Ultraschall

Di Zhang, Wintersemester 2010/11

English article

Schallwellen sind mechanische Wellen, deren Ausbreitung über die elastische Kopplung der Materialteilchen erfolgt. Die Einteilung des Schalls in Frequenzbereiche richtet sich nach dem Hörbereich des Menschen. Dieser Bereich liegt zwischen 16 Hz und 20 kHz und wird als Hörschall bezeichnet. In Anlehnung an die Begriffsdefinitionen in der optischen Physik wird der unter dem Hörschall liegende Bereich als Infraschall und der darüber liegende Bereich als Ultraschall bezeichnet.

Grundlagen

Wichtige Kenngrößen bei der Ultraschallprüfung sind die Wellenlänge $//<![CDATA[ \begin{array}{l}λ\end{array} //]]>$ und die Frequenz $//<![CDATA[ \begin{array}{l}f\end{array} //]]>$. Bei der Wellenfortpflanzung wird eine Schwingung, also eine Bewegung eines Teilchens um seine Ruhelage, über eine elastische Kopplung zwischen den Teilchen weitergegeben. Es findet nur ein Energietransport, kein Transport von Materie, statt. Die Schwingungen können als periodische Zustandsänderungen aufgefasst werden. Die Periodizität wird durch die Schwingungsdauer $//<![CDATA[ \begin{array}{l}T\end{array} //]]>$ und die Frequenz $//<![CDATA[ \begin{array}{l}f\end{array} //]]>$ wie folgt definiert:

$//<![CDATA[ \begin{array}{l}f = \frac{1}{T}\qquad [Hz = s^{- 1}]\end{array} //]]>$

Die Frequenz $//<![CDATA[ \begin{array}{l}f\end{array} //]]>$ wird allein vom Schallsender bestimmt. Ultraschallfrequenzen für die mineralische Baustoffprüfung werden in kHz angegeben. Die Wellenlänge $//<![CDATA[ \begin{array}{l}λ\end{array} //]]>$ ist der regelmäßige Abstand der Teilchen mit gleichem Schwingungszustand. Wellenlänge $//<![CDATA[ \begin{array}{l}λ\end{array} //]]>$, Frequenz $//<![CDATA[ \begin{array}{l}f\end{array} //]]>$ und Schallgeschwindigkeit $//<![CDATA[ \begin{array}{l}v\end{array} //]]>$ sind folgendermaßen verknüpft:

$//<![CDATA[ \begin{array}{l}v = λ \cdot f\qquad [m/s]\end{array} //]]>$

Das Produkt aus Dichte $//<![CDATA[ \begin{array}{l}ρ\end{array} //]]>$ und Schallgeschwindigkeit $//<![CDATA[ \begin{array}{l}v\end{array} //]]>$ wird als Schallwellenwiderstand $//<![CDATA[ \begin{array}{l}Z\end{array} //]]>$ (Schallimpedanz) bezeichnet.

$//<![CDATA[ \begin{array}{l}Z = ρ \cdot v\qquad [Ns/m^3]\end{array} //]]>$

Materialien mit einem hohen Schallwellenwiderstand, wie zum Beispiel Stahl ($//<![CDATA[ \begin{array}{l}Z ≈ 45 * 106 Ns/m^3\end{array} //]]>$), werden als schallhart bezeichnet. Schallweiche Materialien hingegen haben einen niedrigen Schallwellenwiderstand. Besonders niedrige Schallimpedanzen liegen aufgrund der amorphen Struktur bei gasförmigen Stoffen vor. Die Impedanz von Luft beträgt beispielsweise $//<![CDATA[ \begin{array}{l}0,333 Ns/m^3\end{array} //]]>$.

Die Energie einer ebenen Schallwelle entfernt sich mit der Schallgeschwindigkeit v von der Schallquelle. Die Leistung, die durch eine senkrecht zur Ausbreitungsrichtung gedachte Fläche transportiert wird, bezeichnet man als Intensität einer Welle. Die Intensität $//<![CDATA[ \begin{array}{l}I\end{array} //]]>$ einer Welle berechnet sich mit dem Schalldruck $//<![CDATA[ \begin{array}{l}p\end{array} //]]>$ und der Schallimpedanz $//<![CDATA[ \begin{array}{l}Z\end{array} //]]>$ zu:

$//<![CDATA[ \begin{array}{l}I = \frac{1}{2} \cdot\frac{p^2}{Z}\qquad [W/m^2]\end{array} //]]>$

Wellenarten

Im Bereich des Ultraschalls können verschiedene Wellenformen auftreten. Die Ausbreitung ist neben dem Aggregatszustand des Materials auch von der Geometrie des Prüfkörpers abhängig.

