Ultraschall-Durchschallung

Sommersemester 2013

Bei der Ultraschallmessung in Durchschallung wird ein Ultraschallsignal auf einer Seite eines Prüfkörpers ausgesendet und auf der anderen Seite aufgezeichnet. Kennt man die Abmessungen des Prüfkörpers bzw. die Strecke zwischen Sender und Empfänger und misst die Zeit vom Aussenden des Signals, bis zum Empfangen des Signals am Empfänger, so kann die Geschwindigkeit der Welle mit der Formel v=s/t bestimmt werden.

Wie ein solcher Versuch aussieht, und welche Dinge zu beachten sind, soll im Folgenden erklärt werden.

Ultraschall

Beim Ultraschall handelt es sich um Schall, der vom Menschen nicht mehr wahrgenommen werden kann, da seine Frequenzen in einem Bereich liegen, in dem das menschliche Ohr nicht mehr empfindlich ist. Üblicherweise liegen die für einen Menschen akustisch wahrnehmbaren Frequenzen in einem Bereich zwischen ca. 20 Hz und 20 kHz, abhängig von weiteren Parametern wie der Lautstärke, dem Alter der Person usw. Oberhalb von diesem Schallbereich beginnt der Ultraschallbereich.

Schallwellen in Festkörpern

In der Ultraschallmessung wird vorwiegend mit P-Wellen (Kompressionswellen, Longitudinalwellen), aber auch mit S-Wellen (Scherwellen, Transversalwellen) (z.B. bei Sensorarrays), gearbeitet. Die Wellengeschwindigkeiten lassen sich auch theoretisch ermitteln:

Longitudinalwelle: $//<![CDATA[ \begin{array}{l}V_L = \sqrt{\frac{E(1-µ)}{ρ(1+µ)(1-2µ)}}\end{array} //]]>$

Transversalwelle: $//<![CDATA[ \begin{array}{l}V_T = \sqrt{\frac{E\cdot 1}{ρ\cdot 2(1+µ)}}\end{array} //]]>$

Dehnwelle: $//<![CDATA[ \begin{array}{l}V_D=\sqrt{E}{ρ}\end{array} //]]>$

Biegewelle: $//<![CDATA[ \begin{array}{l}V_B=\frac{2π}{λ}\sqrt{\frac{E\cdot I}{ρ\cdot A}}\end{array} //]]>$

Oberflächenwelle: $//<![CDATA[ \begin{array}{l}V_O=\sqrt{0,87+1,12µ}{1+µ}V_T\end{array} //]]>$

Bsp.: P-Wellengeschwindigkeit von Stahl:

$//<![CDATA[ \begin{array}{l}µ=ca.0,28\end{array} //]]>$

$//<![CDATA[ \begin{array}{l}ρ=7860\frac{kg}{m^3}\end{array} //]]>$

$//<![CDATA[ \begin{array}{l}E=2,1\cdot 10^{11}\frac{N}{m^2}\end{array} //]]>$

$//<![CDATA[ \begin{array}{l}\leftrightarrow V_{L,Stahl}=5844,3\frac{m}{s}\end{array} //]]>$

Dieser Wert könnte nun mit einer Laufzeitmessung überprüft werden. Sollten sich höhere Laufzeiten und damit geringere Geschwindigkeiten ergeben, so kann dies ein Hinweis auf Fehlstellen oder Risse im Material sein, da der Schall um diese Stellen laufen muss und sich so längere Wege ergeben.

Versuchsaufbau

Ein Versuchsaufbau besteht immer aus Sender und Empfänger. Der Sender ist hier der Ultraschallgenerator und dessen Senderkopf, welcher das von Ultraschallgenerator erzeugte, elektrische Signal in Ultraschallwellen umwandelt, und in den zu prüfenden Körper überträgt. Die Empfängerseite besteht aus einem Sensor, der das Ultraschallsignal wieder in ein elektrisches Signal umwandelt und an den Rechner weitergibt. Die einzige Verbindung zwischen Senderseite und Empfängerseite sind Kabel, die Informationen über den Zeitpunkt der Signalauslösung weitergeben, oder mit denen man das Signal vom Rechner aus auslösen kann. In jedem Fall muss man den sog. Trigger-Out mit dem Rechner verbinden, um einen Zeitpunkt T₀ festlegen zu können. Will man das Signal vom Rechner aus auslösen, so ist noch ein Kabel zwischen Rechner und Trigger-In am Generator notwendig, dies ist aber nicht zwingend erforderlich.

