DE3540610A1 - Ultraschallpruefkopf - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallprüfkopf mit einer Schwingkristallanordnung, auf deren der Schall­ abstrahlrichtung gegenüberliegenden Seite ein Dämp­ fungskörper angeordnet ist.

Ein derartiger Ultraschallprüfkopf ist beispielsweise aus der DE-AS 22 17 472 bekannt. Der bekannte Ultra­ schallprüfkopf verfügt über einen Schwinger aus Li­ thiumsulfat oder einem ähnlichen Kristall und einem Dämpfungskörper aus einem aushärtbaren Kunstharz, dem Metallpulver zugesetzt worden ist, um die spezifische Impedanz des Gießharzes zu erhöhen. Bei dem pulverför­ migen Schwermetallzusatz handelt es sich um Wolfram.

Zur Realisierung sehr breitbandiger Prüfköpfe muß jedoch der Metallpulveranteil oft weit über 50 Volu­ menprozent getrieben werden, was fertigungstechnisch äußerst große Schwierigkeiten bereitet. Weiterhin erge­ ben sich hierbei Probleme bezüglich der Reproduzierbar­ keit.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfin­ dung die Aufgabe zugrunde, einen Ultraschallprüfkopf mit einem Dämpfungskörper zu schaffen, der sich durch eine hohe akustische Impedanz und hohe akustische Ab­ sorption sowie eine einfache Herstellbarkeit auszeich­ net.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Dämpfungskörper aus einer Vielzahl von abwech­ selnd aufeinander gepackten schalleitenden und schall­ absorbierenden Lamellen besteht, die auf einer Seite der Lamellenberandungen mit der Schwingkristallanord­ nung gekoppelt sind.

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. 2 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 schallabsorbierenden 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 erregt in den schalleitenden Lamellen 3 Plattenwellen, die durch die schallabsorbierenden 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 5 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 2 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 Dämpfungskörper ange­ ordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Dämpfungskörper (2) aus einer Vielzahl von abwechselnd aufeinander gepackten schalleitenden und schallabsorbierenden Lamellen (3, 5) besteht, die auf einer Seite der Lamellenberandungen (4, 8) mit der Schwingkristallanordnung (1) gekoppelt sind.

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) einen keilförmigen Querschnitt auf­ weisen.

4. Ultraschallprüfkopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zusammengepackten metallischen Lamellen (3) einen sägezahnförmigen Querschnitt aufweisen.

5. Ultraschallprüfkopf nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die metal­ lischen Lamellen (3) an ihrer Basisseite (8) mit der Schwingkristallanordnung (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.