DE1116455B - Ultraschallwandler zur Aussendung und zum Empfang von mechanischen Impulsen in bzw. aus einem Gegenstand - Google Patents

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

kl. 42 s -

INTERNATIONALE KL.

F 06h; GOIh

S 52774 IXb/42 s

ANMELDETAG: 20. MÄRZ 1956

BEKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG UNDAUSGABEDER AUSLEGESCHRIFT:

2. NOVEMBER 1961

Die Erfindung betrifft Wandler für Ultraschallwellen und bezieht sich auf Vorrichtungen zur Ausstrahlung und Aufnahme von Ultraschallimpulsen in bzw. aus einem Gegenstand.

Der Wandler der Erfindung ist besonders für Geräte geeignet, mit denen die Wandstärke von Gegenständen von der einen Oberfläche aus durch Einstrahlung von Ultraschallimpulsen und Zeitmessung der aufgenommenen Echoimpulse bestimmt wird.

Wandler für Ultraschallprüfgeräte bestehen gewöhnlich aus einem einzelnen piezoelektrischen Kristall, der durch ein geeignetes Trägermaterial auf einen Wert Q von 6 bis 8 gedämpft ist und einen elektrischen Wellenzug in mechanische Schwingungen umwandelt und umgekehrt mechanische Schwingungen in elektrische Wellenzüge umsetzt. Ein Wandler dieser Art wird gewöhnlich mit dem untersuchten Gegenstand über ein geeignetes Kopplungsmittel, z. B. Öl, gekoppelt, so daß die mechanischen Schwingungen in den Gegenstand hineingeschickt und zurückkehrende Echoschwingungen aufgenommen werden. Dieses Verfahren ist brauchbar und zuverlässig für Objektabmessungen, die größer als 2,5 cm sind, weil der Verstärker genügend Zeit hat, sich von dem Stoß des ersten Impulses zu erholen, dessen Amplitude gewöhnlich zwischen 600 und 1000 Volt Spitzenspannung beträgt und wobei die Verlängerung des Echos durch den Wandler von untergeordneter Bedeutung ist.

Die Verwendung von getrennten Wandlern für die Ausstrahlung und den Empfang der Schwingungen bringt auch keine Lösung für die Aufgabe, eine Messung dicht unterhalb der Oberfläche eines Körpers oder bei dünnen Teilen durchführen zu können, da diese Wandler nicht die gleichen Flächen abtasten.

Es ist bekannt, einen Wandler mit mehreren Kristallen zu verwenden, um einen Abschnitt eines Gegenstandes zu untersuchen. Bei einer derartigen Anordnung sendet ein Kristall über einen anderen Kristall Impulse zu einem dritten Kristall, welcher in Abhängigkeit von diesen Impulsen zu schwingen beginnt und dann seinerseits in den zu untersuchenden Gegenstand Impulse schickt. Dieser dritte Kristall empfängt die in dem Gegenstand reflektierten Wellen. Derartige Anordnungen weisen jedoch insofern Nachteile auf, als bei ihnen zwischen den Kristallen Störechos entstehen, ferner eine größere Zahl von elektrischen Zuführungen und Verbindungen benötigt werden und eine elektrische Behandlung der Oberflächen zwischen den Kristallen erforderlich ist.

Die Erfindung setzt sich zum Ziel, bei Unter-Ultraschallwandler zur Aussendung

und zum Empfang von mechanischen

Impulsen in bzw. aus einem Gegenstand

Anmelder:

Sperry Products, Inc.,
Danbury, Conn. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. W. Reichel, Patentanwalt,
Frankfurt/M. 1, Parkstr. 13

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 21. März 1955 (Nr. 495 507)

Elliott Addison Henry, Newton, Conn. (V. St. Α.),
ist als Erfinder genannt worden

suchungen obengenannter Art mittels Ultraschall Störechos zu verhindern, und geht von einem Ultraschallwandler mit wenigstens zwei übereinandergeschichteten piezoelektrischen Kristallen aus, welche mechanische Impulse in und aus einem Gegenstand senden bzw. empfangen, der so aufgebaut ist, daß der eine Kristall von dem an dem Gegenstand anliegenden Kristall durch ein Kopplungselement getrennt ist, dessen Länge so gewählt ist, daß die Laufzeit eines Impulses in ihm größer als die Laufzeit des Impulses in dem Gegenstand ist.

Die dabei gegenüber bekannten Anordnungen erreichten Vorteile liegen in einem einfacheren Aufbau, bei dem nur zwei Kristalle und ein Kopplungselement verwendet werden, sowie darin, daß eine obenerwähnte Oberflächenbehandlung der aneinanderliegenden Kristallflächen nicht erforderlich ist.