Senderseite

Am Ultraschallgenerator kann die Frequenz eingestellt werden, sowie gewählt werden zwischen kontinuierlicher Signalauslösung und Einzelauslösung. Für die Einzelauslösung steht eine Taste zur Auslösung zur Verfügung.

Empfängerseite

Die Empfängerseite besteht im wesentlichen aus dem Sensor, der mit dem Rechner verbunden ist und dem Rechner inklusive A/D-Wandler zur Signalverarbeitung. Im folgenden sollen die einzelnen Komponenten zur Signalverarbeitung beschrieben werden.

A/D-Wandler

Der A/D-Wandler wandelt ein Analoges Signal, in dem Fall das des Empfängers in ein Digitales Signal um.

Bei der Digitalisierung werden vom analogen Signal zu bestimmten Zeiten die zugehörigen Werte ausgelesen. Die Zeitschrittweite dt sollte nun so gewählt werden, dass hierbei keine wichtigen Informationen verloren gehen. Wird die Zeitschrittweite zu groß gewählt, so treten Sogenannte Aliaseffekte auf, die digitalisierte Funktion hat notwendige Informationen wie Wellenlänge und Amplitude verloren. Die minimale Zeitschrittweite, die notwendig ist, um eine bestimmte Frequenz abbilden zu können wird beschrieben von der Nyquist-Frequenz $//<![CDATA[ \begin{array}{l}f_N=\frac{1}{2*dt}\end{array} //]]>$. Zu kleine Zeitschritte erhöhen den Speicherbedarf, was aber heute weniger ein Problem darstellt als früher.

Rechner

Der Rechner zeichnet die Digitalen Signale auf, die dann mit Hilfe einer Software ausgewertet werden können. (Siehe Auswertung des aufgezeichneten Signals.) Der A/D-Wandler kann auch, wie hier, im Rechner verbaut sein.

Sensoren

In den Sensoren sind Piezokristalle verbaut, die ein elektrisches Signal in Ultraschall umwandeln können, sowie ein Ultraschallsignal in ein elektrisches Signal umwandeln können. Sie nutzen den sogenannte piezoelektrische Effekt.

Durch anlegen einer wechselnden Spannung kann der Kristall zum Schwingen angeregt werden, und erzeugt dadurch das Ultraschallsignal. Im Empfangssensor werden die Kristalle durch das ankommende Signal gestaucht. Dadurch ändert sich die Ladungsverteilung im Kristall, eine Spannung kann abgegriffen werden. Der Vollständigkeit halber seien noch die magnetostriktiven Sensoren erwähnt, die jedoch seltener zum Einsatz kommen. Die hier verwendeten Sensoren sind multiresonant, und können bei verschiedenen Frequenzen betrieben werden. Multiresonante Sensoren sind notwendig, um auch hohe Frequenzen abbilden zu können was wichtig ist, um den Ersteinsatz exakt bestimmen zu können (siehe Ersteinsatz bestimmen). Sie haben gegenüber Breitbandsensoren den Vorteil, dass sie sensitiver sind, Aussagen über die Frequenzintensitäten können aufgrund der Resonanzfrequenzen aber nicht getätigt werden, sie sind aber im Falle der Geschwindigkeitsmessung aber auch nicht nötig.

Ankopplung

Um das Ultraschallsignal in den zu prüfenden Körper zu übertragen muss der Sensor möglichst gut am Material anliegen, oder es muss eine Verbindung geschaffen werden, die Unebenheiten ausgleicht und das Signal möglichst verlustarm überträgt, da jeder Lufteinschluss zwischen Sensor und Prüfkörper das Signal stark dämpft.

Als Kopplungsmittel haben sich je nach Einsatzbereich verschiedene Materialien bewährt. Am bekanntesten ist wohl das Kopplungsgel (im wesentlichen Wasser und Glycerin), das bei medizinischen Ultraschalluntersuchungen verwendet wird.

In der Werkstoffprüfung haben sich Heißkleber, Bitumen oder auch ein dünner Wasser- oder Ölfilm oder auch Kopplungsgele bewährt. Eine Versuchsdurchführung ohne Ankopplung verschlechtert den SNR-Wert und kann soweit führen, das eine Interpretation des Signals unmöglich wird.

