DE2926182A1 - Ultrasonic transducer elements arrangement - sandwiches each element between matching and damping sections for coping with irregular surfaces subjected to scanning for defects - Google Patents
Ultrasonic transducer elements arrangement - sandwiches each element between matching and damping sections for coping with irregular surfaces subjected to scanning for defectsInfo
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Abstract
Description
UltraschallwandleranordnungUltrasonic transducer arrangement
Die Erfindung bezieht sich auf eine Ultraschallwandleranordnung mit dicht nebeneinander angeordneten Wandlerelementen, die jeweils zwischen einem Anpassungskörper und einem Dämpfungskörper angeordnet sind.The invention relates to an ultrasonic transducer arrangement transducer elements arranged close to one another, each between an adapter body and a damping body are arranged.
In der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung werden Schnittbilder aus dem Inneren eines zu untersuchenden Körpers mit Hilfe von Ultraschallimpulsen hergestellt, die von einem Wandlerelement ausgestrahlt werden, das an der Oberfläche des Körpers angeordnet ist. Der Ultraschallimpuls wird an einer Fehlerstelle im Inneren des Materials reflektiert und der entstehende Echoimpuls wird von einem Empfänger aufgenommen, der ebenfalls an der Oberfläche angeordnet ist. Aus der Laufzeit des Ultraschallsignals und des Echosignals wird die Lage der Fehlerstelle abgeleitet. Die Ultraschallwandleranordnung in der Form eines sogenannten Arrays besteht aus einer Vielzahl von einzelnen Wandlerelementen, vorzugsweise aus Piezomaterial, die in geringem Abstand von beispielsweise etwa 50 bis 70 /um nebeneinander angeordnet sind.In the non-destructive testing of materials, sectional images are made the interior of a body to be examined produced with the help of ultrasonic pulses, which are emitted from a transducer element that is on the surface of the body is arranged. The ultrasonic pulse is at a flaw inside the Material is reflected and the resulting echo pulse is picked up by a receiver, which is also arranged on the surface. From the transit time of the ultrasonic signal and the position of the fault location is derived from the echo signal. The ultrasonic transducer arrangement in the form of a so-called array consists of a large number of individual transducer elements, preferably made of piezo material, which is at a small distance of, for example approximately 50 to 70 / µm are arranged side by side.
Mehrere benachbarte Wandlerelemente werden gemeinsam gesteuert und bilden einen Schwinger. Einige Schwinger werden zu einer Gruppe zusammengefaßt. Das gesamte Array, beispielsweise ein lineares Array, kann aus einigen hundert Einzelschwingern bestehen. Wandlerelemente aus Piezomaterial können zugleich als Sender und Empfänger verwendet werden.Several neighboring transducer elements are jointly controlled and form a transducer. Some vibrators are grouped together. The entire array, for example a linear array, can consist of a few hundred individual oscillators exist. Transducer elements made of piezo material can be used as a transmitter and receiver at the same time be used.
Zur Herstellung eines Ultraschallschnittbildes wird eine vorgewählte Gruppe von Schwingern, die jeweils aus mehreren Wandlerelementen bestehen, elektronisch zum Senden eines Ultraschallimpulses angeregt und empfängt die zurückkehrenden Echos. Diese bilden eine Zeile des zweidimensionalen Bildes auf einem Bildschirm. Durch Zuschalten eines Schwingers auf der einen Seite der gewählten Gruppe wird die Bildzeile um eine halbe Schwingerbreite verschoben. Auf diese Weise wird ein Bild aufgebaut, das beispielsweise aus hundert Zeilen bestehen kann. Durch die Wahl der Gruppenbreite, d.h, der Anzahl der Schwinger pro Gruppe, erhält man eine Verschiebung der Nah-/Fernfeldgrenze (natürlicher Fokus) in verschiedene Tiefenbereiche des zu untersuchenden Körpers. Es ergeben sich Schnittbilder, deren eine Dimension in Schallrichtung und deren andere Dimension in Querrichtung, d.h. in Richtung der linearen Anordnung der Schwinger, liegt.To produce an ultrasound sectional image, a preselected Group of transducers, each consisting of several transducer elements, electronic stimulated to send an ultrasonic pulse and receives the returning echoes. These form a line of the two-dimensional image on a screen. By Switching on a transducer on one side of the selected group becomes the image line Shifted by half an oscillator width. In this way an image is built up which can consist of a hundred lines, for example. By choosing the group width, i.e. the number of transducers per group, one obtains a shift in the near / far field boundary (natural focus) in different depths of the body to be examined. This results in sectional images, one dimension in the direction of sound and one with other dimension in the transverse direction, i.e. in the direction of the linear arrangement of the transducers, lies.
