-
Ultraschall-Verzögerungseinrichtung für Meßzwecke Die Erfindung betrifft
Ultraschall-Verzögerungseinrichtungen, bei denen die Verzögerungszeit entweder festliegt
oder durch Standortänderung mindestens eines elektromechanischen Wandlers längs
der für die Schallübertragung vorgesehenen, durch ein festes Medium gebildeten Bahn
kontinuierlich einstellbar ist.
-
Bei bekannten Ultraschall-Verzögerungseinrichtungen der vorstehend
umrissenen Art erfolgt die Schallübertragung durch Drähte oder Stäbe aus magnetostriktivem
Material, in welchen vom Eingangswandler zum Ausgangswandler Longitudinalwellen
fortschreiten. Wenn bei solchen Verzögerungseinrichtungen die Verzögerungszeit veränderbar
ist, beruht dies darauf, daß einer der beiden Wandler oder die beiden Wandler längs
dem Schallübertragungsmedium verschiebbar sind.
-
Bei der Ultraschall-Verzögerungseinrichtung nach der Erfindung erfolgt
die Schallausbreitung im festen Medium der Übertragungsbahn durch Oberflächenwellen,
die an der Grenzfläche zwischen diesem Medium und einem Zwischenmedium des Eingangswandlers
durch Longitudinalwellen entstehen, die das elektrostriktive Schwingelement des
Wandlers mittels des Zwischenmediums unter Einhaltung eines Winkels gegen die Schallübertragungsbahn
strahlt, der eine vollständige Umwandlung der Longitudinalwellen in Oberflächenwellen
ergibt, die nach Zurücklegung der vorgesehenen Übertragungsbahn vom Ausgangswandler
in elektrische Energie umgeformt werden, der hinsichtlich seines grundsätzlichen
Aufbaues mit dem Eingangswandler übereinstimmt.
-
Es sind zwar bereits auf der Anwendung von Ultraschallwellen beruhende
Materialprüfeinrichtungen bekannt, bei welchen gleichfalls durch ein passend gewähltes
Zwischenmedium an der Berührfläche zwischen dem Eingangswandler und dem zu prüfenden
Werkstück die vom Schwingkristall des Eingangswandlers in das Zwischenmedium eingestrahlten
Longitudinalwellen in Oberflächenwellen umgewandelt werden, deren Ausbreitungsbedingungen
durch Material- und Bearbeitungsfehler des Werkstückes in dessen Oberflächenbereich
sich ändern. Hingegen ist im Schrifttum nirgends die Anregung enthalten, bei Ultraschall-Verzögerungseinrichtungen,
die für die Schallübertragung ein festes Medium aufweisen, von Oberflächenwellen
Gebrauch zu machen. Es mag dies damit zusammenhängen, däß sich Oberflächenwellen
nicht mit hohem Wirkungsgrad erzeugen lassen. Bei näherer Betrachtung zeigt sich
jedoch, daß speziell bei Ultraschall-Verzögerungseinrichtungen durch die Anwendung
von Oberflächenwellen Vorteile erreichbar sind, die sich mit Longitudinal-, Transversal-
oder Torsionsschwingungen nicht erzielen lassen. Durch die geringe Eindringtiefe
der Oberflächenwellen in das feste Medium der Übertragungsbahn entfallen Schwierigkeiten,
die mit zunehmender Länge dieser Bahn die Ausbildung ihrer Halterungselemente bei
anderen Schwingungsformen bereitet. Des weiteren ergeben die praktisch nur in einer
Ebene und nicht räumlich sich ausbreitenden Oberflächen geringere Dämpfungswerte
pro Längeneinheit. Ferner weisen die für die Fortleitung der Oberflächenwellen in
Betracht kommenden festen Medien kleinere Temperaturkoeffizienten als die Flüssigkeiten
auf, die bei bekannten Ultraschall-Verzögerungseinrichtungen Longitudinalwellen
vom Eingangswandler zum Ausgangswandler übertragen. Es erübrigt sich daher bei der
Verzögerungseinrichtung nach, der Erfindung eine Temperaturregelung mittels Thermostaten
zum Ausgleich der Temperaturschwankungen der Umgebung. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit
der Oberflächenwellen ist größer als diejenige von Longitudinalwellen in den Flüssigkeiten,
die üblicherweise bei Ultraschall - Verzögerungseinrichtungen verwendet werden.
Die Schallübertragungsbahn der Verzögerungseinrichtung
nach der
Erfindung ist daher länger als jene einer Verzögerungsanordnung mit Flüssigkeitsfüllung.
