Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lastsonde zum Prüfen eines akustischen Wandlers mit Ultraschallfrequenzen, die insbesondere, aber nicht ausschließlich, geeignet ist zur Prüfung eines akustischen Unterwasserwandlers in Luft.

Wandler, beispielsweise piezoelektrische Wandler, können dadurch überprüft werden, dass die normale akustische Impedanz simuliert wird, der sie in dem Medium, beispielsweise einer Flüssigkeit wie Wasser, ausgesetzt sind, in der sie arbeiten sollen. Derartige Wandler sollen akustische Signale erzeugen oder detektieren.

Die GB-B-2259427 und die GB-B-2217952 beschreiben beide Lastsonden, die zur Prüfung von elektroakustischen Wandlern in Luft bestimmt sind und die erfolgreich bei Frequenzen in dem einzahligen kHz-Bereich arbeiten. Bei derart niedrigen Frequenzen können hohe Leistungsanforderungen mit relativ niedrigen Leistungsdichte (Fluss)-Werten befriedigt werden, weil die Sonde bei solchen Frequenzen relativ große Abmessungen besitzt, wo eine typische Leistungsdichte (Fluss) in der Größenordnung von 0,5W pro mm² Querschnittsfläche liegt. Derartige bekannte Lastsonden können auch bei Ultraschallfrequenzen im Zehner-kHz-Bereich benutzt werden, vorausgesetzt, dass die Leistungsdichte (Fluss)-Pegel auf einem maximalen Wert von 0,5W pro mm² Querschnittsfläche gehalten werden. Wegen der Reduktion in der Wellenlänge und infolgedessen der Abmessungen ist jedoch die Arbeitsweise auf Ultraschallfrequenzen mit geringem Leistungspegel begrenzt, wobei jedoch für ähnliche Hochleistungsanwendungen die Leistungsdichte (Fluss)-Erfordernisse beträchtlich höher sind und in der Größenordnung von 5,0W pro mm² Querschnittsfläche liegen. Während die Lastsonden gemäß GB-B-2217952 und GB-B-2259427 allgemein erfolgreich sind, so sind sie jedoch nicht für Hochleistungsprüfung bei Ultraschallfrequenzen geeignet, und zwar teilweise wegen ihrer Ausbildung und Konstruktion und teilweise wegen des Materials, aus dem sie gefertigt sind. Beispielsweise wird bei Leistungsdichten (Fluss) in der Größenordnung von 5,0W pro mm² Querschnittsfläche das Material, welches allgemein ein Acrylpolymer ist, aus dem die Sonde besteht, erhitzt und bei Temperaturen im Bereich von 30°C bis 40°C erhöht sich die akustische Absorption durch das Auftreten von beta-relaxation, was zu einer thermischen Abwanderung führt, so dass das Material schnell erweicht, wenn es die Glasübergangstemperatur erreicht. Hierdurch werden nicht nur die akustischen Absorptionscharakteristiken beträchtlich gealtert, sondern auch die Lebensdauer der Sonde wird beträchtlich verringert.

Außerdem ist die Konstruktion derartiger bekannter Sonden derart, dass der Hauptkörper der Sonde hohl ist und ein akustisch absorbierendes Material enthält, das gewöhnlich ein teilweise polymerisiertes, mit Metall beschicktes Epoxydharz ist. Bei Ultraschallfrequenzen hat dieses Material einen unerwünscht hohen akustischen Verlustfaktor, was zu einer schnellen Erhitzung des Kunststoffs über eine kurze Länge zu Beginn des Volumens führt, das durch das Lastsondenrohr gebildet wird, so dass bei erhöhten Temperaturen über Raumtemperatur das akustisch absorbierende Kunststoffmaterial zu altern beginnt, da es kein stabiles System ist. Bei höheren Temperaturen kann das Material flüssig werden und schnell altem, worauf das Material erhärtet und diskontinuierlich mit dem übrigen Material der Sonde wird. Dies verursacht Reflexionen und macht die Sonde für eine weitere Benutzung ungeeignet.

Es besteht ein Bedürfnis nach einer allgemein verbesserten Lastsonde, die in der Lage ist, bei Ultraschallfrequenzen ohne Beeinträchtigung der Materialeigenschaften zu arbeiten, wie dies bei herkömmlichen Lastsonden gemäß GB-B-2217952 und GB-B-2259427, wie oben erwähnt, der Fall ist.

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung betrifft diese eine zum Prüfen eines akustischen Wandlers geeignete Lastsonde mit einem langgestreckten, massiven ersten Körperteil zum Tragen eines piezoelektrischen Prüfelementes, wobei der langgestreckte, massive erste Körperteil aus einem ersten Material geformt und in der Lage ist, die normale akustische Impedanz zu simulieren, die einem zu prüfenden Wandler durch ein Medium präsentiert wird, in dem der Wandler arbeiten soll und mit einem langgestreckten, massiven zweiten Körperteil aus einem akustisch absorbierenden Material mit einer akustischen Impedanzcharakteristik, die im Wesentlichen jener des ersten Materials angepasst ist, aus dem der erste Körperteil hergestellt ist, wobei der zweite Körperteil an einem Ende stirnseitig mit einem Ende des ersten Körperteils verbunden ist, wobei die Lastsonde dadurch gekennzeichnet ist, dass der zweite Körperteil im Wesentlichen stabförmig in seiner Gestalt ist und dass das Material, aus dem der zweite Körperteil besteht, aus einem elastomeren Polyurethan hergestellt ist mit einem Absorptionskoeffizienten, der höher ist als jener des ersten Materials über einen Temperaturbereich zwischen 5°C und 130°C.

