DE2926182A1

DE2926182A1 - Ultraschallwandleranordnung

Info

Publication number: DE2926182A1
Application number: DE19792926182
Authority: DE
Inventors: Heinrich Dr Diepers
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1979-06-28
Filing date: 1979-06-28
Publication date: 1981-01-22

Description

Ultraschallwandleranordnung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Ultraschallwandleranordnung mit dicht nebeneinander angeordneten Wandlerelementen, die jeweils zwischen einem Anpassungskörper und einem Dämpfungskörper angeordnet sind.
In der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung werden Schnittbilder aus dem Inneren eines zu untersuchenden Körpers mit Hilfe von Ultraschallimpulsen hergestellt, die von einem Wandlerelement ausgestrahlt werden, das an der Oberfläche des Körpers angeordnet ist. Der Ultraschallimpuls wird an einer Fehlerstelle im Inneren des Materials reflektiert und der entstehende Echoimpuls wird von einem Empfänger aufgenommen, der ebenfalls an der Oberfläche angeordnet ist. Aus der Laufzeit des Ultraschallsignals und des Echosignals wird die Lage der Fehlerstelle abgeleitet. Die Ultraschallwandleranordnung in der Form eines sogenannten Arrays besteht aus einer Vielzahl von einzelnen Wandlerelementen, vorzugsweise aus Piezomaterial, die in geringem Abstand von beispielsweise etwa 50 bis 70 /um nebeneinander angeordnet sind.
Mehrere benachbarte Wandlerelemente werden gemeinsam gesteuert und bilden einen Schwinger. Einige Schwinger werden zu einer Gruppe zusammengefaßt. Das gesamte Array, beispielsweise ein lineares Array, kann aus einigen hundert Einzelschwingern bestehen. Wandlerelemente aus Piezomaterial können zugleich als Sender und Empfänger verwendet werden.
Zur Herstellung eines Ultraschallschnittbildes wird eine vorgewählte Gruppe von Schwingern, die jeweils aus mehreren Wandlerelementen bestehen, elektronisch zum Senden eines Ultraschallimpulses angeregt und empfängt die zurückkehrenden Echos. Diese bilden eine Zeile des zweidimensionalen Bildes auf einem Bildschirm. Durch Zuschalten eines Schwingers auf der einen Seite der gewählten Gruppe wird die Bildzeile um eine halbe Schwingerbreite verschoben. Auf diese Weise wird ein Bild aufgebaut, das beispielsweise aus hundert Zeilen bestehen kann. Durch die Wahl der Gruppenbreite, d.h, der Anzahl der Schwinger pro Gruppe, erhält man eine Verschiebung der Nah-/Fernfeldgrenze (natürlicher Fokus) in verschiedene Tiefenbereiche des zu untersuchenden Körpers. Es ergeben sich Schnittbilder, deren eine Dimension in Schallrichtung und deren andere Dimension in Querrichtung, d.h. in Richtung der linearen Anordnung der Schwinger, liegt.
Um kurze Impulse mit den piezokeramischen Wandlerelementen zu erhalten, werden die Wandler auf der Rückseite zusätzlich bedämpft. Eine an die Wandler- und Prüfkörperimpedanz angepaßte Transformationsschicht sorgt für optimale Ubertragung der Impulsenergie.
Zur zerstörungsfreien Prüfung von festen Körpern, bei- spielsweise aus Stahl, mit verhältnismäßig großer und unregelmäßig geformter Oberfläche ist das Problem ausreichender Anpassung der Wandlerelemente an die Oberfläche nur noch schwierig zu lösen, weil eine Luftschicht zwischen dem Wandlerlement und der Oberfläche des zu untersuchenden Körpers einen sprunghaft erhöhten Widerstand für den Ultraschallimpuls darstellt. Ein lineares Array mit einer großen Anzahl von Wandlerelementen muß deshalb einer unregelmäßig geformten Oberfläche des zu untersuchenden Körpers nahezu beliebig angepaßt werden können.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, Gestaltungsmerkmale für eine Ultras challwandleranordnung anzugeben, die in einfacher Weise der Oberfläche des zu untersuchenden festen Körpers angepaßt werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Dämpfungskörper und/oder der Anpassungskörper wenig-..$ens teilweise aus elastischem Material bestehen. Für die gesamte Anordnung mit einer Vielzahl von dicht reseneinander angeordneten einzelnen Wandlerelementen kann beispielsweise ein gemeinsamer Anpassungskörper vorgesehen sein, der aus einer verhältnismäßig dünnen schicht aus elastischem Material besteht, die entsprehend leicht mechanisch verformt und dadurch der Ober-Flache eines zu untersuchenden Körpers angepaßt werden kann. fn dieser Ausführungsform kann dann ein ebenfalls elastischer Dämpfungskörper verwendet werden. Ferner können in Verbindung mit einem elastischen Dämpfungskörper die einzelnen Wandlerelemente jeweils mit einem eigenen Anpassungskörper versehen sein. In dieser Ausführungsform kann dann Jedes einzelne Wandlerelement durch entsprechende Verformung des Dämpfungskörpers mit der traten Sttirnf.1äche des Anpassungskörpers auf die Oberfläche des zu untersuchenden Körpers aufgelegt werden. Durch Anwendung eines geringen Druckes wird eine Luftzwischenschicht zwischen den einzelnen Anpassungskörpern und der Materialoberfläche verdrängt.
Der Dämpfungskörper kann außerdem auch nur zu einem wesentlichen Teil aus festem Material, beispielsweise Epoxidharz, bestehen. Dieser feste Teil besteht dann aus Segmenten mit trapez- oder auch dreieckförmigem Querschnitt, die an einem elastischen Zwischenkörper befestigt werden, der als Trägerkörper für die Wandlerelemente dient. Diese Wandlerelemente können dann mit einem gemeinsamen Anpassungskörper aus elastischem Material oder auch jeweils mit einem eigenen Anpassungskörper versehen sein. Außerdem ist es möglich, einen gemeinsamen Anpassungskörper zu verwenden, der beispielsweise aus Polyvinylidenfluorid (PVF2) oder aus Polyvinylchlorid sowie aus Polykarbonat bestehen kann.
Dieser Anpassungskörper besteht dann zweckmäßig aus einer verhältnismäßig dünnen Schicht, beispielsweise aus einer Folie, deren eine Flachseite auf die Oberfläche des zu untersuchenden Materials aufgelegt wird und an deren anderer Flachseite die Wandlerelemente befestigt und nebeneinander angeordnet sind. In dieser Ausführungsform können die einzelnen Wandlerlemente beispielsweise jeweils mit einem eigenen Dämpfungskörper versehen sein.
