhanden ist
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine gebündelte Ultraschallwelle mit einer genauer vorbestimmten
Ausbreitungsrichtung auf optisch zuverlässige Art zu erzeugen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch den Gegenstand des Patentanspruches 1 gelöst.
Die LASER-Strahlen \a, \b, ic usw. treffen zeitlich
verzögert auf die Prüfstücksoberfläche 2 des Prüfstükkes 3 auf. Der LASER-Strahl la erzeugt an der Stelle 2a
eine plötzlich Erwärmung (Wärmeschock), die zur Aussendung einer Schallwelle 4a führt. Etwas später
trifft der LASER-Strahl 1 b auf die Stelle 2b und erzeugt
auch hier eine Schallwelle Ab, die gegenüber der Schallwelle 4a verzögert ist, d. h. die Ausbreitung der
Schallwelle 4a ist schon fortgeschritten. Wieder zeitlich verzögert trifft der LASER-Strahl Ic auf die Stelle 2c
und erzeugt dort die Schallwelle 4c, die abgestuft gegen die Schallwellen 4b und 4a wiederum verzögert ist.
Durch Interferenz ergibt sich eine resultierende Wellenfront 5 mit der Ausbreitungsrichtung 8 unter dem
Winkel λ zur Lotrechten 9. Bei einem Mitten-Abstand d der LASER-Strahlen zueinander und der Ausbreitungsgeschwindigkeit
c der Schallwelle im Prüfstück ergibt sich für die gegenseitige Verzögerung der einzelnen
LASER-Strahlen die Zeit
t =
d- sin α
aus dem allgemein bekannten Beugungsgesetz t/sin οί = ζ·λ, wobei hier nur die Beugung 1. Ordnung, also
z= 1, ausgenutzt werden soll.
Setzt man λ = c ■ t, wird d sin λ =
Setzt man λ = c ■ t, wird d sin λ =
rfsin a
fund
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird der LASER innerhalb seiner Impulsdauer mit einer
geeigneten Frequenz moduliert. Das hat in den einzelnen aufbelichteten Streifen ein wiederholtes
Aussenden von Schallimpulsen zur Folge. Entspricht die Modulationsfrequenz für den LASER der Periodendauer
der erzeugten Schallwelle, wird ein Schallwellenzug erzeugt, der aus so vielen Wellenzügen besteht, wie
Pulsationen im LASER-Impuls vorhanden sind (quasiharmonische
Schallwelle). Nach diesem Verfahren ist man in der Lage, nicht nur eine Schallstoßwelle zu
erzeugen, sondern einen zeitlich begrenzten Schallwellenzug.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (2)
1. Verfahren zur Erzeugung impulsförmiger
ebener Schallwellen mit vorbestimmbarer Ausbreitungsrichtung in stark lichtabsorbierenden Werkstücken,
insbesondere zur Anwendung in der zerstörungsfreien Materialprüfung mit Ultraschall,
bei dem die Ultraschallwelle vom Laser in der Werkstückoberfläche berührungslos erzeugt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß Teilflächen auf der Werkstückoberfläche als äquidistante Streifen
durch Laserimpulse zeitverzögert nacheinander zu Schallschwingungen angeregt werden und daß
die Verzögerungszeiten für die Anregung der einzelnen streifenförmigen Teilflächen aus dem
Winkel der Ausbreitungsrichtung zur Lotrechten auf die Oberfläche der Ausbreitungsgeschwindigkeit der
Schallwelle im Werkstück sowie dem mittleren Abstand der benachbarten streifenförmigen Teilflächen
bestimmt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Laserimpulse für die
Teilflächen innerhalb ihrer Impulsdauer mit einer Frequenz moduliert sind, die der Periodendauer der
erzeugten Schallwelle entspricht.
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