Vorzugsweise enthält das elastomere Polyurethanmaterial Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, Wolframpulver, Wolframkarbid, Wolframborid, Wolframsilizid, Molybdenpulver, Molybdenkarbid, Molybdennitrid, Tantalpulver, Tantalkarbid oder Tantalnitrid in einer Menge, die so gewählt wird, dass die akustische Impedanz des Materials des zweiten Körperteils der Impedanz des Materials des ersten Körperteils angepasst ist.

Zweckmäßigerweise besteht der zweite Körperteil aus diskreten Stücken oder Schichten aus elastomerem Polyurethanmaterial, wobei jedes Stück oder jede Schicht unterschiedliche Eigenschaften in der Folge längs des zweiten Körperteils aufweist.

Stattdessen kann der zweite Körperteil aus einem kontinuierlich graduierten elastomeren Polyurethanmaterial gefertigt sein.

Zweckmäßigerweise besteht das erste Material, aus dem der erste Körperteil hergestellt ist, aus einem Polykarbonat, aus Polyethylenterephthalat oder Polyethersulfon mit einem niedrigen Absorptionskoeffizienten über einen Temperaturbereich zwischen 5°C bis 200°C.

Zweckmäßigerweise sind erster und zweiter Körperteil miteinander über einen Vorsprung verbunden, der an einem Ende des einen Körperteils vorgesehen ist und in eine entsprechend gestaltete Ausnehmung eingreift, die in einem Ende des anderen Körperteils vorgesehen ist.

Vorzugsweise sind Vorsprung und Ausnehmung von konischer Gestalt.

Vorzugsweise ist der zweite benutzte Körperteil durch Gießen hergestellt.

Zweckmäßigerweise ist die Lastsonde so konstruiert und dimensioniert, dass das Arbeitsmedium simuliert wird.

Vorzugsweise ist die Lastsonde in der Lage, einen akustischen Wandler in Luft zu überprüfen.

Vorzugsweise ist der erste Körperteil im Querschnitt im Wesentlichen kreisförmig und besitzt ein tailliertes Profil, das durch zwei gegenüberliegende kegelstumpfförmige Abschnitte gebildet ist, die so dimensioniert sind, dass eine Anpassung der akustischen Impedanz des ersten Körperteils auf die akustische Impedanz des Mediums unterstützt wird, in welchem der zu überprüfende Wandler arbeitet.

Vorzugsweise wird das piezoelektrische Prüfelement durch den ersten Körperteil zwischen den Enden des ersten Körperteils oder am Ende des ersten Körperteils getragen, der dem einen Ende entgegengesetzt ist.

Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft diese eine Messvorrichtung, die zwei der obigen Lastsonden aufweist und die stirnseitig mit dem zu messenden Material in Sandwich-Form dazwischen angeordnet sind.

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

1 ist eine Grundrissansicht einer Lastsonde gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

2 ist eine Grundrissansicht einer Lastsonde gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

3 ist eine Grundrissansicht einer Lastsonde gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und

4 ist eine Grundrissansicht einer Materialprüfanordnung, die zwei Lastsonden benutzt.

Eine Lastsonde gemäß der vorliegenden Erfindung kann zur Prüfung eines akustischen Wandlers in Luft benutzt werden, um die Benutzung in irgendeinem geeigneten Medium zu simulieren, in dem der Wandler benutzt werden soll. Vorzugsweise simuliert die Lastsonde die Arbeitsweise des Wandlers in einem flüssigen Medium, wie beispielsweise Wasser, und er simuliert nicht nur die akustischen Absorptionscharakteristiken des Mediums, sondern auch im Fall eines flüssigen Mediums, wie beispielsweise Wasser, die Druckcharakteristiken hiervon.

Wie aus 1 der beiliegenden Zeichnung ersichtlich, weist eine Lastsonde gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zum Prüfen eines akustischen Wandlers bei Ultraschallfrequenzen einen langgestreckten, massiven ersten Körperteil 1 und einen langgestreckten, massiven zweiten Körperteil 2 auf.

Der erste Körperteil besitzt ein erstes Ende 3 zum Tragen eines piezoelektrischen Prüfelementes. Der Zweck der Sonde der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine komplexe mechanische Impedanz einem Wandler zu präsentieren, die der Belastung entspricht, der der Wandler ausgesetzt ist, wenn er in seinem normalen Betriebsmedium, beispielsweise Wasser, arbeitet. Im Betrieb wird das Prüfelement an das Ende 3 der Sonde in Kontaktberührung mit dem Kopf des nicht dargestellten zu prüfenden Wandlers in Luft plaziert, und es kann entweder akustische Strahlung aussenden oder diese empfangen.

