DE3540610C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Ultraschallprüfkopf mit
einer Schwingkristallanordnung, auf deren der Schall
abstrahlrichtung gegenüberliegenden Seite ein aus
Lamellen aufgebauter Dämpfungskörper angeordnet ist.
Ein derartiger Ultraschallprüfkopf mit segmentartig
ausgebildeten Lamellen, die auf einem elastischen
Trägerkörper befestigt sind, ist aus der DE-OS
29 26 182 bekannt. Der elastische Trägerkörper ge
stattet es, die bekannte Schallwandleranordnung gekrümm
ten Oberflächen anzupassen, wobei Ausnehmungen zwischen
den segmentartigen Lamellen es gestatten, der Ultra
schallwandleranordnung durch Biegen eine konvexe Ge
stalt zu verleihen.
In der DE-AS 22 17 472 ist ein Ultraschallprüfkopf mit
einer Piezoplatte als Schwingkristallanordnung be
schrieben, der ein Dämpfungskörper aus einem aushärt
baren Gießharz zugeordnet ist, dem Metallpulver zuge
setzt wurde, um die spezifische Impedanz des Gießharzes
zu erhöhen. Zur Realisierung sehr breitbandiger Prüf
köpfe muß jedoch bei einem solchen Ultraschallprüfkopf
der Metallpulveranteil so hoch gewählt werden, daß sich
bei der Fertigung und Reproduzierbarkeit erhebliche
Probleme ergeben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ultra
schallprüfkopf mit einem Dämpfungskörper zu schaffen,
der sich durch eine hohe akustische Impedanz und eine
hohe akustische Absorption sowie durch eine einfache
Herstellbarkeit auszeichnet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß
der Dämpfungskörper aus einer Vielzahl von entlang der
Oberfläche der Schwingkristallanordnung abwechselnd
aufeinander gepackten schalleitenden und schallabsor
bierenden Lamellen besteht, von denen jede mit ihrer
jeweils der Schwingkristallanordnung zugewandten Sei
tenfläche schalleitend mit der Schwingkristallanordnung
verbunden ist.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung
bestehen die schalleitenden Lamellen aus Bleiplättchen
mit keilförmigem Querschnitt, wobei die Dicke an der
Keilbasis etwa 1,5 mm beträgt. Zwischen den im Quer
schnitt keilförmigen Bleiplättchen sind Teflonkeile mit
einer Dicke an der Basis von ebenfalls 1,5 mm angeord
net. Alle Schichten sind miteinander verklebt und zur
Erhöhung der mechanischen Stabilität zusätzlich durch
Klammern zusammengepreßt. Dadurch, daß die schalleiten
den Keile aus Blei bestehen, ist es möglich, diese mit
den Elektroden der Schwingkristallanordnung zu verlö
ten, um gegenüber dem Aufkitten oder Aufkleben die
akustischen Eigenschaften noch weiter zu verbessern.
Der erfindungsgemäße Dämpfungskörper kann für jede
denkbare Geometrie der Schwingkristallanordnung ausge
legt werden, insbesondere auch für Array-Ultraschall
prüfköpfe.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung
anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Ultraschallprüfkopf
in einer perspektivischen Ansicht,
Fig. 2 einen Ultraschallprüfkopf in einer der Fig. 1
entsprechenden Darstellung mit sich zum
oberen Rand hin verjüngenden schalleitenden
Lamellen,
Fig. 3 eine Aufsicht auf einen Ultraschallprüfkopf
mit einer Schwingkristallanordnung aus Piezo
stäbchen,
Fig. 4 einen Querschnitt durch einen Ultraschall
prüfkopf mit keilförmigen Lamellen,
Fig. 5 eine Seitenansicht auf einen Ultraschallprüf
kopf gemäß Fig. 4,
Fig. 6 eine Draufsicht auf einen Ultraschallprüfkopf
gemäß Fig. 4,
Fig. 7 einen Querschnitt durch einen Ultraschall
prüfkopf mit einer sägezahnförmigen Lamellen
anordnung,
Fig. 8 eine Draufsicht auf den Ultraschallprüfkopf
gemäß Fig. 7 und
Fig. 9 eine Seitenansicht auf den Ultraschallprüf
kopf gemäß Fig. 7.
Der in Fig. 1 perspektivisch vereinfacht ohne sein
Gehäuse dargestellte Prüfkopf verfügt über eine Piezo
platte 1 als Schwingkristallanordnung, die mit Hilfe
hochfrequenter elektrischer Signale zum Schwingen ange
regt werden kann. Die elektrischen Leitungen zur Zufüh
rung der Erregerspannung sind in Fig. 1 ebenso wie die
auf beiden Seiten der Piezoplatte 1 in üblicher Weise
vorgesehenen Elektrodenflächen nicht gezeichnet.
