DE3147482C1

DE3147482C1 - Ultraschallpruefkopf mit einer Vielzahl von Ultraschallwandlern

Info

Publication number: DE3147482C1
Application number: DE3147482A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Dipl.-Phys. 5000 Köln Kising
Original assignee: Krautkraemer GmbH and Co; Krautkraemer GmbH
Current assignee: Krautkraemer GmbH
Priority date: 1981-12-01
Filing date: 1981-12-01
Publication date: 1983-06-01
Also published as: GB2110503B; JPS58103662A; US4458534A; GB2110503A

Description

— daß die Ultraschallwandler (101 bis 140) eine lineare, gegenüber dem Schallaustrittsfenster (6) zur Erzeugung von unter vorgegebenen Einschallwinkeln (ßO, ßl, ß2) in dem zu prüfenden Gegenstand (2) sich fortpflanzenden Transversalwellen geneigte Wandleranordnung (10) bilden, der die fokussierende Linse (11) angepaßt zugeordnet ist, und

— daß der durch den mittleren Abstand (F) der - Wandleranordnung (10) vom Schallaustrittsfenster (6), die Krümmung der Linse (11) und die Schallgeschwindigkeiten in der Linse (11) und im Vorlaufkörper (12) bestimmte Konvergenzpunkt [bzw. Konvergenzlinie (16)] für alle Schallstrahlenbündel im Bereich des Schallaus- : trittsfensters (6) liegt.

2. Ultraschallprüfkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweils gleichzeitig erregten Wandler in Verbindung mit der Linse (11) einen Fokussierungsgrad Kvxm

0,7 < K< 1

a

aufweisen.

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Die Erfindung betrifft einen Ultraschallprüfkopf mit einem Gehäuse, mit einer Vielzahl einzeln oder in Gruppen anregbarer Ultraschallwandler und einer zwischen den Wandlern und einem Schallaustrittsfenster angeordneten, für jedes Ultraschallstrahlenbündel jeweils eine unterschiedliche Fortpflanzungsrichtung bewirkenden, akustischen Linse.

Prüfknöpfe der vorstehend erwähnten Art werden in der medizinischen Ultraschalltechnik verwendet und sind beispielsweise in den deutschen Patentschriften 26 09 425 und 26 39 246 offenbart. Dabei dient eine bogenförmige Anordnung von Ultrasehallwandlern in Verbindung mit einer homozentrischen Linse zum Erreichen eines möglichst kleinen Schallaustrittsfensters, damit die einzelnen Ultraschallstrahlen durch den Zwischenraum zweier Rippen in den Brustkorb gelangen. Die Linse bewirkt, daß die Ultraschallstrahlen in einer Brennebene, die innerhalb des Brustkorbes liegt, fokussiert werden.

Ähnliche Prüfköpfe mit bogenförmig angeordneten Ultraschallwandlern sind auch aus der DE-OS 28 18 915 und der US-PS 42 81 550 bekannt Bei diesen Prüfköpfen wird allerdings die Linse nicht zwischen dem Schallaustrittsfenster und den Wandlern angeordnet, sondern im Schallaustrittsfenster selbst.

Bei diesen bekannten Prüfköpfen ist besonders nachteilig, daß die Herstellung der bogenförmigen Wandler sowie der gegebenenfalls verwendeten homo

zentrischen Linse relativ aufwendig ist.

Aus der US-PS 30 13 170 ist es ferner bekannt vor einer linearen Anordnung von Ultraschallwandlern akustische Linsen anzuordnen, um die einzelnen Schallstrahlen auf ein zu prüfendes Objekt zu fokussieren. Die durch das Objekt hindurchgehenden Schallstrahlen werden dann anschließend mit Hilfe einer Bildwandlerröhre empfangen. Dabei besitzen die einzelnen Ultraschallstrahlenbündel im wesentlichen die gleiche Fortpflanzungsrichtung.

Schließlich ist auch aus der DE-AS 24 36 856 bekannt, Linsen zur Fokussierung von Ultraschallwellen zusammen mit dem schallerregenden Element in einem Gehäuse unterzubringen, wobei der Konvergenzpunkt des Schallstrahles im Bereich des Schallaustrittsfensters Hegt

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Prüfkopf der eingangs erwähnten Art so weiter zu entwickeln, daß er trotz kleinem Schallaustrittsfenster möglichst einfach und damit kostengünstig herzustellen ist. Insbesondere sollen derartige Prüfköpfe als Winkelprüfköpfe in der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung verwendbar sein.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teiles des Anspruchs 1 gelöst