Der langgestreckte, massive erste Körperteil 1 der Sonde gemäß der Erfindung besteht aus einem ersten Material und ist in der Lage, die normale akustische Impedanz zu simulieren, der ein zu prüfender Wandler in einem Medium ausgesetzt ist, in dem der Wandler arbeiten soll, beispielsweise in einem flüssigen Medium wie Wasser. Wie dargestellt, ist der erste Körperteil 1 im Wesentlichen im Querschnitt kreisförmig und besitzt ein tailliertes Profil, das durch zwei aneinanderstoßende, im Gegensinn kegelstumpfförmige Abschnite 4a und 4b gebildet wird, um die Anpassung der akustischen Impedanz des ersten Körperteils 1 auf jene des Mediums zu unterstützen, in dem der zu prüfende Wandler arbeitet. Vorzugsweise ist das Material, aus dem der erste Körperteil 1 besteht, ein Polykarbonat, ein Polyethylenterephthalat oder ein Polyethersulfon mit einem niedrigen Absorptionskoeffizienten über einen Temperaturbereich zwischen 5°C bis 200°C. Das bevorzugte Material ist Polyethersulfon, und dies ist ein zähes und stabiles Material, das eine gute Impedanzanpassung an Wasser simuliert und sich nur wenig ändert, wenn die Temperatur während des Hochleistungsbetriebes etwas ansteigt. Das beta-relaxation-Phänomen tritt bei –100°C auf, so dass eine geringe Änderung des Absorptionskoeffizienten bei einer Temperatur im Arbeitsbereich zwischen 5°C und 200°C zu erwarten ist. Die Impedanzanpassung an Wasser wird über eine Frequenzoktave durch die taillierte Ausbildung möglich, die durch die beiden kegelstumpfförmigen Abschnitte 4a und 4b gebildet wird. Unter dem Ausdruck "Oktave" wird eine Frequenzverdopplung verstanden, wie dies auf diesem Gebiet der Technik üblich ist. Ein typischer Frequenzbereich, über den die Oktave erreicht werden kann, liegt zwischen 1 bis 50 kHz und eine Sonde kann in jenem Bereich beispielsweise bei 1 bis 2 kHz, bei 5 bis 10 kHz, bei 25 bis 50 kHz oder in irgendeinem anderen geeigneten Bereich arbeiten, in welchem die Frequenz verdoppelt werden kann.

Die erfindungsgemäße Sonde gemäß 1 der beiliegenden Zeichnung weist auch den langgestreckten, massiven zweiten Körperteil 2 auf, der aus einem akustisch absorbierenden Material mit einer akustischen Impedanzcharakteristik besteht, die kompatibel mit jener des ersten Materials ist, aus dem der erste Körperteil 1 hergestellt ist. Der zweite Körperteil 2 ist auf irgendeine geeignete Weise an einem Ende mit einem zweiten Ende des ersten Körperteils 1 verbunden. Wie dargestellt, wird dies dadurch erreicht, dass an einem Ende des einen Körperteils, beispielsweise am zweiten Körperteil 2, ein Vorsprung 5 angebracht wird, der in eine entsprechend gestaltete Ausnehmung 6 eingreift, die an einem Ende des anderen Körperteils vorgesehen ist, was gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel der erste Körperteil 1 ist. Der Vorsprung 5 und die Ausnehmung 6 haben vorzugsweise eine konische Form.

Der zweite Körperteil 2 ist im Wesentlichen stabförmig gestaltet und das Material, aus dem er besteht, ist ein elastomeres Polyurethan mit einem Absorptionskoeffizienten, der größer ist als jener des Materials des ersten Körperteils über einen Temperaturbereich zwischen 5°C und 130°. Ein geeignetes elastomeres Polyurethan kann erhalten werden aus einem polymeren Methylendiphenyldiisocyanat oder einem Äquivalent, welches mit einem Polyol reagiert. Das Polyol ist di-funktional oder multifunktional und seine molare Masse ist so eingestellt, dass die erforderlichen akustischen und mechanischen Eigenschaften gebildet werden. Die Polyurethan-Ansätze können einen geeigneten Kettenstrecker, beispielsweise (1,4) Butandiol enthalten, und es kann ein geeigneter Katalysator eingebaut sein.

Es ist leicht verständlich, dass das Absorptionsmaterial in der Weise entwickelt wurde, dass ein optimaler Ausgleich zwischen den einander zuwiderlaufenden Forderungen erzielt wird, nämlich Erreichen einer totalen Absorption der akustischen Energie und Schaffung einer großen thermischen Masse, um einen Hochleistungsbetrieb zuzulassen, ohne dass der Absorber beeinträchtigt wird. Für optimale Ergebnisse ist es wichtig, dass den unten beschriebenen Ansätzen gefolgt wird und dass insbesondere keine Schaumbildung der Polyurethanmischung erfolgt. Eine spezielle Sorgfalt ist deshalb zur Trocknung des Materials unter Vakuum erforderlich, bevor eine Mischung erfolgt, und es ist eine durchgehende Entgasung während der Vermischung erforderlich.

Eine Liste von Chemikalien, die erforderlich sind, um das elastomere Polyurethan (Absorptionsmaterial) herzustellen, ist in der folgenden Tabelle 1 angegeben. Tabelle 1 Material Beschreibung Polyol Daltocel F438 Diisocyanat (polymeres MDI) Suprasec 5005 Kettenstreckmittel 1,4 Butandiol Katalysator Thorcat 535 Siliziumnitrid (Pulver) Siebweite 325 mesh, vorherrschend beta-Phase, CAS Nr. 12033-89-5. Produkt Nr. 248622. Reinheitsgrad: extra rein

Die technischen Beschreibungen dieser Polyurethan-Reaktionsmittel und Füllstoffe werden nachstehend angegeben:

Dieses Produkt wird mit einer Diethylenglycolglycerol-Mischung initiiert. Es wird dann mit Propylenoxid, gestreckt mit einer 20,6%igen Ethylenoxidspitze, gekappt. Das resultierende Produkt hat eine Funktionalität von etwa 2,2 und liefert ein qualitatives Elastomer mit einer deutlichen Aushärtung, wenn es richtig angesetzt ist. Die Viskosität beträgt 900cp bei 25°C und der OH-Wert ist 35.

