Direkt zum Inhalt

Ausblick

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 \(10\rm{kHz}\) bis \(100\rm{MHz}\) liegen kann. Beim Impuls-Echo-Verfahren gibt die Schallquelle keine kontinuierliche Strahlung ab, sondern sehr kurze Schallimpulse, deren Dauer \(1{\rm{\mu s}}\) und weniger ist.

Abb. 2 Weg von Ultraschall durch eine Werkstoffprobe ohne Fehlstelle

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.

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 z.B. auf diese Weise die Dicke einer Behälterwand kontrollieren.

Aufgabe

Bestimmung der Schallgeschwindigkeit

Bei einem Werkstück der bekannten Dicke \(5,0\rm{mm}\) gelangt das erste Echo von der Rückwand nach \(1,9{\rm{\mu s}}\) wieder beim Schallkopf an. Berechne die Schallgeschwindigkeit im Werkstück.

Lösung

Da der Schall hin- und herlaufen muss, gilt
\[c = \frac{{2 \cdot d}}{{\Delta t}} \Rightarrow c = \frac{{2 \cdot 5,0 \cdot {{10}^{ - 3}}{\rm{m}}}}{{1,9 \cdot {{10}^{ - 6}}{\rm{s}}}} = 5,3 \cdot {10^3}\frac{{\rm{m}}}{{\rm{s}}}\]

Vergleiche die in Teilaufgabe <strong>a)</strong> ermittelte Schallgeschwindigkeit mit der Schallgeschwindigkeit in Luft und versuche, eine plausible Erklärung für den großen Unterschied zu geben.

Lösung

Aufgrund der stärkeren Kopplung der Atome im Festkörper kann sich die Störung (Schall) über das Medium (z. B. Eisen) schneller ausbreiten.

Neben dem ersten Rückwandecho treten u. U. noch weitere Echos (z.B. ein 2. Rückwandecho) auf. Erläutere, wie die zustande kommen könnten.

Lösung

Das zum Sender rücklaufende Signal wird dort nochmals reflektiert und läuft wieder zum rechten Ende des Werkstückes usw.. Die Intensität der Echos nimmt aufgrund der Absorption ab.

Abb. 3 Weg von Ultraschall durch eine Werkstoffprobe mit Fehlstelle

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.

Aufgabe

Das Oszilloskopbild, das jetzt nur bis zum ersten Rückwandecho reicht, könnte das nebenstehende Aussehen haben. Neben dem Rückwandecho tritt also ein Fehlerecho auf.

Berechne die Entfernung des festgestellten Risses vom Schallkopf.

Lösung

Sei \(x\) die Entfernung des Risses vom Schallkopf. Aus dem Oszillogramm entnimmt man, dass das Fehlerecho bei ca. \(0,7{\rm{\mu s}}\) auftritt. Damit ergibt sich
\[2 \cdot x = c \cdot \Delta t \Leftrightarrow x = \frac{{c \cdot \Delta t}}{2} \Rightarrow x = \frac{{5,3 \cdot {{10}^3}\frac{{\rm{m}}}{{\rm{s}}} \cdot 0,7 \cdot {{10}^{ - 6}}{\rm{s}}}}{2} = 1,8 \cdot {10^{ - 3}}{\rm{m}} = 1,8{\rm{mm}}\]

Erläutere, warum ist es wichtig, dass die "zeitliche Breite" der Schallimpulse möglichst klein ist.

Lösung

Wären die Impulse zu breit, so würden sie sich u. U. überlappen, das Oszillogramm wäre schwer zu interpretieren. Auch die Lokalisation der Fehler ist bei schmalen Impulsen genauer.