Um kurze Impulse mit den piezokeramischen Wandlerelementen zu erhalten, werden die Wandler auf der Rückseite zusätzlich bedämpft. Eine an die Wandler- und Prüfkörperimpedanz angepaßte Transformationsschicht sorgt für optimale Ubertragung der Impulsenergie.To get short impulses with the piezoceramic transducer elements, the transducers on the rear are additionally damped. One to the converter and The transformation layer adapted to the test body impedance ensures optimum transmission the pulse energy.
Zur zerstörungsfreien Prüfung von festen Körpern, bei- spielsweise aus Stahl, mit verhältnismäßig großer und unregelmäßig geformter Oberfläche ist das Problem ausreichender Anpassung der Wandlerelemente an die Oberfläche nur noch schwierig zu lösen, weil eine Luftschicht zwischen dem Wandlerlement und der Oberfläche des zu untersuchenden Körpers einen sprunghaft erhöhten Widerstand für den Ultraschallimpuls darstellt. Ein lineares Array mit einer großen Anzahl von Wandlerelementen muß deshalb einer unregelmäßig geformten Oberfläche des zu untersuchenden Körpers nahezu beliebig angepaßt werden können.For non-destructive testing of solid bodies, both for example made of steel, with a relatively large and irregularly shaped surface the problem of sufficient adaptation of the transducer elements to the surface only difficult to loosen because there is a layer of air between the transducer element and the surface of the body to be examined shows a sudden increase in resistance to the ultrasonic pulse represents. A linear array with a large number of transducer elements must therefore an irregularly shaped surface of the body to be examined almost arbitrarily can be customized.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, Gestaltungsmerkmale für eine Ultras challwandleranordnung anzugeben, die in einfacher Weise der Oberfläche des zu untersuchenden festen Körpers angepaßt werden kann.The invention is therefore based on the object of design features for an ultrasound transducer assembly to specify the surface in a simple manner can be adapted to the solid body to be examined.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Dämpfungskörper und/oder der Anpassungskörper wenig-..$ens teilweise aus elastischem Material bestehen. Für die gesamte Anordnung mit einer Vielzahl von dicht reseneinander angeordneten einzelnen Wandlerelementen kann beispielsweise ein gemeinsamer Anpassungskörper vorgesehen sein, der aus einer verhältnismäßig dünnen schicht aus elastischem Material besteht, die entsprehend leicht mechanisch verformt und dadurch der Ober-Flache eines zu untersuchenden Körpers angepaßt werden kann. fn dieser Ausführungsform kann dann ein ebenfalls elastischer Dämpfungskörper verwendet werden. Ferner können in Verbindung mit einem elastischen Dämpfungskörper die einzelnen Wandlerelemente jeweils mit einem eigenen Anpassungskörper versehen sein. In dieser Ausführungsform kann dann Jedes einzelne Wandlerelement durch entsprechende Verformung des Dämpfungskörpers mit der traten Sttirnf.1äche des Anpassungskörpers auf die Oberfläche des zu untersuchenden Körpers aufgelegt werden. Durch Anwendung eines geringen Druckes wird eine Luftzwischenschicht zwischen den einzelnen Anpassungskörpern und der Materialoberfläche verdrängt.This object is achieved according to the invention in that the damping body and / or the adaptation body consists of a little - .. $ ens partially made of elastic material. For the entire arrangement with a large number of densely arranged individual transducer elements can, for example, have a common adapter body be provided which consists of a relatively thin layer of elastic material consists, which is slightly mechanically deformed accordingly and thereby the upper surface a body to be examined can be adapted. fn this embodiment an elastic damping body can then be used. Furthermore can the individual transducer elements in conjunction with an elastic damping body each be provided with its own adaptation body. In this embodiment can then each individual transducer element by appropriate deformation of the damping body with the front surface of the adaptation body stepped on the surface of the body to be examined. By applying a little pressure becomes an intermediate air layer between the individual adapters and the material surface repressed.
