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Ultraschall-Laufzeitverfahren

Definition

Das Ultraschall-Laufzeitverfahren beschreibt die Messung der Weglänge durch die Zeit eines Schallimpulses (Wellenpaket), die er benötigt, um vom Sender (Schallquelle) durch mindestens ein Medium zum Empfänger (Schallsenke) zu gelangen.

Dieses Messverfahren ist grundlegend für alle bildgebenden Ultraschallprüfverfahren, wozu auch das weiter entwickelte Ultraschall-Laufzeit-Beugungsverfahren (TOFD) gehört.

Grundlagen

Der Proportionalitätsfaktor zwischen Zeit t und Weg s ist die Schallgeschwindigkeit c und wird nach der Gleichung

(1)

bestimmt. Diese Gleichung ist identisch mit dem Weg-Zeit-Gesetz und ist die Grundlage für Wanddickenmessungen sowie für Messungen zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit.

Ultraschall Laufzeitverfahren1.JPG

Bild 1: Zur Definition des Laufzeitverfahrens (Durchschallungsanordnung)

Das Bild 1 zeigt das Prinzip des Laufzeitverfahrens. Sender und Empfänger sind auf der akustischen Achse zueinander ausgerichtet, sodass eine optimale Schallübertragung zwischen den beiden Sensoren existiert. Diese Anordnung wird Duchschallungsverfahren genannt. Der Schall durchläuft den zu messenden Weg nur einmal, was ein besonderer Vorteil für die Prüfung von stark schallschwächenden Kunststoffen ist.
Das Laufzeitverfahren ist aber auch mit dem Impuls-Echo-Verfahren möglich. Hierbei wird nur ein Prüfkopf verwendet, der die reflektierten Schallwellen registriert [1].

Anwendung

Das Laufzeitverfahren wird überall dort angewendet, wo es sich um Punktmessungen handelt. Dies ist der Fall bei Wanddickenmessungen und bei der genauen Ortung von Materialfehlern im zu prüfenden Werkstoff (Defektoskopie). Hierbei spielt das Impuls-Echo-Verfahren eine große Rolle.
Ein Beispiel einer Wanddickenmessung mit dem Impuls-Echo-Verfahren an einer 10 mm dicken Stahlplatte in Form eines A-Bildes zeigt das Bild 2. Am Anfang der Zeitachse ist der Sendeimpuls SI zu sehen (dessen Amplitude bei 32 dB aufgrund der Übersteuerung abgeschnitten ist). Darauf folgt nach 10,0 μs die Signalfolge von vier Rückwandechos (RWE). Die zeitliche Differenz Δt zwischen den Echos ist die Zeit, die die Schallwelle benötigt, um von der mit dem Prüfkopf kontaktierten Oberfläche zur Rückwand und wieder zum Prüfkopf zu gelangen. Sie wird ermittelt durch die Bestimmung der Abstände der Maxima zweier aufeinanderfolgender Rückwandechos, wobei, oft genauer, auch die Abstände der Anstiegsflanken bei einer bestimmten relativen Echohöhe statt der Maxima genommen werden. Dieses Impuls-Echo-Verfahren ist in der Ultraschallprüfung die am häufigsten verwendete Methode [2]. Ist das Δt ermittelt, kann dann nach (1) die Wanddicke berechnet werden, wobei hier für den Schallweg die doppelte Wanddicke zu nehmen ist.
Um die Schallgeschwindigkeit zu berechnen, muss die Wanddicke bekannt sein. Das wird durch Laufzeitmessung an einem Kalibrierprüfkörper des gleichen Materials oder an einer zugänglichen planparallelen Stelle des zu prüfenden Bauteils erreicht, bei denen die Wanddicke bekannt bzw. leicht mit anderen Messzeugen ermittelt werden kann.

Ultraschall Laufzeitverfahren2.JPG

Bild 2: Messung der Schallgeschwindigkeit durch 25 mm Stahl in Impuls-Echo-Verfahren

Auch das Durchschallungsverfahren ermöglicht die Messung der Schalllaufzeit. Es besitzt aufgrund des nur einfachen Schalllaufweges eine bessere Signalqualität und wird insbesondere da angewendet, wo es um die Prüfung von Rohren und Behältern mit stark schallschwächenden Medien geht und genaue Ergebnisse zu den Wanddicken oder zum Zustand ebendieser Medien erforderlich sind. Dabei muss zunächst eine Kalibrierung des Nullpunktes vorgenommen werden, weil die Anstiegsflanke oder das Maximum des Sendeimpulses aus technischen Gründen nicht mit dem Nullpunkt übereinstimmt.

Bedeutung

Das Laufzeitverfahren hat trotz der zunehmenden Automatisierung der Ultraschallprüftechnik in den letzten Jahren nicht an Bedeutung verloren. Es ist vielmehr in die Berechnungsalgorithmen der bildgebenden Ultraschallprüfung integriert und besonders für die Defektoskopie an Bauteilen unverzichtbar. Dabei hängt die Genauigkeit der numerisch bestimmten Schalllaufzeit in erheblichem Maße von der Messrate des jeweiligen Transientenrecorders ab.


Literaturhinweise

[1] Krautkrämer, J., Krautkrämer, H.: Werkstoffprüfung mit Ultraschall. Springer-Verlag, 5. Auflage (1986) S. 240 ff. (ISBN 978-3-662-10909-0)
[2] Kohlrausch, F.: Praktische Physik: Zum Gebrauch von Unterricht, Forschung und Technik. B. G. Teubner, 24. neubearb. und erw. Auflage (1996)