Weitere Einzelheiten des Erfindungsgegensiandes gehen aus der folgenden Beschreibung eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels hervor. Die Figur stellt schematisch den Wandler gemäß der Erfindung dar, der in einem an sich bekannten Gerät zur Messung der Wandstärke eines Gegenstandes durch Ultraschallimpulse benutzt wird.

In der Zeichnung ist ein. Gegenstand oder Werkstück 10 dargestellt, dessen Wandstärke gemessen werden soll und bei dem nur die eine Oberfläche 11

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zugänglich ist, wie z. B. im Falle eines Schiffsrampfes. Zu diesem Zweck ist ein kombinierter Wiederholungsfrequenzgenerator und Hochfrequenzimpulserzeuger 12 vorgesehen, dessen Impulswiederholungsfrequenz veränderlich ist und auf eine Wiederholungsfrequenz eingestellt wird, die gestattet, daß die ganze Ultraschallenergie in dem Gegenstand 10 aufgezehrt wird, bevor der nächste Prüfimpuls aufgebracht wird. Impulshäufigkeiten zwischen 60 und 1000 PPS sind im allgemeinen passend.

Der Impuls wird einem Wandler oder Umsetzer 15 zugeführt, der besonders für die Prüfung von dünnen Teilen geeignet ist.

Der Wandler 15 besteht aus einem treibenden piezoelektrischen Kristall 17 und einem angetriebenen piezoelektrischen Kristall 18, die durch ein Koppelelement 19 getrennt sind, welches den Ultraschall leitet und eine so große Länge hat, daß die gesamte Laufzeit des Impulses darin größer ist als die Laufzeit des Impulses in dem Gegenstand 10. Wenn die Laufzeit eines Impulses kürzer ist als die Laufzeit in dem Gegenstand, dann werden störende Echos von dem angetriebenen Kristall 18 aufgenommen, die von dem anderen Ende des Kopplungselementes herrühren. Die zwei Kristalle sind elektrostatisch gegeneinander abgeschirmt. Der treibende Kristall 17, dessen Eigenfrequenz die gleich ist wie die Prüffrequenz, ist mit dem Impulserzeuger 12 verbunden. Der getriebene Kristall 18 hat eine Eigenfrequenz, die wesentlich höher als die Arbeitsfrequenz ist, und ist daher für Schwingungen der Arbeitsfrequenz kritisch gedämpft, so daß er bei der Arbeitsfrequenz nicht weiterschwingt oder klingt. Der getriebene Kristall 18 ist mit dem Eingang eines Verstärkers 22 verbunden und wird beim Senden durch den treibenden Kristall 17 über das Koppelelement 19 angetrieben.

Der Verstärker 22 ist in an sich bekannter Weise mit einem Anzeigegerät 23 verbunden. Das Anzeigegerät 23 kann z. B. ein Oszillograph sein, dessen Kathodenstrahl in senkrechter Richtung in Abhängigkeit von den verstärkten aufgenommenen Impulsen abgelenkt wird. Die waagerechte Ablenkung des Strahls erfolgt unter dem Einfluß eines linear arbeitenden Ablenkgenerators 24, der mit dem Takt- und Impulsgeber 12 synchronisiert ist. Die Impulse, welche den Reflektoren von der unzugänglichen Oberfläche des Gegenstandes entsprechen, erscheinen daher auf dem Schirm des Oszillographen 23 mit einer seitlichen Versetzung, die ein Maß für die Dicke des Gegenstandes 10 ist. Es ist klar, daß die Anwesenheit eines Fehlers oder einer Unstetigkeitsstelle in dem Gegenstand durch einen Impuls angezeigt wird, dessen Lage von der Tiefe des Fehlers oder der Unstetigkeitsstelle unterhalb der Oberfläche 11 abhängt.

Infolge dieser Anordnung wird der Verstärker 22 durch den treibenden elektrischen Schwingungszug nicht stoßerregt, da eine Isolation zwischen dem Sender und dem Verstärker erreicht ist, während gleichzeitig eine Abtastfläche wie bei einem einzigen Kristall vorhanden ist, und die zurückkehrenden Echos sind nicht verlängert, so daß die höchstmögliche Auflösungsempfindlichkeit gegeben ist. Die einzige Bedingung für einen solchen Wandler besteht darin, daß die Laufzeit im Koppelelement 19 größer als die Laufzeit im Gegenstand 10 sein muß.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH:

   Ultraschallwandler mit wenigstens zwei übereinandergeschichteten piezoelektrischen Kristallen zur Aussendung und zum Empfang von mechanischen Impulsen in bzw. aus einem Gegenstand, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Kristall (17) von dem an dem Gegenstand (10) anliegenden Kristall durch ein Kopplungselement (19) getrennt ist, dessen Länge so gewählt ist, daß die Laufzeit eines Impulses in ihm größer als die Laufzeit des Impulses in dem Gegenstand ist.

   In Betracht gezogene Druckschriften:
   USA.-Patentschrift Nr. 2 625 035.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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