Prüfung von Holzbauteilen mit Ultraschall

Norbert Meier, Sommersemester 2011

Das Ultraschallverfahren ist ein aktives Verfahren der zerstörungsfreien Prüfung. Mithilfe des Durchschallungsverfahrens oder der Ultraschallecho-Methode können im Inneren oder an uneinsehbaren Stellen von Holzbauteilen Schadstellen (z.B. Innenfäule oder Risse) detektiert werden.

Physikalische Grundlagen

Ultraschall

Bei der Ultraschallprüfung werden durch einen an der Oberfläche angekoppelten Schallsender elastische Wellen erzeugt. Diese periodischen Schwingungsvorgänge breiten sich räumlich und zeitlich aus und werden von einem Empfänger aufgezeichnet. Sowohl die Wellenlänge λ als auch die Frequenz f sind wichtige Kenngrößen in der Ultraschalltechnik. Zusammen mit der Ausbreitungsgeschwindigkeit gilt:

$//<![CDATA[ \begin{array}{l}f= \frac{∨}{λ} [Hz]\end{array} //]]>$

Formel 1: Frequenz f in Abhängigkeit von der Ausbreitungsgeschwindigkeit v und der Wellenlänge λ

Die Frequenzbereiche des Schalls lassen sich in Infra-, Hör-, Ultra- und Hyperschall unterteilen. Ultraschall wird durch den hörbaren Schall (f < 20 kHz) und den Hyperschall (f ≥ 10 MHz) begrenzt. ^[1]

Wellenarten und -geschwindigkeiten

mit $//<![CDATA[ \begin{array}{l}v_P > v_S\end{array} //]]>$

$//<![CDATA[ \begin{array}{l}v_P/v_S\end{array} //]]>$ = Wellengeschwindigkeit in einem homogenen, isotropen, unendlich ausgedehntem Medium [m/s]

$//<![CDATA[ \begin{array}{l}E\end{array} //]]>$ = dynamischer Elastizitätsmodul [N/m²]

$//<![CDATA[ \begin{array}{l}\rho\end{array} //]]>$ = Rohdichte[kg/m³]

$//<![CDATA[ \begin{array}{l}\nu\end{array} //]]>$ = Poisson−Zahl

Schallwellen können durch die Art ihrer Ausbreitung unterschieden werden. Eine erste Unterscheidung erfolgt in Raum- und Oberflächenwellen. Raumwellen breiten sich kugelsymmetrisch durch einen Köper hindurch aus. Die Longitudinalwelle (auch Kompressions- oder Primär- (P-) Welle genannt) kann sich in Festkörpern, Luft und Gasen ausbreiten. Die Schwingungsrichtung der Teilchen ist gleich zur Schallausbreitungsrichtung.

Bei der Transversalwelle (auch Scher- oder Sekundär (S-) Welle genannt) schwingen die Teilchen quer zur Schallausbreitungsrichtung. Diese Wellenart kann sich nur in Festkörpern ausbreiten, da das Gefüge Scherkräfte aufnehmen bzw. richtungsabhängige Rückstellkräfte besitzen muss.

Sowohl die Longitudinal- als auch die Transversalwelle werden in der Ultraschallprüfung angewandt. ^[2]

In Abbildung 2 ist die Longitudinal- und die Transversalwelle mit den dazugehörigen Wellengeschwindigkeiten dargestellt.

Bei den Oberflächenwellen wird zwischen Rayleigh- und Love-Welle unterschieden. Des Weiteren gibt es die Dehn- oder Biegewellen und Torsionswellen. Bezüglich dieser Wellentypen wird auf weiterführende Literatur verwiesen (siehe Große ^[3], Hasenstab ^[4]).

Schallimpedanz

Die Schallimpedanz Z beschreibt die materialtypischen elastischen Eigenschaften eines Werkstoffs. Hierbei haben schallharte Werkstoffe eine hohe und schallschwache Werkstoffe eine geringe Schallimpedanz. Es gilt:

$//<![CDATA[ \begin{array}{l}Z=ρ \cdot \nu [kg/m²s]\end{array} //]]>$

Die Schallimpedanz hat Einfluss auf die Reflexion beim Schallübergang zweier Medien.

