DE3048188A1

DE3048188A1 - Ultrasonic test head with matrix of columnar transducers - giving reduced acoustic impedance and enhanced emission amplitude

Info

Publication number: DE3048188A1
Application number: DE19803048188
Authority: DE
Inventors: Bertram 8520 Erlangen Sachs; Michael Dipl.-Phys. 8521 Spardorf Vieth
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1980-12-19
Filing date: 1980-12-19
Publication date: 1982-07-29

Abstract

An ultrasonic test head has at least one ultrasonic oscillator associated with a forward path for non-destructive testing. Thermal stability is achieved for ultrasonic angled test heads and ultrasonic transmission-reception test heads and is combined with improved emission of ultrasound. The ultrasonic oscillator is in the form of transducer elements whose height in the direction of transmission is greater than their width. The elements are column-shaped and arranged in a matrix (16). A better match between the oscillator and the forward transmission path is achieved because of the reduced acoustic impedance associated with finely distributed transducer elements. This results in a lower reflection and increased signal amplitude.

Description

UltraschallDrUfkopfUltrasonic transducer

Die Erfindung bezieht sich auf einen UltraschallpEfkopf mit wenigstens einem Ultraschallschwinger, dem eine Vorlaufstrecke zugeordnet ist.The invention relates to an ultrasonic probe with at least an ultrasonic transducer to which a feed path is assigned.

In der zerstbrungsfreien Werkstoffprufung mit Ultraschall wird zur Einschallung unter einem bestimmten Winkel zur Oberflache des zu prüfenden Werkstücks von.In the non-destructive material testing with ultrasound, the Sonication at a certain angle to the surface of the workpiece to be tested from.

der Brechung und Umwandlung der Wellenarten Gebrauch gemacht. Man benutzt dazu feste keilförmige Zwischenstücke, auf die der Wandler fest angedrückt oder aufgekittet wird. Der Keil kann auch einfach als anschraubbares Vorsatz stück für einen Normalprtffkopf ausgebildet sein und beispielsweise aus Plexiglas bestehen. Diese keilförmige Vorlaufstrecke bewirkt beim Schallubergang zwischen Vorlaufstrecke und Prüfkörper eine Brechung in die gewünschte Richtung und gegebenenfalls eine Wellenumwandlung, beispielsweise die Umwandlung einer einfallenden Longitudinal- in eine gebrochene Transversalwelle. Solche WinkelprUfköpfe werden verwendet zur Fehlerortung in Werkstücken mit dem impulsechoverfahren, bei dem die Tiefe des Fehlers aus dem zeitlichen Abstand zwischen Sende- und Echo impuls und die Größe des Pehlers aus der Amplitude des Echoimpulses abgeleitet wird. Bei diesem Verfahren wird nicht der geortete Fehler, sondern lediglich der Sende- und Echoimpuls in einem sogenannten A-Bild auf einem Bildschirm sichtbar gemacht. Ist bei einem Prufproblem eine extreme Nahauflösung erforderlich, so können sogenannte SE- (Senkrecht-) Prüfköpfe und SE-Winkelprtifköpfe benutzt werden, die als Sender und Empfänger jeweils einen getrennten Ultraschallschwinger enthalten. Durch die Trennung von Sende- und Empfangsteil lassen sich Störanzeigen aus der Vorlaufstrecke vermeiden, so daß der Nachweis von dicht unter der Oberfläche liegenden Fehlern möglich ist (Krautkrämer: Werkstoffprüfung mit Ultraschall, 3. Aufl., 1975, Seiten 223 bis 235).made use of the refraction and transformation of the types of waves. Man uses fixed wedge-shaped spacers on which the transducer is pressed firmly or is puttied on. The wedge can also be used simply as a screw-on attachment be designed for a normal test head and consist, for example, of plexiglass. This wedge-shaped pre-run section causes the sound to pass between the pre-run section and test specimen a refraction in the desired direction and optionally one Wave conversion, for example the conversion of an incident longitudinal into a broken transverse wave. Such angle probes are used for Fault location in workpieces with the pulse echo method, in which the depth of the fault from the time interval between the transmission and echo pulse and the size of the error is derived from the amplitude of the echo pulse. This procedure will not the located error, but only the transmission and echo pulse in a so-called A-scan made visible on a screen. Is an extreme for a test problem If near resolution is required, so-called SE (vertical) probes and SE angle probes can be used used which are each a separate transmitter and receiver Ultrasonic transducer included. By separating the sending and receiving parts avoid disturbance displays from the lead line, so that the proof of tight errors lying below the surface is possible (Krautkrämer: materials testing with ultrasound, 3rd ed., 1975, pages 223 to 235).