1,4 Butandiol wird in großem Umfang als Kettenstreckmittel in Polyurethanelastomeren benutzt. Das Produkt neigt jedoch zu einer Kristallisation bei Temperaturen unter 10°C in Mischungen, und es wird daher normalerweise in einer warmen Umgebung gehalten. Der OH-Wert beträgt 1246, das Äquivalenzgewicht ist 45.

Dieses Produkt ist üblicherweise als polymeres MDI bekannt. Es besitzt eine durchschnittliche Funktionalität von 2,7, einen NCO-Gehalt von 30,7% und eine Viskosität von 230cp bei 25°C. In dem hier angegebenen Ansatz wird es benutzt mit etwa 25% über dem stoichiometrischen Wert.

Dies ist ein auf Quecksilber basierender Katalysator, der die Urethanreaktion gegenüber der Wasser-Isocyanat-Reaktion begünstigt und wird demgemäß in großem Umfang bei Elastomeren benutzt.

Es ist sehr wichtig, dass Siliziumnitrid hydrophob ist und beträchtliche Mengen eingebaut werden können, ohne schädliche Wirkungen auf die Verarbeitung. Siliziumnitrid tritt in zwei Formen &agr; und &bgr; auf, die ähnliche Kristallstrukturen haben, aber die folgenden Zellendimensionen: für &agr; : a = 7,753Å, c = 5,623Å; und für &bgr; : a = 7,603Å, c = 2,906Å.

Die &bgr;-Phase ist die bessere Hochtemperaturphase und es wurde noch keine überzeugende Demonstration des &bgr; → &agr; – Ansatzes berichtet. Das oben erwähnte Siliziumnitrid ist vorherrschend in &bgr;-Phase mit einer Partikelgröße, die mit einer Siebweite von 325 mesh gekennzeichnet ist.

Es ist darauf hinzuweisen, dass die verschiedenen Gesundheits- und Sicherheitsdatenblätter der Hersteller für die obigen Produkte beachtet werden müssen. Insbesondere ist es wichtig, dass Dämpfe von Diisocyanat, das polymeres MDI enthält, nicht inhaliert werden können.

Ein typischer Ansatz für ein Polyurethanmaterial ist in der folgenden Tabelle 2 gekennzeichnet. Tabelle 2 Material Gewichtsprozente Polyol 35,4 Diisocyanat 28,7 Kettenstreckmittel 6,4 Katalysator 0,1 Siliziumnitrid (Pulver) 29,4

Wenn Änderungen bezüglich des Absorptionspegels für eine spezielle Anwendung erforderlich sein sollten, dann sollte der Kettenstreckpgel in erster Linie geändert werden und eine Änderung von +0,5% verursacht einen geringen, aber nützlichen Abfall des Absorptionskoeffizienten.

Derartige massive Polyurethanmaterialien zeigen gute Alterungscharakteristiken und haben daher eine längere Lebensdauer für die Lastsonde, vorausgesetzt dass eine Materialtemperatur von 130°C nicht überschritten wird. Insbesondere werden diese Alterungscharakteristiken durch Nachhärtung des Absorbers bei erhöhten Temperaturen verbessert. Die Zusammensetzung des Polyurethanmaterials kann geändert werden, um einen Bereich von Absorptionskoeffizienten zu erhalten, die so gewählt werden können, dass eine Anpassung an die jeweilige Frequenz für die Charakteristiken des zu prüfenden Wandlers möglich wird. Die präzise Wahl der elastomeren Polyurethan-Zusammensetzung kann die Benutzung entweder einer Zahl von diskreten Stücken oder von Schichten innerhalb des Körperteils 2 aufweisen, die jeweils unterschiedliche Eigenschaften in aufeinanderfolgender Weise haben, d.h. jedes Stück oder jede Schicht hat andere Eigenschaften, die entlang des Körperteils 2 aufeinanderfolgen oder es kann ein kontinuierlich graduiertes Material Anwendung finden.

Es ist erforderlich, dass die akustische Impedanz des Materials, aus dem der zweite Körperteil hergestellt ist, dem Material des ersten Körperteils angepasst ist, aus dem der erste Körperteil hergestellt ist. Damit die akustische Impedanz des Materials, aus dem der zweite Körperteil besteht, dem Material angepasst werden kann, aus dem der erste Körperteil besteht, muss die nachfolgende Beziehung erfüllt sein: &rgr;₁ × c₁ = &rgr;₂ × c₂ wobei &rgr;₁ die Dichte des Materials ist, aus dem der erste Körperteil besteht;

&rgr;₂ die Dichte des Materials ist, aus dem der zweite Körperteil besteht;

c₁ die Schallgeschwindigkeit in dem Material ist, aus dem der erste Körperteil besteht; und

c₂ die Schallgeschwindigkeit in dem Material ist, aus dem der zweite Körperteil besteht.