Schallreflexion und –brechung

An einer Grenzfläche zwischen zwei Medien mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften wird eine schräg einfallende Schallwelle reflektiert und hineingebrochen. Je größer der Impedanzunterschied der Medien ist, desto größer ist die Reflexion (z.B. Übergang von Holz zu Luft). Die gebrochene Welle erfährt hierbei eine Änderung der Phase und Amplitude. ^[5]

Schallschwächung

Die Schallwelle schwächt sich mit zunehmender Ausbreitung in einem Baustoff ab. Dieser Effekt beruht auf geometrischen Effekten wie Divergenz und physikalischen Mechanismen wie Streuung, Absorption und Dispersion.

Divergenz beschreibt hierbei die Abnahme der Schallintensität mit dem Abstand im Quadrat oder die lineare Abnahme des Schalldrucks mit dem Abstand.

Streuungen entstehen an Inhomogenitäten und Hindernissen und haben ihre Ursache in vielen kleinen Reflexionen. Erst größere Streukörper mit einem Durchmesser ab 10 Prozent der Wellenlänge sind messbar. Dies bedeutet, dass z.B. kleine Risse im Holz auf das ausgesendete Signal nur geringen Einfluss haben. Des Weiteren nimmt die Streuung linear mit dem Schallweg zu. Ist die Anzahl der Streukörper in einem Bauteil zu hoch, kann das Signal von dem durch die Streukörper ausgehenden Rauschen so stark überlagert werden, dass kein signifikantes Signal mehr erkannt werden kann. ^[6]

Die Absorption beschreibt die Umwandlung der Schallenergie in Wärme. Sie nimmt linear mit dem Schallweg und linear mit der Frequenz zu. ^[7] Die Dispersion ist ebenso ein frequenzabhängiger Effekt, welcher Einfluss auf die breitbandigen Schallimpulse im Prüfkörper hat. Mit zunehmendem Schallweg kommt es zu einer Aufweitung des ursprünglichen Impulses. Dies hat ein Absinken der Amplitude bei einer gleichzeitigen Zunahme der Pulsdauer zur Folge, da die ausgesendete Schallenergie konstant bleibt. Bei der Überprüfung von Holzbauteilen ist die Dispersion meist vernachlässigbar. Erst bei Bauteildicken über 30 cm (im Holzbau selten) muss dieser Effekt berücksichtigt werden. ^[8]

Ultraschallmessungen an Holz

Schallwellenausbreitung

Datei:Pruefung von Holzbauteilen mit US Bild4.jpg|thumb|Abbildung 4: Jahrring einer Kiefer (15-fach vergrößert) ^[9]

Die Schallausbreitung in Holz ist sowohl von der Holzstruktur selbst als auch von der Ausbreitung der elastischen Wellen abhängig.

Holz besteht aus länglichen, röhrenförmigen Zellulosefasern, welche sich parallel zur Wachstumsachse des Baumes orientieren. Unterbrochen werden diese rechteckigen Röhren durch Markstrahlen, welche das Mark mit der Rinde verbinden und dem Transport von Wasser und Nährstoffen dienen.

Die Schallübertragung erfolgt in den Wänden der Röhren, welche in ihrer Gesamtheit schwingen. An den Verbindungspunkten kommt es zu einer verstärkten Streuung der Schallwellen. Des Weiteren bedingt die Holzstruktur eine frequenzabhängige Filterung der Wellen und verändert die Pulsform je weiter der Laufweg ist. ^[10]

Longitudinalwellenausbreitung in Holz

Longitudinalwellen breiten sich in axialer Richtung -längs der Fasern- sehr gut aus. Zu Streuungen der Wellen kommt es an Inhomogenitäten, wie z.B. den Faserenden. Je länger die Holzfasern sind, desto geringer sind die Dämpfungen und die Schallgeschwindigkeit nimmt zu.

In radialer Richtung werden die Schallwellen sehr gut durch die Markstrahlen übertragen. Da der Anteil dieser Röhren gering ist, breiten sich die Longitudinalwellen mit einer geringeren Geschwindigkeit als in axialer Richtung aus.