Es ist ferner bekannt, daß die Eigenschaften von Ultraschallwandlern durch sogenannte Feinunterteilung verändert werden können, insbesondere kann die Lateralauflösung erhöht werden. Bei dieser Feinteilung wird der Ultraschallschwinger in akustisch getrennte Wandlerelemente aufgeteilt, deren Breite wesentlich kleiner als die Hälfte, vorzugsweise kleiner als ein Viertel, der Wellenlänge A ist. In dieser Ausführungsform ist die Höhe der Wandlerelemente im allgemeinen wenigstens doppelt so groß wie die Breite. Durch einander parallele Spalten in der Längsrichtung eines derartigen Wandlerkranzes erhält man eine Matrix-Ausführung der Wandleranordnung mit säulenförmigen Wandlerelementen (DE-PS 28 29 570).It is also known that the properties of ultrasonic transducers can be changed by so-called fine subdivision, in particular the Lateral resolution can be increased. The ultrasonic transducer is used in this fine division divided into acoustically separated transducer elements, the width of which is much smaller than half, preferably less than a quarter, of the wavelength A. In In this embodiment, the height of the transducer elements is generally at least twice as big as the width. By parallel columns in the longitudinal direction a converter ring of this type results in a matrix version of the converter arrangement with columnar transducer elements (DE-PS 28 29 570).

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Abstrahlung bei Ultraschall-Winkelprüfköpfen und Ultraschall-SE-Prüfköpfen zu verbessern und die thermische Stabilität der Prüfköpfe zu erhöhen.The invention is now based on the object of the radiation Ultrasonic angle probes and ultrasonic SE probes to improve and the to increase the thermal stability of the probes.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß man durch die Abnahme der akustischen Impedanz des feingeteilten Schwingers eine bessere Anpassung zwischen dem Schwinger und der Vorlaufstrecke-beim Winkelprüfkopf erhält.The invention is based on the knowledge that by the decrease the acoustic impedance of the finely divided oscillator a better match between the transducer and the lead-in distance - for the angle probe.

Die Erfindung besteht somit darin, daß der Ultraschallschwinger eines Winkel- oder SE-PrUfkopfes aus Wandlerelementen besteht, deren Höhe in der Abstrahlrichtung größer ist als ihre Breite. In einer bevorzugten Ausführungsform kann der Ultraschallschwinger aus einer Matrix säulenförmiger Wandlerelemente bestehen. Durch die bessere Anpassung des feingeteilten Schwingers erhält man eine geringere Reflexion und eine höhere Signalamplitude. Ferner wird durch die Feinteilung die mechanische Dehnung bei Temperaturänderungen vermindert und damit die mechanische Stabilität des Ultraschallprüfkopfes bei Temperaturwechsel erhöht.The invention is thus that the ultrasonic vibrator one Angle or SE probe head consists of transducer elements, the height of which is in the direction of radiation greater is than their width. In a preferred embodiment, the ultrasonic oscillator consist of a matrix of columnar transducer elements. Because of the better adaptation The finely divided oscillator results in a lower reflection and a higher one Signal amplitude. In addition, the fine division reduces the mechanical expansion when the temperature changes and thus the mechanical stability of the ultrasonic probe when there is a change in temperature elevated.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genonunen, in deren Figur 1 ein Ausii rungsbelspiel eines Winkelprüfkcrpfes nach der Erfindung im schnitt schematisch veranschaulicht ist Figur 2 zeigt die Ausfuhrungsform nach Figur 1 in einer perspektivischen Ansicht. In Figur 3 ist eine Ausführungsform eines Winkelprüfkopfes mit einer Matrix von Wandlerelementen dargestellt. Eine besondere Ausführungsform eines SE-PrüSkopfes ist anhand der Figur 4 erläutert.To further explain the invention, reference is made to the drawing genonunen, in which Figure 1 a Ausii rungsbelspiel an Winkelprüfkcrpfes according to the invention is illustrated schematically in section Figure 2 shows the embodiment according to Figure 1 in a perspective view. In Figure 3 is an embodiment an angle probe with a matrix of transducer elements. A special The embodiment of an SE test head is explained with reference to FIG.

Nach Figur 1 sind Wandlerelemente 2, deren Höhe größer ist als ihre Breite und die beispielsweise aus Bleizirkonattitanat PZT bestehen können, mit einem Ende an einem Dämpfungskörper 4 befestigt, der beispielsweise aus Gummi bestehen kann. Die Stirnseite der Wandlerelemente 2 ist mit Hilfe einer Klebeschicht 6 auf einem Winkelkeil 8 befestigt, der als Vorlaufstrecke dient.According to Figure 1 are transducer elements 2, the height of which is greater than theirs Width and which can for example consist of lead zirconate titanate PZT, with a End attached to a damping body 4, which for example consist of rubber can. The end face of the transducer elements 2 is on with the aid of an adhesive layer 6 attached to an angle wedge 8, which serves as a pre-run path.

