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.
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.
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.
Neben dem ersten Rückwandecho treten u. U. noch weitere Echos (z.B. ein 2. Rückwandecho) auf. Erläutere, wie die zustande kommen könnten.
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.
Erläutere, warum ist es wichtig, dass die "zeitliche Breite" der Schallimpulse möglichst klein ist.