Da die Verzögerungseinrichtung nach der Erfindung für Meßzwecke vorgesehen ist,
wirkt sich die vergleichsweise längere Übertragungsbahn auf die Einstellbarkeit
der Verzögerungszeiten und auf die Ablesegenauigkeit von Skalen längs der Übertragungsbahn
vorteilhaft aus. Die Erzeugung von Oberflächenwellen aus Longitudinalwellen ist
der Hervorrufung dieser Wellenform durch Schwingkristalle mit einem speziellen Y-Schnitt
vorzuziehen, da bei der erstgenannten Art der Oberflächenwellenerzeugung der Anteil
der gleichzeitig erregten unerwünschten Schwingungsformen bedeutend kleiner ist.
-
Beim Eingangswandler der Verzögerungseinrichtung nach der Erfindung
besteht das Zwischenmedium aus einem Werkstoff, in welchem die Schallgeschwindigkeit
Cl von Longitudinalwellen kleiner ist als die Schallgeschwindigkeit C., von Transversalwellen
in dem Material, aus welchem die Schallübertragungsbahn gefertigt ist, längs der
im Betrieb Oberflächenwellen mit der Geschwindigkeit Ca fortschreiten. Der Schall
wird im Zwischenmedium des Eingangswandlers so geführt, daß die vom elektrostriktiven
Schwingelement, beispielsweise einem piezoelektrischen Kristall, erregten und vom
Zwischenmedium weitergeleiteten Longitudinalwellen unter einem Winkel gegen die
Normale auf der Oberfläche der Schallübertragungsbahn auftreffen, der um einen geringfügigen
Betrag größer ist als der Winkel y" = arc sin
Für das Zwischenmedium des Ausgangswandlers findet analog ein Werkstoff Anwendung,
in welchem die Schallgeschwindigkeit Cl' von Longitudinalwellen kleiner ist als
die Schallgeschwindigkeit C, von Transversalwellen in dem Material, das für die
Schallübertragungsbahn vorgesehen ist, längs der im Betrieb Oberflächenwellen mit
der Geschwindigkeit C3 fortschreiten. Das Zwischenmedium wird im Ausgangswandler
so angeordnet, daß die das elektrostriktive Schwingelement, beispielsweise einen
piezoelektrischen Kristall, erregenden Longitudinalwellen unter einem Winkel gegen
die Normale von der Berührfläche des Zwischenmediums mit der Schallübertragungsbahn
ausgehen, der um einen geringfügigen Betrag größer ist als der Winkel zE"' = arc
sin
Es ist im allgemeinen zweckmäßig, aber nicht unbedingt notwendig, daß beim Eingangswandler
und beim Ausgangswandler der Verzögerungseinrichtung nach der Erfindung das Zwischenmedium
aus dem gleichen Werkstoff besteht.
-
Entsprechend den Erfordernissen des Einzelfalles sind bei der Verzögerungseinrichtung
nach der Erfindung einer der beiden Wandler oder beide Wandler durch eine mechanische
Verstellvorrichtung längs der für die Oberflächenwellen vorgesehenen übertragungsbahn
verschiebbar.
-
Die Längenabmessung der Verzögerungseinrichtung nach der Erfindung
läßt sich ebenso wie bei bekannten, mit anderen Schwingüngsformen arbeitenden Ultraschall-Verzögerungsstrecken
durch eine Schallübertragungsbahn auf etwa die Hälfte verkürzen, die so ausgebildet
ist, daß an ihrem einen Ende Ultraschallwellen reflektiert werden und dadurch einem
Ausgangswandler zugehen, der sich in räumlicher Nähe des Eingangswandlers befindet.
Bei einer solchen Ausführungsform der Verzögerungseinrichtung nach der Erfindung
ist gegebenenfalls der Eingangs- und der Ausgangswandler durch einen einzigen Wandler
ersetzbar, der sowohl als Eingangswie als Ausgangswandler wirksam ist.
-
Es bereitet naturgemäß keine Schwierigkeiten, in den Fällen, in welchen
an Stelle einer veränderbaren eine mit großer Genauigkeit gleichbleibende Verzögerungszeit
gefordert ist, die Verzögerungseinrichtung nach der Erfindung mit fest angeordneten
Wandlern zu versehen.
