3D-Rekonstruktion von Ultraschalldaten

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1 Diplomarbeit IEKP KA/ D-Rekonstruktion von Ultraschalldaten Christoph Schulte Mönting Referent: Prof. Dr. Thomas Müller Institut für Experimentelle Kernphysik (IEKP), Universität Karlsruhe (TH) Korreferent: Prof. Dr. Hartmut Gemmeke Hauptabteilung Prozeßdatenverarbeitung und Elektronik (HPE), Forschungszentrum Karlsruhe Universität Karlsruhe (TH) Februar 2000

2 Zusammenfassung Zur Beurteilung der Betriebssicherheit einer Pipeline werden zunehmend autonome, mit Ultraschall arbeitende Prüfmolche verwendet. Dabei werden die eingestrahlten Ultraschallwellen von Reflektoren zurückgeworfen. Zu diesen Reflektoren zählen neben Schweißnähten und Nuten auch Materialfehler wie Einschlüsse und Risse. Die Auswertung der anfallenden großen Datenmengen anhand sogenannter B-Scans bedeutet einen enormen Aufwand an gut geschultem Personal. Diese Diplomarbeit untersucht einen neuen Ansatz zur Behandlung des inversen Problems, also des Rückschlusses von den bekannten, hauptsächlich durch Reflexionen herrührenden Meßdaten auf die unbekannte Lage der entsprechenden Reflektoren in der Rohrwand. Dieses soll mittels einer dreidimensionalen Rückprojektion der Ultraschallechos in ein Volumenmodell, welches die Wand nachbildet, geschehen. Dazu wird ein einfaches, auf einem Raytracing-Verfahren basierendes Simulationsmodell entworfen und in Software implementiert. Dieses Modell wird für die Simulation von Ultraschallmessungen an Stahlplatten mit Nuten und Rissen als Testreflektoren benutzt. Dieselben Messungen werden danach im Wasserbad experimentell durchgeführt. Die Meßwerte dienen als Referenzdaten für einen Vergleich mit den Simulationen und für eine Beurteilung der anschließenden Rekonstruktion. Nach der Verifikation des Simulationsmodells anhand der Experimente wird auf dessen Basis ein einfaches Rekonstruktionsverfahren entworfen und implementiert. Dieses projiziert die Ergebnisse der Simulationen und Experimente und auch Originaldaten eines Ultraschallprüfmolchs anhand verschiedener angenommener Schallwege an ihre möglichen Ursprungsorte zurück. Die mit Hilfe der Rekonstruktion gewonnenen Volumenmodelle werden mit einem geeigneten Volumenrenderer visualisiert. Dabei werden von Streuungen und Rauschen verursachte Signale durch Schwellwerte unterdrückt. Das Ergebnis ist eine dreidimensionale Darstellung der Testobjekte, die sowohl die Begrenzungsflächen und die Sensorpositionen als auch die zurückprojizierten Signale enthält und so Hinweise auf die Lage des Reflektors geben kann. Während die Position des Reflektors in der Abschallrichtung der Sensoren leicht erkennbar ist, ist nicht immer eindeutig festzulegen, ob der Reflektor an der sensorzu- oder -abgewandten Grenzfläche oder im Inneren des Prüfstücks liegt. Die im Rahmen dieser Arbeit erstellte, neuartige 3D-Rekonstruktion von Ultraschalldaten bietet dem Auswertepersonal somit eine dreidimensionale, die Interpretation unterstützende Darstellung der Meßwerte.

3 Danksagung An erster Stelle möchte ich mich bei meinen Erst- und Zweitbetreuern Prof. Dr. Thomas Müller und Prof. Dr. Hartmut Gemmeke sowie Dipl.-Ing. Jürgen Haase, meinem persönlichen Betreuer in der Neuro-Fuzzy-Gruppe der HPE, bedanken. Der Kooperationspartner der HPE, die Firma Pipetronix, hat freundlicherweise Hardware für die durchgeführten Experimente und Originaldaten für die Rekonstruktion zur Verfügung gestellt. Den Mitarbeitern der Werkstatt der HPE, insbesondere Herrn Blaschke, möchte ich für die stets freundliche Beratung bei der Materialauswahl und die Herstellung der Testobjekte für die Messungen danken. Weiterhin danke ich auch meinen anderen Arbeitskollegen der Neuro-Fuzzy- Gruppe und Mitarbeitern der HPE für die Hilfe bei vielen Fragen und die gute Arbeitsatmosphäre.

4 INHALTSVERZEICHNIS i Inhaltsverzeichnis I Einleitung 1 1 Gliederung der Arbeit 1 2 Motivation zur 3D-Rekonstruktion Das inverse Problem Zielsetzung der Arbeit Arbeitsplanung Aufteilung in Arbeitspakete Abschätzung des Zeitbedarfs Änderungen gegenüber der ursprünglichen Planung II Grundlagen 8 4 Ultraschall Die Wellengleichung und ihre Lösungen Die verschiedenen Schallwellentypen Longitudinalwellen Transversalwellen Grenzflächenwellen Modenumwandlung und Snelliussches Gesetz Schwächung von Ultraschall Zugrundeliegende Effekte Auswirkungen und Gegenmaßnahmen Schallschwächungskoeffizient Erzeugung und Empfang von Ultraschall Der (reziproke) piezoelektrische Effekt Das Schallfeld eines kreisförmigen, ebenen Kolbenschwingers Materialprüfung mit Ultraschall Anwendungsgebiete Wanddickenmessung Rißprüfung Darstellung von Meßergebnissen A-Scan B-Scan C-Scan Weitere Darstellungsformen Der Ultraschallprüfmolch

