DE8134963U1

DE8134963U1 - Ultraschallprüfkopf mit einer Vielzahl von Ultraschallwandlern

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Publication number: DE8134963U1
Application number: DE8134963U
Authority: DE
Original assignee: Krautkraemer GmbH and Co
Current assignee: Krautkraemer GmbH and Co
Priority date: 1981-12-01
Publication date: 1982-09-30

Description

Krautkrämer GmbH 30. Juni 1982

Luxemburger Str. 449 P/Cl

5000 Köln 41 K-157 Gbm

ULTRASCHALLPRÜFKOPF MIT EINER VIELZAHL VON ULTRASCHALLWANDLERN

Die Neuerung betrifft einen Ultraschallprüfkopf mit einer Vielzahl von Ultraschallwandlern und einer zwischen den Wandlern und dem Schallaustrittsfenster angeordneten akustischen Linse, bei dem durch Erregung einzelner Wandler oder Gruppen von Wandlern konvergente Ultraschallstrahlen unterschiedlicher Fortpflanzungsrichtung erzeugt werden können, die durch das Schallaustrittsfenster des Prüfkopfes in den zu prüfenden Gegenstand gelangen.

Prüfköpfe 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 Ultraschallwandlern in Verbindung mit einer homozentrischen Linse zum Erreichen eines möglichst kleinen Schallaustrittfenster, 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.

Ein ähnlicher Prüfkopf mit bogenförmig angeordneten Ultraschallwandlern ist auch aus der DE-OS 28 18 91S bekannt. Bei diesem Prüfkopf wird allerdings die Linse nicht zwischen

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dem Schallaustrittsfenster und den Wandlern angeordner., Sondern im Schallaustrittsfenster selbst.

Bei diesen bekannten Prüfköpfen ist besonders nachteilig, daß die Herstellung der bogenförmigen Wandler sowie der gegebenenfalls verwendeten homozentrisehen Linse relativ aufwendig ist.

Der vorliegenden Neuerung liegt daher 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.

Die weiteren Unteransprüche stellen besoirders vorteilhafte Ausgestaltungen der Neuerung dar.

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

Es zeigt:

Fig. 1 den Schnitt eines erf-ndungemäßen Prüfkopfes, der auf einem zu prüfenden Werkstück aufgesetzt ist;

Fig. 2 den wesentlichen Teil des Prüfkopfes nach Fig* 1 mit eingetragenen Dimensionierungssymbolen;

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht des Prüfkopfteilers nach Fig. 1;

Fig.4 den Schnitt eines Prüfkop£es,mit dem am Prüfkopf selbst drei unterschiedliche Winkel eingestellt werden können; und

Fig.5 die Seitenansicht eines Prüfkopfes nach Fig.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 Ultraschallgerät bezeichnet, das über ein Kabel 3 mit dem Prüfkopf 1 verbunden ist.

Der Prüfkopf 1 besteht im wesentlichen aus einer linearen Wandleranordnung (Zeilenschwinger) 1o, einer Linse 11 und einem keilförmigen Vorlaufkörper 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 1o, Linse 11 und Vorlaufkörper 12 bestehende Anordnung befindet sich in einem Prüfkopfgehäuse 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 1o verbunden als auch mit dem Ultraschallgerät 4., In dem Ultraschallgerät befinden sich die nicht im einzelnen dargestellten Sender zur Erregung der Schwinaerelemente 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

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einfachsten Fall dadurch hergestellt werden, daß die Unterseite des Prüfkopfgehäuses durch den Vorlaufkörper 12 begrenzt wird.

Zur Wirkungsweise des Winkelprüfkopfes wurden in Fig.1 drei Schallstrählenbündel 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 Schwingerlemente (vgl. Fig.2) 1o1, 1o2 und 1o3 mit gleicher Phase und gleicher Amplitude erregt, so ergibt sich eine Longitudinalwelle, die den Einfallswinkel P*O besitzt. Die Zahl der Schwinger, Linsen, Krümmung sowie die Vorlaufstrecke, d.h. der Abstand zwischen Schallaustrittsfenster und Zeilenschwingeroberfläche (vgl. Fig.2) sind so gewählt, daß die Fokussierlinie 61 im Schallaustrittsfenster 6 liegt. In dem zu prüfenden Werkstück 2 wird näherungsweise entsprechend dem Snellius'sehen Gesetz

sin (K _ c_2 sin R " c3

c2 = Schallgeschwindigkeit der Longitudinalwelle im Polystyrolkeil

c3 = Schallgeschwindigkeit der Transversalwelle im Metallhe. Ib raum

PC = Einfallswinkel
(ο = Einschallwinkel

eine Transversalwelle erzeugt, die den Einschallwinkel aufweist.

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Bei Erregung der mittleren Schwingerelemente 119, 12o, 121 bzw. der Schwingerelemente 138, 139, I4o am unteren Rand des Zeilenschwingers werden Schallstrahlen mit unterschiedlichem Einfallswinkel ( C^O, (X. 2) und entsprechend unterschiedlichen Einschallwinkeln ( ρ O, p2) erzeugt.

Mit der vorliegenden Erfindung ist es also möglich, Ultra- '^f

schallwellen in dem Werkstück 2 mit unterschiedlichen Ein-

scha^lwinkeln einzuschallen und zu empfangen. Hierzu ist \

lediglich an einem Drehknopf 41 des Ultraschallgerätes 4 eine entsprechende Anzahl benachbarter Schwingerlemente mit den entsprechenden Sendern zu verbinden. Selbstverständlich kann auch ein vorgegebener Winkelbereich automatisch abgetastet werden. Hierzu werden zunächst die drei oberen Schwingerelemente 1o1, 1o2, 1o3 erregt. Anschließend werden die Elemente 1o2, 1o3, 1o4 erregt usw.

