Ph 11 Umwelt

Zerstörungsfreie Werkstoffprüfung mit Ultraschall

Im Maschinenbau ist die Kontrolle der Qualität von Werkstoffen eine wichtige Aufgabe. So ist es z. B. für die Stabilität des Triebkopfes eines Intercityzuges sehr wichtig, dass die Schweißnähte und die Bleche fehlerfrei sind.

Eine kostengünstige Möglichkeit der Werkstoffprüfung, bei der das zu prüfende Material nicht zerstört wird, basiert auf der Reflexion von Schall an Grenzflächen.

Als Schallquelle verwendet man meist einen Ultraschallsender, dessen Strahlung im Frequenzbereich von 10 kHz bis 100 MHz liegen kann. Beim Impuls-Echo-Verfahren gibt die Schallquelle keine kontinuierliche Strahlung ab, sondern sehr kurze Schallimpulse, deren Dauer 1μs und weniger ist.

Der vom Sender ausgehende Impuls durchläuft mit der Geschwindigkeit c das zu untersuchende Werkstück und wird an der Grenzfläche Metall-Luft fast vollständig reflektiert. Der Schallkopf kann nicht nur Impulse aussenden, sondern auch ankommende Impulse in elektrische Signale umwandeln, er arbeitet also auch als Empfänger.

Führen Sie den Mauszeiger über die Zeichnung, dann läuft eine kleine Animation ab.

Die Zeit, die der Schallimpuls benötigt, um vom Sender durch das Werkstück und wieder zurück zu kommen wird mit einem Oszilloskop gemessen. Bei bekannter Schallgeschwindigkeit c im Material lässt sich auf diese z. B. Weise die Dicke einer Behälterwand kontrollieren.

1. Aufgabe: Bestimmung der Schallgeschwindigkeit a) Bei einem Werkstück der bekannten Dicke 5,0 mm gelangt das erste Echo von der Rückwand nach 1,9 μs wieder beim Schallkopf an. Wie groß war die Schallgeschwindigkeit im Werkstück? b) Vergleichen Sie die in Teilaufgabe a) ermittelte Schallgeschwindigkeit mit der Schallgeschwindigkeit in Luft und versuchen Sie eine plausible Erklärung für den großen Unterschied zu geben. c) Neben dem ersten Rückwandecho treten u. U. noch weitere Echos (z.B. 2. Rückwandecho) auf. Wie kommen diese zustande? zur Lösung

Befindet sich in dem Werkstück ein Lufteinschluss oder ein Riss, so kann darunter die Stabilität des Bauteiles erheblich leiden. Da der Schall auch an diesen Hindernissen reflektiert wird, lassen sie sich feststellen und genau lokalisieren

Führen Sie den Mauszeiger über das folgende Bild, dann läuft eine kleine Animation ab.

Das Oszilloskopbild, das jetzt nur bis zum ersten Rückwandecho reicht, könnte folgendes Aussehen haben:

Neben dem Rückwandecho tritt also ein Fehlerecho auf.