Die größten Dämpfungen und geringsten Ausbreitungsgeschwindigkeiten ergeben sich in tangentialer Richtung, da dort keine kontinuierlichen Elemente in der Holzstruktur bestehen.

Transversalwellenausbreitung in Holz

Bei der Transversalwelle schwingen die Teilchen quer zur Ausbreitungsrichtung. Der Einfluss der Polarisationsrichtung auf die Schallgeschwindigkeit ist nach Untersuchungen von Hasenstab ^[11] in axialer Richtung sehr gering. Größere Einflüsse des Polarisationswinkels sind bei einer Ausbreitungsrichtung in radialer und insbesondere in tangentialer Richtung zu verzeichnen. ^[12]

Allgemein ist die Schallschwächung in den anatomischen Richtungen sehr ausgeprägt, wenn die Teilchen senkrecht zur Faser schwingen. ^[13]

Schallgeschwindigkeit

Bei der Untersuchung von Holzbauteilen kommt es hinsichtlich der Schallgeschwindigkeit zu einer erheblichen Streuung der Messergebnisse. Dies ist auf die organische Entstehung, die Anisotropie und das hykroskopische Verhalten des Holzes zurückzuführen.

Unterschiedliche Materialeigenschaften (Baumart, Rohdichte, Jahrringstruktur, Faserlänge, Holzfehler, Reaktionsholz) beeinflussen die Schallgeschwindigkeit. Des Weiteren wird die Geschwindigkeit des Schalls durch den Laufweg bezogen auf die Holzfaser und Materialzustände (Holzfeuchte, Bauteillasten und –abmessungen, Holztemperatur, Anpressdruck der Prüfköpfe, Verunreinigungen durch Salze und Koppelmittel) beeinflusst. ^[14]

Zu den unterschiedlichen Materialeigenschaften und –zuständen wurden zahlreiche Untersuchungen vorgenommen. Einige dieser Einflussparameter sollen im Folgenden kurz beschrieben werden.

Holz, als ein anisotroper und inhomogener Werkstoff, besitzt in allen drei anatomischen Richtungen (axial, tangential und radial) unterschiedliche Materialeigenschaften. So sind die Dichteunterschiede innerhalb eines Jahrringes und in den Jahrringen untereinander sehr groß.

Die Schallgeschwindigkeit ist ebenso vom Elastizitätsmodul abhängig, welcher auch in den drei anatomischen Richtungen unterschiedlich groß ist. Werden diese Erkenntnisse mit den Formeln aus Abbildung 2 verglichen, so wird deutlich, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schalls sowohl von der Rohdichte als auch dem Elastizitätsmodul abhängig ist und infolge der unterschiedlichen Materialeigenschaften in den drei anatomischen Richtungen unterschiedliche Größen aufweißt. ^[15]

Untersuchungen nach Burmester ^[16] zum Einfluss der Rohdichte von Früh- und Spätholz haben des Weiteren ergeben, dass lediglich das Spätholz einen Einfluss auf die Schallgeschwindigkeit hat. Das Spätholz weißt gegenüber dem Frühholz eine größere Dichte und eine viel höhere Schallgeschwindigkeit auf.

Die Geschwindigkeit des Schalls wird durch die Längsorientierung der Fasern begünstigt. So breitet sich der Schall in axialer Richtung schneller aus als quer zur Faser. Dies betrifft insbesondere die Länge der Frühholzfasern, welche zusammen mit der Schallgeschwindigkeit mit steigender Rohdichte zunehmen. ^[17]

Des Weiteren ist ein Einfluss von Holzfehlern (z.B. Äste) erkennbar. Die Schallgeschwindigkeit nimmt in fehlerhaftem Holz geringfügig ab. Diese Geschwindigkeitsabnahme ist von der Astgröße abhängig; jedoch nicht sehr ausgeprägt. Einen weitaus größeren Einfluss haben Äste auf die Schalldurchlässigkeit, welche mit zunehmender Astgröße eine starke Dämpfung des Schallimpulses bewirken.

