Impakt-Echo

Anna Margareta Bär, 07.2011

English translation

Impakt-Echo (IE) ist ein zerstörungsfreies, akustisches Verfahren, das im Bauwesen seit Mitte der 1980er Jahre zum Einsatz kommt. Derzeit wird es im Massivbau zur Bauteildickenmessung und zur Ortung von Konstruktionselementen und Fehlstellen verwendet. Wie bei Ultraschallmessungen werden die (Vielfach-) Reflexionen von Wellen an Materialgrenzen gemessen, die beim Impakt-Echo durch einen kurzen mechanischen Schlag (Impakt) erzeugt werden. Es ist ein technisch relativ einfaches Verfahren, das aber wie fast jedes ZfP-Verfahren etwas Erfahrung in der Auswertung der Messergebnisse voraussetzt. ^{[1] [2]}

Prüfverfahren

Das Impakt-Echo-Verfahren beruht auf einer Messung von akustischen Wellen. Diese werden aktiv durch einen kurzen mechanischen Schlag (Impakt) meist mittels einer kleinen Metallkugel (Impaktor, s. 1.2) an der Bauteiloberfläche nahe am Detektionssensor erzeugt. Die Wellen breiten sich im Bauteil aus und werden an Grenzflächen zu Materialien mit unterschiedlicher akustischer Impedanz, z.B. an der Bauteil-Rückwand, bei Materialwechsel oder Fehlstellen reflektiert. Mittels eines Sensors werden die Reflektionen der Schallwelle bzw. deren Schwingungsamplituden über die Zeit (s. Abb. 1.2) aufgetragen (A-Bild) und digitalisiert (s. Abb. 1.1). ^[3]

Mit Hilfe der Fourier-Transformation kann aus diesem Messsignal das Frequenzspektrum (s. Abb. 1.2) ermittelt werden. Die Mehrfachreflexionen führen zu relativ hohen Signalstärken bei einzelnen Frequenzen, die in einem Leistungs-Frequenz-Diagramm den Tiefenlagen der Reflektoren im Bauteil zugeordnet werden können. Die Dicke bzw. Tiefe $//<![CDATA[ \begin{array}{l}d\end{array} //]]>$ wird dabei aus der geometrischen Beziehung $//<![CDATA[ \begin{array}{l}d = \frac{v}{2*f}\end{array} //]]>$ bestimmt, wobei $//<![CDATA[ \begin{array}{l}f\end{array} //]]>$ die Frequenz und $//<![CDATA[ \begin{array}{l}v\end{array} //]]>$ die Schallgeschwindigkeit im Material ist.

Die Schallausbreitungsgeschwindigkeit muss hierfür bekannt sein oder, wie in 1.2 beschrieben, ermittelt werden. Es hat sich bewährt die Messungen entlang einer Linie oder eines Rasters aufzunehmen. Die einzelnen Ergebnisse können dann je nach Messaufgabe tabellarisch oder graphisch dargestellt und endgültig ausgewertet werden. ^{[1] [2] [4]}

Messaufgaben und deren Auswertung

Die Auswertung der Messergebnisse ist aufgabenabhängig. Bei der Bauteildickenmessung eines homogenen Bauteils (z.B. Tunnelschale) sollte es eine Hauptreflexion und damit einen Frequenzpeak geben (s. Abb. 1.3 links). Hieraus kann die Lage der Rückseite bzw. die Bauteildicke ermittelt werden. Gerade bei großflächigen Messungen ist ein Messraster vorteilhaft. Meist kommt ein Raster von 40 - 80 cm zum Einsatz und nur bei Verdacht auf Fehlstellen ein kleineres im Bereich von 15 - 30 cm. ^[3] Die einzelnen Dicken können dann mit einem Farbcode oder in Graustufen bildlich dargestellt werden (s. Abb. 1.4).

