Luftultraschall Gerätetechnik

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Luft-Ultraschall – Gerätetechnik
siehe auch: Luftultraschall

Allgemeines

Die Werkstoffprüfung mit Ultraschall ist ein technologisch eingeführtes traditionelles zerstörungsfreies Prüfverfahren. Es findet Anwendung vor allem in der Schweißnahtprüfung, Defektoskopie und Wanddickencharakterisierung als auch der Qualitätssicherung von Bauteilen der Automobil- und Luftfahrtindustrie neben der Untersuchung der mechanisch-elastischen Eigenschaften von Werkstoffen. Speziell bei Nutzung von mobilen Gerätetechniken wird mit der Kontaktkopplung gearbeitet, die allerdings nicht für jedes Material geeignet ist [1].
In Laboratorien ist das Ultraschall-Tauchtechnikverfahren üblich, um die Auflösung der zu untersuchenden Objekte wesentlich zu verbessern und flächige Scans durchzuführen, womit ein akustisches Gesamtbild vom Prüfkörper oder Bauteil erstellt werden kann (siehe: Bildgebende Ultraschallprüfung). Es existieren auch weitere mobile Verfahren für die Defektoskopie von Bauteilen, wie z. B. die Ultraschall-Squirtertechnik oder die Tauchbadtechnik (siehe: Ultraschall-Tauchbad-Prüfköpfe) [2], mit denen auch komplexe Bauteilgeometrien auf Fehler untersucht werden können.
Ein wesentlicher Vorteil zu diesen herkömmlichen Ultraschallmessverfahren, die eine Einkopplung des Ultraschalls über ein Koppelmittel, Wasser oder Wasserdampf erfordern, ist die Ankopplung des Prüfkörpers über eine Luftstrecke. Diese als Luft-Ultraschall­-Messverfahren bekannte Prüfmethode arbeitet also koppelmittelfrei. Damit liegt kein direkter Kontakt vor, was einen Vorteil für koppelmittelempfindliche Prüfkörper oder Bauteile, also hydrophile Werkstoffe, darstellt. Ein ultraschalltechnisches Problem stellt jedoch die hohe Schalldämpfung der verwendeten Luft dar.
Während das für geringe Auflösungen wie der Abstandsmessungen bei PKW kein Problem darstellt, sind in der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung höhere Anforderungen vorhanden. Dieses wird gelöst, indem angepasste Composite-Ultraschallprüfköpfe mit niedriger Sendefrequenz und einer speziellen Anpassungsschicht, einer geeigneten Anregung des Sendeimpulses und einer breitbandigen Verstärkertechnik eingesetzt werden. Dies hat natürlich zur Folge, dass bei geringen Frequenzen die lokale Auflösung für Defekte oder Inhomogenitäten im untersuchten Werkstoff sinken.

Ankopplung

Grundsätzlich existieren in Analogie zur Direktankopplung des Ultraschalls an Prüfstücke auch verschiedene Arten der Luft-Ankopplung, um die z. B. elasto-mechanischen Eigenschaften bzw. Inhomogenitäten (Lunker, Einschlüsse oder Risse) im Werkstoff zu ermitteln. Das sind natürlich das bekannte Durchschallungs-Verfahren und die bei metallischen Werkstoffen bevorzugte Impuls-Echo-Prüfmethode.
Aufgrund der hohen Schallverluste wird bei der Prüfung mittels Luft-Ultraschall zumeist mit dem Durchschallungsverfahren gearbeitet, damit die Schallstrecke im Prüfkörper nur einmal durchlaufen wird und so nur minimal zur gesamten Schalldämpfung beiträgt. Die Verwendung der Impuls-Echo-Technik erfordert zudem schalltechnisch identische Prüfköpfe auf der Sender- und Empfängerseite als auch eine exakt senkrechte Ausrichtung der Prüfköpfe in der akustischen Achse. Speziell bei geometrisch komplexen Kunststoffbauteilen stellt das auch bei Verwendung von geeigneter Robotertechnik ein großes Problem dar. Aufgrund dessen ist das Durchschallungsverfahren (Bild 1) seit Jahren Stand der Technik und wird auch erfolgreich bei Kunststoffen und Composite-Werkstoffen angewandt.