Zahlreiche Untersuchungen wurden zum Einfluss des Feuchtegehaltes auf die Ultraschallgeschwindigkeit vorgenommen (vgl. Burmester ^[18], Bekhata ^[19]). Grundlegend ist eine Abnahme der Schallgeschwindigkeit mit zunehmender Holzfeuchtigkeit zu beobachten.

Ultraschall-Messverfahren

Da Holz ein poröser Werkstoff mit hohen Luftanteil ist, kommt es zu einer starken Schwächung der Schallwellen. Deshalb sind für die Prüfung von Holzbauteilen mit Ultraschall niederfrequente Prüfköpfe im Bereich von 20 -200 kHz erforderlich. Höhere Frequenzen (bis 1 MHz) sind aufgrund der hohen Dämpfung nur an Bauteilen mit geringen Abmessungen möglich. Es können alle bekannten Prüfköpfe (z.B. Zylinder-, Exponential- und Rollenprüfköpfe) verwendet werden.

Zur Ankopplung können sowohl eingeschlagene Sensoren, Nägel als auch Schallleiter oder Koppelmittel verwendet werden. Koppelmittel, wie z.B. Vaseline, vermindern den Signalverlust und führen zu besseren Ergebnissen. ^[20]

Durchschallungsverfahren

Beim Durchschallungsverfahren (auch Transmissions- oder Schattenverfahren genannt) werden zur Messung der Schallwelle ein Sende- und ein Empfangskopf auf zwei gegenüberliegenden Flächen des Bauteils angekoppelt. Bei diesem Verfahren werden die Auswirkungen von Werkstoff-Unregelmäßigkeiten auf das Schallverhalten genutzt, um Inhomogenitäten des Werkstoffs aufzudecken.

In Abhängigkeit der Messweise kann das Durchschallungsverfahren in das Ultraschalllaufzeit-Verfahren, das Intensitätsverfahren und die Ultraschalfrequenzanalyse unterschieden werden.

Bei dem Ultraschalllaufzeit-Verfahren wird die Schalllaufzeit zwischen dem Sendeund Empfangskopf gemessen. Die Impuls-Laufzeit durch das zu untersuchende Bauteil wird durch dessen Geometrie, den Materialeigenschaften (Feuchte, Dichte, Porosität, innerer Aufbau) sowie dem Erhaltungszustand (Fehlstellen, Risse, organische Schäden) bestimmt.

Um Werkstoff-Unregelmäßigkeiten gezielt aufzudecken, empfiehlt es sich, die Oberflächen des Bauteils beidseitig mit einem deckungsgleichen Raster zu versehen. Bereiche, in welchen niedrige Schallgeschwindigkeiten auftreten, können durch weitere Untersuchungen (z.B. Bohrwiderstandsmethode) geprüft werden.

Das Ultraschallintensitäts-Verfahren misst neben der Laufzeit die Intensität des empfangenen Impulses. Es kann folglich die Höhe der ersten Schwingungsamplitude des Empfangssignals ausgewertet werden. Dazu muss das Prüfgerät sowohl die Laufzeit als auch die Amplitudenhöhe anzeigen können.

Durch die Schwächung der Intensität des Impulses -in Abhängigkeit der Bauteilgröße und Dämpfungskonstante- kann mit dem Ultraschallintensitäts-Verfahren eine Aussage über die innere Schädigung eines Bauteils getroffen werden.

Der Vorteil dieses Verfahrens ist die sensible Reaktion auf Störungen, mit welcher Fehlstellen im Holz detektiert werden können. Diese Sensibilität ist jedoch gleichzeitig ein Nachteil, da das Signal nicht von den Schallverlusten der Ankopplung überdeckt werden darf. Um eine reproduzierbare Ankopplung zu ermöglichen, werden Koppelmittel verwendet. Bei unebenen Oberflächen ist dies jedoch schwierig zu gewährleisten.

Die Ultraschallfrequenzanalyse dient zu Charakterisierung des Materialzustands mineralischer Baustoffe. Mit Hilfe eines Frequenzanalysators können die Intensitäten der einzelnen Frequenzanteile eines Impulses (das Frequenzsprektrum) ermittelt werden. Die einzelnen Frequenzanteile werden in Abhängigkeit des Werkstoffzustandes unterschiedlich geschwächt, so dass z.B. über den Erstarrungoder Erhärtungsgrad sowie der Fäulnis bei Holz ^[21] eine Aussage getroffen werden kann.