-
Während bei Ultraschall-Materialprüfeinrichtungen, die auf den Prüfkörper
durch Oberflächenwellen einwirken, die Ausbreitungsbedingungen für die Oberflächenwellen
durch den Werkstoff des Prüfkörpers festliegen und störende Schwingungsformen nur
durch passende Wahl des Zwischenmediums der Wandler und des Winkels beeinflußbar
sind, unter welchem die Longitudinalwellen auf die Berührfiäche des Zwischenmediums
des Eingangswandlers mit dem Prüfkörper auftreffen, lassen sich bei der Verzögerungseinrichtung
nach der Erfindung zur Erzielung optimaler Betriebsbedingungen die Wandler und die
Schallübertragungsbahn sowohl hinsichtlich der Werkstoffe wie der Formgebung aufeinander
abstimmen.
-
Auf einige der vielen Anwendungsgebiete der Ultraschall-Verzögerungseinrichtung
nach der Erfindung wird in der Beschreibung hingewiesen. Eine Meßvorrichtung zur
Bestimmung der Wandstärke von Prüfkörpern findet in diesem Zusammenhang nähere Erläuterung.
-
In der angelsächsischen Literatur werden Oberflächenwellen vielfach
auch als »Rayleigh-Wellen« bezeichnet.
-
Die Erfindung wird im nachstehenden an Hand einiger Ausführungsbeispiele
und der Zeichnungen im einzelnen näher beschrieben und erläutert. Es zeigt F i g.
1 eine Seitenansicht einer Ausführungsform der Meßstrecke, F i g. 2 eine Seitenansicht
eines abgeänderten Teiles der Ausführungsform nach F i g. 1, F i g. 3 einen Schnitt
durch den abgeänderten Teil nach der Schnittlinie III-III der F i g. 2, F i g. 4
einen mit einer Flüssigkeit gefüllten Wandler zur Verwendung an einer Vorrichtung
nach Fig.l, F i g. 5 eine Seitenansicht einer ringförmig gekrümmten Ausführungsform
der Meßstrecke, F i g. 6 und 7 Stirn- und Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform
mit schraubenförmig gewundener Meßstrecke, F i g. 8 und 9 schematische Darstellungen
zweier Ausführungsformen, die mit Reflexion an einem Ende der Meßstrecke arbeiten,
F i g. 10 eine schematische Darstellung eines Anwendungsbeispiels der Erfindung,
F i g. 11 das Schirmbild auf einer Kathodenstrahlröhre, das sich bei dem Anwendungsbeispiel
nach F i g. 10 ergeben kann.
-
Bei der in F i g. 1 dargestellten Ausführungsform der Ultraschall-Verzögerungseinrichtung
nach der Erfindung sind zwei gleiche Wandler 10 und 11 vorgesehen.
Jeder Wandler besteht aus einem Prisma 12 aus dem unter dem Warenzeichennamen »Perspex«
im Handel befindlichen Kunststoff aus polymerisiertem Methylmethacrylat. Diese Prismen
liegen mit
einer im nachstehenden als Kontaktfläche bezeichneten
Fläche 14 auf einem vorzugsweise stab- oder bandförmigen Köper 13 aus Schmiedeeisen
auf. Zwischen der Kontaktfläche und dem Eisenkörper ist ein dünner Ölfilm vorgesehen.
Auf einer zweiten, unter einem Winkel von 58° gegenüber der Kontaktfläche angeordneten
Fläche 15 des Prismas 12 ist ein piezoelektrischer Kristall 16 von
ungefähr 6 mm Durchmesser angebracht. Der Winkel von 58° ist etwas größer als der
Winkel-,= arc sin
Dabei ist mit Ui die Schallgeschwindigkeit von Longitudinalwellen in dem Kunststoff
aus polymerisiertem Methylmethacrylat und mit Uz die Schallgeschwindigkeit von Transversalwellen
in Schmiedeeisen bezeichnet.
-
Eine dritte Fläche 17 des Prismas steht senkrecht auf der Kontaktfläche
14. Die Ebene, die durch die Schnittlinie der Kontaktfläche 14 mit der Fläche 17
geht und senkrecht auf der Fläche 15 steht, dringt durch die Mitte des piezoelektrischen
Kristalls 16. Der Abstand der Fläche 15 von der Schnittlinie der Flächen
14 und 17 ist in F i g. 1 mit a bezeichnet.
-
Wenn die beiden Wandler - wie aus F i g. 1 der Zeichnungen ersichtlich
- auf das Eisenband so aufgesetzt werden, daß ihre parallel ausgerichteten Flächen
17 im Abstand X einander zugekehrt sind, ergibt sich für die Laufzeit t, die ein
von einem Impulsgenerator 20 über ein Kabel 18 dem piezoelektrischen Kristall
16 des Eingangswandlers 10 zugeleiteter und mittels des Kabels 19 vom piezoelektrischen
Kristall des Ausgangswandlers 11 abgenommener und dem Meßempfänger 21 zugeführter
Impuls aufweist, t =
Diese Gleichung kann auch in der Form t = PX+Q angeschrieben werden, worin
P und Q Konstanten sind.
