Ultraschallwandler

Abstract

 Die Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschallwandler mit einem gekrümmten piezoelektrischen Schwingerkörper. Erfindungsgemäß ist dem sphärisch oder zylinderförmig konkav gekrümmten Schwingerkörper (2) als Vorlaufstrecke eine konvexe Linse (8) zugeordnet, deren konvexe Oberfläche der Krümmung des Schwingerkörpers (2) angepaßt ist und deren gegenüberliegende Oberfläche an die Oberfläche eines zu untersuchenden Werkstücks (10) akustisch ankoppelbar ist Mit diesem Wandler erhält man eine gute Fokussierung und nur geringe Störechos.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschallwandler mit einem gekrümmten piezoelektrischen Schwingerkörper, der in Richtung seiner Dicke polarisiert ist und dessen Flachseiten jeweils mit einer elektrisch leitenden Oberflächenschicht versehen sind.

[0002] Zur Erhöhung der Intensität oder zur Erhöhung des Auflösungsvermögen sind innerhalb der Ultraschalltechnik bei vielen Anwendungsfällen Schallfelder mit Einschnü- .rung erforderlich. Man benutzt diese Fokussierung des Schallbündels in der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung, in der Medizin sowie beispielsweise auch beim Reinigen und Schweißen mit Ultraschall. In einer bekannten Vorrichtung zur Untersuchung von Geweben mit Ultraschall ist der Wandler in einem Behälter mit akustischer Übertragungsflüssigkeit angeordnet, der mit einem akustisch transparenten Fenster versehen ist, das zur Ankopplung an den zu untersuchenden Körper dient. Die beiden Flachseiten des piezoelektrischen Schwingerkörpers sind jeweils mit einer elektrisch leitenden Oberflächenschicht versehen und mit Elektroden verbunden. Zur Fokussierung des Schallbündels kann die dem zu untersuchenden Körper zugewandte Oberfläche des Schwingerkörpers konkav gekrümmt sein (DE-OS 27 10 038).

[0003] Eine Fokussierung bei ebenen piezoelektrischen Schwingerkörpern erhält man ferner durch eine unmittelbar auf den ebenen Schwinger aufgesetzte sphärische Linse. Wird dieser Fokussierungslinse noch eine vorzugsweise auswechselbare Vorlaufstrecke aus einem als Anpassungskörper geeigneten Material zugeordnet, deren dem Schwingerkörper zugewandte Oberfläche der Fokussierungslinse angepaßt ist und deren gegenüberliegende Oberfläche der Oberfläche des zu untersuchenden Körpers angepaßt ist, so kann der Wandler auch direkt auf die Oberfläche des zu untersuchenden Objektes aufgesetzt werden. Zur Ankopplung dient dann bei Materialuntersuchungen im allgemeinen noch ein Flüssigkeitsfilm, beispielsweise aus Öl. Die fokussierende Wirkung dieses Ultraschallwandlers mit flachem Schwingerkörper ist jedoch geringer als die Fokussierung mit einem gekrümmten Schwingerkörper. Ferner erhält man an der Grenzfläche zwischen der Fokussierungslinse und der Vorlaufstrecke zusätzliche Störechos ("Materialprüfung" 19 (1977), Nr. 10, Seiten 441 bis 444).

[0004] Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Ultraschallwandler der eingangs genannten Art zu verbessern, insbesondere soll er bei großem Signal-Rausch--abstand für eine Direktprüfung verwendbar sein.

[0005] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß dem gekrümmten Schwingerkörper als Vorlaufstrecke eine Linse zugeordnet ist, deren konvexe Oberfläche der Krümmung des Schwingerkörpers angepaßt ist und deren gegenüberliegende Oberfläche an die Oberflächenform eines zu untersuchenden Objekts akustisch ankoppelbar ist. Dabei wird die Höhe der Linse vorzugsweise so gewählt, daß zu erwartende Signalechos aus dem Fokusbereich und Störechos von der Grenzfläche zwischen Linse und Prüfkörper vom Schwingerkörper nach unterschiedlichen Laufzeiten aufgenommen werden. Dem gekrümmten Schwingerkörper ist somit eine feste Vorlaufstrecke zugeordnet. Durch Verminderung der Grenzflächenzahl ergeben sich übersichtlichere Echoanzeigen und damit bessere Meßergebnisse.

[0006] Durch eine auswechselbare Vorlaufstrecke kann der Wandler verschiedenen Oberflächenformen, beispielsweise verschiedenen Krümmungsradien, des zu untersuchenden Werkstücks angepaßt werden. Außerdem kann damit der Abstand des Schwingerkörpers von der Oberfläche des Werkstücks und damit die Lage des Fokuspunktes innerhalb des zu untersuchenden Körpers geändert werden.

[0007] In einer besonderen Ausführungsform des Ultraschallwandlers können der eine Kugelkalotte bildende Schwingerkörper und gegebenenfalls auch die Vorlaufstrecke zur Vermeidung akustischer Überkopplung in zwei gleiche Hälften aufgeteilt sein. In dieser Ausführungsform kann eine Hälfte des Schwingerkörpers als Sender und die andere als Empfänger verwendet werden.

