-
-
Ultraschallwandleranordnung
-
Die Erfindung bezieht sich auf eine Ultraschallwandleranordnung, insbesondere
zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung, mit einem Array aus Wandlerelementen, denen
ein Sende system und ein Empfangs system mit elektronischer Fokussierung und Schwenkung
des Schallfeldes durch Verzögerung der Sende- und Empfangssignale zugeordnet ist.
Es wird der zeitliche Abstand der Sendeimpulse sowie die zeitliche Verarbeitung
und gegebenenfalls die Amplitudenbewertung der Echoimpulse gesteuert.
-
In der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung mit Ultraschall wird zur
Einschallung unter einem vorbestimmten Winkel zur Oberfläche des zu prüfenden Werkstücks
von der Brechung und Umwandlung der Wellenarten Gebrauch gemacht. Man benutzt dazu
feste keilförmige Zwischenstücke, auf die der Wandler fest aufgedrückt oder aufgekittet
wird. Diese keilförmige Vorlauf strecke bewirkt beim Schallübergang zwischen Vorlaufstrecke
und Prüfkörper eine Brechung in die gewünschte Richtung und gegebenenfalls eine
Wellenumwandlung, beispielsweise die Umwandlung einer einfallenden Longitudinal-
in eine gebrochene Transversalwelle.
-
Solche Winkelprüfköpfe werden verwendet zur Fehlerortung in Werkstücken
mit dem Impuls-Echoverfahren,
bei dem die Tiefe des Fehlers aus
dem zeitlichen Abstand zwischen Sende- und Echoimpuls und die Größe des Fehlers
aus der Amplitude des Echoimpulses abgeleitet wird. Bei diesem Verfahren wird nicht
der geortete Fehler, sondern lediglich der Sende- und Echoimpuls in einem sogenannten
A-Bild auf einem Bildschirm sichtbar gemacht (Krautkrämer: Werkstoffprüfung mit
Ultraschall", 3. Auflage, 1975, Seiten 228 bis 235).
-
Da bei flächigen Fehlern die Reflexion im allgemeinen in eine vorbestimmte
Richtung erfolgt, sind mehrere Einschallwinkel erforderlich, um den Fehler zu orten
und seine Orientierung im Werkstück festzustellen.
-
Wenn Lage und Orientierung des Fehlers bekannt sind, kann mit einer
Fokussierung des Schallfeldes eine genauere Bestimmung der Größe und Form des Fehlers
vorgenommen werden. Die Ermittlung der Lage und Größe des Fehlers erfolgt durch
Einsatz mehrerer Schallköpfe, wobei wenigstens vier Winkelrichtungen, je zwei Wandlergrößen
und Je zwei Frequenzen,zum Einsatz kommen. Bei ungünstiger Lage und Orientierung
des Fehlers können neben diesen 16 Schallköpfen noch weitere Winkel, Frequenzen
oder Schwingergrößen erforderlich sein. Außerdem kann zur genaueren Bewertung des
Fehlers noch eine Krümmung des Schwingers zur Fokussierung des Schallfeldes notwendig
sein. Es ist somit ein vielfaches Abfahren des Prüfkörpers mit den einzelnen Schallköpfen
erforderlich, was nur in verhältnismäßig langer Zeit möglich ist.
-
Bei einem bekannten Prüfkopf zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung
mit piezoelektrischen Wandlerelementen, die mit Dämpfungskörpern versehen sind,
werden die Wandlerelemente derart mit veränderbarer Amplitude
angeregt,
daß eine Absenkung der Nebenkeulenniveaus erfolgt. Die Wandlerelemente werden durch
die Anwendung der Gruppenschwingertechnik phasenmäßig so angeregt, daß die Hauptkeule
aus der Normalen verschwenkbar und auch noch fokussierbar ist. Das Array dieses
Prüfkopfes kann auch mit einer keilförmigen Vorlaufstrecke versehen sein (DE-OS
29 01 231).