-
Es ist zu beachten, daß Q nicht zu Null gemacht werden kann und damit
der Laufzeit, die mit der Vorrichtung gemessen werden kann, bzw. der Phasenverschiebung,
die mit der Vorrichtung erzeugt werden kann, eine untere Grenze gesetzt ist.
-
Die untere Fläche 22 des Eisenstabes bzw. -bandes 13 ist vorzugsweise
gezahnt, um irgendwelche, zufällig entstehende Transversal- oder Longitudinalwellen
zu unterdrücken.
-
Bei einer abgeänderten Ausführungsform der Ultraschall-Verzögerungseinrichtung
nach F i g. 1, die im nachstehenden beschrieben werden soll, ist der eine Wandler
10 fest und der andere Wandler 11' - wie F i g. 2 und 3 zeigen - auf dem
Eisenband 13' längsverschiebbar angeordnet. Die Verstellung des Wandlers 11' erfolgt
mittels einer Gewindespindel 23, die in einen mit Innengewinde versehenen Gleitstein
24 eingreift. Der an dem Gleitstein 24 befestigte Wandler 11' wird
von einer Feder 26 in eine in dem Eisenband 13' angeordnete Längsnut 25 hineingedrückt.
Bei dieser Anordnung kann die Laufzeit zwischen dem Wert Q und einem durch die Länge
der Eisenschiene 13' bestimmten oberen Grenzwert mittels der Verstellvorrichtung
23, 24 variiert werden.
-
Selbstverständlich können für den Körper 13 bzw. 13' auch andere Werkstoffe
verwendet werden. Wenn für die Schallübertragungsbahn eine größere übertragungsgeschwindigkeit
erwünscht ist, kann dafür beispielsweise Beryllium verwendet werden. Wenn der Wellenleiter
aus Kupfer besteht, kann bei den Wandlern als Zwischenmedium Blei oder eine Flüssigkeit
dienen. Wenn die Flüssigkeit Wasser ist, so ist das Verhältnis C1 : Cz annähernd
0,76. Wie aus F i g: 4 ersichtlich, befindet sich die Flüssigkeit 25' in einem Gefäß
26', das oben mit einer Einfüllöffnung 27 versehen ist. Um zu verhindern, daß die
Flüssigkeit ausläuft, wenn der Wandler von dem Körper abgehoben wird, ist die untere
Öffnung durch eine Membran 29 abgeschlossen.
-
Der piezoelektrische Kristall 28 ist an einem Teil 30, das
gleichzeitig als Verschlug der Einfüllöffnung 27 dient, so angebracht, daß er mit
der Flüssigkeit in Berührung steht.
-
Der die Ultraschallübertragung zwischen den beiden Wandlern herbeiführende
. Körper muß nicht unbedingt geradlinig sein,,da sich Oberflächenwellen auch gut
längs gekrümmter Flächen fortleiten lassen. Demzufolge kann - wie in F i g. 5 dargestellt
- die Schallübertragungsbahn auch zu einem Ring 31 gebogen sein, der mit einem Spalt
32 versehen ist. Durch den Spalt wird vermieden, daß die Wellen den Ring öfter als
einmal umlaufen. Der Eingangswandler ist mit dem Bezugszeichen 33 und der Ausgangswandler
mit dem Bezugszeichen 34 angedeutet. Der Ausgangswandler ist vorzugsweise auf dem
Ring 31 verschiebbar angeordnet.
-
Bei einer anderen Ausführungsform, die vor allem dann besonders zweckmäßig
ist, wenn eine lange Schallübertragungsbahn erforderlicht ist und auf kleinem Raum
untergebracht werden muß, ist diese - wie aus den F i g. 6 und 7 ersichtlich - schraubenförmig
aufgewunden. Die Eingangs- und Ausgangswandler sind in F i g. 6 und 7 mit den Bezugszeichen
33' bzw. 34' versehen.
-
Die beiden Wandler können aber auch - wie in F i g. 8 dargestellt
- nebeneinander an den Stellen 35 und 36 so auf dem Eisenband 38 angeordnet werden,
daß sie beide nach der Kante 37 zu orientiert sind. Die vom Wandler 35 ausgesandten
Wellen werden an der Kante 37 reflektiert und vom Wandler 36 wieder aufgenommen.
