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Ultraschallsignale, Modulation

Allgemeines

Die Modulation von Ultraschallsignalen ist im Gegensatz zum Signalübertragungsverfahren passiver Natur. Sie entsteht durch die Schallanregung von Materialinhomogenitäten (Defekte), die damit sekundär als Schallgeber wirken können. Daneben können auch mit einem geeigneten Anregungssignal die Wirkung der materialspezifischen Defekte auf das Messsignal verstärkt werden.

Prinzip

Die Modulation eines Signals ist seit Anfang der Kommunikationstechnik ein notwendiges Verfahren zu einer möglichst verlustfreien Signalübertragung. Es besteht in einer Veränderung eines (Träger-)Signals bezüglich der Amplitude, der Frequenz und/oder der Phase durch das zu transportierende, informationstragende Signal.
Durch die grundsätzlich verlustbehaftete Signalübertragung von Schall- oder elektromagnetischen Wellen durch ein Medium wird das Signal auf dem Weg durch das Übertragungsmedium bedämpft und verliert damit an Energie (elektrische Energie, Schallenergie). Dabei nimmt die anfängliche Signalamplitude A0 gemäß der Gleichung (1) ab,

A=A_{0}\cdot e^{i\omega\omega}\cdot e^{- \alpha t} (1)

wobei der Faktor e–αt den Dämpfungsfaktor und α den Schalldämpfungskoeffizienten darstellen (Bild 1).

Ultraschall Modulation1.JPG

Bild 1: Prinzipdarstellung einer gedämpften Schwingung mit Abklingfunktion

Wird dieses Signal mit einem anderen – meist niederfrequenten – (Informations)-signal überlagert, bleibt die Information auf der Übertragungsstrecke erhalten. Dabei wird das höherfrequente Trägersignal stärker bedämpft (δ ~ ω2). Somit ist die Länge der Übertragungsstrecke im Wesentlichen nur von der Verstärkung des Trägersignals abhängig.
Bei der Modulation von elektrischen Signalen und auch von Ultraschallsignalen existieren drei verschiedene Arten: die Amplitudenmodulation, die Frequenzmodulation und die Phasenmodulation, wobei die beiden letzteren in der Ultraschallprüfung eine größere Rolle spielen. Grundsätzlich ist auch eine Modulation mit digitalen Signalstrukturen möglich, welche eine einfachere Auffindung in den Echosignalen gestattet. In Bild 2 ist als Beispiel ein hochfrequentes Trägersignal mit einem niederfrequenten Signal moduliert.

Ultraschall Modulation2.JPG

Bild 2: Trägersignal, moduliert mit einem Übertragungssignal (Sinusfunktion)

Signalmodulation in der Ultraschallprüfung

Ultraschallsignale sind in der Werkstoffprüfung passiv durch die Inhomogenitäten im Material, welche die Schallwelle verändern, moduliert [1]. Die Notwendigkeit der Auswertung von modulierten Ultraschallsignalen ergibt sich besonders in der Ultraschallprüfung an Kunststoffen, die einen hohen Schalldämpfungskoeffizienten aufweisen und aufgrund von Verstärkungsfasern sehr heterogen sind. Im folgenden Bild 3 ist das Prinzip der Ultraschallmodulation an einem praktischen Beispiel verdeutlicht. Das HF-Bild wurde mit Durchschallungstechnik aufgenommen. Dargestellt sind nur die Antwortsignale 1–3, bezeichnet als Signal 1 bis 3 in Bild 3.

Ultraschall Modulation3.JPG

Bild 3: Beispiel eines amplitudenmodulierten Ultraschallsignals durch eine Fehlstelle in einer Kunststoffplatte

Ultraschall Modulation4a.JPGUltraschall Modulation4b.JPG

Bild 4: Signalantwort aus einer amplitudenmoduliert angeregten Glasprobe (a) und das zugehörige Modulationsspektrum (b) [2]

Der Einfluss des untersuchten Werkstoffes auf die Signalstruktur ist neben den schallabsorbierenden und schallstreuenden Eigenschaften durch die Anregung von Werkstoffdefekten gegeben. Diese spiegeln sich im Antwortsignal durch eine Modulation vor allem von Frequenz und Phase wider. Daher werden verschiedene numerische Auswertealgorithmen – wie die Unterabtastung eines modulierten Signals oder die Hilberttransformation – verwendet, um das Antwortsignal zu demodulieren und den Werkstoffzustand besser mit Ultraschall charakterisieren zu können.
Das Bild 4a zeigt das Frequenzspektrum einer Glasprobe mit und ohne monofrequente Anregung durch einen zweiten, niederfrequenten Ultraschall-Prüfkopf. Das Frequenzspektrum in Bild 4b entspricht dem demodulierten Signal von Bild 4a.


Literaturhinweise

[1] Berktay, H. O.: Possible Exploitation of Non-Linear Acoustics in Underwater Transmitting Applications. J. of Sound and Vibration 2 (4), (1965) 435–461
[2] Moussatov, A.; Castagnede, B.: Ultrasonic Defectoscopy of Damaged Materials by Modulation Transfer Method: Nonlinear Pump-Probe Interaction. WCU 2003, Paris, 7.–10. September (2003)