Durchschallungsverfahren sind nur bedingt zur Detektion von Werkstoff- Unregelmäßigkeiten geeignet. Neben der eigentlichen Handhabung (Zugänglichkeit auf beiden Bauteiloberflächen notwendig) erweist sich auch das Durchlaufen des Schallimpulses durch das gesamte Bauteil hindurch als Nachteil. So kann z.B. die Laufzeit bei einem großen Ast identisch sein mit der Laufzeit von vielen kleinen Ästen. Auch eine genaue Ortung der Tiefenlage und Ausdehnung der Fehlstelle ist nicht möglich. ^[22]

Ultraschallecho-Verfahren

Das Ultraschallecho-Verfahren wird bei Wanddickenmessungen, Homogenitätskontrollen und zur Ortung von Konstruktionselementen bei Beton eingesetzt. Bezüglich der zerstörungsfreien Prüfung von Holzbauteilen wird dieses Verfahren erst seit wenigen Jahren angewandt und ist Thema aktueller Forschungen. Bei der Ultraschallecho-Methode wird über einen angekoppelten Sendeprüfkopf ein kurzer Ultraschallimpuls in das Bauteil geschickt und von einem Empfangsprüfkopf aufgenommen, welcher sich auf derselben Bauteilfläche befindet. Es wird also das Echo einer ausgesendeten Schallwelle vom Empfänger eingefangen. Dies hat den Vorteil, dass auch nur einseitig zugängliche Bauteile untersucht werden können. Das gesendete Signal wird an der gegenüberliegenden Bauteiloberfläche, Konstruktionselementen oder Fehlstellen (Reflektoren) reflektiert. Um über die Tiefenlage und Ausdehnung der Werkstoffunregelmäßigkeiten Aussagen treffen zu können, muss neben der Schalllaufzeit und den Bauteilabmessungen die charakteristische Schallgeschwindigkeit des untersuchten Bauteils bekannt sein. ^[23]

