Die hochfrequenten Schallwellen, die zur Fehlererkennung und Dickenmessung bei zerstörungsfreien Ultraschallprüfanwendungen verwendet werden, werden von kleinen Sonden, den sogenannten Ultraschallwandlern, erzeugt und empfangen. Messwandler sind der Ausgangspunkt für jeden Ultraschall-Testaufbau. Sie sind in einer Vielzahl von Frequenzen, Größen und Gehäusestilen erhältlich, um die Inspektionsanforderungen zu erfüllen, von der Fehlererkennung in riesigen Mehrtonnen-Schmiedestücken aus Stahl bis zur Dickenmessung von hauchdünnen Beschichtungen.
Ein Wandler ist im Allgemeinen als jedes Gerät definiert, das eine Energieform in eine andere umwandelt. Das Thema dieser Arbeit sind die Ultraschallwandler, die für die Dickenmessung und die konventionelle Fehlererkennung verwendet werden. Phased-Array-Sonden, die mehrere Elemente verwenden, um gelenkte Schallstrahlen zu erzeugen, werden ausführlich beschrieben.
Wandler wandeln einen Impuls elektrischer Energie vom Prüfgerät in mechanische Energie in Form von Schallwellen um, die sich durch den Prüfling bewegen. Vom Prüfling reflektierte Schallwellen werden wiederum vom Wandler in einen elektrischen Energieimpuls umgewandelt, der vom Prüfgerät verarbeitet und angezeigt werden kann. Tatsächlich fungiert der Wandler als Ultraschalllautsprecher und -mikrofon und erzeugt und empfängt Schallwellenimpulse mit Frequenzen, die viel höher sind als die Reichweite des menschlichen Gehörs.
Typischerweise ist das aktive Element eines NDT-Wandlers eine dünne Scheibe, ein Quadrat oder ein Rechteck aus piezoelektrischer Keramik oder einem Verbundstoff, die elektrische Energie in mechanische Energie umwandelt und umgekehrt. Dieses Element wird gelegentlich als Kristall bezeichnet, da in den Anfängen der Ultraschall-ZfP Elemente aus Quarzkristallen hergestellt wurden. Keramiken wie Bleimetaniobat und Bleizirkoniumtitanat werden jedoch seit langem in den meisten Wandlern verwendet. In den letzten Jahren wurden zunehmend Verbundelemente verwendet, bei denen die traditionelle Scheibe oder Platte aus fester Keramik durch ein mikrobearbeitetes Element ersetzt wurde, bei dem winzige Zylinder aus piezoelektrischer Keramik in eine Epoxidmatrix eingebettet sind. Verbundelemente können in vielen Fehlererkennungsanwendungen eine erhöhte Bandbreite und eine verbesserte Empfindlichkeit bereitstellen.
Typische Einzelelement- und Doppelelementwandlerkonstruktion.
Wenn es durch einen elektrischen Impuls erregt wird, erzeugt dieses piezoelektrische Element Schallwellen, und wenn es durch zurückkehrendes Echo vibriert, erzeugt es eine Spannung. Das aktive Element ist durch eine Verschleißplatte oder eine akustische Linse vor Beschädigung geschützt und durch einen Block aus Dämpfungsmaterial gesichert, der den Wandler beruhigt, nachdem der Schallimpuls erzeugt wurde. Diese Ultraschallbaugruppe ist in einem Gehäuse mit geeigneten elektrischen Anschlüssen montiert. Alle gängigen Kontakt-, Winkelstrahl-, Verzögerungsleitungs- und Immersionswandler verwenden diese Grundkonstruktion. Die in Bildgebungsanwendungen verwendeten Phased-Array-Sonden kombinieren einfach eine Anzahl einzelner Wandlerelemente in einer einzigen Baugruppe. Dual-Element-Wandler, die üblicherweise in Korrosionsuntersuchungsanwendungen verwendet werden, unterscheiden sich dadurch, dass sie separate Sende- und Empfangselemente aufweisen, die durch eine Schallbarriere, keinen Hintergrund und eine integrierte Verzögerungsleitung getrennt sind, um die Schallenergie zu steuern und zu koppeln, anstatt eine Verschleißplatte oder Linse. Abbildung 1 zeigt den typischen Wandleraufbau.
Während das Grundkonzept einfach ist, sind Wandler Präzisionsgeräte, die bei Design, Materialauswahl und Herstellung besondere Sorgfalt erfordern, um eine optimale und gleichmäßige Leistung zu gewährleisten. Die Wandler, die üblicherweise in herkömmlichen Ultraschall-NDTs verwendet werden, lassen sich aufgrund ihrer Konstruktion und ihres Verwendungszwecks in fünf allgemeine Kategorien einteilen.