Der-weitere Unteranspruch stellt eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen mit Hilfe von Figuren erläutert werden. Es zeigt

F ig. 1 den Schnitt eines erfindungsgemäßen Prüf kopfes, der auf einem zu prüfenden Werkstück aufgesetzt ist,

Fig.2 den wesentlichen Teil des Prüfkopfes nach F i g. 1 mit eingetragenen Dimensionierungssymbolen,

F i g. 3 eine perspektivische Ansicht des Prüfkopfteiles nach F i g. 1,

Fig.4 den Schnitt eines Prüfkopfes, mit dem am Prüfkopf selbst drei unterschiedliche Winkel eingestellt werden können, und

F i g. 5 die Seitenansicht eines Prüfkopfes nach F i g. 4 in Verbindung mit einem Ultraschallgerät

In Fig. 1 ist mit 1 der erfindungsgemäße Prüfkopf, mit 2 das auf Fehler zu untersuchende Werkstück und mit 4 das Ultraschall-Anzeigegerät bezeichnet, das über ein Kabel 3 mit dem Prüf kopf 1 verbunden ist.

Der Prüfkopf 1 besteht im wesentlichen aus einer linearen Wandleranordnung (Zeilenschwinger) 10, einer Linse 11 und einem keilförmigen Vorlauf körper 12. Die Linse 11 ist in den Vorlaufkörper 12 eingegossen und besteht aus einem Material, das eine gegenüber dem Material des Vorlaufkörpers 12 kleinere Schallgeschwindigkeit aufweist Besonders bewährt hat sich als Linsenmaterial Silikon (c = 1 km/sec) und als Keilmaterial Polystyrol (c = 2,38 km/sec) zu verwenden.

Die gesamte, aus Zeilenschwinger 10, Linse 11 und Vorlaufkörper 12 bestehende Anordnung befindet sich in einem Prüfkopf gehäuse 13. Durch die Seitenwand dieses Gehäuses ist das Kabel 3 geführt, das aus einer Vielzahl elektrischer Leitungen besteht Jede dieser Leitungen ist sowohl mit einem der Schwingerelemente des Zeilenschwingers 10 verbunden als auch mit dem Ultraschall-Anzeigegerät 4. In dem Ultraschall-Anzeigegerät 4 befinden sich auch die nicht im einzelnen dargestellten Sender zur Erregung der Schwingerelemente sowie die entsprechenden Empfangsverstärker und Auswerteeinheiten.

Auf der dem zu prüfenden Werkstück 2 zugewandten Seiten des Prüfkopfes (Unterseite des Prüfkopfes) befindet sich ein die Ultraschallstrahlen durchlässiges Fenster 6. Dieses kann im einfachsten Fall dadurch hergestellt werden, daß die Unterseite des Prüfkopfgehäuses durch den Vorlaufkörper 12 begrenzt wird.

Zur Wirkungsweise des Winkelprüfkopfes wurden in F i g. 1 drei Schallstrahlenbündel 7, 8 und 9 eingezeichnet. Die Strahlenbündel 7 und 9 werden im vorliegenden Beispiel jeweils durch die drei äußeren Schwingerelemente erzeugt, während das Strahlenbündel 8 durch drei, in der Mitte befindliche Schwinger erzeugt wird (anstatt jeweils drei Schwingerelemente wurden bei dem praktischen Ausführungsbeispiel jeweils acht Elemente verwendet). Werden beispielsweise die drei äußeren Schwingerelemente (vgl. F i g. 2) 101, 102 und 103 mit gleicher Phase und gleicher Amplitude erregt, so ergibt sich eine Longitudinalwelle, die den Einfallswinkel al besitzt. Die Zahl der Schwinger und Linsen sowie die Krümmung und die Vorlauf strecke, d. h. der Abstand zwischen Schallaustrittsfenster und Zeilenschwingeroberfläche (vgl. Fig.2) , sind so gewählt, daß die Fokussierlinse 61 im Schallaustrittsfenster 6 liegt In dem zu prüfenden Werkstück 2 wird näherungsweise entsprechend dem Snellius'schen Gesetz

sin or

el

	sin/? c3"	der	Longitudinalwelle 30	35
c2	= Schallgeschwindigkeit
	im Polystyrolkeil	der	Transversalwelle
c3	= Schallgeschwindigkeit
	im Metallhalbraum
Oi	= Einfallswinkel
ß	= Einschallwinkel

In F i g. 2 sind noch einmal der Zeilenschwinger 10, die Linse 11 und der Vorlaufkörper dargestellt Um beispielsweise einen Winkelprüfkopf für den Einschallwinkelbereich von 40—80° herzustellen, muß der Einfallswinkel zwischen 28° und 47° variieren. Der Mittelwinkel und damit auch der Keilwinkel aO ist demnach 38°. Wählt man den Abstand F zwischen der Schallaustrittslinie 61 und dem Zeilenschwinger 10 gleich 45 mm, so ist folglich die erforderliche Länge L des Zeilenschwingers festgelegt (ca. 50 mm).