Auf der in Fig. 1 oberen Seite der Piezoplatte 1 ist
ein Dämpfungskörper 2 durch Kleben, Kitten oder Löten
befestigt, der eine hohe spezifische akustische Impe
danz besitzt, um zu erreichen, daß die Differenz der
akustischen Impedanzen der Piezoplatte 1 und des Dämp
fungskörpers 2 möglichst klein ist, um eine große Band
breite des Ultraschallprüfkopfes zu erzielen. Der Dämp
fungskörper 2 ist weiterhin hochabsorbierend, um zu
erreichen, daß eine von der Piezoplatte 1 ausgehende
und in ihn hineinlaufende Welle keine störenden Echos
erzeugt.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel
besteht der Dämpfungskörper 2 aus mehreren schalleiten
den Lamellen 3, die entlang ihrer Schmalseiten 4 mit
der Oberseite der Piezoplatte 1 verklebt, verkittet
oder verlötet sind.
Zwischen den schalleitenden Lamellen 3 aus Blei, Stahl,
Messing, Zink oder einem sonstigen Metall sind schall
absorbierende Lamellen 5 als Dämpfungsschichten vorge
sehen. Die schallaborbierenden Lamellen 5 bestehen aus
Teflon, Silikonkautschuk, Gummi, PVC, Gießharz oder
einem Kunststoffkleber.
Typische Abmessungen für den Dämpfungskörper 2 betragen
1 bis 4 cm für die Dicke, 1 bis 6 cm für die Länge und
1 bis 4 cm für die Breite. Die Dicke der schalleitenden
Lamellen 3 beträgt 0,5 bis 5 mm und insbesondere etwa
1,5 mm. Die Dicke der schallabsorbierenden Lamellen 5
liegt im gleichen Bereich.
Die schalleitenden Lamellen 3 und die schallabsorbie
renden Lamellen 5 können zur Erhöhung der mechanischen
Stabilität in einer in der Zeichnung nicht dargestell
ten Weise mit Hilfe einer klammerartigen Einspannvor
richtung zusammengehalten sein. Die klammerartige Ein
spannvorrichtung kann beispielsweise aus zwei Platten
bestehen, die die untere und die obere Platte für den
Stapel der Lamellen 3, 5 bilden und die mit Hilfe von
Gewindestangen miteinander verschraubt sind. Die gesam
te Anordnung kann in ein metallisches Gehäuse einge
gossen sein, das mit seinem unteren Rand über die
Unterseite der Piezoplatte 1 hervorsteht. Der dadurch
gebildete Zwischenraum kann in einer in der Zeichnung
ebenfalls nicht dargestellten Weise eine Schutzschicht,
insbesondere eine Platte aus Glas, aufnehmen, die Be
schädigungen der Piezoplatte 1 verhindert, wenn der
Ultraschallprüfkopf auf einer rauhen Oberfläche ver
schoben wird.
Die Breitbandigkeit des Ultraschallprüfkopfes wird
durch die spezifische akustische Impedanz der im we
sentlichen senkrecht zur Piezoplatte 1 angeordneten
Lamellen 3, 5 bestimmt. Die Impedanz hängt einerseits
von dem Lamellenmaterial und andererseits auch von der
Lamellendicke ab. Die Schwingung der Piezoplatte 1
erregt in den schalleitenden Lamellen 3 Plattenwellen,
die durch die schallaborbierenden Lamellen 5 gedämpft
werden. Eine Abschrägung der schalleitenden Lamellen 3
verstärkt diesen Effekt noch, weshalb die Fig. 2, 4
und 7 besonders vorteilhafte Profile für die schallei
tenden Lamellen 3 darstellen. Durch die Wahl der Lamel
lendicke ist es möglich, die Schallgeschwindigkeit und
damit die spezifische akustische Impedanz des Dämp
fungskörpers 2 um fast den Faktor 2 zu variieren. Durch
Einsatz unterschiedlicher Lamellenmaterialien kann
damit praktisch jede geforderte spezifische akustische
Impedanz realisiert werden, um auf diese Weise eine
Erhöhung der Bandbreite zu erzielen.
Fig. 2 zeigt einen Dämpfungskörper 2, dessen schallei
tende Lamellen 3 nicht wie die schalleitenden Lamellen
3 des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 1 eine konstante
Dicke, sondern eine zum oberen Rand 6 hin abnehmende
Dicke aufweisen. Durch die sich entgegen der erwünsch
ten Schallabstrahlrichtung des Ultraschallprüfkopfes
verjüngenden schalleitenden Lamellen 3 wird erreicht,
daß am oberen Rand 6 möglichst keine Reflexionen mehr
auftreten, wie dies bei einer Anordnung gemäß Fig. 1
noch möglich ist. Die zwischen den schalleitenden La
mellen 3 vorhandenen Dämpfungsschichten oder schallab
sorbierenden Lamellen 5 verfügen über eine komplemen
täre Form und können insbesondere durch Ausgießen der
Zwischenräume hergestellt sein. Die Zwischenräume zwi
schen den schalleitenden Lamellen 3 können auch schall
absorbierende Lamellen enthalten, in denen Wolframpul
ver eingebettet ist.