Weiter ist der Reflexionskoeffizient für die beiden Materialien wie folgt definiert: (&rgr;₁c₁ – &rgr;₂c₂)/(&rgr;₁c₁ + &rgr;₂c₂)

Da die akustische Impedanz von Polyethersulfon höher ist als jene des elastomeren Polyurethanmaterials, kann dem Polyurethanmaterial eine Substanz zugesetzt werden, die eine höhere akustische Impedanz hat als jene des Materials, aus dem der zweite Körperteil 2 hergestellt ist, so dass die Anpassung der akustischen Impedanz leichter erreicht werden kann, um unerwünschte Reflexionen zu verhindern. Aus diesem Grund enthält das elastomere Polyurethanmaterial vorzugsweise Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, Wolframpulver, Wolframkarbid, Wolframborid, Wolframsilizid, Molybdenpulver, Molybdenkarbid, Molybdennitrid, Tantalpulver, Tantalkarbid oder Tantalnitrid in einer Menge bis zu 10 Volumenprozent, gewählt derart, dass die akustische Impedanz des Materials des zweiten Körperteils angepasst ist an die Impedanz des Materials des ersten Körperteils.

Die für den ersten Körperteil 1 und den zweiten Körperteil 2 benutzte Konstruktion ist für die vorliegende Erfindung wichtig. Bei Lastsonden gemäß der GB-B-2259427 und GB-B-2217952 war der langgestreckte Körperteil, der dem zweiten Körperteil 2 der vorliegenden Erfindung äquivalent ist, rohrförmig ausgebildet und enthielt einen Hohlraum, in den ein langgestreckter konvergierender Abschnitt, der am ersten Körperteil vorgesehen war, erstreckt wurde, wobei ein Volumen innerhalb des rohrförmigen Abschnitts verblieb, der mit einem akustischen Absorptionsmaterial in einem flüssigen Zustand gefüllt wurde, bevor die Aushärtung erfolgte. Eine solche Form der Konstruktion hat sich als schwierig erwiesen, um die Aufgabe mit Sonden kleinerer Dimensionen zu erfüllen, wie dies die Arbeitsweise bei Ultraschallfrequenzen ohne Einschluss von Lufthohlräumen erfordert, die unerwünschte und beträchtliche Reflexionen verursachen. Bei diesem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ermöglicht die Benutzung des akustischen Absorptionsmaterials für den zweiten Körperteil 2 ohne die Notwendigkeit, dieses Material in einem Rohr unterzubringen, einen vollständig massiven Aufbau, wodurch die erwähnten Probleme gelöst werden. Außerdem wird eine spanabhebende Bearbeitung komplexer, langgestreckter Körper und Rohre ebenso vermieden wie die folgende Fülloperation. Die thermische Kapazität wird beträchtlich vergrößert, wobei weiter die Hochleistungsfähigkeit für die Lastsonde nach der vorliegenden Erfindung erhöht wird, wobei der Herstellungsprozess für den zweiten Körperteil 2 einfach durch Gießen des zweiten Körperteils 2 erreicht werden kann, der aus einem akustisch absorbierenden Material besteht, das direkt mit dem ersten Körperteil 1 verbunden ist, der ebenfalls durch Gießen oder spanabhebende Bearbeitung hergestellt werden kann.

Eine Lastsonde gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel des ersten Aspektes vorliegender Erfindung ist in 2 der beiliegenden Zeichnung dargestellt, und dieses Ausführungsbeispiel ist grundsätzlich gleich dem ersten Ausführungsbeispiel nach 1, wobei gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind und deshalb nicht nochmals beschrieben werden. Bei dem Ausführungsbeispiel nach 2 ist jedoch das piezoelektrische Prüfelement 7 nicht am Ende 3 des ersten Körperteils 1 angebracht, sondern zwischen den Enden 3 und 6, wie in der Zeichnung dargestellt. Das Element 7 kann an dem Körperteil 1 in irgendeiner beliebigen Weise festgelegt werden, beispielsweise durch Festlegung um den Umfang des Körperteils oder durch Einsetzen in diesen.

3 veranschaulicht ein drittes Ausführungsbeispiel einer Lastsonde 10 gemäß der vorliegenden Erfindung. Dieses Ausführungsbeispiel ist für Hochleistung bestimmt, wobei die thermische Kapazität des zweiten Körperteils und demgemäß die Gesamtprüfzeit, die verfügbar ist, weiter durch die Wirkung dynamischer Übergangsheizung erhöht wird. Eine typische maximale thermische Kapazität liegt bei 20 kJ und einer Leistung von 500 W. Eine maximale durchgehende Prüfzeit beträgt 40 sec, und bei pulsierender Prüfzeit und einem Zyklus von 1 : 10 beträgt die maximale Prüfzeit 400 sec, d. h. über 6 Minuten. Es ist klar, dass für eine maximale thermische Kapazität von 20 kJ jede geeignete Kombination von Leistung und Prüfzeit benutzt werden kann. Bei diesem Ausführungsbeispiel können Leistungsdichten bis zu 5W pro mm² leicht erreicht werden. Der Absorptionskoeffizient des benutzten Polyurethanmaterials ist derart, dass er graduell ansteigt, wenn die Temperatur im Betrieb ansteigt. In diesem Fall ist es notwendig, dass der erste Körperteil einen langgestreckten, konvergierenden Abschnitt besitzt, der sich über bis zu 50% der Innenseite der Gesamtlänge des zweiten Körperteils erstreckt, wie dies in 3 dargestellt ist. Die Sonde 10 ist ähnlich wie die Sonden nach 1 und 2 ausgebildet und sie weist einen ersten massiven Körperteil 12 und einen zweiten massiven Körperteil 14 auf. Wie oben, besitzt der erste Körperteil 12 eine taillierte Ausbildung, die durch zwei kegelstumpfförmige Abschnitte 16 und 18 gebildet wird. Ein erstes Ende 20 der Sonde 10 steht in Berührung mit einem Kopf eines nicht dargestellten Wandlers, der überprüft werden soll.