Der Dämpfungskörper kann außerdem auch nur zu einem wesentlichen Teil aus festem Material, beispielsweise Epoxidharz, bestehen. Dieser feste Teil besteht dann aus Segmenten mit trapez- oder auch dreieckförmigem Querschnitt, die an einem elastischen Zwischenkörper befestigt werden, der als Trägerkörper für die Wandlerelemente dient. Diese Wandlerelemente können dann mit einem gemeinsamen Anpassungskörper aus elastischem Material oder auch jeweils mit einem eigenen Anpassungskörper versehen sein. Außerdem ist es möglich, einen gemeinsamen Anpassungskörper zu verwenden, der beispielsweise aus Polyvinylidenfluorid (PVF2) oder aus Polyvinylchlorid sowie aus Polykarbonat bestehen kann.The damping body can also only to a substantial extent made of solid material such as epoxy resin. This fixed part exists then from segments with a trapezoidal or triangular cross-section, which are attached to a elastic intermediate body are attached as a support body for the transducer elements serves. These transducer elements can then use a common adapter body made of elastic material or each with its own adapter body be. It is also possible to use a common adapter body, for example made of polyvinylidene fluoride (PVF2) or polyvinyl chloride as well can be made of polycarbonate.
Dieser Anpassungskörper besteht dann zweckmäßig aus einer verhältnismäßig dünnen Schicht, beispielsweise aus einer Folie, deren eine Flachseite auf die Oberfläche des zu untersuchenden Materials aufgelegt wird und an deren anderer Flachseite die Wandlerelemente befestigt und nebeneinander angeordnet sind. In dieser Ausführungsform können die einzelnen Wandlerlemente beispielsweise jeweils mit einem eigenen Dämpfungskörper versehen sein.This adaptation body then expediently consists of a relatively thin layer, for example made of a film, one flat side of which on the surface of the material to be examined is placed and on the other flat side the Converter elements are attached and arranged side by side. In this embodiment the individual transducer elements can, for example, each have their own damping body be provided.
Durch die Anordnung einer größeren Anzahl von solchen linearen Arrays parallel nebeneinander erhält man eine Matrix von Wandlerelementen, mit der in einfacher Weise Schnittbilder aus dem Inneren des zu untersuchenden Körpers dadurch in verhältnismäßig kurzer Zeit hergestellt werden können, daß nacheinander Jeweils verschiedene Wandlerelemente elektronisch angesteuert werden.By arranging a larger number of such linear arrays parallel to each other you get a matrix of transducer elements, with which in a simple Wise sectional images from the interior of the body to be examined thereby in proportion can be produced in a short time that one after the other different transducer elements can be controlled electronically.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Figuren 1 und 2 jeweils eine besondere Ausführungsform einer Ultraschallwandleranordnung nach der Erfindung mit einem flexiblen Dämpfungskörper schematisch dargestellt ist. Figur 3 zeigt eine Ausführungsform der Ultraschallwandleranordnung, deren Dämpfungskörper teilweise aus festem Material besteht. In Figur 4 ist eine Ausführungsform veranschaulicht, bei der die Wandlerelemente getrennt auf einer gemeinsamen flexiblen Anpassungsschicht angeordnet sind.To further explain the invention, reference is made to the drawing taken, in each of which Figures 1 and 2 show a particular embodiment of a Ultrasonic transducer arrangement according to the invention with a flexible damping body is shown schematically. Figure 3 shows an embodiment of the ultrasonic transducer arrangement, whose damping body consists partly of solid material. In Figure 4 is a Embodiment illustrated in which the transducer elements separately on a common flexible adaptation layer are arranged.
