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Ultraschall-Plattenwellen-Prüfköpfe

Definitionsgemäß versteht man unter Plattenwellen oder geometrischen Wellen die Wellenarten, die sich in der Hauptachsenrichtung eines dünnen Bauteils, wie einer Platte oder Membran, ausbreiten. Der Abstand oder die Dicke d der begrenzenden Oberflächen­schichten des Bauteils in der Normalenrichtung der Welle liegt dabei näherungsweise in der Größenordnung der Wellenlänge λ. Die Plattenwellen werden in symmetrische und asymmetrische Platten- oder Lambwelle unterschieden (Bild 1) und stellen deren Schwingungsmoden dar. Die symmetrische Plattenwelle (Bild 1a) wird auch als S-Typ und die asymmetrische als A-Typ (Bild 1b) mit verschiedenen Schwingungsmoden (Index 1, 2, 3) bezeichnet. Bei derartigen geometrischen Wellentypen hängt die Ausbreitungsgeschwindigkeit grundsätzlich von der Wellenlänge ab und führt im Werkstoff zu Frequenzdispersion [1].

US Plattenwellen Pruefkoepfe-1.jpg

Bild 1: Plattenwellen: (a) symmetrisch, (b) asymmetrisch mit der Ausbreitungsrichtung (AR) und Schwingungsrichtung (SR)

Die Plattenwellen begrenzter Geometrien wie in Bild 1a werden auch als Dehn- oder Kompressionswellen bezeichnet, wobei zu erkennen ist, dass die neutrale Faser der Platte eine reine Longitudinalschwingung ausführt. Im Gegensatz dazu tritt bei der asymmetrischen Welle in Bild 1b eine Transversalschwingung der neutralen Faser auf. Typisch ist für die Lambwellen, dass auch Oberwellen auftreten können, deren Amplitude mit steigender Ordnung allerdings stark abnimmt. Ist die Wellenlänge λ wesentlich kleiner als die Dicke d der Platte, dann wird die Lamb-Welle quasi zur Überlagerung von zwei Rayleigh-Wellen, eine an der Oberseite und eine an der Unterseite der Platte, weshalb diese Wellenart auch als Lamb-Rayleigh-Welle bezeichnet wird. Die Gruppen- und Phasengeschwindigkeiten derartiger Plattenwellen werden praktischerweise in Dispersionsdiagrammen dargestellt.

Bekannt ist, dass bei der Ultraschallprüfung dünner Platten mit Winkelprüfköpfen sogenannte Plattenwellen (Lamb-Wellen) entstehen können, die sich mit einer anderen Geschwindigkeit ausbreiten als die Longitudinalwellen und demzufolge einen vorhandenen Fehler im Prüfstück ein zweites Mal zur Anzeige bringen können (Plattenwellenecho). Aufgrund der begrenzten Geometrie tritt keine freie Schallausbreitung auf, weshalb bei dünnen Strukturen teilweise Prüfverfahren mit Schrägeinschallung von Ultraschallwellen angewandt werden, wodurch dann ausschließlich sogenannte Plattenwellen entstehen [2]. Diese weisen allerdings eine Vielzahl von Schwingungsformen (Eigenschwingungsmoden) auf, deren Entstehung an die Schrägeinschallung planparalleler Prüfstücke gebunden ist, aber zusätzlich vom Einschallwinkel, der Prüffrequenz und der Dicke des Bauteils abhängt [1]. In der prüftechnischen Praxis werden Plattenwellen in Durchschallung als auch in Reflexion (Impuls-Echo-Methode) benutzt, wobei die Prüfköpfe generell einen veränderlichen Einschallwinkel aufweisen. Da die Amplitude bei der Impuls-Echo-Methode allerdings schlecht reproduzierbar ist, wird zumeist die Durchschallungsmethode angewandt [3].