Dämpfungskörper 2 mit dem oben erörterten prinzipiellen
Aufbau können nicht nur auf die Rückseite einer als
Einzelschwinger dienenden Piezoplatte 1 aufgebracht
sein, sondern auch auf sonstige Schwingkristallanord
nungen. In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung in einer Aufsicht schematisch dargestellt,
die erkennen läßt, wie unterhalb des Dämpfungskörpers 2
mit mehreren schalleitenden Lamellen 3 und mehreren
schallabsorbierenden Lamellen 5 im rechten Winkel zu
den Lamellen 3, 5 verlaufende Piezostäbchen 7 statt der
Piezoplatte 1 angeordnet sind. Die Piezostäbchen 7
können insbesondere durch nachträgliches Bearbeiten der
Piezoplatte 1 erzeugt werden. Fig. 3 veranschaulicht
somit, daß der aus Lamellen 3, 5 zusammengesetzte
Dämpfungskörper 2 auch bei einem linearen Gruppenstrah
ler zum Einsatz kommen kann.
Die Fig. 4, 5 und 6 zeigen ebenfalls einen lamellen
artig aufgebauten Dämpfungskörper in schematischer Dar
stellungsweise. In Fig. 4 erkennt man schalleitende
Lamellen 3 mit einem keilförmigen Querschnitt. An ihrer
Basis 8 sind die vorzugsweise aus Blei bestehenden
schalleitenden Lamellen 3 mit der Piezoplatte 1 oder
einer sonstigen Piezokeramik verlötet. Während bei den
in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbei
spielen die schalleitenden Lamellen 3 sich gegenseitig
nicht berühren, ist dies an der Basis 8 bei dem in
Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel der Fall.
Zwischen den keilförmigen schalleitenden Lamellen 3
befinden sich komplementär geformte schallabsorbierende
keilförmige Lamellen 5 aus den bereits oben erwähnten
Materialien. Insbesondere können die schallabsorbieren
den Lamellen 5 mit den schalleitenden Lamellen 3 ver
klebte Teflonkeile sein, deren Dicke am oberen Rand
1,5 mm beträgt, wenn die schalleitenden Keile, die
durch die schalleitenden Lamellen 3 gebildet sind, an
der Basis ebenfalls eine Dicke von 1,5 mm aufweisen.
Zur Verdeutlichung zeigt Fig. 5 eine Seitenansicht auf
den Dämpfungskörper 2 und die Piezoplatte 1, um die
geometrischen Verhältnisse des Dämpfungskörpers 2 zu
veranschaulichen, über dessen Abmessungen bereits oben
Angaben gemacht worden sind.
In Fig. 6 ist eine schematische Draufsicht auf den
Ultraschallprüfkopf von der Oberseite her dargestellt.
Insbesondere erkennt man in Fig. 6, wie die schallei
tenden Lamellen 3 in Schneiden 10 auslaufen, um Re
flexionen möglichst zu vermeiden.
In den Fig. 7, 8 und 9 ist ein weiteres Ausführungs
beispiel eines Ultraschallprüfkopfes schematisch dar
gestellt, der über einen Dämpfungskörper 2 mit einer
Lamellenanordnung verfügt. In den Fig. 7 bis 9
wurden für entsprechende Teile die gleichen Bezugszei
chen wie für die bereits erörterten Ausführungsformen
verwendet. Bei dem in den Fig. 7 bis 9 dargestellten
Ausführungsbeispiel werden sägezahnförmige schalleiten
de Lamellen 3 sowie entsprechende sägezahnförmige
schallaborbierende Lamellen 5 verwendet. Die im Quer
schnitt sägezahnförmigen Lamellen 3, 5 haben eine
rechteckige Gestalt, wie aus Fig. 9 hervorgeht, die
eine Seitenansicht darstellt. Fig. 8 veranschaulicht
die Lage der Schneiden 10, in die die schalleitenden
Lamellen 3 nach oben hin auslaufen.
Der Dämpfungskörper 2 kann selbstverständlich für jede
denkbare Geometrie der Schwingkristallanordnung oder
der Piezokeramik ausgelegt werden. Ein lamellenartig
aufgebauter Dämpfungskörper 2 ist insbesondere gut auch
für mosaikartig aufgebaute Array-Ultraschallprüfköpfe
geeignet.