Durch die Anordnung einer größeren Anzahl von solchen linearen Arrays parallel nebeneinander erhält man eine Matrix von Wandlerelementen, mit der in einfacher Weise Schnittbilder aus dem Inneren des zu untersuchenden Körpers dadurch in verhältnismäßig kurzer Zeit hergestellt werden können, daß nacheinander Jeweils verschiedene Wandlerelemente elektronisch angesteuert werden.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Figuren 1 und 2 jeweils eine besondere Ausführungsform einer Ultraschallwandleranordnung nach der Erfindung mit einem flexiblen Dämpfungskörper schematisch dargestellt ist. Figur 3 zeigt eine Ausführungsform der Ultraschallwandleranordnung, deren Dämpfungskörper teilweise aus festem Material besteht. In Figur 4 ist eine Ausführungsform veranschaulicht, bei der die Wandlerelemente getrennt auf einer gemeinsamen flexiblen Anpassungsschicht angeordnet sind.
Nach Figur 1 sind Wandlerelemente 2 zwischen einem gemeinsamen Anpassungskörper 4 und einem Dämpfungskörper 6 angeordnet. Als Wandlerelemente 2 sind vorzugsweise Piezoschwinger vorgesehen, die bekanntlich für das gesamte Schwingungsspektrum vom hörbaren Schall bis zum Ultraschall mit Frequenzen in der Größenordnung von einigen MHz verwendet werden können. Die Größe und der Abstand der Wandlerelemente 2 werden so gewählt, daß ihre Dicke etwa gleich der halben Wellenlänge der Schallfrequenz, beispielsweise etwa 0,3 mm, ist. Die Wandlerelemente 2 werden beispielsweise im Abstand von etwa 50 bis 70 jum nebeneinander angeordnet. Jeweils 7 oder 8 Elemente werden gemeinsam gesteuert und bilden einen Schwinger. Jeweils 3 bis 5 Schwinger bilden eine Gruppe. Das gesamte Array mit der linearen Anordnung von Wandlerelementen 2 kann bei einer Frequenz von 2,5 MHz beispielsweise aus 432 Elementen bestehen, die in 54 Schwinger aufgeteilt sind. Dann bilden beispielsweise 3 nebeneinander angeordnete Schwinger mit Je 8 Wandlerelementen eine Gruppe.
Der Anpassungskörper 4 ermöglicht die Einkopplung großer Energie von den Wandlerelmenten 2 in einen in der Figur nicht dargestellten, oberhalb des Arrays 10 angeordneten zu untersuchenden Körper, der aus festem Kunststoff, beispielsweise aus PVC, bestehen kann. Der Anpassungskörper 4 kann dann beispielsweise aus einer Epoxidharz-Folie bestehen, deren Dicke vorzugsweise etwa 1/4 der Wallenlänge des Ultraschalls betragen kann.
Der Dämpfungskörper 6 dient zur Schalldämpfung in der vom zu untersuchenden Werkstück abgewandten Richtung.
Hierdurch werden kurze Schallimpulse erzeugt, die eine hohe Tiefenauflösung im Schnittbild ermöglichen. Die in den Dämpfungskörper abgestrahlte Energie wird dabei nahezu vollstandig absorbiert. Die Impedanz des Dämpfungskörpers 6 wird angenähert an die Impedanz der Wandlerelemente 2. Den Impulsen wird die Energie entzogen. Sie klingen dementsprechend schnell ab und man erhält kurze Ultraschallimpulse, so daß auch Echoimpulse im Nahbereich des aufgelegten Arrays empfangen werden körben. Die tote Zone wird somit entsprechend verkürzt. Der Dämpfungskörper 6 besteht beispielsweise aus weicher turkautschuk oder auch aus Epoxidharz mit einem eingelagerten Weichmacher Auch Silikon ist als Dampfungskelrper 6 eeignet Mit dem elastischen flexiblen Dämpfungsk6Pper 6 und der elastischen Folie als Anpassungskörper 4 kann das Array 10 in einfacher Weise nahezu beliebigen Oberflächenformen eines zu untersuchenden Werkstückes angepaßt werden.
in der Äusführungsform eines Arrays 10 nach Figur 2 sind die ~.Yandlerelemente 2 ebenfalls auf einem gemeinsamen Dämpfungskörper 6 angeordnet. Die Stirnflächen der Wandlerelemente 2 sind Jedoch Jeweils mit einem getrennten Anpassungskörper 14 versehen. Diese Anpassungskörper 14 können beispielsweise Jeweils aus einem Keramikkörper bestehen, welcher auf der Stirnfläche des Wandlerelementes 2 aufgebracht ist. Mit dieser Ausführungsform des Arrays 10 ist die Anpassung der Wandlerelemente 2 an einen harten zu untersuchenden Körper mit hoher Impedanz möglich. Das Array 10 in dieser Ausführungsform ist somit vorzugsweise geeignet zur Werkstoffprüfung, bei der beispielsweise eine Impedanz von 25 der Wandlerelemente auf beispielsweise 45 des zu untersuchenden Materials überbrückt werden muß.
In der Ausführungsform einer Ultraschallwandleranordnung nach Figur 3 besteht der Dämpfungskörper 6 aus einzelnen Segmenten 16 mit einem trapezförmigen Querschnitt, die an einem elastischen Zwischenkörper 18 befestigt sind, auf dessen gegenüberliegender Flachseite die einzelnen Wandlerelemente 2 nebeneinander angeordnet sind. Die Wandlerelemente 2 sind jeweils mit einem Anpassungskörper 14 versehen. Die Segmente 16 können beispielsweise aus Epoxidharz bestehen, das mit einer Korundfüllung versehen ist. Diese Korundfüllung kann beispielsweise aus Korundkörnern mit einem Durchmesser von beispielsweise 100 /um bestehen, die jeweils als Streuzentrum dienen und somit den Schallweg im Dämpfungskörper entsprechend verlängern.
In der Ausführungsform nach Figur 4 ist den Wandlerelementen 2 ein gemeinsamer Anpassungskörper 4 zugeordnet, während die Wandlerelemente 2 jeweils mit einem eigenen Dämpfungskörper 26 versehen sind.
5 PatentansprUche 4 Figuren Zusammenfassung Ultraschallwandleranordnung Die Ultraschallwandleranordnung enthält ein Array aus dicht nebeneinander angeordneten Wandlerelementen, die jeweils zwischen einem Anpassungskörper und einem Dämpfungskörper angeordnet sind.
Erfindungsgemäß bestehen der Dämpfungskörper und/oder der Anpassungskörper wenigstens teilweise aus elastischem Material.
Durch diesen Aufbau erhält man ein flexibles Array, das sich der Oberfläche eines zu prüfenden Körpers anpaßt.
(Figur 1) Leerseite