-
Es ist ferner bekannt, in einer Ultraschallwandleranordnung mit einem
Sende- und einem Empfangssystem, die mit elektronischen Verzögerungsketten versehen
sind, die Elektronik so zu gestalten, daß eine quadratische Verzögerung möglich
ist (DE-AS 25 43 678).
-
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Ultraschallwandleranordnung
anzugeben, mit der die Abtastung eines Winkelbereichs zwischen der ins Werkstück
reichenden Flächennormalen und der Oberflächentangente von wenigstens annähernd
900 möglich ist.
-
Zugleich soll neben der insbesondere in der medizinischen Diagnostik
bekannten Möglichkeit einer Schnittbilddarstellung des Untersuchungsbereichs für
alle gewählten Einstrahlungsrichtungen eine quantitative Bestimmung der Größe eines
festgestellten Fehlers bei allen Werkstoffen möglich sein, wie sie in der bekannten
A-Bild-Technik mit jeweils einem unter einem vorbestimmten Winkel einstrahlenden
Prüfkopf üblich ist.
-
Durch elektronische Ansteuerung soll nur unter solchen Winkeln Schall
abgestrahlt und Echos empfangen werden, welche den bisher üblichen sogenannten Einfachwinkelprüfköpfen
entsprechen, nämlich etwa 0°, 35°, 450, 600, 700, 800 und 900, wobei unter 900 eine
sogenannte Kriechwelle abgestrahlt wird.
-
Es ist nun zwar bereits bekannt, daß die vor allem aus der Medizintechnik
bekannten Phased-Array-Geräte oder Sektorscanner einen Winkelbereich bis etwa 450
in dichter Zeilenfolge abtasten. Im Gegensatz zur Medizin tritt jedoch bei der zerstörungsfreien
Werkstoffprüfung, beispielsweise bei der Prüfung von Stahl teilen, aufgrund des
Brechungseffektes und der Modenwandlung an der Grenzfläche zwischen Vorlaufstrecke
und Prüfkörper bei einem Einschallwinkel zwischen 0 und etwa 30° ein Longitudinal-
und Transversalwellenmod und bei Einschallwinkeln größer als etwa 30° nur ein Transversalwellenmod
auf. Bei Abtastung in dichter Zeilenfolge treten somit im Winkelbereich von 0 bis
900 beide Moden teilweise sogar gleichzeitig, wenn auch unter verschiedenen Winkeln,
auf. Da die Schallgeschwindigkeiten sich um etwa den Faktor 2 unterscheiden, kann
dies zu unterschiedlichen Bildformaten innerhalb einer Bilddarstellung und vor allem
zu einer Bildkonfusion im Ubergangsbereich von Longitudinalwellen zu Transversalwellen
führen.
-
Ferner soll dem Operator eine On-line-Kontrolle ermöglicht werden.
Er soll somit während der gesamten Prüfzeit van Ort zu Ort optisch verfolgen können,
wo ein Echopuls auftritt, und zwar in Form der A-Bild-Darstellung. Damit bleibt
die unmittelbare Rückkopplung zwischen dem als Meßsensor dienenden Ultraschallarray
und Operator gewährleistet. Es soll somit ein Gerät angegeben werden, das in verhältnismäßig
einfacher Weise durch den Multifunktionsprüfkopf den Prüfaufwand reduziert, durch
geringere Ermüdung des Operators die Zuverlässigkeit des Ergebnisses erhöht und
keine neue Auswertetechnik mit entsprechendem Zusatzaufwand erfordert.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Anspruchs 1. Die im Werkstück wirkende Schallgeschwindigkeit sowie
die das Array kennzeichnenden Größen, wie beispielsweise die Frequenz und Größe,
Anzahl und Abstand der Wandlerelemente sowie die Schallgeschwindigkeit in der Vorlaufstrecke,
können über das Programmierfeld eingegeben werden und werden in der Zentral steuereinheit
zur Steuerung der Verzögerung benutzt. Durch Ausnutzung der Brechung in Verbindung
mit der phasenverzögerten Ansteuerung der einzelnen Wandlerelemente kann die Hauptkeule
bis zu wenigstens annähernd der Richtung der Oberflächentangente geschwenkt werden.