Nach Figur 1 sind Wandlerelemente 2 zwischen einem gemeinsamen Anpassungskörper 4 und einem Dämpfungskörper 6 angeordnet. Als Wandlerelemente 2 sind vorzugsweise Piezoschwinger vorgesehen, die bekanntlich für das gesamte Schwingungsspektrum vom hörbaren Schall bis zum Ultraschall mit Frequenzen in der Größenordnung von einigen MHz verwendet werden können. Die Größe und der Abstand der Wandlerelemente 2 werden so gewählt, daß ihre Dicke etwa gleich der halben Wellenlänge der Schallfrequenz, beispielsweise etwa 0,3 mm, ist. Die Wandlerelemente 2 werden beispielsweise im Abstand von etwa 50 bis 70 jum nebeneinander angeordnet. Jeweils 7 oder 8 Elemente werden gemeinsam gesteuert und bilden einen Schwinger. Jeweils 3 bis 5 Schwinger bilden eine Gruppe. Das gesamte Array mit der linearen Anordnung von Wandlerelementen 2 kann bei einer Frequenz von 2,5 MHz beispielsweise aus 432 Elementen bestehen, die in 54 Schwinger aufgeteilt sind. Dann bilden beispielsweise 3 nebeneinander angeordnete Schwinger mit Je 8 Wandlerelementen eine Gruppe.According to Figure 1, transducer elements 2 are between a common adapter body 4 and a damping body 6 arranged. As converter elements 2 are preferred Piezo oscillator provided, which is known for the entire vibration spectrum from audible sound to ultrasound with frequencies on the order of a few MHz can be used. The size and spacing of the transducer elements 2 will be chosen so that their thickness is approximately equal to half the wavelength of the sound frequency, for example about 0.3 mm. The transducer elements 2 are, for example, in Spaced from about 50 to 70 jum next to each other. 7 or 8 elements each are controlled together and form a transducer. 3 to 5 transducers each form a group. The entire array with the linear arrangement of transducer elements 2 can for example consist of 432 elements at a frequency of 2.5 MHz, which are divided into 54 transducers. Then, for example, form 3 next to each other arranged transducers with 8 transducer elements each, one group.
Der Anpassungskörper 4 ermöglicht die Einkopplung großer Energie von den Wandlerelmenten 2 in einen in der Figur nicht dargestellten, oberhalb des Arrays 10 angeordneten zu untersuchenden Körper, der aus festem Kunststoff, beispielsweise aus PVC, bestehen kann. Der Anpassungskörper 4 kann dann beispielsweise aus einer Epoxidharz-Folie bestehen, deren Dicke vorzugsweise etwa 1/4 der Wallenlänge des Ultraschalls betragen kann.The adaptation body 4 enables the coupling of large amounts of energy the converter elements 2 in one in the figure not shown, body to be examined which is arranged above the array 10 and which is made of solid plastic, for example made of PVC. The adaptation body 4 can then for example consist of an epoxy resin film, the thickness of which is preferably about 1/4 of the wall length of the ultrasound can be.
Der Dämpfungskörper 6 dient zur Schalldämpfung in der vom zu untersuchenden Werkstück abgewandten Richtung.The damping body 6 serves to dampen the sound in the area to be examined Direction away from workpiece.
Hierdurch werden kurze Schallimpulse erzeugt, die eine hohe Tiefenauflösung im Schnittbild ermöglichen. Die in den Dämpfungskörper abgestrahlte Energie wird dabei nahezu vollstandig absorbiert. Die Impedanz des Dämpfungskörpers 6 wird angenähert an die Impedanz der Wandlerelemente 2. Den Impulsen wird die Energie entzogen. Sie klingen dementsprechend schnell ab und man erhält kurze Ultraschallimpulse, so daß auch Echoimpulse im Nahbereich des aufgelegten Arrays empfangen werden körben. Die tote Zone wird somit entsprechend verkürzt. Der Dämpfungskörper 6 besteht beispielsweise aus weicher turkautschuk oder auch aus Epoxidharz mit einem eingelagerten Weichmacher Auch Silikon ist als Dampfungskelrper 6 eeignet Mit dem elastischen flexiblen Dämpfungsk6Pper 6 und der elastischen Folie als Anpassungskörper 4 kann das Array 10 in einfacher Weise nahezu beliebigen Oberflächenformen eines zu untersuchenden Werkstückes angepaßt werden.As a result, short sound impulses are generated, which have a high depth resolution enable in the sectional view. The energy radiated into the damping body is almost completely absorbed in the process. The impedance of the damping body 6 is approximated to the impedance of the transducer elements 2. The energy is withdrawn from the pulses. she decay accordingly quickly and one receives short ultrasonic impulses, so that echo pulses in the vicinity of the placed array are also received baskets. the dead zone is thus shortened accordingly. The damping body 6 consists for example made of soft natural rubber or epoxy resin with an embedded plasticizer Silicone is also suitable as a damping body 6 With the elastic flexible damping body 6 and the elastic film as an adapting body 4, the array 10 can be easily Way adapted to almost any surface shape of a workpiece to be examined will.
