DE1116455B

DE1116455B - Ultrasonic transducer for sending and receiving mechanical impulses into or out of an object

Info

Publication number: DE1116455B
Application number: DES52774A
Authority: DE
Inventors: Elliott Addison Henry
Original assignee: Sperry Products Inc
Current assignee: Sperry Products Inc
Priority date: 1955-03-21
Filing date: 1956-03-20
Publication date: 1961-11-02

Description

DEUTSCHESGERMAN

PATENTAMTPATENT OFFICE

kl. 42 s -kl. 42 s -

INTERNATIONALE KL.INTERNATIONAL KL.

F 06h; GOIhF 06h; GOIh

S 52774 IXb/42 sS 52774 IXb / 42 s

ANMELDETAG: 20. MÄRZ 1956REGISTRATION DATE: MARCH 20, 1956

BEKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG UNDAUSGABEDER AUSLEGESCHRIFT:NOTICE THE REGISTRATION ANDOUTPUTE EDITORIAL:

2. NOVEMBER 1961NOVEMBER 2, 1961

Die Erfindung betrifft Wandler für Ultraschallwellen und bezieht sich auf Vorrichtungen zur Ausstrahlung und Aufnahme von Ultraschallimpulsen in bzw. aus einem Gegenstand.The invention relates to transducers for ultrasonic waves and relates to devices for emission and recording ultrasonic pulses in and out of an object.

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.The transducer of the invention is particularly suitable for devices with which the wall thickness of objects from one surface by irradiating ultrasonic pulses and measuring time the recorded echo pulses is determined.

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.Transducers for ultrasonic testing devices usually consist of a single piezoelectric crystal, which is dampened by a suitable carrier material to a value Q of 6 to 8 and converts an electrical wave train into mechanical vibrations and, conversely, converts mechanical vibrations into electrical wave trains. A transducer of this type is usually connected to the object under examination via a suitable coupling means, e.g. B. oil, coupled so that the mechanical vibrations are sent into the object and returning echo vibrations are recorded. This method is useful and reliable for object dimensions larger than an inch because the amplifier has enough time to recover from the burst of the first pulse, the amplitude of which is usually between 600 and 1000 volts peak voltage and where the extension of the Echoes through the transducer is of minor importance.

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.The use of separate transducers for the transmission and reception of the vibrations also brings no solution to the task of taking a measurement just below the surface of a Body or thin parts, since these transducers do not have the same surfaces scan.

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.It is known to use a transducer with multiple crystals to capture a portion of a To examine the subject. In such an arrangement, one crystal transmits over another Crystal impulses to a third crystal, which begins to vibrate depending on these impulses and then in turn sends impulses into the object to be examined. That third crystal receives the waves reflected in the object. However, such arrangements have disadvantages in this respect when false echoes arise between the crystals, as well as a greater number of electrical ones Feeds and connections are needed and an electrical treatment of the surfaces between the crystals is required.

Die Erfindung setzt sich zum Ziel, bei Unter-Ultraschallwandler zur AussendungThe aim of the invention is to transmit sub-ultrasonic transducers

und zum Empfang von mechanischenand to receive mechanical

Impulsen in bzw. aus einem GegenstandImpulses into or out of an object

Anmelder:Applicant:

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

Vertreter: Dr.-Ing. W. Reichel, Patentanwalt,
Frankfurt/M. 1, Parkstr. 13Representative: Dr.-Ing. W. Reichel, patent attorney,
Frankfurt / M. 1, Parkstrasse 13th

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 21. März 1955 (Nr. 495 507)Claimed priority:
V. St. v. America, March 21, 1955 (No. 495 507)

Elliott Addison Henry, Newton, Conn. (V. St. Α.),
ist als Erfinder genannt wordenElliott Addison Henry, Newton, Conn. (V. St. Α.),
has been named as the inventor

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.Searches of the above kind by means of ultrasound to prevent false echoes, and goes from an ultrasound transducer with at least two stacked piezoelectric crystals, which send and receive mechanical impulses in and out of an object constructed in such a way that the one crystal is separated from the crystal resting on the object by a coupling element is, the length of which is chosen so that the transit time of a pulse in it is greater than the transit time of the Momentum in the object.