-
Durch die Vahl diskreter Winkel können die Funktionen von mehreren
bisher technisch eingesetzten Einzelprüfköpfen mit jeweils einer Normal- oder Winkelabstrahlung
in einem einzigen Prüfkopf verbunden werden.
-
Dies wird durch ein langsames elektronisches Weiterschalten von einer
diskreten Winkelstellung zur nächsten, also beispielsweise von 350 auf 450 erreicht,
wobei die Taktgeschwindigkeit frei wählbar ist und beispielsweise für einen Durchlauf
im Bereich von 0 bis 900 1 sec eingestellt wird. Tritt ein Echo auf, so ist es registrierbar,
bevor auf den nächsten Winkel weitergeschaltet wird. Insbesondere werden im allgemeinen
Schallprüfungen mit beispielsweise folgenden Strahlwinkeln durchgeführt: a) normal
Oo (longitudinal) b) Winkel 350, 450, 600, 700 und 800 (transversal), c) Kriechwelle
900 (longitudinal oder transversal).
-
Andere Strahlwinkel für longitudinale oder transversale Ultraschallwellen
können ebenfalls eingestellt werden.
-
Im Falle der Normaleinschallung wird die Wandleranordnung als senkrecht
in das Werkstück einschallender Normalprüfkopf betrieben. Dazu wird eine solche
Phasenverzögerung zwischen den einzelnen Wandlerelementen des Arrays gewählt, daß
die Wellenfront unter einem Winkel i3 zur Normalen auf der Fläche der Wandlerelemente
abgestrahlt wird und durch die Austrittsseite des Prüfkopfes, d.h. die Grenzfläche
zwischen Vorlaufstrecke und Werkstück, senkrecht ohne Brechung hindurchtritt.
-
Da in diesem Fall sowohl der Einschallwinkel w1 als auch der Strahlwinkel
62 Null sind, ist die Einstellung der Schallgeschwindigkeit hier für die Strahlausbreitung
unerheblich.
-
Im Betrieb als Normalprtifkopf durch Zuschaltung weiterer äußerer
Elemente wird die Schwingerfläche vergrößert, um die bei der Projektion der aktiven
Schwingerfläche auf die Schallaustrittsseite eintretende Verkürzung der effektiven
Arraylänge auszugleichen.
-
Die Größe dieser zugeschalteten Fläche kann beispielsweise so gewählt
sein, daß die auf die Austrittsseite des Prüfkopfes projizierte Schwingerfläche
wieder die Größe der beim Winkelkopfbetrieb empfindlichen Fläche annimmt. Die Größe
der zugeschalteten Fläche kann insbesondere so gewählt werden, daß die auf die Austrittsseite
des Prüfkopfes projizierte Schwingerfläche eine quadratische Form hat, die flächengleich
ist mit der Schwingerfläche eines zu ersetzenden runden Normalprüfkopfes. Hierdurch
gewinnt man eine allgemeine Vergleichbarkeit der Meßergebnisse.
-
In einer Ausführungsform der Ultraschallwandleranordnung mit einer
keilförmigen Vorlauf strecke kann durch die Wahl eines vorbestimmten Winkels der
Vorlaufstrecke und durch Zuschalten von Wandlerelementen die
unter
der Winkelabstrahlung auftretende verkürzte effektive Arraylänge kompensiert werden,
so daß die Abstrahlfläche auch mit dem bekannten Einzelfunktionsprüfkopf vergleichbar
ist.
-
Die im Untersuchungsobjekt wirkende Schallgeschwindigkeit wird am
Gerät vorab eingestellt und dadurch die Steuerung der Verzögerungsketten, beispielsweise
durch einen Mikrocomputer, beeinflußt. Wird nämlich im Untersuchungsobjekt mit der
Schallgeschwindigkeit c2 eine Ultraschall strahlung unter dem Strahlwinkel gewünscht,
so erhält man unter Berücksichtigung des Snelliusschen Brechungsgesetzes den Einschallwinkel
O('o aus der Beziehung
Für feste Strahlwinkel 2 und konstante Schallgeschwindigkeit c1 ist der erforderliche
Einschallwinkel 11 also eine Funktion der Schallgeschwindigkeit c2. Unter Berücksichtigung
eines ebenfalls konstanten Keilwinkels P ergibt sich der Schwenkwinkel &1 mit
« o p.