5 INHALTSVERZEICHNIS ii Funktionsweise der Ultraschallprüfmolche Vom Ultraschallprüfmolch aufgezeichnete Daten State of the art Simulation Approximative Simulationen Elastodynamische Finite Integrationstechnik (EFIT) Rekonstruktion III Durchführung der Arbeit 29 7 Visualisierung Volumenrendering Funktionsweise eines Volumenrenderers Auswahl einer geeigneten Software Visualisierung von Wanddickenmessungen Zusammenfassung Simulationen Vorüberlegungen Ziel der Simulationen Beschreibung des Simulationsmodells Idealisierungen des Modells Material- und Geometrieinformationen Strahlverfolgung Realisierung als Software Erste Simulationsergebnisse Zusammenfassung Experimente Ziel der Messungen Vorversuche Auswahl von Material und Testreflektoren Anordnung der Testreflektoren Durchführung der Messungen Versuchsaufbau Meßvorgang Erste Meßergebnisse Zusammenfassung Vergleich von Simulation und Experiment Zusätzliche Echos bei rechteckigen Nuten Sprünge beim Positions-Zeit-Zusammenhang Zusammenfassung

6 INHALTSVERZEICHNIS iii 11 3D-Rekonstruktion Rekonstruktionsprinzip Verwendete Schallwege Rekonstruktionssoftware Rekonstruktionsergebnisse Zusammenfassung IV Zusammenfassung und Diskussion 65 Abbildungsverzeichnis 67 Tabellenverzeichnis 68 Literaturverzeichnis 69

7 1 Teil I Einleitung 1 Gliederung der Arbeit Die schriftliche Ausführung dieser Arbeit gliedert sich in vier größere Teile: Im ersten Teil wird die dieser Arbeit zugrundeliegende Motivation beschrieben. Er informiert über die vorgesehene Strukturierung der anfallenden Aufgaben in einzelne Arbeitspakete, und eine Einordnung dieser Pakete in drei übergeordnete Kategorien wird ebenfalls gegeben. Der zweite Teil befaßt sich mit den Grundlagen dieser Arbeit. Zuerst werden die benötigten Bereiche der Ultraschallphysik behandelt, wobei vor allem die verschiedenen Wellenmoden und die Erzeugung und der Empfang von Ultraschall mit Hilfe des (reziproken) piezoelektrischen Effekts zu nennen sind. Danach folgt ein kurzer Überblick über die Anwendung von Ultraschall im Bereich der zerstörungsfreien Materialprüfung. Abschließend wird auf aktuelle Arbeiten zum vorliegenden Thema eingegangen. Die Beschreibung der eigentlichen Ausführung der Arbeit nimmt als dritter Teil den größten Raum ein. Er enthält sowohl eine Darstellung der durchgeführten Arbeiten als auch eine Diskussion der erzielten Ergebnisse. Ein erster Punkt ist die Auswahl einer geeigneten Visualisierungssoftware und die Anwendung derselben für die dreidimensionale Darstellung der Resultate einer Ultraschallwanddickenmessung. Danach folgt eine Beschreibung des einfachen Simulationsmodells und der Simulationen, die damit durchgeführt wurden. Diese Simulationen werden später mit den Meßergebnissen verglichen, und die Simulationsresultate fließen, soweit sinnvoll, in die Rekonstruktionen ein. Der nächste Abschnitt befaßt sich mit den Experimenten im Wasserbad. Diese veranschaulichen einige der Probleme bei der Materialprüfung mit Ultraschall. Es folgt ein Vergleich zwischen simulierten und gemessenen Daten. Dabei werden noch einmal die besonderen Schwierigkeiten bei schräg eingestrahlten Ultraschallwellen im Zusammenhang mit der versuchten Rückprojektion beleuchtet.

8 1 GLIEDERUNG DER ARBEIT 2 Anschließend wird die dreidimensionale Rekonstruktion in einem Volumenmodell behandelt, welche eine Anwendung auf drei Arten von Daten findet: Auf Simulationsergebnisse, auf die Resultate der Messungen im Wasserbad, und schließlich auch auf Originaldaten, welche aus Pipelineprüfungen mit den Pipetronix-Molchen stammen. Als letzter Teil werden bisher noch nicht realisierte Verbesserungsmöglichkeiten benannt, und es wird auf weitere potentielle Anwendungen dieser Arbeit auf verwandten Gebieten hingewiesen.

9 2 MOTIVATION ZUR 3D-REKONSTRUKTION 3 2 Motivation zur 3D-Rekonstruktion Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem inversen Problem der 3D-Rekonstruktion von Ultraschalldaten. Anhand eines einfachen Modells soll versucht werden, die mit einem Pipelineprüfmolch (siehe Abschnitt 5.3) aufgezeichneten Daten in einem Volumenmodell an ihre möglichen Ursprungsorte zurückzuprojizieren, um damit die Datenauswertung zu unterstützen und eventuell später weiter automatisieren zu können. 2.1 Das inverse Problem Als nicht-inverse Probleme kann man diejenigen Aufgabenstellungen bezeichnen, bei denen eine Ursache bekannt ist und man die daraus resultierenden Wirkungen sucht. Bei Kenntnis der zugrundeliegenden physikalischen Gesetzmäßigkeiten sind diese Probleme prinzipiell lösbar. Analytische Lösungen lassen sich selten in reiner Form finden, mit Näherungen aber häufiger; in vielen Fällen sind Lösungen jedoch auch nur auf numerischem Wege zu finden, wobei der Rechenaufwand immense Ausmaße annehmen kann. Inverse Probleme hingegen bedeuten die Umkehrung dieser Fragestellung; hier sind die Wirkungen bekannt, aber man möchte wissen, was die Ursache für diese Wirkungen ist. Als Beispiel mag die Entdeckung des Pluto dienen: Dabei lag die Wirkung in der Form von Bahnstörungen der damals bekannten Planeten vor. Diese Störungen ließen sich durch die Existenz eines noch unentdeckten Planeten erklären, dessen Position man auch ungefähr berechnen konnte und den man so gefunden hat. In dieser Arbeit geht es um ein inverses Problem bei der zerstörungsfreien Materialprüfung mit Ultraschall. Die Abfolge von Ultraschallechos, die aus einem zu prüfenden Objekt zurückkommt, ist dabei die bekannte Wirkung, und die gesuchte Ursache ist ein Reflektor (beispielsweise eine Nut, ein Riß oder ein Einschluß) im Material. Insbesondere interessiert die Position des Reflektors im Material. Lage und Geometrie des potentiellen Reflektors und damit die vom Schall zurückgelegten Wege sind jedoch nicht vorher bekannt; zusammen mit den in Festkörpern meist auftretenden Aufspaltungen der Schallwellen in Moden mit unterschiedlicher Ausbreitungsgeschwindigkeit und -richtung verhindert dies einfache Rückschlüsse auf die Reflektororte. Deshalb soll versucht werden, einen Ansatz zu finden, der es mit relativ einfachen Mitteln und nicht zu großem Rechenaufwand erlaubt, die Reflektororte zu finden und darzustellen. Dieses inverse Problem ist überhaupt nur genähert und nicht immer eindeutig lösbar, wenn man von demselben Reflektor mehrere Signale von verschiedenen Sensoren oder verschiedenen Einschallorten hat.