In isotropen, geometrisch unbegrenzten Festkörpern treten in erster Linie zwei Wellenarten auf, die durch die Schwingungsrichtung der Teilchen zur Wellenausbreitungsrichtung charakterisiert werden. Bei der Longitudinalwelle (Kompressionswelle) fällt die Schwingungsrichtung der Teilchen mit der Ausbreitungsrichtung der Welle zusammen. Neben der Longitudinalwelle kann sich in Festkörpern auch die sogenannte Transversalwelle (Scherwelle) mit einer Teilchenbewegung quer zur Ausbreitungsrichtung der Welle fortpflanzen.

Schallausbreitung

Der Schallimpuls wird während seiner Ausbreitung in einem Baustoff zunehmend geschwächt. Ursachen dafür sind die Absorption im Material und die Streuung der Schallwellen an stoffeigenen Inhomogenitäten. Da die Schallschwächung durch Streuung mit steigender Frequenz stark zunimmt, ist die Größe der Wellenlänge von entscheidender Bedeutung: Baustofftypische Inhomogenitäten – beispielsweise die Zuschläge des Betons – sollen den Impuls in der Ausbreitung so wenig wie möglich stören. Um das sicherzustellen, sollte $//<![CDATA[ \begin{array}{l}λ\end{array} //]]>$ deutlich größer als der Durchmesser derartiger Inhomogenitäten sein. Fehlstellen beeinflussen die Impulsausbreitung nur dann, wenn die Wellenlänge $//<![CDATA[ \begin{array}{l}λ\end{array} //]]>$ kleiner oder etwa gleich dem Fehlstellenquerschnitt senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Impulses ist.

Für Betone mit üblichen Sieblinien ergeben sich daraus Wellenlängen von $//<![CDATA[ \begin{array}{l}λ\end{array} //]]>$ = 2 bis 10 cm und größer, damit beispielsweise Zuschlagkörner die Messung so wenig wie möglich stören. Bei einer mittleren Schallgeschwindigkeit im Beton von $//<![CDATA[ \begin{array}{l}v = 4000 m/s\end{array} //]]>$ ergeben sich somit Prüffrequenzen zwischen ca. 40 und 200 kHz, mit denen Bauteile von 1 m Dicke und mehr geprüft werden können.

Schallwellen an Grenzflächen

Ultraschallwellen erfahren an Grenzflächen jeder Art eine Veränderung bezüglich ihrer Art, Größe und Richtung, abhängig von den Eigenschaften der aneinander grenzenden Stoffe. Grenzflächen entstehen bei aneinander grenzenden Schichten mit unterschiedlicher Schallimpedanz. Allgemein wird eine einfallende Schallwelle an einer Schichtgrenze anteilig reflektiert und anteilig in die zweite Schicht transmittiert. Reflexions- und Durchlassfaktor (R und D) werden über die Schallimpedanzen wie folgt beschrieben.

$//<![CDATA[ \begin{array}{l}R = \frac{Z_2−Z_1}{Z_2+Z_1} \quad \textrm{und} \quad D = \frac{2 \cdot Z_2}{Z_2+Z_1}\end{array} //]]>$

Gasförmige Medien haben eine sehr geringe Schallimpedanz (Luft: Z = 0,333 Ns/m³). Daraus ergibt sich beim Übergang von festen zu gasförmigen Schichten ein Reflexionsgrad der nur marginal geringer ist als eins. Folglich ergibt sich die Vereinfachung, dass gasförmige Schichten einem luftleeren Raum (= Vakuum) gleichgesetzt werden können. Für Transversalwellen, deren Ausbreitung nur in Feststoffen möglich ist, beträgt die Reflexion bei gasförmigen und flüssigen Schichtgrenzen 100 %.

Wenn der Ultraschall an Grenzflächen einfällt, kommt es zu Modenkonversionen. Als Modenkonversion wird die Umwandlung in eine andere Wellenart bezeichnet. Für einige Prüftechniken ist die Modenkonversion von großer Hilfe.