-
Im Mikroprozessor sind weitere Konstanten wie die Schallgeschwindigkeit
c1 oder der Keilwinkel 0 gespeichert oder im Programm eingefügt und können bei einer
etwaigen Neuprogrammierung auch geändert werden.
-
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug
genommen, in deren Figur 1 ein Ausführungsbeispiel einer Ultraschallwandleranordnung
nach der Erfindung schematisch veranschaulicht ist. In
Figur 2
ist eine besondere Ausführungsform des Arrays dargestellt.
-
In der Ultraschallwandleranordnung nach Figur 1 sind Wandlerelemente
in ihrer Längsrichtung parallel nebeneinander und in Richtung ihrer Breite derart
hintereinander angeordnet, daß sie einen sogenannten Wandlerkamm bilden, der aus
einer großen Anzahl von Wandlerelementen bestehen soll und von denen in der Figur
zur Vereinfachung lediglich ein Teil angedeutet und mit 2 bis 10 bezeichnet sind.
Die Wandlerelemente bilden ein lineares Array 12, dem ein Sendesystem 30 und ein
Empfangssystem 40 sowie eine gemeinsame Zentralsteuereinheit 60 zugeordnet sind.
Der Zentralsteuereinheit 60, die beispielsweise ein Mikroprozessor sein kann, werden
die das Schallfeld bestimmenden Größen über ein Programmierfeld 62, das beispielsweise
ein elektronisches Tastenfeld oder auch ein Codierschalter sein kann, vorgegeben.
Die Ultraschallwandleranordnung ist zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung eines
Werkstücks 14 vorgesehen und mit einer vorzugsweise keilförmigen Vorlaufstrecke
16 sowie einem Backing 18 versehen.
-
Die Wandlerelemente 2 bis 10 sind jeweils über einen elektronischen
Umschalter 22 bis 25, die in der Figur zur Vereinfachung als Schalter mit beweglichen
Kontakten dargestellt sind, sowohl an das Sendesystem 30 als auch an das Empfangssystem
40 angeschlossen. Das Sendesystem 30 enthält für die einzelnen Wandlerelemente jeweils
einen Sender, die in der Figur mit 32 bis 35 bezeichnet sind, sowie elektronische
Verzögerungsglieder 36 bis 39, deren Verzögerungszeiten r von der Zentral steuereinheit
60 einstellbar sind. Das Empfangssystem 40 enthält fUr die Wandlerelemente 2 bis
10 jeweils einen Vorverstärker 42 bis
45 und jeweils ein elektronisches
Verzögerungsglied 46 bis 49. Die Verzögerungsglieder 46 bis 49 können vorzugsweise
Bauelemente sein, deren Verzögerungszeit elektronisch steuerbar ist, vorzugsweise
Ladungstransportelemente (charge transfer device), insbesondere sogenannte CCDs
(charge coupled device). Die Ausgangssignale der Verzögerungsglieder 46 bis 49 werden
einem Summierverstärker 49 zugeführt und können auf einem Bildschirm 50 als Impuls-Echobild,
sogenanntes A-Bild, sichtbar gemacht werden.
-
Unter Umständen kann es zweckmäßig sein, daß die Zentralsteuereinheit
60 nicht über die Verzögerungsglieder 36 bis 39, sondern gegebenenfalls über geeignete
Anpassungsglieder direkt auf die einzelnen Sender 32 bis 35 einwirkt.
-
Die Abstrahlfläche der Wandlerelemente 2 bis 10 ist in einem vorbestimmten
Keilwinkel 8 von beispielsweise 36,70 zur Oberfläche des Werkstücks 14 angeordnet.