Versuche an einem 100 mm dicken Stahlblock mit einem
Ultraschallprüfkopf einer aktiven Fläche von 30 mm×
40 mm haben bei einer Mittenfrequenz von etwa 1 MHz an
hand einer Rückwandechofolge gezeigt, daß eine Verstär
kungsreserve von mehr als 60 dB zu erreichen ist. Die
Erfindung gestattet somit die Realisierung sehr breit
bandiger Prüfköpfe mit einem Dämpfungskörper, dessen
spezifische akustische Impedanz innerhalb weiter Gren
zen definiert festgelegt werden kann und der sich neben
einer hohen akustischen Absorption auch durch eine hohe
mechanische Stabilität sowie eine äußerst einfache und
damit preiswerte Fertigung auszeichnet.
Claims (16)
1. Ultraschallprüfkopf mit einer Schwingkristallan
ordnung, auf deren der Schallabstrahlrichtung
gegenüberliegenden Seite ein aus Lamellen aufge
bauter Dämpfungskörper angeordnet ist, da
durch gekennzeichnet, daß der Dämp
fungskörper (2) aus einer Vielzahl von entlang der
Oberfläche der Schwingkristallanordnung (1) ab
wechselnd aufeinander gepackten schalleitenden und
schallabsorbierenden Lamellen (3, 5) besteht, von
denen jede mit ihrer jeweils der Schwingkristall
anordnung (1) zugewandten Seitenfläche (4, 8)
schalleitend mit der Schwingkristallanordnung (1)
verbunden ist.
2. Ultraschallprüfkopf nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die schalleitenden
Lamellen (3) metallische Lamellen sind.
3. Ultraschallprüfkopf nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die metallischen La
mellen (3) bezüglich einer rechtwinklig zur Ebene
der Schwingkristallanordnung (1) verlaufenden
Querschnittsebene einen keilförmigen Querschnitt
aufweisen.
4. Ultraschallprüfkopf nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die zusammengepackten
metallischen Lamellen (3) bezüglich einer recht
winklig zur Ebene der Schwingkristallanordnung (1)
verlaufenden Querschnittsebene einen sägezahnför
migen Querschnitt aufweisen.
5. Ultraschallprüfkopf nach Anspruch 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die im
Querschnitt keilförmigen oder sägezahnförmigen
Lamellen (3) an ihrer der schneidenartig ver
jüngten Seitenfläche (6, 10) gegenüberliegenden
Basisseitenfläche (8) mit der Schwingkristallan
ordnung (1) verbunden sind.
6. Ultraschallprüfkopf nach einem der Ansprüche 1 bis
5, dadurch gekennzeichnet, daß die
Lamellen (3) mit der Schwingkristallanordnung (1)
verlötet sind.
7. Ultraschallprüfkopf nach einem der Ansprüche 1 bis
5, dadurch gekennzeichnet, daß die
Lamellen (3) mit der Schwingkristallanordnung (1)
verklebt sind.
8. Ultraschallprüfkopf nach einem der Ansprüche 1 bis
5, dadurch gekennzeichnet, daß die
Lamellen (3) mit der Schwingkristallanordnung (1)
verkittet sind.
9. Ultraschallprüfkopf nach einem der vorstehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die schalleitenden Lamellen (3) Bleiplättchen
sind.
10. Ultraschallprüfkopf nach einem der Ansprüche 1 bis
9, dadurch gekennzeichnet, daß die
schallabsorbierenden Lamellen (5) aus Teflon,
Gummi, Silikonkautschuk, PVC, Gießharz oder einem
Kunststoffkleber bestehen.
11. Ultraschallprüfkopf nach Anspruch 10, da
durch gekennzeichnet, daß in den
schallabsorbierenden Lamellen (5) Wolframpulver
eingebettet ist.
12. Ultraschallprüfkopf nach einem der vorstehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Schwingkristallanordnung eine Piezoplatte
(1) ist.
13. Ultraschallprüfkopf nach einem der Ansprüche 1 bis
11, dadurch gekennzeichnet, daß die
Schwingkristallanordnung stäbchenförmige Schwinger
(7) aufweist, deren Längsachsen quer zur Ebene der
Lamellen (3, 5) verlaufen.
14. Ultraschallprüfkopf nach einem der Ansprüche 1 bis
12, dadurch gekennzeichnet, daß die
Schwingkristallanordnung ein mosaikartig aufge
bautes Prüfkopfarray ist.
15. Ultraschallprüfkopf nach einem der vorstehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Lamellen durch eine klammerartige Ein
spanneinrichtung aufeinander gedrückt sind.
16. Ultraschallprüfkopf nach einem der vorstehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Schwingkristallanordnung mit dem aus ge
packten Lamellen (3, 5) bestehenden Dämpfungskör
per (2) in einem Metallgehäuse eingegossen ist,
das auf der Schallaustrittsseite mit einer Schutz
schicht für die Schwingkristallanordnung versehen
ist.
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