Signalauslösung

Das Signal kann entweder am Ultraschallgenerator ausgelöst werden, oder, falls eine Verbindung besteht (Trigger-In), vom Rechner aus gesteuert werden. Um eine Laufzeit messen zu können muss dem Rechner noch der Zeitpunkt der Auslösung des Signals mitgeteilt werden. Diese Information muss vom Ultraschallgenerator separat an den Rechner gesendet werden, hierfür steht der Trigger- Out zur Verfügung. Bestünde diese Verbindung nicht, so wäre der einzige Weg der Informationsübertragung der über das Ultraschallsignal durch den Prüfkörper. Der Zeitpunkt der Signalauslösung wäre damit unbekannt und eine Laufzeitmessung obsolet.

Hintergrundrauschen

Auch im Ruhezustand wird ein Signal gemessen, das nicht dem Ideal entspricht. Man misst mehr oder weniger hohe Werte. Das entscheidende ist nun, dass das Signal das man empfangen möchte sich deutlich von diesen Werten abhebt. Man spricht auch vom SNR-Wert(Signal to Noise Ratio). Dieser Wert gibt das Verhältnis von Empfangenem Signal zu Hintergrundrauschen (Noise) an. Um hier einen möglichst hohen Wert zu erhalten, kann man einerseits die Dämpfung vermindern, indem man die Messstrecke verkleinert, jedoch gewinnt dabei die Bestimmung des Ersteinsatzes an Bedeutung. Eine andere Möglichkeit ist, die Intensität des ausgesendeten Signals zu erhöhen. Eine Ankopplung hat den gleichen Effekt, da durch die Ankopplung auch eine höhere Intensität des Signals im Probekörper erreicht wird.

Ersteinsatz bestimmen

Der Ersteinsatz lässt sich entweder visuell oder mit Algorithmen bestimmen. Da die Intensität des ankommenden Signals noch schwach ist, ist es schwierig den Ersteinsatz vom Rauschen zu unterscheiden. Je stärker jedoch das ankommende Signal ist, desto deutlicher und schneller zeichnet es sich vom Rauschen ab und der Ersteinsatz kann enger eingegrenzt werden, die Messungenauigkeiten sinken. Ein weiterer Einflussfaktor ist die Frequenz des Signals, da sich die Amplitude bei höherer Frequenz auch schneller abzeichnet, was eine Bestimmung des Ersteinsatzes ebenfalls positiv beeinflusst. Deshalb sollten die Empfängersensoren auch in für hohe Frequenzen empfindlich sein.

Laufzeit bestimmen des Signals

Zum Auswerten des Signals sind also folgende Informationen notwendig:

• Abmessungen des Prüfkörpers bzw. die Länge der Laufstecke des Signals
• Totzeit des Systems (Zeit die das Signal benötigt um das Messsystem zu durchlaufen aber nicht um den Probekörper zu durchlaufen. Um die Totzeit zu bestimmen gibt es Kalibrierkörper mit bekannter Schalllaufzeit. Durch eine Messung dieses Körpers kann die Totzeit ermittelt werden. $//<![CDATA[ \begin{array}{l}t_{tot} = t_{gesammt} - t_{kalibrierkörper}\end{array} //]]>$)
• Zeitpunkt T₀
• Ersteinsatz des Signals

$//<![CDATA[ \begin{array}{l}t= T_{Ersteinsatz}-T_0-T_{tot}\end{array} //]]>$

Ultraschallmessungen in Durchschallung zur Frischbetonuntersuchung

Hiermit kann der Erstarrungsverlauf von Frischbeton ermittelt werden.

Literatur

1. Krüger, C.Große, F. Lehmann, H.-W.Reinhardt Messtechnik im Bauwesen / Prüfung von Werkstoffen und Bauteilen / Zuverlässige Qualitätssicherung von Frischbeton mit Ultraschall / das FreshCon.System/ Ernst und Sohn Special 2011
2. C.Große Bauphysikkalender 2004 / 3.4 Qualitätssicherung von Frischbeton mit Ultraschall pp 397-403
3. C.Große / Grundlagen der zerstörungsfreien Prüfung / TU München 2011
4. Institute of Construction Materials (IWB), University of Stuttgart, Germany und TTI GmbH – TGU Smartmote, Stuttgart, Germany 2001 / SmartPick V.161 User Manual