Besonderheiten der Ultraschallprüfung von Beton

Die Prüfbarkeit eines Werkstoffs mit Ultraschall wird entscheidend von seinem inneren Aufbau bestimmt. Beton ist ein Verbundwerkstoff, dessen Zuschläge in eine makroskopisch homogene Matrix aus Zementstein eingebettet sind. Die sich ausbreitende Ultraschallwelle wird an jeder Grenzfläche zwischen Zuschlag und Matrix reflektiert oder gestreut und transmittiert, je nach der auf die Wellenlänge des Ultraschalls im Material bezogenen Größe des betreffenden Zuschlagskorns. Dabei vollzieht sich auch eine teilweise Umwandlung von Longitudinalwellen in Transversalwellen und umgekehrt. Dieser Vorgang wiederholt sich an benachbarten Zuschlägen. Es findet Mehrfachstreuung statt. Aufgrund dieses Mechanismus entsteht bereits nach kurzem Laufweg der einfallenden Welle ein diffuses Wellenfeld. Das Echo eines gesuchten Objekts wird somit von vielen Echos, die von den Zuschlägen herrühren, überlagert.

Das Ausmaß der Streuung hängt vom Verhältnis der Wellenlänge zur Streuergröße ab. Zur Beschreibung des Zusammenhangs sei der Rückstreuquerschnitt definiert als gedachte Fläche, welche sich aufgrund der rückgestreuten Intensität unter der Annahme isotroper Rückstreuung errechnet. Bild 2 verdeutlicht den Zusammenhang zwischen Rückstreuquerschnitt bezogen auf den tatsächlichen Querschnitt einer Kugel mit Radius r und dem Verhältnis Kugelumfang $//<![CDATA[ \begin{array}{l}2πr\end{array} //]]>$ zur Wellenlänge. Ist ein Streuer, z. B. eine vorhandene Inhomogenität, sehr viel kleiner als die zur Prüfung benutzte Wellenlänge, so ist sein Rückstreuquerschnitt sehr viel kleiner als der tatsächliche geometrische Querschnitt. Danach werden kleine Objekte aufgrund der sich am Ultraschallempfänger einstellenden Intensität unterbewertet. Streuerdurchmesser zwischen 10 und 100% der Wellenlänge ergeben Rückstreuquerschnitte, die sowohl kleiner als auch größer als der geometrische Querschnitt sein können. Erst wenn der Streuer groß gegenüber der Wellenlänge ist, wird dieser entsprechend seiner geometrischen Gestalt abgebildet und ist eindeutig zu identifizieren.

Voraussetzung für die Betonprüfung mit Ultraschall ist die geeignete Wahl der Wellenlänge, um den Einfluss der Zuschläge, der bei dem Großteil der Untersuchungen nicht interessiert, zu verringern. Nach Bild 2 sind hierzu Wellenlängen notwendig, die größer als die Abmessungen der Streuer sind. Die kleinste Wellenlänge orientiert sich somit am Größtkorn der Sieblinie. Da sich die Frequenz $//<![CDATA[ \begin{array}{l}f\end{array} //]]>$ der Ultraschallwellen aus der Wellenlänge $//<![CDATA[ \begin{array}{l}λ\end{array} //]]>$ und der Schallausbreitungsgeschwindigkeit $//<![CDATA[ \begin{array}{l}v\end{array} //]]>$ zu $//<![CDATA[ \begin{array}{l}f = v/λ\end{array} //]]>$ errechnet, ergibt sich eine sinnvolle Beschränkung der höchsten Frequenz. Eine Beschränkung auf kleine Prüffrequenzen zieht zwangsläufig für Kompressionswellenprüfköpfe eine Beschränkung der erkennbaren Objektgröße nach sich. Bei der Anwendung von Wellenlängen, welche sich aus den obigen Überlegungen ergeben, wird das Verhältnis Prüfkopfdurchmesser zu Wellenlänge zwangsläufig < 1, da technisch machbare und handhabbare Kompressionswellenprüfköpfe in ihrem Durchmesser begrenzt sind. Dieses Verhältnis bestimmt den Öffnungswinkel des Schallfelds. Mit Prüfkopfarrays lässt sich dieses Problem, insbesondere für den Scherwelleneinsatz, umgehen. Die Ortsauflösung des Einzelsignals ist entsprechend dieser Gesetzmäßigkeit zu bewerten.