in der Äusführungsform eines Arrays 10 nach Figur 2 sind die ~.Yandlerelemente 2 ebenfalls auf einem gemeinsamen Dämpfungskörper 6 angeordnet. Die Stirnflächen der Wandlerelemente 2 sind Jedoch Jeweils mit einem getrennten Anpassungskörper 14 versehen. Diese Anpassungskörper 14 können beispielsweise Jeweils aus einem Keramikkörper bestehen, welcher auf der Stirnfläche des Wandlerelementes 2 aufgebracht ist. Mit dieser Ausführungsform des Arrays 10 ist die Anpassung der Wandlerelemente 2 an einen harten zu untersuchenden Körper mit hoher Impedanz möglich. Das Array 10 in dieser Ausführungsform ist somit vorzugsweise geeignet zur Werkstoffprüfung, bei der beispielsweise eine Impedanz von 25 der Wandlerelemente auf beispielsweise 45 des zu untersuchenden Materials überbrückt werden muß.In the embodiment of an array 10 according to FIG. 2, the yandler elements are 2 also arranged on a common damping body 6. The end faces the transducer elements 2 are, however, each with a separate adapter body 14 provided. These adaptation bodies 14 can, for example, each consist of a ceramic body exist, which is on the face of the Converter element 2 applied is. With this embodiment of the array 10 is the adaptation of the transducer elements 2 on a hard body to be examined with a high impedance. The array 10 in this embodiment is therefore preferably suitable for material testing, in which, for example, an impedance of 25 of the transducer elements to, for example 45 of the material to be examined must be bridged.
In der Ausführungsform einer Ultraschallwandleranordnung nach Figur 3 besteht der Dämpfungskörper 6 aus einzelnen Segmenten 16 mit einem trapezförmigen Querschnitt, die an einem elastischen Zwischenkörper 18 befestigt sind, auf dessen gegenüberliegender Flachseite die einzelnen Wandlerelemente 2 nebeneinander angeordnet sind. Die Wandlerelemente 2 sind jeweils mit einem Anpassungskörper 14 versehen. Die Segmente 16 können beispielsweise aus Epoxidharz bestehen, das mit einer Korundfüllung versehen ist. Diese Korundfüllung kann beispielsweise aus Korundkörnern mit einem Durchmesser von beispielsweise 100 /um bestehen, die jeweils als Streuzentrum dienen und somit den Schallweg im Dämpfungskörper entsprechend verlängern.In the embodiment of an ultrasonic transducer arrangement according to FIG 3, the damping body 6 consists of individual segments 16 with a trapezoidal one Cross-section, which are attached to an elastic intermediate body 18, on the opposite flat side, the individual transducer elements 2 arranged side by side are. The transducer elements 2 are each provided with an adapter body 14. The segments 16 can for example consist of epoxy resin with a corundum filling is provided. This corundum filling can, for example, made of corundum grains with a There are diameters of, for example, 100 μm, each of which serves as a scattering center and thus lengthen the sound path in the damping body accordingly.
In der Ausführungsform nach Figur 4 ist den Wandlerelementen 2 ein gemeinsamer Anpassungskörper 4 zugeordnet, während die Wandlerelemente 2 jeweils mit einem eigenen Dämpfungskörper 26 versehen sind.In the embodiment of Figure 4, the transducer elements 2 is a common matching body 4 assigned, while the transducer elements 2 each are provided with their own damping body 26.
5 PatentansprUche 4 Figuren Zusammenfassung Ultraschallwandleranordnung Die Ultraschallwandleranordnung enthält ein Array aus dicht nebeneinander angeordneten Wandlerelementen, die jeweils zwischen einem Anpassungskörper und einem Dämpfungskörper angeordnet sind.5 claims 4 figures Summary of the ultrasonic transducer arrangement The ultrasonic transducer arrangement contains an array of closely spaced Converter elements, each between an adaptation body and a damping body are arranged.
Erfindungsgemäß bestehen der Dämpfungskörper und/oder der Anpassungskörper wenigstens teilweise aus elastischem Material.According to the invention, the damping body and / or the adaptation body exist at least partially made of elastic material.
Durch diesen Aufbau erhält man ein flexibles Array, das sich der Oberfläche eines zu prüfenden Körpers anpaßt.This structure results in a flexible array that extends to the surface of a body to be tested.
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