Ein nicht dargestelltes piezoelektrisches Prüfelement ist ebenfalls in der Lastsonde 10 angeordnet. Das piezoelektrische Prüfelement kann an gleicher Stelle wie in 2 dargestellt liegen, d.h. innerhalb des ersten Körperteils 12.

Bei diesem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist der erste Körperteil 12 einen konvergierenden konischen Abschnitt 22 auf, der sich in den zweiten Körperteil 14 hinein erstreckt, wie dies aus der Zeichnung ersichtlich ist.

Wie oben erwähnt, kann der erste Körperteil 12 aus einem Polykarbonat, aus Polyethlenterephthalat oder Polyethersulfonmaterial bestehen, das einen niedrigen Absorptionskoeffizienten über einen Temperaturbereich zwischen 5°C und 200°C besitzt. Jedoch ist das am besten geeignete Material Polyethersulfon, und dies ist zäh und stabil, wie oben beschrieben. Der zweite Körperteil 14 ist im Wesentlichen stabförmig ausgebildet und besteht aus einem elastomeren Polyurethan mit einem Absorptionskoeffizienten, der höher ist als jener des Materials des ersten Körperteils über einen Temperaturbereich zwischen 5°C und 130°C.

Bei diesem Ausführungsbeispiel kann der zweite Körperteil 14 auf den konvergierenden Konusabschnitt 22 des ersten Körperteils 12 gegossen sein. Ein nicht dargestelltes dünnwandiges Rohr wird zu diesem Zweck auf den ersten Körperteil 12 aufgesteckt, das den konvergierenden Konusabschnitt 22 umgibt, um ein Volumen zu definieren, das während des Gießvorganges ausgefüllt werden kann.

Das innere Volumen des nicht dargestellten Rohres kann mit einem Absorptionsmaterial gefüllt werden, wie dies schematisch in 3 schattiert dargestellt ist. Es ist leicht erkennbar, dass es wesentlich ist, dass das Absorptionsmaterial frei ist von Hohlräumen, Luftblasen usw., und dies ist insbesondere in Bereichen kritisch, wo das Material des zweiten Körperteils 14 auf den konvergierenden Konusabschnitt 22 benachbart zum nicht dargestellten Rohr trifft. Weil das Absorptionsmaterial vollständig das komplexe, verjüngende Volumen anfüllt, hat es sich als unmöglich erwiesen, diese Forderung zu erfüllen, ohne (a) zunächst die Luft aus dem zu füllenden Volumen zu evakuieren oder (b) ein Füllloch zu benutzen, das durch die Seite der Rohrwandung gebohrt ist.

Im Folgenden wird ein Verfahren zum Füllen des Rohres beschrieben. Natürlich können andere geeignete Verfahren benutzt werden, vorausgesetzt dass sie eine Lastsonde erzeugen, die die obigen Forderungen erfüllt.

Zunächst wird der erste Körperteil 12 an dem nicht dargestellten Rohr befestigt, um einen Unteraufbau zu bilden. Die inneren Oberflächen des Unteraufbaus sind vorher vorbereitet und gereinigt worden. Es sollte gewährleistet werden, dass keine Verunreinigungen in Berührung mit den Verbindungsoberflächen gelangen können, d.h. mit dem äußeren Abschnitt des konvergierenden Konusabschnitts 22. Insbesondere müssen alle Feuchtigkeitsspuren eliminiert werden, da es wichtig ist, ein Aufschäumen selbst im Mikromaßstab zu verhindern.

Wie oben erwähnt, ist es notwendig, Luft aus dem zu füllenden Volumen abzusaugen. Erfolgreiche Ergebnisse wurden unter Benutzung einer Vakuumleitung erreicht, die mit einer zweistufigen Rotationspumpe gekoppelt war.

Vor Auffüllen des Volumens zwischen dem dünnwandigen Rohr und dem konvergierenden Konusabschnitt 22 des ersten Körperteils muss eine Mischung aus elastomerem Polyurethan hergestellt werden. Dies geschieht auf folgende Weise:

• (i) Es wird das Polyol unter Vakuum auf eine Temperatur von 50°C erhitzt, während die Masse mit einem magnetischen Rührer gerührt wird, bis das Vakuum am Vakuumanzeiger <0,1 mbar anzeigt. Bei diesem Vakuum kann das Polyol unter Vakuum gespeichert werden, bis es benötigt wird.
• (ii) Es wird das Kettenstreckmittel auf eine Temperatur von 60°C unter Vakuum erhitzt, während die Masse mit einem magnetischen Rührer gerührt wird, bis das Vakuum am Vakuumanzeiger <0,1mbar anzeigt. Dann kann das Kettenstreckmittel unter Vakuum ebenfalls gespeichert werden, bis es erforderlich ist.
• (iii) Es wird das Diisocyanat auf Raumtemperatur erhitzt und wiederum unter Vakuum gerührt.
• (iv) Es wird das Siliziumnitrid sorgfältig getrocknet. Eine Möglichkeit, dies durchzuführen, besteht darin, das Siliziumnitrid 24 Stunden lang bei 500°C in einem Muffelofen zu erhitzen.