Eine Fehl-/Hohlstelle oder ein Objekt im Bauteil stellt sich je nach Größe als zweiter Frequenzpeak (bei schmaler horizontaler Dimension des Reflektors) oder als einzelner anstelle des Rückwandsignals dar (s. Abb. 1.3 rechts). Man kann also nicht sagen, ob nach der Fehlstelle oder dem Objekt noch Material ist oder nicht.

Impaktor und Prüfeinrichtung

Als Impaktor wird meist eine kleine Stahlkugel (s. Abb. 1.5 links) verwendet. Je kleiner die Kugel bzw. die Kontaktfläche ist, desto kürzere Kontaktzeiten werden erzielt und die Schallwelle hat starke Anteile bei hohen Frequenzen. Dies eignet sich v.a. zur Detektion von oberflächennahen Reflektoren. Auch relativ kleine Reflektoren können aufgelöst werden. Größere Impaktoren erzeugen dementsprechend niedrigere Frequenzen, die weiter in das Bauteil eindringen. Dafür verringert sich allerdings das Auflösungsvermögen und die Nachweismöglichkeiten werden so eingeschränkt. Um eine gute Auflösung über die komplette Bauteildicke zu erlangen, ist es sinnvoll mehrere Messungen mit unterschiedlichen Impaktoren durchzuführen. ^[3]

Da man mit händischem Anschlagen der Metallkugel nur mit Übung einen konstanten Anschlag für die Messungen erzielt, gibt es auch Vorrichtungen welche die Metallkugel kontrolliert auslösen und führen. Diese (elektromechanischen) Impaktoren sind oftmals schon in einem Gehäuse mit dem Sensor vereint, so dass dem Messrechner auch die Auslöseinformation übergeben werden kann (s. Abb. 1.5). Diese Geräte haben den Nachteil, dass sie eine größere ebene Fläche benötigen, also bei gekrümmten Flächen schwerer anwendbar sind.

Ermittlung der Schallausbreitungsgeschwindigkeit v eines Materials für das IE-Verfahren

Ist die Schallgeschwindigkeit im zu messenden Körper unbekannt, so gibt es mehrere Möglichkeiten diese zu bestimmen. ^[3]

Zum einen kann man an einer homogenen Stelle mit bekannter Dicke eine IE-Messung durchführen und mittels der ermittelten Frequenz $//<![CDATA[ \begin{array}{l}f\end{array} //]]>$, der Rückwandreflexion und der Dicke $//<![CDATA[ \begin{array}{l}d\end{array} //]]>$ die Schallgeschwindigkeit $//<![CDATA[ \begin{array}{l}v\end{array} //]]>$ mit $//<![CDATA[ \begin{array}{l}v = 2 * d * f\end{array} //]]>$ berechnen.

Ist dies nicht möglich, so kann die Schallgeschwindigkeit mit Hilfe von Kalibrierkörpern oder Bohrkernen des Bauteils ermittelt werden. Diese sollten möglichst eine kreiszylindrische Form aufweisen, mit einer Höhe h die mindestens das Doppelte des Durchmessers beträgt. Trifft dies nicht zu muss ein Korrekturfaktor mit eingerechnet werden, da sonst das Ergebnis durch Wellenumwandlungen verfälscht wird. Die Kalibrierung an dem Testkörper sollte bei denselben Umgebungsbedingungen vorgenommen werden wie die Messungen an dem zu prüfenden Bauteil.

Eine weitere Möglichkeit ist die Bestimmung der Longitudinalwellengeschwindigkeit an der Bauteiloberfläche. Dazu wird entweder mit zwei Sensoren oder einem getriggerten Impaktor und einem Sensor die Laufzeit der Welle zwischen zwei definierten Messpunkten gemessen. Da hierbei nur die Schallgeschwindigkeit der Longitudinalwelle bestimmt wird, ist ein Korrekturfaktor erforderlich. Es ist sinnvoll, mit einem der beiden ersten Verfahren ergänzende Messungen durchzuführen.