[0008] Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der eine Ausführungsform eines Ultraschallwandlers nach der Erfindung schematisch veranschaulicht ist.

[0009] Ein gekrümmter Schwingerkörper 2 aus piezoelektrischem Material ist an seiner Flachseite jeweils mit einer Oberflächenschicht 4 bzw. 6 aus elektrisch leitendem Material versehen, die mit in der Figur nicht dargestellten elektrischen AnschluBleitern verbunden sind. Die konkave Flachseite der Membran 2 ist mit einer Vorlaufstrecke 8 verbunden, deren dem Schwingerkörper 2 zugewandte Oberfläche der Krümmung des Schwingerkörpers und -deren gegenüberliegende Oberfläche der Oberfläche eines Werkstücks 10 angepaßt ist, das in der Figur flach dargestellt ist.

[0010] Die Lage des Fokuspunktes Fp im zu untersuchenden Werkstück 10 kann durch die Frequenz f und den Durchmesser D sowie den Krümmungsradius R des Schwingerkörpers 2 und durch den Abstand L des Schwingerkörpers 2 von der Oberfläche des Werkstücks 10 sowie durch das Verhältnis der Schallgeschwindigkeit c₁ des Materials der Vorlaufstrecke 8 zur Schallgeschwindigkeit c₂ des Materials des zu untersuchenden Werkstücks 10 verändert werden.

[0011] Als Material für die Vorlaufstrecke 8 ist beispielsweise Messing, Keramik oder keramisches Glas (Macor) sowie Polymethylmetacrylat (Plexiglas) geeignet. Die Vorlaufstrecke 8 aus festem Material läßt eine bessere akustische Anpassung an ein metallisches Werkstück 10 zu als eine Flüssigkeit. Auch an ein schallweiches Medium, beispielsweise den menschlichen Körper, läßt sich der Wandler mit einer Vorlaufstrecke 8 aus Polymethylmetacrylat (Plexiglas) ankoppeln.

[0012] Soll der Ultraschallwandler zur Untersuchung eines Werkstücks 10 mit einer gekrümmten Oberfläche verwendet werden, so wird eine Vorlaufstrecke vorgesehen, deren dem zu untersuchenden Körper 10 zugewandte Oberfläche diesen Krümmungsradius hat.

[0013] Die Vorlaufstrecke 8 des Wandlers kann vorzugsweise auswechselbar sein. In dieser Ausführungsform wird im allgemeinen zwischen der Metallschicht 6 und der Vorlaufstrecke 8 noch eine in der Figur nicht dargestellte Schutzschicht vorgesehen, die auch als Anpassungsschicht ausgeführt sein kann.

[0014] Sollen in einer besonderen Ausführungsform eines Ultraschallwandlers Sender und Empfänger getrennt werden, so kann der Schwingerkörper 2 mit der Vorlaufstrecke 8 beispielsweise mit einem Schnitt längs der strichpunktiert angedeuteten Rotationsachse 12 in zwei Hälften aufgeteilt werden, von denen dann einer als Sender und der andere als Empfänger verwendet werden kann.

[0015] Im Ausführungsbeispiel ist ein gekrümmter Schwingerkörper 2 angenommen, der eine Kugelkalotte bildet. Der Wandler kann jedoch statt des sphärisch gekrümmten Schwingerkörpers auch einen zylinderförmigen Schwingerkörper enthalten, der einen Teil eines Hohlzylinders darstellt. Dieser Schwingerkörper bildet anstelle eines Fokuspunktes eine Fokuslinie parallel zur Zylinderachse.

Ansprüche

1. Ultraschallwandler mit einem gekrümmten piezoelektrischen Schwingerkörper, der in Richtung seiner Dicke polarisiert ist und dessen Flachseiten jeweils mit einer elektrisch leitenden Oberflächenschicht versehen sind, dadurch gekennzeichnet , daß dem gekrümmten Schwingerkörper (2) als Vorlaufstrecke (8) eine Linse zugeordnet ist, deren konvexe Oberfläche der Krümmung des Schwingerkörpers (2) angepaßt ist und deren gegenüberliegende Oberfläche an die Oberfläche eines zu untersuchenden Werkstücks (10) akustisch ankoppelbar ist.

2. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Höhe (L) der Vorlaufstrecke (8) so gewählt wird, daß Signalechos aus dem Bereich des Fokuspunktes (F_p) und Störechos von der Grenzfläche zwischen Vorlaufstrecke (8) und Werkstück (10) vom Schwingerkörper (2) nach unterschiedlichen Laufzeiten aufgenommen werden.

3. Ultraschallwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingerkörper (2) in zwei Hälften aufgeteilt ist, von denen eine als Sender und die andere als Empfänger verwendbar ist.

4. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Vorlaufstrecke (8) auswechselbar ist.

Zeichnung