10 2 MOTIVATION ZUR 3D-REKONSTRUKTION Zielsetzung der Arbeit Mittels Ultraschall gewonnene Meßdaten sind in den üblichen Darstellungsformen als A- oder B-Scans nur schwierig zu interpretieren; eine gute Ausbildung und große Erfahrung sind notwendig, um verläßliche Aussagen über die den Signalen zugrundeliegenden Ursachen machen zu können. Ein übersehener Defekt in der Pipeline kann zu einem Leck oder Bruch führen und somit neben der Verschmutzung der Umwelt auch große finanzielle Schäden für den Betreiber bedeuten. Auch für die inspizierende Firma bedeuten übersehene Defekte ein großes Risiko, da beim wiederholten Auftreten solcher Pannen der Ruf eines auf den engen Markt für Pipelineüberprüfungen spezialisierten Unternehmens irreparabel geschädigt und damit dessen Existenz gefährdet wird. Daher sind die Anforderungen an die Konzentration der Auswerter besonders hoch. Ungünstigerweise müssen aber neben relevanten Signalen auch große Mengen unwichtiger Echos gesichtet werden, was einerseits schnell zur Ermüdung der Spezialisten führt und andererseits auch große Kosten nach sich zieht. Daher ist es sinnvoll, dem Auswerter weitere Anzeigeformen zur Verfügung zu stellen, die ihm dabei helfen, die irrelevanten Abschnitte auszusortieren und sich auf das Wesentliche zu konzentrieren. Eine dreidimensionale Projektion der Meßdaten in eine virtuelle Darstellung des geprüften Objekts könnte bei der Interpretation der Daten hilfreich sein und so die Auswertung erleichtern und beschleunigen. Durch eine wirklichkeitsnahe 3D-Darstellung könnte es dem Auswerter erleichtert werden, sich die den Meßdaten zugrundeliegenden Reflektoren räumlich vorzustellen (z.b. ob ein Riß innen oder außen in der Wand liegt) und ihre Ausdehnung und Orientierung (azimutal, in Längsrichtung oder schräg verlaufend) zu bestimmen. Auch großflächige Rißfelder sollten so besser erkennbar sein. Die von den USCD-Molchen (UltraScan Crack Detection) der Firma Pipetronix aufgezeichneten Meßdaten enthalten Informationen über die Positionen der Sensoren, die ungefähre Wandstärke der Pipeline, die Schallgeschwindigkeiten in den Medien (gewöhnlich Stahl und Öl) und natürlich die Ultraschallscans, diese allerdings in stark reduzierter (d.h. verlustbehafteter) Form. Deshalb sollte sich die Rückprojektion ausschließlich auf diese Daten stützen und nicht auf weitere Informationen oder sogar Datenbanken mit Vergleichswerten angewiesen sein.

11 3 ARBEITSPLANUNG 5 3 Arbeitsplanung Für die Durchführung der Arbeit wurde eine einfache Form der Projektplanung für sinnvoll gehalten, an der man sich dann orientieren konnte. Deshalb wurde zu Beginn der Arbeit ein vorläufiger Gesamtplan erstellt, der sowohl den Arbeitsumfang als auch den zeitlichen Ablauf grob gliedert. 3.1 Aufteilung in Arbeitspakete Dieser Gesamtplan sollte die Aufgaben, die zum Erreichen des Ziels notwendig waren, in kleine Arbeitspakete zusammenfassen. Diese Aufgaben wurden dann drei umfassenderen Kategorien zugeordnet (siehe Abbildung 1). 3D-Rekonstruktion von Ultraschalldaten Einarbeitung Physikalische Modellbildung Visualisierung Grundlagen: Materialprüfung mit US Analyse der Reflexionsmuster Visualisierungstechniken Experimente Software: B-Scans --> Volumendaten Visualisierung aus senkrechter Einstrahlung gewonnener US-Daten Software: Volumendaten --> 3D Recherche: State of the art US-Daten von Rohren im Wasserbad Überprüfung der bekannten Reflexionsmodelle Raycasting Modelle Simulationen Inverses Raytracing ("Kreismethode") Radontransformation Simple Reflexionsmodelle Neue Modelle? Wellengleichung? Näherungslösungen der Wellengleichung Abbildung 1: Aufteilung der nötigen Aufgaben Im Rahmen der Einarbeitung ging es in erster Linie um die Grundlagen der zerstörungsfreien Materialprüfung mit Ultraschall und eine Literaturrecherche über aktuelle Arbeiten, die mit dieser Diplomarbeit zusammenhängen. Außerdem war vorgesehen, sich einen kleinen Überblick über Visualisierungstechniken zu verschaffen.