In Ausnahmefällen kann man die Schallgeschwindigkeit auch mithilfe von Erfahrungswerten bestimmen. ^{[3] [4]}

Einsatzbereich im Bauwesen

Das Impakt-Echo-Verfahren wird vorrangig im Massivbau zur Dickenmessung von einseitig zugänglichen Bauteilen verwendet. Vor allem im Tunnelbau wird es zur Überprüfung der Dicke der Tunnelwand angewendet. Des Weiteren können Konstruktionselemente wie z.B. Spannglieder oder Hohlkörper geortet werden. Auch können Hohlstellen, die aufgrund schlechter Verdichtung oder anderer baulicher Fehler entstanden sind, Delaminationen und Verbundstörungen detektiert werden. ^{[4] [3]}

Grenzen des Verfahrens

Auflösung

Die Auflösung hängt v.a. von der Größe der Frequenzintervalle ab und ist geräteabhängig. Allgemein nimmt die Auflösung mit steigender Messtiefe ab. Dabei liegt die Messunsicherheit von Dickenmessungen bei Bauteilen von 10 – 80 cm bei 2 - 5 %, mindestens jedoch 1 cm. Sind die Abmessungen der Störung im Inneren des Prüfkörpers kleiner als die Wellenlänge, so ist ein Nachweis schwer. Außerdem sollte die Querabmessung $//<![CDATA[ \begin{array}{l}D\end{array} //]]>$ der Störung im Verhältnis zu ihrer Tiefe $//<![CDATA[ \begin{array}{l}d\end{array} //]]>$ größer 1:3 sein (s. Abb. 1.3 rechts).

$//<![CDATA[ \begin{array}{l}\frac{D}{d}>\frac{1}{3}\end{array} //]]>$

Dickenmessungen sind relativ einfach möglich, während z B. die Ortung von Hüllrohren nur unter guten Bedingungen durchführbar ist und bevorzugt mit Ultraschallmessungen durchgeführt werden sollte. ^[5]

Eindringtiefe

Die Eindringtiefe ist abhängig von der Wellenlänge $//<![CDATA[ \begin{array}{l}\lambda\end{array} //]]>$ bzw. der Ausbreitungsgeschwindigkeit $//<![CDATA[ \begin{array}{l}v\end{array} //]]>$ des Schalls im Material und der Frequenz $//<![CDATA[ \begin{array}{l}f\end{array} //]]>$ der Welle, da die Wellenlänge mit $//<![CDATA[ \begin{array}{l}\lambda = \frac{v}{f}\end{array} //]]>$ bestimmt wird. Bei Beton beispielsweise ist die Schallgeschwindigkeit ca. 4000 m/s, so ergibt sich bei einem verwendeten Frequenzbereich von 2 bis 40 kHz eine Wellenlänge von 2000 bis 100 mm. ^[3]

Allgemein wird die erreichbare Messtiefe mit sinkender Frequenz höher. Bei guten Messbedingungen und der geeigneten Frequenz kann man im Beton eine Messtiefe von ca. 80 - 100 cm erreichen. Da sehr kurze Kontaktzeiten und damit hohe Frequenzen schwer erzeugbar sind, ist eine Mindestschichtdicke von ca. 5 cm notwendig.

Messhindernisse

Bei rauen Oberflächen werden die Anschläge nicht mehr oder schlecht reproduzierbar und das Messergebnis wird verfälscht. Sehr raue Oberflächen sollten deshalb erst geglättet werden. ^[3]

Meist wird davon ausgegangen, dass es sich bei dem Reflektor um eine Grenzfläche von Material nach Luft handelt. Luft besitzt eine geringe akustische Impedanz. Bei Materialübergängen von niedriger zu hoher akustischer Impedanz muss die Formel für die geometrische Beziehung (siehe Abs. 1) angepasst werden. Für Stahl z. B. gilt $//<![CDATA[ \begin{array}{l}d = \frac{v}{4f}\end{array} //]]>$. Dies macht sich aber erst bei größeren Schichtdicken bemerkbar. Bei kleinen Hindernissen wie Bewehrung o.ä. kann es vernachlässigt werden.