Der Fokussierungsgrad K, d.h. das Verhältnis der Nahfeldlänge des Schallbündels der jeweils erregten Schwinger ohne Linse zur NaHeldlänge mit Linse soll der Bedingung: 0,7 < K < 1 genügen. Es hat sich nämlich gezeigt, daß in diesem Fall die Divergenz der Schallstrahlen in dem zu prüfenden Material relativ gering bleibt

Aus dem vorgegebenen Abstand F, der jeweiligen Schallgeschwindigkeit für Longitudinalwellen el bzw. c 2 in der Siliconlinse 11 bzw. im Polystyrolkeil und der vorgegebenen Apertur D der jeweils gleichzeitig erregten Gruppe von Elementen kann dann der Radius Ader Linse 11 mittels der Formel:

_R_ F-jclfcp-F

1 -— F a²

näherungsweise ermittelt werden, wobei D

eine Transversalwelle erzeugt, die den Einschallwinkel 01 aufweist.

Bei Erregung der mittleren Schwingerelemente 119, 120,121 bzw. der Schwingerelemente 138,139,140 am unteren Rand des Zeilenschwingers werden Schallstrahlen mit unterschiedlichem Einfallswinkel (aO, oc2) und entsprechend unterschiedlichen Einschallwinkeln (ß0, ß2) erzeugt

Mit der vorliegenden Erfindung ist es also möglich, Ultraschallwellen in dem Werkstück 2 mit unterschiedlichen Einschallwinkeln einzuschallen und zu empfangen. Hierzu ist lediglich an einem Drehknopf 41 des Ultraschallgerätes 4 eine entsprechende Anzahl benachbarter Schwingerelemente mit den entsprechenden Sendern zu verbinden. Selbstverständlich kann auch ein vorgegebener Winkelbereich automatisch abgetastet werden. Hierzu werden zunächst die drei oberen Schwingerelemente 101, 102, 103 erregt Anschließend werden die Elemente 102,103,104 erregt usw.

Wie bereits oben erwähnt, wird die Fokussierlinie der Schallstrahlen vorzugsweise in das Schallaustrittsfenster 6 gelegt Dadurch wird erreicht daß die erforderliche Kontaktfläche des Prüfkopfes mit dem zu prüfenden Werkstück sehr klein gehalten werden kann und die Drehachse in die Schallaustrittsfläche fällt

λ = Wellenlänge der Longitudinalwelle im Polystyrolkeil

bedeuten.

Selbstverständlich kann man auch den Radius der Linse 11 vorgeben und dann die Apertur D und damit die Zahl der zu erregenden Wandlerelemente bestimmen.

Fig.3 zeigt eine perspektivische Ansicht des Prüfkopfes. Der Zeilenschwinger wurde wiederum mit 10, die Zylinderlinse mit 11 und der Vorlauf körper mit 12 bezeichnet.

Anstatt, wie in F i g. 1 dargestellt, jedes Element der Wandleranordnung 10 über ein separates Kabel 301 bis 340 mit entsprechenden Sendern und Empfängern zu verbinden, kann selbstverständlich auch nur ein einziger Sender und Empfänger benutzt werden. Hierzu kann beispielsweise, wie in Fig.4 und 5 dargestellt, ein Schalter 150 mit einem Drehknopf 151 am Prüfkopfgehäuse 13 befestigt sein, mit dem die einzelnen Winkelbereiche eingestellt werden. Dieses hat den Vorteil, daß handelsübliche Ultraschallgeräte 40 benutzt werden können. Als Verbindungskabel 30 braucht lediglich ein einadriges Kabel benutzt werden. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind drei Winkel wählbar, wobei sich die Winkelangaben — wie in der Praxis üblich — auf den Einschallwinkel in Stahl beziehen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

- Leerseite -

Claims

Patentansprüche:

1. Ultraschallprüfkopf mit einem Gehäuse, mit einer Vielzahl einzeln oder in Gruppen anregbarer Ultraschallwandler und einer zwischen den Wandlern und einem Schallaustrittsfenster angeordneten, für jedes Ultraschallstrahlenbündel jeweils eine unterschiedliche Fortpflanzungsrichtung bewirkenden, akustischen Linse dadurch ge kennzeichnet,