12 3 ARBEITSPLANUNG 6 Mit Hilfe von Simulationen, Experimenten und einer Analyse der Reflexionsmuster sollte ein Modell gefunden werden, das als Grundlage zur Rückprojektion der Meßdaten dienen sollte. Letztlich sollte eine Software geschaffen werden, die B-Scans in Volumendaten umwandelt, welche anschließend visualisiert werden können. Die Rückprojektion sollte in einem Volumenmodell erfolgen, zur Darstellung dieses Volumenmodells wurde entsprechende Software benötigt. Bereits erhältliche Tools sollten dabei den Vorrang vor einer Eigenentwicklung erhalten, falls sie die entsprechenden Anforderungen erfüllen. Neben der Visualisierung von Daten aus schräger Einschallung sollten auch Daten aus senkrechter Einstrahlung visualisiert werden. 3.2 Abschätzung des Zeitbedarfs Anschließend an die Gliederung der zu bearbeitenden Aufgaben wurde ein Zeitplan erstellt (Abbildung 2). September Oktober Einarbeitung Visualisierung: Daten aus senkrechter Einstrahlung November Dezember Analyse Reflexionsmodelle (Ursache -> Wirkung) Software B-Scans -> Volumendaten Januar Februar März Neue Ansätze (Wirkung -> Ursachenort) Inverses Raytracing und andere Methoden (Details erst nach Einarbeitung und Analyse) April Mai Juni Experimente Messungen im Wasserbad Verifikation Software Volumendaten -> 3D-Darstellung Juli August Schriftliche Ausarbeitung Dokumentation Vortrag Abbildung 2: Ursprünglicher Zeitplan

13 3 ARBEITSPLANUNG 7 Nach der Einarbeitung in die Materie war eine Analyse von Ultraschallechos aus Original-Molchdaten gedacht, und parallel dazu sollte Software zur Projektion von B-Scans in Volumendaten entwickelt werden. Anschließend war Zeit zur Suche nach neuen Ansätzen vorgesehen. Zuletzt sollten dann Experimente durchgeführt werden, mit denen das Modell verifiziert werden könnte, und es sollte falls notwendig Software zur 3D-Darstellung der Volumendaten entwickelt werden. 3.3 Änderungen gegenüber der ursprünglichen Planung Während der Arbeit ergaben sich einige Änderungen; sowohl die Arbeitsaufteilung, aber vor allem auch die Zeitplanung mußten überarbeitet werden. So zeigte sich, daß es nicht sinnvoll war, ohne die Ergebnisse der Experimente das Modell zur Rückprojektion von B-Scans in Volumendaten fertigzustellen, weil die vorliegenden Originaldaten nicht präzise genug waren. Hinzu kam die Entwicklung eines eigenen Simulationsmodells, dessen Ergebnisse im Vergleich mit den Experimenten benötigt wurden, um ein Rückprojektionsmodell erstellen zu können. Auch die Herstellung der für die Wasserbadmessungen benötigten Testobjekte und die dazugehörigen Experimente zogen sich etwas länger hin. Dafür zeigte sich schnell, daß man sich nicht mit der Entwicklung geeigneter Visualisierungssoftware und daher auch nicht mit den verschiedenen Visualisierungstechniken befassen mußte, da ein geeignetes Werkzeug verfügbar war.

14 8 Teil II Grundlagen 4 Ultraschall Ultraschallwellen sind akustische Wellen, d.h. Materieschwingungen mit Frequenzen oberhalb von Hz. Diese Abgrenzung zum hörbaren Schall ist genauso willkürlich wie die Unterscheidung zwischen sichtbarem, infrarotem und ultraviolettem Licht; sie orientiert sich lediglich ungefähr an den Wahrnehmungsgrenzen der menschlichen Sinnesorgane. Ultraschallwellen sind nicht an einen bestimmten Aggregatzustand gebunden, sie treten in Gasen, Flüssigkeiten und Festkörpern auf. Ultraschall wird von vielen Tieren benutzt, beispielsweise von Fledermäusen zur Orientierung und zur Jagd; auch die Laute der Delphine liegen teilweise in diesem Frequenzspektrum. Im technischen Bereich tritt Ultraschall häufig als Nebeneffekt mechanischer Vorgänge auf, beispielsweise beim Schleifen, Fräsen oder Bohren, aber auch in Flugzeugturbinen. Interessanter ist allerdings die gezielte Nutzung von Ultraschall in vielen Gebieten der Forschung und Industrie. Die Existenz von Schallwellen außerhalb des hörbaren Bereichs wurde schon lange vor deren Nachweis vermutet: Der italienische Biologe Lazzaro Spallanzani ( ) vermutete schon 1798, daß sich Fledermäuse durch für das menschliche Ohr unhörbare Schallsignale orientieren. Der Nachweis gelang aber erst 1938 Donald R. Griffin mit Hilfe eines von G. W. Pierce entwickelten neuen Mikrophons [1, S. 3]. Die Geräte und Techniken für die gezielte Nutzung des Ultraschalls wurden im wesentlichen in der ersten Hälfte des zwanzigsten Jahrhunderts entwickelt. Dabei gibt es hauptsächlich zwei Nutzungsformen: Zum einen als mechanisches Hilfsmittel zur Materialbearbeitung im weitesten Sinne. Dazu zählen beispielsweise die Oberflächenreinigung, die Herstellung von Emulsionen sich normalerweise schlecht mischender Flüssigkeiten oder von Bohrungen in dafür geeigneten Materialien; die Energie der Ultraschallwellen wird dabei unmittelbar mechanisch genutzt. Auf der anderen Seite dient Ultraschall als diagnostisches Hilfsmittel. Dabei ist die Welle primär nicht Träger mechanischer Energie, sondern von Information. Beispiele dafür lassen sich in vielen Gebieten finden: für Schifffahrt und Fischerei ist das Echolot unverzichtbar, im technischen Bereich können Materialprüfungen zerstörungsfrei durchgeführt werden, und in der Medizin sind häufige Untersuchungen ohne Strahlungsbelastung möglich.