Die Wandlerelemente 2 bis 10 sind sowohl im Sende- als auch im Empfangsfall über
die elektronischen Umschalter 22 bis 25 getrennt elektronisch ansteuerbar. Sie werden
von den Sendern 32 bis 35 angeregt, wobei eine zeitliche Verzögerung der Sendesignale
durch die Verzögerungsglieder 36 bis 39 dazu führt, daß die von den Wandlerelementen
2 bis 10 ausgehenden Signale eine Wellenfront bilden, die unter einem der Verzögerung
entsprechenden Schwenkwinkel 1 zum Array 12 steht.
-
Die Strahlkeule der Array-Antenne ist somit zum Array 12 geneigt.
Der größere Einschallungswinkel &2 entsteht durch die Brechung des Schalls an
der Grenzfläche von der Vorlaufstrecke 16 zum Werkstück 14.
-
Durch kontinuierlich steuerbare Verzögerung der Wandlerelemente 2
bis 10 können beliebige Abstrahlwinkel
eingestellt werden.
-
Entsprechend werden im Empfangsfall die an den Wandlerelementen 2
bis 10 registrierten Empfangssignale mit Hilfe der Verzögerungsglieder 46 bis 49
so verzögert, daß die unter einem vorbestimmten Winkel ankommenden Signale wiederum
phasenrichtig dem Summierverstärker 49 zugeführt und anschließend in der A-Bildtechnik
auf dem Bildschirm 50 dargestellt werden können. Zur Einstellung eines vorbestimmten
Strahlwinkels s sind also einmal eine im allgemeinen fest vorgegebene lineare Verzögerung
der Sendesignale durch die Verzögerungsglieder 36 bis 39 und außerdem die mit den
Wandlerelementen 2 bis 10 verbundenen Verzögerungsglieder 46 bis 49 des Empfangs
systems 40 erforderlich.
-
Soll nacheinander unter mehreren Strahlwinkeln 52 gemessen werden,
so werden für jeden Strahlwinkel den Verzögerungsgliedern 36 bis 39 des Senders
30 von der Zentral steuereinheit 60 jeweils verschiedene Verzögerungszeiten t vorgegeben.
Die Einschallung in das zu prüfende Werkstück unter den verschiedenen Strahlwinkeln
d, erfolgt somit immer mit dem gleichen Array 12.
-
Die Umschaltung zwischen mehreren fest vorgewählten Strahlwinkeln
&2 für Sende- und Empfangsbetrieb kann vorzugsweise automatisch erfolgen und
zwar mit so niedriger Frequenz, daß eine Beobachtung und Verwertung der A-Bildanzeige
auf dem Bildschirm 50 möglich ist.
-
Tritt unter einem vorbestimmten Strahlwinkel h eine Echoanzeige im
Empfangssystem 40 auf, so kann der automatische Durchlauf der Strahlwinkelrichtungen
angehalten
werden. Dies erfolgt entweder von Hand oder bei Uber- oder Unterschreiten eines
vorbestimmten Signalpegels innerhalb eines einstellbaren Anzeigebereichs durch entsprechende
Steuerung der Zentralsteuereinheit 60.
-
Durch Zu- oder Abschaltung von am Rand der Gesamtschwingerfläche liegenden
Wandlerelementen kann die Abstrahlfläche des Arrays 12 und somit die Form des Schallfeldes
und die Lage des in der Figur nicht dargestellten natürlichen Fokuspunktes innerhalb
des Werk stücks in den einzelnen Winkellagen verändert werden. Insbesondere kann
bei zunehmendem Schwenkwinkel a1 die für das Schallfeld wirksame Abstrahlfläche,
die der Projektion der Wandlerfläche in die Schwenkrichtung entspricht, konstantgehalten
werden.
-
Eine besonders hohe Auflösung erhält man dadurch, daß zu der linearen
Verzögerung der Verzögerungsglieder 46 bis 49 eine zusätzliche quadratische Verzögerung
aufgeschaltet wird. Damit erhält man bei den verschiedenen Strahlwinkeln $2 in einer
vorbestimmten Tiefe im zu prüfenden Objekt eine stärkere, über den sogenannten natürlichen
Fokus hinausgehende Bündelung, d.h.
-
eine Fokussierung des Schallfeldes.