Bild 1:

Schematische Darstellung der Durchschallungsanordnung bei Ankopplung über Luft

Eine weitere technische Realisierungsvariante der Luft-Ankopplung ist die S/E-Anordnung, die ähnlich dem inneren Aufbau der S/E-Prüfköpfe zueinander mit einem Dachwinkel ausgerichtet sind und so einen Fokus im Prüfkörper bilden können, der eine höhere Auflösung des empfangenen Signals ermöglicht. In dem Bild 2 ist diese Messanordnung dargestellt, wobei der Fokus hier auf der Rückwand liegt.

Bild 2:

Schematische Darstellung der S/E-Anordnung bei Ankopplung über Luft mit Fokus auf der Rückwand des Prüfstückes

Merkmale der Luftultraschall-Messsysteme

Luftultraschall-Prüfsysteme arbeiten generell mit vergleichsweise tiefen Frequenzen, die in Luft einer geringeren Dämpfung unterliegen. Der Unterschied in den Messfrequenzen zu den Kontakt- oder Tauchtechnikprüfköpfen beträgt dabei ca. eine Größenordnung. Entsprechend der Frequenz und Wellenlänge ergibt sich natürlich eine geringere Auflösung in der Defektoskopie und bei der Beurteilung von Oberflächen. Um diesem Effekt entgegenzuwirken, existieren verschiedene Ansätze, die meist miteinander kombiniert angewendet werden:

• hohe Einschallleistung,
• Anregung mit Burstsignalen und
• schmalbandig konzipierte Ausgangsverstärker.

Mit einer höheren Einschallleistung wird die Intensität des Ultraschallsignals vergrößert. Damit auch möglichst viel an Intensität in das Prüfmaterial übertragen wird, wird meistens mit Burst- bzw. Rechteck-Impulsen angeregt. Damit wird jedoch eine Begrenzung des Frequenzbandes bewirkt, weshalb die Burstsignale auf die Mess- und Verstärkertechnik abgestimmt sein müssen. Der Ausgangsverstärker wird deshalb relativ schmalbandig ausgelegt, womit eine verhältnismäßig hohe Signalamplitude erzeugt werden kann.

Aufgrund der spezifischen Anforderungen und der aufwendigen Messtechnik ist eine Luft-Ultraschallmessung derzeit nur im Labor sinnvoll, allerdings noch nicht auf Basis eines mobilen Gerätes möglich.

Beispiele für Luft-Ultraschall-Messsysteme

Die Hochschule Merseburg verfügt über ein Luftultraschall-Messsystem (Bild 3), das in Zusammenarbeit mit dem Forschungszentrum Ultraschall (FZU) gGmbH und der Fa. Sonotec Ultraschallsensorik GmbH Halle im Rahmen eines BMBF-Verbundprojektes entstand und gegenwärtig weiterentwickelt wird [3, 4].

Bild 3:

Demonstrator-Messsystem der Hochschule Merseburg bei der Prüfung einer CFK-Struktur mittels Robotertechnik

Dieses Messsystem, welches als Demonstrator entwickelt wurde, arbeitet im Durchschallungsverfahren mit zweikanaligen 400 kHz-Prüfköpfen, die an einen ISEL-Manipulator (Roboter) montiert sind. Verschiedene Ultraschallbilder (A-Bild, B-Bild, C-Bild und F-Bild) können mit dem System generiert werden, um damit Fehler zu detektieren und die Messergebnisse zu interpretieren (Bild 4).

Bild 4:

C-Bild­-Darstellung eines Astloches in Kiefernholz (a) als Integration der Amplituden über das gesamte gescannte Volumen und (b) über einen ausgewählten Tiefenbereich

Die Fa. Sonotec Ultraschalltechnik GmbH, Halle, hat die Luftultraschall-Prüfanlage Sonoair auf dem Markt eingeführt, welche vor allem für stark schallschwächende Werkstoffe ausgelegt ist.
Das Ingenieurbüro Dr. Hillger, Braunschweig, war einer der ersten Produzenten von kommerziellen Luftultraschall-Messsystemen und bietet entsprechende Systeme seiner Airtech-Produktfamilie auf dem Markt an.