Bei kleinen Querschnittsbreiten des Messobjektes können nicht nur Rückwandechos und Reflexionen von Objekten im Bauteil auftreten, sondern auch störende Reflexionen von den Seitenwänden, die das Messergebnis beeinträchtigen. Deshalb können Objekte nahe am Bauteilrand schlecht detektiert werden.

Vor- und Nachteile des Impakt-Echo Verfahrens

Vorteile

Vorteilhaft am IE-Verfahren ist, dass es sich in der Anwendung um ein relativ unkompliziertes Verfahren handelt, das gegebenenfalls auch automatisiert werden kann. Da kein Koppelmittel nötig ist, wird im Normalfall die Oberfläche des Bauteils nicht beschädigt.

Die Auswertung des A-Bildes geht schnell, so dass nach jeder Einzelmessung das Teilergebnis auf Plausibilität überprüft werden kann und gegebenenfalls die Messung an dem Punkt wiederholt, nach äußeren Einflüssen gesucht oder das Messraster im gestörten Bereich verkleinert werden kann.

Ein weiterer großer Vorteil ist die hohe Eindringtiefe, so dass große Bauteildicken komplett durchdrungen werden können, auch wenn sie nur einseitig zugänglich sind. Dabei kommt hinzu, dass an metallischen Objekten akustische Wellen weniger reflektiert werden als elektromagnetische Wellen wie z. B. bei Radar, so dass Objekte hinter der Bewehrung gut sichtbar sind.

Nachteile

Bei händischem Anschlag des Impaktors kann es dazu kommen, dass sich die ausgesendete Welle bei jedem Anschlag leicht unterscheidet. Es ist also ein wenig Übung erforderlich um gute konstante, reproduzierbare Werte zu bekommen.

Durch die schwache Dämpfung der Welle sind Randbereiche wegen der Reflexionen an den Seitenwänden kaum sinnvoll zu erfassen. Des Weiteren müssen zu detektierende Objekte wegen der relativ großen Wellenlänge eine dementsprechend große Querschnittsbreite aufweisen um erfasst werden zu können.

Zusammenfassung

Das IE-Verfahren ist in der Anwendung ein relativ einfaches, technisch unkompliziertes Verfahren, das in der Auswertung, wie fast jedes ZfP-Verfahren, eine gewisse Erfahrung erfordert. Zur Dickenmessung und Detektion von Hohlstellen ist es bestens geeignet. Um allerdings eine besser Auflösung zu bekommen ist es sinnvoll, es mit höherfrequenten Prüfverfahren zu kombinieren. So können auch umgebungsbedingte Messeinflüsse leichter erkannt und ausgeglichen werden.

Wichtig ist, dass die Messungen unter Aufsicht von Qualifiziertem Personal durchgeführt werden, damit es zu keinen Fehlmessungen und -interpretationen kommt.

Literatur

1. Beutel, R., Finck, F. et al.: Untersuchung der inneren Struktur einer Spannbetonbrücke mit Hilfe des Impact-Echo- und des Radar-Verfahrens. DGZfP-Berichtsband 94-CD, Plakat 9. Rostock, 2005.
2. Wiggenhauser, H.: Impact-Echo. In: Bauphysikkalender 2004. S. 358 ff. Cziesielski, e. (Hrsg.), Ernst & Sohn. Berlin, 2004.
3. Merkblatt über die Anwendung des Impakt-Echo-Verfahrens zur zerstörungsfreien Prüfung von Betonbauteilen. DGZfP, 2011.
4. Große, C. U.: Impakt-Echo-Verfahren. In: Grundlagen der Zerstörungsfreien Prüfung. Arbeitsblätter im Rahmen der Vorlesung, Lehrstuhl für Zerstörungsfreie Prüfung der Technischen Universität München. S.45 ff. München, 2011.
5. Taffe, A. et al.: Zerstörungsfreie Prüfverfahren im Bauwesen ZfPBau. Filderstadt, 2010.