Da die Polymerreaktion exothermisch ist, wird verständlich, dass, je größer das eingefüllte Volumen ist, desto schneller die Reaktion erfolgt unter der Annahme, dass die erzeugte Wärme nicht verteilt werden kann. Um das Prozessfenster zu maximieren, d.h. die Zeit, während der die Füllung durchgeführt werden kann, ist es empfehlenswert, den Absorberaufbau in zwei getrennten Stufen zu füllen. In der Stufe 1 wird der Aufbau bis kurz über das Ende des konvergierenden Konusabschnitts 22 gefüllt, und in der Stufe 2 wird das übrige Volumen bis zu einer vorbestimmten Unterfüllung angefüllt. Zwei Mischungen können erforderlich sein, um diesen 2-Stufen-Prozess durchzuführen.

Es ist sehr wichtig, dass während der Vermischung die Aufnahme von Feuchtigkeit während dieser Stufe verhindert wird. Das Polyol, das Kettenstreckmittel und der Katalysator können in einem Behälter, beispielsweise in einem kleinen Becherglas, abgewogen werden und das Siliziumnitrid kann zugesetzt und durch Hand vermischt werden. Die resultierende Mischung wird entgast, bis ein Vakuum von 0,1mbar erhalten ist. Als Nächstes wird die erforderliche Menge von Diisocyanat zugesetzt und mechanisch kräftig durchgemischt. Da nunmehr die Topfzeit von Wichtigkeit ist, sollte die resultierende Mischung nur 4 Minuten lang entgast werden.

Eine erfolgreiche Füllung wird unter Benutzung eines speziell hergestellten Glaswarensystems durchgeführt, das an eine Vakuumleitung angeschlossen ist. Die Polymermischung, die wie oben beschrieben erzeugt wurde, wird in einen Glaskolben innerhalb des Glaswarensystems geschüttet und entgast, bis das Vakuum 0,1mbar erreicht hat. Ein weiterer Teil der Vakuumleitung enthält eine Füllung des Absorberunteraufbaus und ist an dem Glaskolben angeschlossen, der die Polymermischung enthält. Nach Erreichen des erforderlichen Vakuums wird die Mischung graduell und noch unter Vakuum in den evakuierten Absorberunteraufbau gegossen. Der Absorberaufbau wird unter einem spitzen Winkel gehalten, bis die Mischung den Konus in dem Unteraufbau vollständig umgibt. Zu diesem Zeitpunkt wird der Aufbau in eine vertikale Lage überführt, und das Vakuum wird allmählich abgelassen und dann durch einen Druck bis zu 10bar ersetzt. Ein derartiger Druck zwängt die Polymermischung in den untersten Abschnitt des Aufbaus.

Das oben beschriebene Verfahren stellt nur ein Beispiel dar und es ist nicht als zwingend zu betrachten. Es ist jedoch wichtig, dass das Verfahren zur Füllung des Absorberunteraufbaus derart durchgeführt wird, dass eine Anpassung an die verfügbaren Möglichkeiten erfolgt und ein lokales know-how-Wissen ausgenutzt wird. Als Alternative kann es möglich sein, ein kleines Loch in die Rohrwandung zu bohren, worauf ein anderes Füllverfahren benutzt werden kann, aber nur unter der Voraussetzung, dass die oben beschriebenen Forderungen erfüllt sind. Es können dann andere Füllverfahren benutzt werden, beispielsweise die folgenden:

• (a) eine Injektion des Absorptionsmaterials über das Loch in der Rohrwandung, möglicherweise begleitet durch eine Evakuierung des Rohrendes, oder
• (b) eine Druckinjektion des Absorptionsmaterials über das offene Ende des Rohres, wiederum möglichst in Verbindung mit einer Evakuierung, die in diesem Fall über das Rohrwandungsloch erfolgen kann.

Der gefüllte Aufbau muss dann bei einer hohen Temperatur ausgehärtet werden, um ein stabiles Material zu erzeugen, das nicht altert, wenn es einer Hochleistungsbearbeitung unterzogen wird. Die optimale Aushärtung erfolgt bei 120°C während 24 Stunden, worauf eine maximale Sondenoberflächentemperatur von 90°C während der Hochleistungsbearbeitung zulässig ist. Vor der Aushärtung sollte darauf geachtet werden, dass einige Teile die Tendenz zum Splittern haben, wenn sie dieser Temperatur ausgesetzt werden. Dieses Problem kann jedoch gelöst werden, indem der Außendurchmesser des Rohres nach der Aushärtung spanabhebend bearbeitet wird und unter Benutzung einer Schutzhülse während der Aushärtungszeit.

Ein abgewandelter Aushärtungsprozess könnte 96 Stunden lang bei 100°C durchgeführt werden, worauf eine maximale Sondenoberflächentemperatur von 70°C zulässig ist. In allen Fällen sollte der Absorberaufbau mit graduellen Erhitzungs- und Abkühlungstemperaturprofilen behandelt werden.

Als Prüfung sollte die Dichte des ausgehärteten Absorptionsmaterials, welches nach der obigen Vorschrift hergestellt wurde, etwa 1440kg/m³ betragen.

Bei anfänglicher Anwendung mit Leistung bei Raumtemperatur ist das Profil des langgestreckten, konvergierenden Abschnitts derart, dass dort eine maximale Erhitzung des (absorbierenden) zweiten Körperteils an einer Stelle stattfindet, die beispielsweise an einer Stelle an einem Drittel der Gesamtlänge des zweiten Körperteils liegt. Da die Temperatur in diesem Bereich ansteigt, so steigt der Absorptionskoeffizient lokal innerhalb dieses Bereiches an. Dies bewirkt wiederum einen größeren Anteil von Leistung, die auf der Seite des ersten Körperteils absorbiert werden muss, die die heißeste Stelle des zweiten Körperteils bildet. Da die Leistung weiter aufgebracht wird, setzt sich die Aufheizung nach dem ersten Körperteil fort. Dies ergibt eine thermische Kapazität, die mehrfach größer ist als für den Fall, wenn kein langgestreckter, konvergierender Abschnitt vorhanden ist und der maximale Temperaturanstieg an der Zwischenfläche zwischen dem ersten Körperteil und dem zweiten Körperteil erfolgt, wobei kein dynamischer Übergangsheizeffekt möglich ist.

Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft die Benutzung eines akustisch absorbierenden Materials, das so angesetzt werden kann, dass die komplexe akustische Impedanz eines zweiten Materials angepasst werden kann und das aus einem elastomeren Polyurethan besteht. Ein typischer Ansatz ergibt sich aus Tabelle 2 und durch Variierung entweder des Kettenstreckmittelinhalts und/oder es können Änderungen des Diisocyanatgehaltes für den Absorptionskoeffizienten gemacht werden. Weiter kann die akustische Impedanz des akustischen Absorptionsmaterials durch Zusatz von Verbindungen modifiziert werden, beispielsweise von Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, Wolframpulver, Wolframkarbid, Wolframborid, Wolframsilizid, Molybdenpulver, Molybdenkarbid, Molybdennitrid, Tantalpulver, Tantalkarbid oder Tantalnitrid.

Ein derartiges akustisches Absorptionsmaterial kann zahlreiche Anwendungen besitzen und es kann viele Formen und Größen aufweisen, je nach den speziellen Anwendungen, beispielsweise kann das Material benutzt werden, um eine akustische Fliese zu erzeugen.

Ein dritter Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft die Anwendung der beschriebenen Lastsonde zur Messung akustischer Eigenschaften von Materialien, beispielsweise zur Messung des Absorptionskoeffizienten und der Schallgeschwindigkeit. Hierfür ist es notwendig, zwei Lastsonden derart zu benutzen, dass ihre Sondenenden 3 (1 und 2) und 20 (3) stirnseitig mit einer Probe des Materials aneinandergefügt werden müssen, das überprüft werden soll und zwischen diesen beiden Flächen zu liegen kommt. Dies ist in 4 dargestellt und es ist festzustellen, dass für diese Anwendung keine kegelstumpfförmigen Abschnitte 4a und 4b (1 und 2) und 16 und 18 (3) erforderlich sind, da keine Notwendigkeit besteht, die akustische Impedanz eines Wandlers anzupassen.

Hier sind auch die Leistungsanforderungen gering. In 4 ist ein Messgerät 30 dargestellt, welches zwei Sonden 32, 34 enthält, wie sie oben in Verbindung mit 2 beschrieben wurden, die stirnseitig aneinander gefügt sind, wobei dazwischen das zu prüfende Material 36 angeordnet wird. Bei dieser Anordnung haben die Sonden 32, 34 einen konstanten Querschnitt, wie dies aus der Zeichnung hervorgeht. Jede Sonde 32, 34 weist ein piezoelektrisches Prüfelement 38, 40 auf. Das Prüfelement 38 in der Sonde 32 kann benutzt werden, um akustische Signale für das Material 36 zu liefern, und das Prüfelement 40 in der Sonde 34 kann benutzt werden, um Signale zu empfangen, die durch das Material 36 hindurchtreten. Natürlich kann jede Sonde 32, 34 entweder als Sender oder als Empfänger benutzt werden.

Das zu prüfende Material kann einen Durchmesser geeigneter Größe aufweisen, je nach den durchzuführenden Messungen. Die Materialdicke ist im typischen Fall größer als &lgr;10, wobei &lgr; die Wellenlänge der akustischen Signale ist, die bei dem Prüfvorgang benutzt werden.

Es ist natürlich klar, dass, obgleich das Messgerät 30 Sonden entsprechend 2 zeigt, auch die Sonden gemäß 1 und 3 in gleicher Weise benutzt werden könnten.

Es wurden Versuche in der Weise durchgeführt, dass eines der piezoelektrischen Prüfelemente (nicht dargestellt) sendet und die empfangene Signalcharakteristik am anderen piezoelektrischen Prüfelement (ebenfalls nicht dargestellt) gemessen wird. Durch Benutzung geeigneter Algorithmen kann die Reduktion in der Signalamplitude benutzt werden, um die Absorptionskoeffizientendaten zu bestimmen. Durch Messung der Phasenverzögerung beim Empfang des Singales am zweiten piezoelektrischen Prüfelement können die Phasengeschwindigkeitsdaten abgeleitet werden.

Unter Benutzung dieses Verfahrens ergeben sich wichtige Vorteile im Hinblick auf die Ausbildung der Lastsonde. Wegen der total absorbierenden Natur des zweiten Körperteils haben Änderungen in der akustischen Impedanz, die den Stirnflächen 3 (1 und 2) und 20 (3) dargeboten werden, keinen Einfluss auf die akustische Belastung, denen das piezoelektrische Prüfelement als Sender ausgesetzt ist. Der Grund dafür liegt darin, dass der zweite Körperteil vollständig das Verhalten des piezoelektrischen Prüfelementes dominiert. Demgemäß ist das ausgesandte Signal konstant, was auch immer die Natur der Materialprobe ist, die gemessen werden soll. In der Praxis wurden Absorptionskoeffizienten mit einer Reproduzierbarkeit von ± 0,01 dB/mm gemessen.