-
Schließlich läßt sich die durch F i g. 8 veranschaulichte Ausführungsform
der Verzögerungseinrichtung dahingehend weiterbilden, daß - wie aus F i g. 9 er-.
sichtlich - ein einziger Wandler 39 sowohl als Eingangs wie als Ausgangswandler
dient. Der Abstand des Wandlers 39 von der Kante 37 des Eisenbandes 38 ist veränderbar.
Die Laufstrecke der Oberflächenwellen entspricht dem Zweifachen des Abstandes des
Wandlers 39 von der wiederum für die Oberflächenwellen als Reflexionsstelle wirksamen
Kante 37. Der Wandler 39 ist an das eine Klemmenpaar eines drei Klemmenpaare aufweisenden
Sende-Empfangs-Schalters 40 angeschlossen. Das Klemmenpaar 41 dieses
Schalters ist mit dem Impulsgenerator verbunden, während das mit dem Bezugszeichen
42 versehene dritte Schalterklemmenpaar dem Anschlug des Meßempfängers dient. Der
Schalter 40 verhindert in bekannter Weise, daß die Ausgangsspannung des Impulsgenerators
den Meßempfänger übersteuert und daß die Ausgangsimpulse des Wandlers 39 an die
Ausgangsklemmen des Impulsgenerators gelangen.
-
Die Ultraschall-Verzögerungseinrichtung gemäß der Erfindung ist auf
allen Gebieten verwendbar, bei welchen Ultraschallwellen-Meßstrecken benötigt werden.
Vorauszusetzen ist lediglich, daß die kleinste zu messende Laufzeit (bzw. Phasenverschiebung)
größer ist als der obenerwähnte Grenzwert Q.
Ein Anwendungsgebiet
der Ultraschallwellen-Laufzeitmeßstrecke ist die Dickenmessung von Körpern mittels
Ultraschall. Im nachstehenden wird hierauf an Hand der F i g. 10 und 11 näher eingegangen.
-
Zwei Wandler 43 und 44 sind in bekannter Weise auf einer
Fläche des Körpers 45, dessen Dicke gemessen werden soll, so angeordnet,
daß vom Wandler 43 Ultraschallwellen unter einem geeigneten Winkel in den Körper
eingestrahlt und nach ihrer Reflexion an der Unterseite 46 des Körpers vom
anderen Wandler 44 wieder aufgenommen werden. Die beiden Wandler
43 und 44 sind mit piezoelektrischen Kristallen 47 und
48 als Wandler-Schwingelemente versehen. Der Kristall 47 des Eingangswandlers
ist mit dem Impulsgenerator 20 und dem piezoelektrischen Kristall des Eingangswandlers
10 der Verzögerungseinrichtung gemäß den F i g. 1 bis 3 verbunden. Der Kristall
48 des Ausgangswandlers ist mit dem Kristall des Ausgangswandlers 11 der
Verzögerungseinrichtung und dem eine Anzeigevorrichtung aufweisenden Meßempfänger
21, beispielsweise den Vertikalablenkplatten eines Kathodenstrahloszilloskops,
verbunden, dessen Schirmbild in F i g.11 dargestellt ist. An die Horizontalablenkplatten
des Oszilloskops ist eine geeignete Zeitablenkspannung angelegt. Es erscheinen dann
auf dem Bildschirm des Oszilloskops - wie in F i g. 11 dargestellt - die Strahlauslenkungen
50, 51 und 52, die den vom Impulsgenerator herrührenden Impuls, den vom Ausgangswandler
11 der Meßvorrichtung und den vom Ausgangswandler der Laufzeitmeßstrecke
aufgenommenen Impuls wiedergeben. Die Verzögerungseinrichtung wird so lange verstellt,
bis die Scheitel der beiden Impulse 51 und 52 sich decken; der Abstand
X zwischen den beiden Wandlern 10 und 11
der Laufzeitmeßstrecke ist
dann ein Maß für die Dicke des gemessenen Körpers. Dieser Abstand kann mit sehr
großer Genauigkeit gemessen werden. Mittels eines Spannungsteilers können die Amplituden
der beiden auf dem Bildschirm des Oszilloskops wiedergegebenen Impulse
51 und 52 gleich hoch gewählt werden.
-
Das vorangehend beschriebene Meßverfahren kann selbstverständlich
auch zur Messung anderer Größen als der Dicke, beispielsweise der Tiefe von Fehlerstellen
oder der Länge oder Breite eines Körpers verwendet werden.
-
Das Meßverfahren eignet sich des weiteren zur Messung der Fortpflanzungsgeschwindigkeit
von Ultraschallwellen in Körpern von bekannter Länge.