Claims

Patentansprüche 1. Ultraschallwandleranordnung mit dicht nebeneinander angeordneten Wandlerelementen, die jeweils zwischen einem Anpassungskörper und einem Dämpfungskörper angeordnet sind, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t, daß der Dämpfungskörper (6, 16, 26) und/oder der Anpassungskörper (4, 14) wenigstens teilweise aus elastischem Material bestehen.
2. Ultraschallwandleranordnung nach Anspruch 1, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß ein gemeinsamer elastischer Dämpfungskörper (6) vorgesehen ist und daß der Anpassungskörper (4) aus einer elastischen Folie besteht (Figur 1).
3. Ultraschallwandleranordnung nach Anspruch 1, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Wandlerlemente (2) auf einem gemeinsamen Dämpfungskörper (6) aus elastischem Material angeordnet sind und jeweils mit einem Anpassungskörper (14) versehen sind (Figur 2).
4. Ultraschallwandleranordnung nach Anspruch 1, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Dämpfungskörper (6) aus Segmenten (16) mit trapezförmigem Querschnitt besteht, die an einem elastischen Trägerkörper (18) befestigt sind, auf dessen gegenüberliegender Flachseite die Wandlerelemente (2) angeordnet sind (Figur 3).
5. Ultraschallwandleranordnung nach Anspruch 1, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß als Anpassungskörper (4) eine Folie aus Polyvinylidenfluorid (PVF2) vorgesehen ist, an welcher die Wandlerelemente (2) befestigt sind, die jeweils mit einem Dämpfungskörper (26) versehen sind (Figur 4).