Wie bereits oben erwähnt, wird die Fokussierlinie der Schallstrahlen vorzugsweise in das Schallau3trittsfenster 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.

In Fig.2 sind noch einmal der Zeilenschwinger 1o, die Linse 11 und der Vorlaufkörper dargestellt. Um beispielsweise einen Winkelprüfkopf für den Einschallwinkelbereich von 4o - δο° herzustellen, muß der Einfallswinkel zwischen 28° und 47° variieren. Der Mittelwinkel und damit auch der Keilwinkel (7^0 ist demnach 38°. Wählt man den Abstand F zwischen der Schallctustrittslinie 61 und dem Zeilenschwinger 1o gleich 45 mm, so ist folglich die erforderliche Länge, L, des Zeilenschwingers festgelegt (ca. 5o mm).

Der Fokussierungsgrad K, d.h. das Verhältnis der Nahfeldlänge des Schallbündels der jeweils erregten Schwinger ohne Linse

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zur Nahfeldlänge mit Linse soll der Bedingung : o,7 4.^κ genügen. Es hat sich nämlich gezeigt, daß in diese"! Fall die Divergenz der Schallstrahlen in dem zu prüfenden Material relativ gering bleibt.

Aus dem vorgegebenen Abstand F, der jeweiligen Schallgeschwindigkeit für Longitudinalt;ellen c1 bzw. c2 in der Siliconlinse 11 bzw. im Polystyrolkeil und der vorgegebenen Apertur D der jeweils gleichzeitig erregten Gruppe von Elementen kann dann der Radius R der Linse 11 mittels der Formel:

_, _ F - (c2/c1) · F

^R= 1 -JL ρ

näherungsw- ise ermittelt werden, wobei

Ti. = Wellenlänge der Longitudinalwelle Irc 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 testimiuen.

Fig.3 zeigt eine perspektivische Ansicht des Prüfkopfes. Der Zeilenschwinger wurde wiederum mit 1o, die Zylinderlinse mit 11 und der Vorlaufkörper mit 12 bezeichnet.

Anstatt, wie in Fig.1 dargestellt, jedes Element der Wandleranordnung 1o über ein separates Kabel 3o1 bis 34o 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 15ο mit einem Drehknopf 151 am Prüfkopfgehäuse 13 befestigt sein, mit dem die einzelnen Winkelbereiche eingestellt v/erden. Dieses hat den Vorteil, daß handelsübliche ültraschallgeräte 4o benutzt werden können Als Verbindungskabei 3o braucht lediglich ein einadriges Kabel benutzt werden. Im gezeigten Ausführungsheispiel sind drei Winkel wählbar, wobei sich die Winkelangaben - wie
in der Praxis üblich - auf den Einschallwinkel in Stahl beziehen.

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Krautkrämer GmbH 3o. November 1981

Luxemburger Str. 449 P/bdl

5ooo Köln 41 K-157

Zusammenfassung:

ULTRASCHALLPRÜFKOPF MIT EINER VIELZAHL VON ULTRASCI'ÄLLWANDLERN

Die Erfindung betrifft einen Ultrsschallwinkelprüfkopf (1) für die zerstörungsfreien Werkstoffprüfung, dessen Einschallwinkelbereich {ß) verändert v/erden kann. Hierzu wird eine unter einem vorgegebenen Winkel angeordnete lineare Wandleranordnung (1o) verwendet. Eine Linse fokussiert die einzelnen Ultraschallstrahlen (7, 8, 9) auf das Schaxlaustrittsfenster (6) des Prüfkopfes (I). Die Winkeleinstellung erfolgt durch gleichphasige Erregung einer entsprechenden Gruppe von Wandlern. (Fig.1)

Claims

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Krautkrämer GmbH 30. Juni 1982

Luxemburger Str. 449 P/Cl

500C Köln 41 K-157 Gbm

Schutzansprüche

Ultraschallprüfkopf mit einer Vielzahl von Ultraschallwandlern und einer zwischen den Wandlern ,md dem Seballaustrittsfenster angeordneten akustischen Linse, bei dem durch Erregung einzelner Wandler oder Gruppen von Wandlern konvergente Ultraschallstrahlen unterschiedlicher Fortpflanzungsrichtung erzeugt werden können, die durch das Schallaustrittsfenster de λ Prüfkopfes in den zu prüfenden Gegenstand gelangen,

dadurch gekennzeichnet,

- daß die Ultraschallwandler (101 bis 140) eine lineare Wandleranordnung (10) bilden, die e.uf einem keilförmigen Vorlaufkörper (12) angeordnet sind in dem sich die Linse (12) befindet, und

- daß der Fokussierungsgrad K der Gruppe von Wandlern (101 bis 140), die jeweils gleichzeitig erregt werden, der Gleichung

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2. Ultraschallprüfkopf nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet,

daß es sich bei der Linse (11) um eine Zylinderlinse aus Silikon handelt und daß der Vorlaufkörper (12) aus Polystyrol besteht.
3. Ultraschallpriifkof nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet,

daß der Einfallswinkel, θζ 0, unter dem der durc^; die mittleren Wam-'lerelemente (119 bis 121) erzeugte Ultraschallstrahl (8) in dem Schallaustrittsfenster (6) auftrifft, 38° beträgt.

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