15 4 ULTRASCHALL 9 In speziellen Fällen der Diagnostik wird sogar auf die aktive Erzeugung von Ultraschall verzichtet. So wird beispielsweise die Schallemissionsprüfung (SEP) zur Zustandsbestimmung ferritischer Tankböden benutzt, wobei neben unvermeidbaren Störgeräuschen aktive Korrosionsstellen und Leckagen im Tankboden Quellen für die Emission von Ultraschall sind [2]. Im Rahmen dieser Arbeit geht es um die Wellenausbreitung in festen und flüssigen Medien und die Eigenschaften der dazugehörigen Sender und Empfänger. Diese Grundlagen sollen, soweit sie für diese Arbeit notwendig sind, im folgenden dargestellt werden. 4.1 Die Wellengleichung und ihre Lösungen Die Ausbreitung von Wellen gehorcht der Wellengleichung f = 1 c 2 2 f t 2. (1) Dabei ist f die Teilchenauslenkung aus der Ruhelage, und c bezeichnet die Phasengeschwindigkeit, mit der sich eine Welle, die Lösung dieser Gleichung ist, fortbewegt. Für Schallwellen müssen die Materialeigenschaften des Trägermediums, die das Verhältnis zwischen Auslenkung und rückwirkender Kraft bestimmen, benutzt werden (Tabelle 1). In Abhängigkeit von diesen Zusammenhängen ergeben sich dann verschiedene Schallwellentypen mit unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten. Symbol Bezeichnung Einheit ϱ Dichte kg/m 3 κ Kompressibilität 1 m 2 /N E Elastizitätsmodul N/m 2 G Torsionsmodul N/m 2 µ Poisson-Zahl Tabelle 1: Wichtige Materialeigenschaften Nur für sehr einfache Fälle wie einen unendlich oder halbseitig unendlich ausgedehnten Raum existieren analytische Lösungen der Wellengleichung wie Kugelwellen und ebene Wellen. In den anderen Fällen sind diese Lösungen und die im folgenden beschriebenen Wellentypen lediglich näherungsweise zutreffend. 1 Gemeint ist die Kompressibilität für adiabatische Zustandsänderungen. Für isotherme Änderungen ist sie mit dem Verhältnis der spezifischen Wärmekapazitäten zu multiplizieren: κ is = κ cp c V

16 4 ULTRASCHALL Die verschiedenen Schallwellentypen Je nach Trägermedium können mehrere Wellenarten auftreten, deren Ausbreitungsgeschwindigkeiten sich voneinander unterscheiden und durch die elastischen Konstanten des jeweiligen Stoffes bestimmt sind. Einige dieser Wellenarten werden hier kurz beschrieben Longitudinalwellen In sogenannten schubspannungsfreien Medien, also in Gasen und Flüssigkeiten, treten ausschließlich longitudinale Wellen auf; andere Bezeichnungen sind Druck- oder Kompressionswellen. Bei diesem Wellentyp schwingen die Teilchen parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle, dabei entstehen Druckbäuche und -knoten. Vergleichbar ist diese Wellenart mit dem harmonischen Schwingen einer Spiralfeder, die auf Zug oder Druck belastet und dann losgelassen wird. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Longitudinalwellen läßt sich in Gasen und Flüssigkeiten als 1 c l = (2) κ ϱ und in Festkörpern als c l = E 1 µ ϱ (1 + µ)(1 2µ) (3) darstellen Transversalwellen Zusätzlich zu den Longitudinalwellen kommen in Festkörpern noch die auch als Schub- bzw. Scherwellen bezeichneten Transversalwellen hinzu, bei denen Ausbreitungsrichtung und Schwingungsamplitude senkrecht zueinander sind, wie es bei einem Seil der Fall ist, dessen Ende man schnell hinund herbewegt. Für die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Transversalwellen gilt c t = E 1 G ϱ 2(1 + µ) = ϱ, (4) wobei G den Schub- oder Torsionsmodul bezeichnet. Dieser hängt mit dem Elastizitätsmodul über E = 2G(1 + µ) zusammen.

17 4 ULTRASCHALL 11 Die Ausbreitungsgeschwindigkeiten von Transversal- und Longitudinalwellen im gleichen Medium stehen dementsprechend in einem festen, nur von der Poisson-Zahl abhängigen Verhältnis zueinander: c t = c l 1 2µ 2(1 µ). (5) Für alle festen Stoffe liegt die Poisson-Zahl zwischen 0 und 0.5, deshalb ergibt die Wurzel in Gleichung (5) einen Wert zwischen 0 und 1/ 2. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit transversaler Schallwellen liegt also immer unter der longitudinaler Schallwellen. Bei den häufig verwendeten Materialien Aluminium und Stahl ergeben sich Faktoren von ca und 0.55, die Transversalwellen breiten sich also grob halb so schnell aus wie Longitudinalwellen. Oftmals wird bei Transversalwellen noch unterschieden zwischen horizontal (shear horizontal, SH) und vertikal (shear vertical, SV) polarisierten Wellen. Einen Sinn ergibt diese Unterscheidung nur bei Angabe einer Bezugsebene, als Konvention wird dabei eine horizontal liegende Grenzfläche angenommen (Abb. 3). Festkörper Flüssigkeit Horizontal polarisierte Transversalwelle (Schwingungsrichtung senkrecht zur Zeichenebene) Festkörper Flüssigkeit Vertikal polarisierte Transversalwelle (Schwingungsrichtung liegt in Zeichenebene) Longitudinalwelle Abbildung 3: Horizontal und vertikal polarisierte Transversalwellen SH-Wellen SH-Wellen sind horizontal polarisiert, das heißt ihre Polarisationsebene ist parallel zur betrachteten Grenzfläche. Die Erzeugung solcher Wellen ist aufwendig und geschieht beispielsweise durch fest angekoppelte piezoelektrische Transversalschwinger. Sie werden daher relativ selten bei der Materialprüfung angewendet. SH-Wellen werden an freien Grenzflächen und an Grenzflächen zu Flüssigkeiten total reflektiert, da in Gasen und Flüssigkeiten keine transversalen