-
In einer besonders einfachen Ausführungsform der Ultraschallwandleranordnung
kann es ausreichend sein, wenn die Fokussierung nur innerhalb des Empfangssystems
40 vorgenommen wird. Die Fehlerauflösung kann jedoch noch gesteigert werden, wenn
auch im Sendefall eine Fokussierung überlagert wird. In diesem Fall wird auch das
Sendesystem 30 mit einer quadratischen Verzögerung gesteuert.
-
In der Ausführungsform der Ultraschallwandleranordnung nach Figur
1 ist zwischen den Wandlerelementen 2 bis 10 und dem zu prüfenden Werkstück 14 eine
keilförmige Vorlaufstrecke 16 vorgesehen. Unter Umständen kann es zweckmäßig sein,
zwischen den Wandlerelementen 2 bis 10 und dem Werkstück 14 eine planparallele Vorlaufstrecke
anzuordnen, die aus einem Material besteht, dessen Schallgeschwindigkeit sich von
der Schallgeschwindigkeit des Werkstücks 14 erheblich unterscheidet.
-
Wird dann im Sende- und Empfangsfall der Schallstrahl mit festen Verzögerungszeiten
unter einem vorbestimmten Winkel in die Vorlaufstrecke eingespeist, so kommt es
an der Grenzfläche zwischen der Vorlaufstrecke und dem Werkstück 14 durch die unterschiedlichen
Schallgeschwindigkeiten zu einer Brechung der Schallstrahlrichtung und bei vorbestimmter
Wahl des Vorlaufmediums und des Strahlwinkels in der Vorlaufstrecke zur Umwandlung
der Longitudinal- in eine Transversalwelle beim Eintritt dieser Welle in das Werkstück
14. Auch in dieser Ausführungsform kann die Umschaltung zwischen mehreren fest gewählten
Schallwinkelrichtungen der Longitudinal- oder Transversalwelle automatisch erfolgen,
so daß ohne Auswechseln des Prüfkopfes eine Fehlerortung unter verschiedenen Richtungen
möglich ist.
-
Als Material für die Vorlauf strecke ist beispielsweise Polymethylmethacrylat
(Plexiglas) oder ein verwandter Kunststoff geeignet, sofern eine Schallstrahlbrechung
erwünscht ist. Mit einer derartigen Vorlaufstreckeerfolgt im zu untersuchenden Werkstück
51, beispielsweise aus Stahl, eine Strahlbrechung mit einem großen Strahlwinkel
zu beiden Seiten der ins Werkstück reichenden Flächennormalen, ohne daß sich wie
bei direktem Aufsetzen des Wandlerkamms auf die Werkstückoberfläche eine wesentliche
Abnahme der Empfindlichkeit ergibt.
-
Bei Verwendung der Vorlaufstrecke wird zusätzlich die durch die Länge
der Sendopulse bedingte Totzeit, innerhalb derer im Werkstück 14 keine Ortung möglich
ist, wenigstens teilweise vermindert oder ganz aufgehoben.
-
Die Wandlerelemente 2 bis 10 des linearen Arrays 12 können vorzugsweise
gruppenweise gemeinsam gesteuert werden. Besteht beispielsweise die Vorlaufstrecke
16 aus Plexiglas mit einer Schallgeschwindigkeit C1 = 2730 m/s und der zu untersuchende
Körper 14 aus Stahl mit einer Schallgeschwindigkeit c2 = 3230 m/s, so ergeben sich
bei einem Keilwinkel p = 36,70 die in der folgenden Tabelle aufgeführten Schwenkwinkel:
Strahlwinkel A2 Schwenkwinkel Oo - 36,7o 900 (long.) - 9,10 350 (trans.) - 7,70
450 0° 600 10,40 700 15,90 800 19,6° 900 21,00 Wird beispielsweise ein Werkstück
14 aus einem Stahl mit einer anderen als der erwähnten Schallgeschwindigkeit oder
andere Materialien mit der Ultraschallwandleranordnung getestet, so kann durch Eingabe
der geänderten Schallgeschwindigkeit die Steuerung der Verzögerungsglieder 36 bis
39 und 46 bis 49 so geändert werden, daß wiederum mit den erwähnten gebräuchlichen
Strahlwinkeln f2 geprüft werden kann.