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.The advantages achieved compared to known arrangements are a simpler structure, in which only two crystals and a coupling element are used, as well as that one mentioned above Surface treatment of the adjacent crystal faces is not required.

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.Further details of the subject matter of the invention are given in the following description of an in Drawing shown embodiment. The figure shows schematically the converter according to FIG of the invention, in a known device for measuring the wall thickness of an object is used by ultrasonic pulses.

In der Zeichnung ist ein. Gegenstand oder Werkstück 10 dargestellt, dessen Wandstärke gemessen werden soll und bei dem nur die eine Oberfläche 11In the drawing is a. Object or workpiece 10 shown, measured its wall thickness is to be and in which only one surface 11

109 737/130109 737/130

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.is accessible, such as B. in the case of a ship's pitch. For this purpose is a combined repetition frequency generator and high frequency pulse generator 12 is provided whose pulse repetition frequency is variable and set at a repetition rate that will allow all of the ultrasonic energy in the article 10 is consumed before the next test pulse is applied. Pulse frequencies between 60 and 1000 PPS are generally suitable.

Der Impuls wird einem Wandler oder Umsetzer 15 zugeführt, der besonders für die Prüfung von dünnen Teilen geeignet ist.The pulse is fed to a converter or converter 15, which is particularly suitable for testing thin Sharing is suitable.

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.The transducer 15 consists of a driving piezoelectric crystal 17 and a driven one piezoelectric crystal 18, which are separated by a coupling element 19, which the ultrasound conducts and has such a long length that the total transit time of the pulse is greater than the transit time of the pulse in the object 10. If the transit time of a pulse is shorter than the transit time in the Object, then disturbing echoes are picked up by the driven crystal 18 from the originate at the other end of the coupling element. The two crystals are electrostatic to each other shielded. The driving crystal 17, whose natural frequency is the same as the test frequency, is with connected to the pulse generator 12. The driven crystal 18 has a natural frequency that is essential is higher than the working frequency and is therefore critically damped for oscillations of the working frequency, so that it does not continue to oscillate or sound at the working frequency. The driven crystal 18 is connected to the input of an amplifier 22 and is transmitted by the driving crystal 17 driven via the coupling element 19.

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.The amplifier 22 is connected to a display device 23 in a manner known per se. The display device 23 can e.g. B. be an oscilloscope whose cathode ray in the vertical direction as a function is distracted by the amplified recorded pulses. The horizontal deflection of the beam takes place under the influence of a linear deflection generator 24, which is connected to the clock and pulse generator 12 is synchronized. The impulses that the reflectors from the inaccessible surface of the Corresponding object, therefore appear on the screen of the oscilloscope 23 with a side Displacement, which is a measure of the thickness of the object 10. It is clear that the presence of one Error or a point of discontinuity in the object is indicated by an impulse, its position depends on the depth of the flaw or the point of discontinuity below the surface 11.

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.As a result of this arrangement, the amplifier 22 is driven by the electric vibration train not shock-excited, as isolation between the transmitter and the amplifier is achieved while at the same time there is a scanning surface as in a single crystal, and the returning Echoes are not elongated, so that the highest possible resolution sensitivity is given. The only The condition for such a converter is that the transit time in the coupling element 19 is greater than the running time in item 10 must be.

Claims

PATENT CLAIM:

Ultrasonic transducer with at least two stacked piezoelectric crystals for the transmission and reception of mechanical impulses in or out of an object, characterized in that one crystal (17) is separated from the crystal adjacent to the object (10) by a coupling element (19) , the length of which is chosen so that the transit time of a pulse in it is greater than the transit time of the pulse in the object.

Considered publications:
U.S. Patent No. 2,625,035.

1 sheet of drawings

109 737/130 10.61