18 4 ULTRASCHALL 12 Schwingungen übertragen werden können. Trifft eine SH-Welle aber schräg auf eine andere Grenzfläche oder einen Reflektor im Werkstück (also so, daß die Schwingung auch eine Komponente senkrecht zur getroffenen Fläche besitzt), so können durchaus auch andere Wellentypen abgespaltet werden. SV-Wellen Die vertikal polarisierten SV-Wellen sind dagegen in einem Festkörper leicht zu erzeugen, indem man eine Longitudinalwelle von einem Gas oder einer Flüssigkeit aus nicht senkrecht, sondern schräg auf die Grenzfläche treffen läßt. Über die Wahl des Einschallwinkels der Longitudinalwelle kann die Ausbreitungsrichtung der Transversalwelle im Festkörper festgelegt werden. In den folgenden Kapiteln werden im konkreten Fall immer SV-Wellen gemeint sein, wenn von Transversalwellen gesprochen wird Grenzflächenwellen Neben Longitudinal- und Transversalwellen gibt es bei Festkörpern auch verschiedene Arten von Oberflächenwellen, die sich auf einen schmalen Bereich entlang der Grenzfläche beschränken. Sie werden auch als geführte Wellen (guided waves) bezeichnet, weil sie an die Grenzflächen gebunden sind. Die wichtigsten Vertreter werden im folgenden kurz vorgestellt, sie spielen aber im Rahmen dieser Arbeit keine Rolle. Kriech- bzw. Kopfwellen Trifft eine Longitudinalwelle nahe dem ersten kritischen Winkel, also unter einem Winkel, bei dem die Longitudinalwelle im Festkörper nahezu verschwindet, auf eine Flüssig-Fest-Grenzfläche, so entsteht eine (longitudinale) Kriech- oder Kopfwelle (creeping wave, head wave), die an der Grenzfläche entlangläuft. Rayleigh-Wellen Beim zweiten kritischen Winkel, das heißt bei dem Winkel, bei dem auch die Transversalwelle im Festkörper verschwindet, wird eine Rayleigh-Welle (surface wave, Rayleigh wave) abgespalten. Rayleigh- Wellen können auch entstehen, wenn in einem Festkörper eine Transversalwelle eine freie Grenzfläche mit dem kritischen Winkel (bei Stahl ca. 33 Grad) trifft. Lamb-Wellen Rayleigh-Wellen benötigen für ihre ungehinderte Ausbreitung eine ausreichende Ausdehnung senkrecht zur betreffenden Grenzfläche. Mit abnehmender Dicke wird die Welle zunehmend gestört und degeneriert zu einer Lamb-Welle. Diese Wellen gehören zu den plate waves. Weitere Informationen finden sich unter anderem in [3].

19 4 ULTRASCHALL Modenumwandlung und Snelliussches Gesetz Fallen Schallwellen auf eine Grenzfläche zwischen zwei verschiedenen Materialien, so können diese reflektiert und transmittiert werden. Beim Einfall einer Longitudinalwelle von einer Flüssigkeit auf einen Festkörper können dabei neben der reflektierten Longitudinalwelle auch eine Longitudinal- und eine Transversalwelle im Festkörper entstehen, die sich nach verschiedenen Richtungen ausbreiten. Die jeweiligen Winkel zur Lotrechten, unter denen die Ausbreitung stattfindet, folgen aus dem Snelliusschen Gesetz: sin α 1 sin α 2 = c 1 c 2. (6) Der Winkel einer reflektierten oder transmittierten Welle hängt also vom Winkel der einfallenden Welle und vom Verhältnis der Schallgeschwindigkeiten der beiden verschiedenen Wellen ab. Die Winkel α 1 der einfallenden Welle, bei denen sich für die resultierende Welle der Ausdruck sin α 2 dem Wert 1 nähert, bezeichnet man als kritische Winkel. Beim Einfall einer sich in einer Flüssigkeit ausbreitenden Longitudinalwelle auf eine Grenzfläche zu einem Festkörper treten dementsprechend zwei kritische Winkel auf: Der erste kritische Winkel für die Longitudinalwelle, der zweite kritische Winkel für die Transversalwelle. Ab diesem kritischen Winkel tritt die entsprechende Welle, für die rein rechnerisch sin α 1 gälte, nicht mehr auf. Die Gesamtenergie der einfallenden Welle bleibt insgesamt erhalten, sie wird auf die resultierenden Wellen verteilt. Die Schalldrücke der resultierenden Wellen lassen sich dabei aus dem Schalldruck der einfallenden Welle über die Reflexions- und Transmissionskoeffizienten R und D errechnen. Als Beispiel seien hier die Koeffizienten genannt, die gelten, wenn eine (longitudinale) Welle auf die Grenzfläche zwischen einer Flüssigkeit und einem Festkörper trifft (vergleiche Abbildung 4): R = D l = 1 A 2 [ (ct c l ) 2 sin 2α l sin 2α t + cos 2 2α t ϱc ] cos α l ϱ f c l cos α (7) A cos 2α t (8) ( ) 2 ct sin 2α l (9) D t = 2 A c l mit dem gemeinsamen Nenner A = ( ct c l ) 2 sin 2α l sin 2α t + cos 2 2α t + ϱc ϱ f c l cos α l cos α. (10)

20 4 ULTRASCHALL 14 Winkel α der einfallenden Longitudinalwelle Winkel α der reflektierten Longitudinalwelle Flüssigkeit (Dichte ρ) Festkörper (Dichte ρ f ) Winkel αt der gebrochenen Transversalwelle Winkel αl der gebrochenen Longitudinalwelle Abbildung 4: Brechungs- und Reflexionswinkel nach dem Snelliusschen Gesetz Darin bezeichnen α und c Winkel und Schallgeschwindigkeit der einfallenden und reflektierten Longitudinalwelle in einer Flüssigkeit der Dichte ϱ. α l und c l bzw. α t und c t gelten für die Longitudinal- bzw. Transversalwelle in einem Festkörper der Dichte ϱ f. Bei senkrechtem Einfall ergibt sich im Festkörper keine Transversalwelle, die Werte von R und D l sind reell, während D t = 0 ist. Die Schalldrücke der resultierenden Wellen lassen sich als p = R p 0 und p l = D l p 0 darstellen. Die Phasenverschiebungen betragen dabei nur 0 oder 180 Grad, wobei ein negatives Vorzeichen eines Koeffizienten R oder D einen Phasensprung von 180 Grad bezeichnet. Bei einem schrägen Einfall, zum Beispiel etwa 17 Grad in Wasser oder Öl, erhält man andererseits eine Transversalwelle in Stahl mit einem Winkel von ca. 45 Grad, während dort keine Longitudinalwelle auftritt. In vielen Fällen muß man allerdings komplexwertig rechnen, da sich nach dem Snelliusschen Gesetz für manche Wellenmoden Werte von sin α > 1 ergeben. Diese Wellen treten also nicht auf, aber man benötigt trotzdem den dazugehörigen Winkel. Diese Winkel können jedoch nicht nur in der Form sin α (für die man einfach den Wert einsetzen könnte), sondern auch als cos α auftreten. Daher geht man in diesen Fällen von reellen Winkeln α zu komplexwertigen Winkeln iµ über, was zu den Ersetzungen sin α i sinh µ und cos α cosh µ (11) in den Gleichungen (7 ff.) führt. D und R sind damit ebenfalls komplexwertig, und der Transmissions- und Reflexionskoeffizient ergeben sich als D = D und R = R. (12) Die Phasenverschiebungen betragen auch nicht mehr nur wie bei senkrechtem Einfall 0 und 180 Grad; ihre Werte sind aus den Imaginärteilen von