Der Winkelkeii 8 ist auf die Oberfläche eines Werkstücks aufgelegt, das in der Figur mit 20 bezeichnet ist. Der Winkelkeil 8 kann beispielsweise aus Plexiglas oder auch aus Araldit bestehen. Durch die unterschiedlichen Schallgeschwindigkeiten wird die in der Figur durch eine strtchpunktierte Linie 12 angedeutete Abstrahlrichtung beim Clherang von der Vorlaufstrecke des Winkelkeils 8 zuni Werkstück 10 gebrochen. Die Wandlerelemente 2 sind jeweils mit elektrischen Kontakten versehen, die in der Figur mit 14 und 15 bezeichnet sind.The Winkelkeii 8 is placed on the surface of a workpiece, which is denoted by 20 in the figure. The angle wedge 8 can, for example, from Plexiglass or araldite. Because of the different speeds of sound becomes the direction of radiation indicated in the figure by a dash-dotted line 12 Broken at Clherang from the leading section of the angle wedge 8 to the workpiece 10. The transducer elements 2 are each provided with electrical contacts, which are designated by 14 and 15 in the figure.

Wie der perspektivischen Darstellung nach Figur 2 zu entnehmen ist, sind die Wandlerelemente 2 durch Schnitte quer zur Richtung der Steigung des Winkelkeils 8 mit einer Feinunterteilung versehen. Durch zusätzliche einander parallele Schnitte in der Richtung der Steigung des Winkelkeils 8 erhält man eine Matrix 16 aus säulenförmigen Wandlerelementen, wie es in Figur 3 dargestellt ist.As can be seen from the perspective illustration according to FIG. 2, are the transducer elements 2 by sections transversely to the direction of the slope of the angle wedge 8 provided with a fine subdivision. With additional cuts that are parallel to each other in the direction of the slope of the angle wedge 8, a matrix 16 of columnar shapes is obtained Converter elements, as shown in FIG.

In der Ausführungsform eines SE-PrUfkopfes nach Figur 4 sind zwei Wandleranordnungen 18 und 20, denen ein gemeinsamer Dämpfungskörper 22 zugeordnet ist,.jeweils mit einer getrennten Vorlaufstrecke 24 bzw. 26 versehen. Die beiden Vorlaufstrecken 24 und 26 können vorzugsweise über eine akustische Trennschicht 28 miteinander verbunden sein. Die Wandleranordnung 18 kann beispielsweise als Sender und die Wandleranordnung 20 als Empfänger dienen. Die Oberflächen der Vorlaufstrecken 24 und 26, auf denen die Wandleranordnungen 18 bzw. 20 befestigt sind, haben eine derartige Neigung zueinander, daß sich die Abstrahlrichtung und die Empfangsstrahlrichtung unterhalb der Vorlaufstrecken 24 und 26 in einem nicht dargestellten, zu untersuchenden Körper kreuzen oder berühren. Durch die Feinteilung der Wandleranordnungen 18 und 20 erhält man einen SE-Prüfkopf mit geringer Reflexion und hoher Signalamplitude.In the embodiment of a SE-PrUfkopfes according to Figure 4 are two Converter arrangements 18 and 20, to which a common damping body 22 is assigned is, .Each provided with a separate feed line 24 and 26, respectively. The two Advance lines 24 and 26 can preferably have an acoustic separating layer 28 be connected to each other. The transducer arrangement 18 can, for example, be used as a transmitter and the transducer assembly 20 serve as a receiver. The surfaces of the advance lines 24 and 26 on which the transducer assemblies 18 and 20 are mounted, respectively, have one such an inclination to one another that the emission direction and the reception beam direction below the feed lines 24 and 26 in a not shown, to be examined Crossing or touching bodies. By the fine division of the transducer assemblies 18 and 20 you get an SE probe with low reflection and high signal amplitude.

2 Patentansprüche 4 Figuren2 claims 4 figures

Claims

Patent claims 5 ultrasonic probe with at least one ultrasonic transducer, to which a feed line is assigned, d u r c h e k e n n n z e i c h n e t that the ultrasonic transducer consists of transducer elements (2, 12), the height of which in the emission direction (12) is greater than its width.

2. Ultrasonic probe according to claim 1, d a d u r c h g e k e n It is not stated that the ultrasonic transducer is made of a matrix (16) in the shape of a column There is transducer elements.