Literatur

1. Große, C.U.: Grundlagen der Zerstörungsfreien Prüfung - Teil II: Inspektionsund Dauerüberwachungsverfahren, Lehrstuhl Zerstörungsfreie Prüfung, Technische Universität München (SS 2011), S. 9
2. Hörsting, K.: Zerstörungsfreie Untersuchung von Holzbauteilen auf Fehlstellen und Fäulnisschädigungen unter Verwendung von Ultraschallverfahren – Diplomarbeit, Materialprüfungsanstalt Universität Stuttgart, Abteilung Zerstörungsfreie Prüfung und Überwachungstechnik, Stuttgart (2009), S.30
3. Große, C.U.: Grundlagen der Zerstörungsfreien Prüfung - Teil II: Inspektionsund Dauerüberwachungsverfahren, Lehrstuhl Zerstörungsfreie Prüfung, Technische Universität München (SS 2011), S. 10
4. Hasenstab, A.G.M., Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung (BAM) (Hrsg.): Integritätsprüfung von Holz mit dem zerstörungsfreien Ultraschallechoverfahren, BAM-Dissertationsreihe, Band 16, Berlin (2006), S. 39 und S.40
5. Hörsting, K.: Zerstörungsfreie Untersuchung von Holzbauteilen auf Fehlstellen und Fäulnisschädigungen unter Verwendung von Ultraschallverfahren – Diplomarbeit, Materialprüfungsanstalt Universität Stuttgart, Abteilung Zerstörungsfreie Prüfung und Überwachungstechnik, Stuttgart (2009), S.32
6. Hasenstab, A.G.M., Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung (BAM) (Hrsg.): Integritätsprüfung von Holz mit dem zerstörungsfreien Ultraschallechoverfahren, BAM-Dissertationsreihe, Band 16, Berlin (2006), S. 42 und S.43
7. Krautkrämer, J., Krautkrämer, H., Springer Verlag (Hrsg.): Werkstoffprüfung mit Ultraschall, 5. Auflage, Berlin (1986)
8. Hasenstab, A.G.M., Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung (BAM) (Hrsg.): Integritätsprüfung von Holz mit dem zerstörungsfreien Ultraschallechoverfahren, BAM-Dissertationsreihe, Band 16, Berlin (2006), S.43
9. Glinski, W., Verlag Handwerk und Technik (Hrsg.): Grundstufe Holztechnik- Technologie, 5. Auflage, Hamburg (1991)
10. Bucur, V., Lanceleur, P. and B. Roge: Acoustic properties of wood in tridimensional representation of slowness surfaces. Ultrasonics 40 (2002), p. 537-541
11. Hasenstab, A.G.M., Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung (BAM) (Hrsg.): Integritätsprüfung von Holz mit dem zerstörungsfreien Ultraschallechoverfahren, BAM-Dissertationsreihe, Band 16, Berlin (2006), S.51
12. Bucur, V. and Rasolofosaon, P.: Dynamic elastic anisotropy and nonlinearity in wood and rock. Ultrasonics (1998), p. 813-824
13. Hasenstab, A.G.M., Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung (BAM) (Hrsg.): Integritätsprüfung von Holz mit dem zerstörungsfreien Ultraschallechoverfahren, BAM-Dissertationsreihe, Band 16, Berlin (2006), S.51 und S.52
14. Hasenstab, A.G.M., Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung (BAM) (Hrsg.): Integritätsprüfung von Holz mit dem zerstörungsfreien Ultraschallechoverfahren, BAM-Dissertationsreihe, Band 16, Berlin (2006), S.52
15. Burmester, A.: Zusammenhang zwischen Schallgeschwindigkeit und morphologischen, physikalischen und mechanischen Eigenschaften von Holz, Bundesanstalt Materialprüfung, Berlin-Dahlem, Laboratorium für technologische Holzuntersuchung, S. 229
16. Burmester, A.: Zusammenhang zwischen Schallgeschwindigkeit und morphologischen, physikalischen und mechanischen Eigenschaften von Holz, Bundesanstalt Materialprüfung, Berlin-Dahlem, Laboratorium für technologische Holzuntersuchung, S. 229 und S. 230
17. Burmester, A.: Zusammenhang zwischen Schallgeschwindigkeit und morphologischen, physikalischen und mechanischen Eigenschaften von Holz, Bundesanstalt Materialprüfung, Berlin-Dahlem, Laboratorium für technologische Holzuntersuchung, S. 229 und S.230
18. Burmester, A.: Zusammenhang zwischen Schallgeschwindigkeit und morphologischen, physikalischen und mechanischen Eigenschaften von Holz, Bundesanstalt Materialprüfung, Berlin-Dahlem, Laboratorium für technologische Holzuntersuchung
19. Bekhata, P., Niemz, P., Kucera, L. J., Springer-Verlag (Hrsg.): Untersuchungen einiger Einflussfaktoren auf die Schallausbreitung in Holzwerkstoffen. Holz als Roh- und Werkstoff 60, (2002)
20. Hasenstab, A.G.M., Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung (BAM) (Hrsg.): Integritätsprüfung von Holz mit dem zerstörungsfreien Ultraschallechoverfahren, BAM-Dissertationsreihe, Band 16, Berlin (2006), S.33
21. Halabe, U., GangaRao, H., Samer, P. and H. Veerabhadera: Assessment of defects and mechanical properties of wood members using ultrasonic frequency analysis. Materials Evaluation 54 (1996), p. 314-322
22. Hasenstab, A.G.M., Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung (BAM) (Hrsg.): Integritätsprüfung von Holz mit dem zerstörungsfreien Ultraschallechoverfahren, BAM-Dissertationsreihe, Band 16, Berlin (2006), S.44 – S. 46
23. Hörsting, K.: Zerstörungsfreie Untersuchung von Holzbauteilen auf Fehlstellen und Fäulnisschädigungen unter Verwendung von Ultraschallverfahren – Diplomarbeit, Materialprüfungsanstalt Universität Stuttgart, Abteilung Zerstörungsfreie Prüfung und Überwachungstechnik, Stuttgart (2009), S.39 und S. 40