Der Plattenwellen-Prüfkopf ist ein Winkelprüfkopf mit einem stetig veränderbaren Einschallwinkel α (Bild 2). Das ist notwendig, da die Anregung von Plattenwellen von der Anregungsfrequenz f, dem Einschallwinkel α, der Werkstoffdicke d und der Schallgeschwindigkeit c abhängt. Plattenwellen lassen sich nur in hinreichend dünnen Bauteilgeometrien anregen, da die Dicke in der Größenordnung der Wellenlänge liegen muss [1, 2]. Plattenwellen werden dann in sich reflektiert, wenn die ursprünglichen Anregungsbedingungen z. B. durch Auftreten von Dopplungen oder Delaminationen nicht mehr gegeben sind. Die Anregung wird dabei durch die Veränderung des Winkels erzeugt, wodurch ab einem von der Frequenz, Dicke und Schallgeschwindigkeit abhängigen Winkel eine Resonanz der Biege- oder Dehnwelle entsteht.

US Plattenwellen Pruefkoepfe-2.jpg

Bild 2: Plattenwellen-Prüfkopf: (a) schematische Darstellung des Tandem-Empfängers nach [2], (b) verstellbarer Winkelprüfkopf zum Empfang angeregter Plattenwellen

Mit diesen Plattenwellen-Prüfköpfen können somit Dopplungen, Delaminationen und Inhomogenitäten aber auch Störungen der Verklebung in dünnen Strukturen geprüft werden und zwar dann, wenn diese so dünn sind, dass sie mit einem Normal- oder SE-Prüfkopf nicht mehr untersucht werden können. Dicken von 0,6 bis 6 mm Dicke können sehr gut geprüft werden. Die obere Grenze für die mit Plattenwellen-Prüfköpfen untersuchbare Plattendicke liegt bei 12 bis 16 mm, wobei eine höhere Empfindlichkeit als bei der Nutzung von Transversalwellen vorliegt.
Technische Anwendung finden Plattenwellen bei der Ultraschallprüfung dünnwandiger Strukturen, z. B. für die Untersuchung von Laminaten [4], Wärmetauschern [5], Rohren und bei der Inspektion von Flugzeugteilen. Aktuell wird die Nutzung von Lambwellen für das Structural Health Monitoring (SHM) von Kunststoffen und Verbundwerkstoffen als auch für Klebeverbindungen [6] intensiv untersucht, da bekannt ist, dass an Fehlstellen im Faserverbund Modenkonversionen auftreten können, die zur Fehlerdetektion nutzbar sind.


Literaturhinweise

[1] Deutsch, V., Platte, M., Vogt, M.: Ultraschallprüfung – Grundlagen und industrielle Anwendungen. Springer Verlag, Berlin (1997), (ISBN 3-540-62072-9; siehe AMK-Büchersammlung unter M 45)
[2] Steeb, S.: Zerstörungsfreie Werkstoffstück- und Werkstoffprüfung. 5. Auflage, Expert Verlag, Renningen (2016), (ISBN 978-3-81693-261-1)
[3] Krautkrämer, J., Krautkrämer H.: Werkstoffprüfung mit Ultraschall. Springer-Verlag, Berlin (1986), (ISBN 978-3-662-10909-0)
[4] Mate, G., Döring, J., Prager, J., Brekow, G., Kreutzbruck, M.: Fehlernachweis mit Plattenwellen und Luftultraschall. DGZfP-Dach Jahrestagung 2009, Münster
[5] Schiebold, K.: Zerstörungsfreie Werkstoffprüfung – Ultraschallprüfung. Springer Verlag, Berlin (2014), (ISBN 978-3-662-44699-7)
[6] Prager, J., Brackrock, D., Dohse, E., Gaal, M., Homann, T., Grezeszkowski, M.: Anwendung geführter Ultraschallwellen für die Prüfung von Klebeverbindungen. DGZfP-Dach Jahrestagung 2014, Potsdam
[7] Mook., G., Willberg, C., Gabbert, U., Pohl, J.: Konversion von Lambwellenmoden in CFK-Platten. DGZfP-Dach Jahrestagung 2012, Graz