21 4 ULTRASCHALL 15 D und R bestimmbar: tan ϕ = Im(D) bzw. tan ϕ = Im(R) (13) 4.4 Schwächung von Ultraschall Zugrundeliegende Effekte Neben einer Abnahme des Schalldrucks, die aus der allmählichen Aufweitung der Welle resultiert, gibt es auch eine Abschwächung, die durch Streuung und Absorption verursacht und zur Schallschwächung (attenuation) zusammengefaßt wird. Die Streuung rührt von vielen Grenzflächen zwischen Gebieten mit wechselndem akustischen Widerstand Z = cϱ im leicht inhomogenen Material her. In Stahl sind beispielsweise Kristallite verschiedener Zusammensetzung gemischt. Liegt die Korngröße a zwischen 1/1000 und 1/100 der Wellenlänge λ, ist die durch sie verursachte Streuung an den Korngrenzen vernachlässigbar; sie wächst danach jedoch etwa mit der dritten Potenz (a/λ) 3 an und wirkt sich ab 1/10 der Wellenlänge spürbar aus bis hin zu einem Ausmaß, bei dem Materialprüfung unmöglich wird. Wegen des reziproken Zusammenhangs von Wellenlänge und Frequenz ist die Streuung stark von der Frequenz der verwendeten Schallwellen abhängig; mit zunehmender Frequenz steigt die Streuung entsprechend stark an. Die wirkliche Absorption ist eine direkte Umwandlung der Schallenergie in Wärme. Dazu können verschiedene Prozesse beitragen [4, 5]. Bei diesen Prozessen werden die Teilchenschwingungen abgebremst; bei einer schnellen, also hochfrequenten Schwingung geschieht das auf derselben Wegstrecke häufiger als bei einer niederfrequenten Schwingung, der Energieverlust ist daher höher. Das führt zu einer Frequenzabhängigkeit der Absorption; sie steigt mit der Frequenz an, aber bei weitem nicht so stark wie die Streuung Auswirkungen und Gegenmaßnahmen Beide Effekte, Streuung und Absorption, setzen der Materialprüfung mit Ultraschall Grenzen. Die Absorption reduziert die Energie der transmittierten Welle und schwächt dadurch die resultierenden Echos; dies kann durch Erhöhung der Sendestärke und eine größere Verstärkung der empfangenen Signale ausgeglichen werden, solange sie noch deutlich über dem Rauschen liegen. Alternativ kann man zu einer niedrigeren Frequenz wechseln, die nicht so stark absorbiert wird.

22 4 ULTRASCHALL 16 Die Streuung führt ebenfalls zu einer Reduzierung der Echostärke, aber zusätzlich auch zu weiteren schwachen Echos mit unterschiedlichen Laufzeiten (dem sogenannten Gras), die das eigentliche Echo verdecken können. Die einzige Möglichkeit zur Reduzierung der Streuung ist eine Verminderung der Signalfrequenz. In beiden Fällen führt eine niedrigere Frequenz aber zu einer schwächeren Bündelung des Schallpulses und einer größeren Wellenlänge und beeinträchtigt dadurch die Detektierbarkeit kleinerer Materialfehler Schallschwächungskoeffizient Geht man vom idealen Fall einer ebenen Welle aus, so verringert sich der Schalldruck lediglich wegen der Schallschwächung, die sich aus Absorption und Streuung zusammensetzt. Dieses geschieht in exponentieller Form; für den Schalldruck p nach einer zurückgelegten Strecke d gilt p = p 0 e αd (14) mit dem anfänglichen Schalldruck p 0 und dem Schallschwächungskoeffizienten α. Benutzt man statt des Schalldrucks die Intensität I, die proportional zum Quadrat des Schalldrucks ist, so benutzt man analog I = I 0 e α I d (also α I = 2α). (15) In der logarithmischen Form αd = ln p 0 p läßt sich die Schallschwächung nach einer zurückgelegten Weglänge d beschreiben. Die dimensionslose Zahl αd wird in Neper (Np) ausgedrückt, der Schallschwächungskoeffizient kann daher in Np/cm angegeben werden. Gebräuchlicher ist allerdings die Verwendung der Einheit dezibel (db) und damit von db/m für den Koeffizienten: p 0 αd = 20 log 10 db. (16) p Der Faktor 20 rührt daher, daß die Einheit db ein Energie- bzw. Intensitätsmaß und nicht ein Amplitudenmaß bezeichnet; bei Verwendung der Intensitäten erhält man statt der 20 einen Faktor 10. Ein Neper entspricht nach Gleichung (16) db. Materialien mit geringer Schallschwächung haben Werte zwischen 1.0 und 4.0 db/m. Für Wasser bei 20 C gilt bei einer Frequenz von 4 MHz ein Wert von 3.5 db/m, für die Frequenzabhängigkeit gilt α = 0.22f 2 db/m (f in MHz). (17)