Der Spektralgehalt der eingeschallten Welle bestimmt ebenso die Ortsauflösung und die Genauigkeit der Messung in axialer Richtung. Bei Verwendung eines idealen Impulses der Dauer $//<![CDATA[ \begin{array}{l}t\end{array} //]]>$ mit unendlich steiler Flanke könnten zwei Objekte, welche in axialer Richtung wenigstens um $//<![CDATA[ \begin{array}{l}v\end{array} //]]>$ $//<![CDATA[ \begin{array}{l}\Delta t/2\end{array} //]]>$ voneinander getrennt sind, im Empfangssignal als Einzelobjekte erkannt werden. Eine unendlich steile Flanke lässt sich jedoch nur mit unendlich hoher Bandbreite erzeugen. Da reale Impulse einer Bandbegrenzung unterliegen, haben sie endliche Steigungen. Je niedriger die höchste Frequenz des Impulses ist, desto geringer ist die erzielbare Flankensteilheit und die erreichbare Auflösung. Ebenso ergibt sich für niederfrequente Impulse eine größere zeitliche Dauer. Verschiebt man sowohl einen kurzen, höherfrequenten Impuls mit großer Flankensteilheit und einen langen, niederfrequenten mit geringer Flankensteilheit um eine kurze Zeitspanne $//<![CDATA[ \begin{array}{l}t\end{array} //]]>$, so stellt man fest, dass ein langer Impuls gegenüber einem kurzen am Zeitpunkt des ursprünglichen Maximums eine geringere Änderung erfährt. Die erzielbare Genauigkeit der Messung mit kurzem Impuls wird demgemäß insbesondere bei Überlagerung von Störungen größer sein.

Verfahren

• Ultrasonic Pulse-Echo Method
• Ultraschall-Durchschallung

Anwendungen

Bei der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung mit Ultraschall werden im Bauteil, durch einen an der Oberfläche angekoppelten Schallsender, elastische Wellen angeregt. Nach dem Durchlaufen des Bauteils werden diese Wellen von einem Empfänger aufgenommen und hinsichtlich aller Veränderungen analysiert, die mit Eigenschaften oder Veränderungen des Baustoffes/Bauteils korrelierbar sind.

Ziele der Ultraschall-Verfahren sind:

• Bestimmung von Wanddicken
• Ortung von Konstruktionselementen
• Nachweis von Fehlstellen (z. B. zur Vorauswahl von zerstörend zu untersuchenden Bauteilen)
• Nachweis von zeitlichen Materialveränderungen (z. B. Hydratationsvorgängen)
• Ermittlung von Baustoffkennwerten (z. B. elastischen Parametern wie Schallgeschwindigkeit, E-Modul sowie darin enthaltene Einflussgrößen)

Siehe auch

• Prüfung von Holzbauteilen mit Ultraschall
• Ultraschallmessungen in Durchschallung zur Frischbetonuntersuchung
• Ultraschall-Schweißnahtprüfung
• Schichtdickenmessung mit Ultraschall
• Ultraschallprüfköpfe
• Luftultraschall: Funktionsweise und Einsatzmöglichkeiten

Literatur

• Reinhardt; H.-W.: Betonkalender Echo-Verfahren in der zerstörungsfreien Zustandsuntersuchung von Betonbauteilen. S. 538 - 539.
• DGZfP-B-4: Merkblatt B-4, Ultraschallverfahren zur Zerstörungsfreien Prüfung mineralischer Baustoffe und Bauteile. DGZfP-Ausschuss für Zerstörungsfreie Prüfung im Bauwesen (AB), Unterausschuss Ultraschallprüfungen. Berlin DGZFP, 1999. S.2-3.
• Grosse, C. U.: Grundlagen der Zerstörungsfreien Prüfung. 24 S.
• Kroggel, O.; et.al: Ultraschallverfahren.
• Obermeier, P.: Zerstörungsfreie Prüfung – Spannkanaluntersuchung mittels Ultraschallecho – Verfahren. S.20 - 44.
• Mayer, K.; Milmann, B.; Krause, M.; Mielentz, F.: Methode zum Nachweis von Verpressfehlernin Spannbeton durch Phasenauswertungbei Ultraschallecho-Verfahren. 37 S.