-
Damit erhält man einen wesentlichen Unterschied zum
Prüfverfahren
mit bekannten Winkelprüfköpfen, deren Winkelangabe sich nur auf eine vorbestimmte
Stahlsorte bezieht.
-
Die Anpassung der Steuerung der Verzögerungszeiten an die Schallgeschwindigkeit
des Werkstücks 14 ist insbesondere auch beim Betrieb der Ultraschallwandleranordnung
als Kriechwellenprüfkopf von Bedeutung, da sich die Kriechwelle nur beim Grenzwinkel
der Totalreflexion zwischen keilförmiger Vorlauf strecke 16 und Werkstück 14 anregen
läßt. Durch Anderung der Einstellung der Schallgeschwindigkeit kann die Erzeugung
der Kriechwelle also optimiert werden.
-
Wird die Ultraschallwandleranordnung als Winkelprüfkopf betrieben,
so kann bei unbekanntem Material des Werkstücks 14 oder bei unbekannter Schallgeschwindigkeit
des bekannten Materials die Schallgeschwindigkeit mit Hilfe der Ultraschallwandleranordnung
bestimmt werden. Enthält das Werkstück 14 beispielsweise eine Oberfläche bekannter
Neigung, so kann bei davon abhängiger konstanter Winkeleinstellung die Schallgeschwindigkeit
so lange verändert werden, bis der Ultraschallstrahl die reflektierende Oberfläche
senkrecht trifft und das reflektierte Echo mit maximaler Amplitude von der Empfangseinrichtung
40 der als Winkelscanner arbeitenden Ultraschallwandleranordnung aufgenommen wird.
Die Einstellung der Schallgeschwindigkeit am Gerät gibt dann den wahren Wert der
Schallgeschwindigkeit im Werkstück 14 an.
-
Der Keilwinkel kann vorzugsweise so ausgelegt sein, daß die stärksten
positiven und negativen Schwenkwinkel W1 etwa gleich groß sind und zugleich für
einen der Strahlwinkel s2 ein Schwenkwinkel tt1 = °° eingesetzt werden kann.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform der Ultraschallwandleranordnung
mit einer Gruppensteuerung der Wandlerelemente 2 bis 10 kann durch Zuschaltung weiterer
äußerer Wandlerelemente die Schwingerfläche vergrößert werden, da sich vor allem
bei hohen Schwenkwinkeln 9 eine Verkürzung der effektiven Länge Leff des Arrays
10 ergibt. Die Größe der zugeschalteten Fläche kann bei der Normalprüffunktion beispielsweise
so gewählt werden, daß die auf die Austrittsseite der Anordnung projizierte Schwingerfläche
L2 wieder die Größe der beim Winkelkopfbetrieb empfindlichen Schwingerfläche L1
annimmt.
-
In einer weiteren Ausführungsform der Anordnung werden bei der Winkelprüffunktion
Schwinger aus der zusätzlichen Schwingerfläche zur Arrayfläche zugeschaltet, so
daß die effektive Arrayfläche wieder gleich ist der Arrayfläche beim Schwenkwinkel
«1 = 0.
-
Beim Durchtakten der einzelnen Schwenkwinkel W1 verschiebt sich der
Schallaustrittspunkt S1 des Prüfkopfs zum Schnittpunkt 2 der Mittelsenkrechten der
effektiven geschwenkten Schwingerfläche, die in der Figur mit U1 angedeutet ist,
mit der Schallaustrittsseite.
-
Dadurch kann sich die Messung der Lage von Fehlern im Werkstück verfälschen.
Es wird deshalb nach Figur 2 für jeden Schwenkwinkel > aus der ganzen zur Verfügung
stehenden Schwingerfläche eine solche in der Figur mit U2 angedeutete Unterfläche
gewählt und angesteuert, daß bei allen Schwenkwinkeln W1 der Schallaustrittspunkt
annähernd an der gleichen Stelle verbleibt.
-
8 Patentansprüche 2 Figuren
Leerseite