DE2707933C2 - Verfahren zur Erzeugung impulsförmiger ebener Schallwellen vorbestimmter Ausbreitungsrichtung in stark lichtabsorbierenden Werkstücken - Google Patents

Description

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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 =

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)

Patentansprüche:

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.