23 4 ULTRASCHALL Erzeugung und Empfang von Ultraschall Der (reziproke) piezoelektrische Effekt Ultraschall wird in der Regel über piezoelektrische Elemente erzeugt und empfangen. Der piezoelektrische Effekt bedeutet, daß bei geeignetem Material eine Deformation durch äußeren mechanischen Druck zu einer Erzeugung elektrischer Ladungen auf der Oberfläche führt. Dieser Effekt, den die Brüder Pierre und Jacques Curie im Jahr 1880 entdeckten, wird zum Empfangen von Ultraschall benutzt. Die Umkehrung, der auch Elektrostriktion genannte reziproke piezoelektrische Effekt, wurde schon 1881 bestätigt; dabei deformiert sich das Material durch Anlegen einer elektrischen Spannung. Das wird beispielsweise zur Erzeugung von Ultraschall benutzt, aber vor allem auch für die Erzeugung von Schwingungen relativ präzise festgelegter Frequenz. Ausführliche Darstellungen des piezoelektrischen Effektes finden sich unter anderem in [6] und [7] Das Schallfeld eines kreisförmigen, ebenen Kolbenschwingers Das Schallfeld beschreibt die räumliche Verteilung oder Ausbreitung der Schallwellen von der Quelle aus. Als betrachtete Größe dient dabei in der Regel der Schalldruck, welcher die Amplitude eines Signals festlegt; auch die Intensität, die proportional zum Quadrat des Schalldrucks und damit ein Maß für die Energie einer Welle ist, findet Verwendung. Im einfachsten Fall ist ein Prüfkopf ein kreisförmiger Schwinger. Zur Erzeugung von Longitudinalwellen wird ein sogenannter Dickenschwinger verwendet, Amplitude und Phase der Schwingung sind über seine ganze Fläche gleich. Eine rein geometrische Betrachtung des Schallfeldes als zylinderförmige ebene Welle entspricht dabei nicht der physikalischen Realität, da Beugungserscheinungen hinzukommen. Diese führen zu einer Unterscheidung zwischen Nah- und Fernfeld, wie man sich nach dem Huygensschen Prinzip der Elementarwellenüberlagerung klar machen kann. Zusätzlich zu der ebenen Welle erhält man im ersten Teil des Schallfeldes wegen der Interferenzen der Elementarwellen (sofern die beteiligten Pulse eine ausreichende Länge haben) einen Bereich, der viele Minima und Maxima enthält. Dies ist der sogenannte Nahbereich, dessen Länge durch die benutzte Wellenlänge und den Durchmesser des Schwingers bestimmt wird.

24 4 ULTRASCHALL 18 Das letzte Maximum auf der Symmetrieachse des Schallfelds, der sogenannten akustischen Achse, liegt dabei an der Stelle N = D2 λ 2 4λ D2 4λ. (18) Das ist die sogenannte Nahfeldlänge, wobei D den Durchmesser des Ultraschallaktors bezeichnet. Daß die oben gemachte Näherung gilt, zeigt folgendes Zahlenbeispiel: Bei einem 4 MHz-Prüfkopf erhält man in Wasser (c = 1483 m/s) eine Wellenlänge von λ 0.37 mm. Bei einem Schwingerdurchmesser von 1.5 cm ist ( ) D 2 λ 2 = D 2 1 λ2 ( D 2 D ), (19) man macht bei dieser Näherung also einen Fehler von weniger als 1 Promille. Nach dem Nahfeld folgt das Fernfeld. Dieses ist erheblich einfacher aufgebaut als das Nahfeld, es besteht aber auch nicht aus einer ebenen Welle mit konstantem Druck über die ganze Wellenfront, sondern innerhalb der einzelnen Wellenfronten existiert ein Druckprofil, wobei das Druckmaximum immer auf der akustischen Achse liegt. Außerdem ist die Welle nicht streng zylindrisch, sondern kegelförmig. Der Divergenzwinkel γ 0, der denjenigen Kegel festlegt, auf dem im Druckprofil der Wellenfronten der erste Nullpunkt liegt, ist bestimmbar über sin γ 0 = 1.22 λ D. (20) Dies folgt aus der allgemeinen Beugungstheorie, eine Herleitung findet sich unter anderem bei Rayleigh [8]. Bei Verwendung der nach Gleichung (18) beschriebenen Daten ergibt sich beispielsweise ein Wert von γ Grad. Abb. 5 zeigt ein Schallfeld eines Sensors und das Druckprofil in verschiedenen Abständen. Abbildung 5: Schallfeld eines Sensors und Druckprofil in verschiedenen Abständen (einfache, dreifache und sechsfache Nahfeldlänge). Bilder entnommen aus [9]

25 5 MATERIALPRÜFUNG MIT ULTRASCHALL 19 5 Materialprüfung mit Ultraschall 5.1 Anwendungsgebiete Neben der medizinischen Diagnostik wird Ultraschall in großem Umfang für die Materialprüfung verwendet. Der Vorteil gegenüber vielen anderen Prüfmethoden liegt in der Zerstörungsfreiheit, das heißt die getesteten Materialien erfahren keine dauerhaften Veränderungen, die ihren Einsatzbereich einschränken oder ihre Verwendung vollständig verhindern würden. In diesem Kapitel sollen zwei für diese Arbeit relevante Anwendungsgebiete in der zerstörungsfreien Materialprüfung kurz vorgestellt werden, nämlich die Wanddickenmessung und die Rißprüfung, die beide auch mittels sogenannter Prüfmolche für die vollautomatische Pipelineinspektion eingesetzt werden Wanddickenmessung Eine Wanddickenmessung ist eine relativ einfache Anwendung der Ultraschallprüftechnik. Dabei wird senkrecht auf die Oberfläche eingeschallt (Abb. 6). Der Schall wird teilweise reflektiert, was zu einem ersten deutlichen Echo, dem sogenannten Vorwandecho, führt, teils aber auch in die Wand transmittiert. Abbildung 6: Wanddickenmessung mit Ultraschall An der Rückseite der Wand, eventuell auch an einem in der Wand liegenden Reflektor (wie einer Lamination) wird diese Welle erneut reflektiert und führt so zu einem zweiten deutlichen Signal, dem Rückwandecho. Bei Kenntnis der Ausbreitungsgeschwindigkeiten kann man die zeitlichen Abstände zwischen Sendepuls, erstem und zweitem Echo daher auf den Abstand des Ultraschallprüfkopfs zur Wand und auf die Dicke der Wand bzw. die Tiefenlage eines Reflektors umrechnen.

26 5 MATERIALPRÜFUNG MIT ULTRASCHALL 20 Abbildung 7: Oszilloskopbild bei senkrechter Einschallung zur Wanddikkenmessung Abbildung 7 zeigt ein für eine Wanddickenmessung typisches Signalbild; im Wassertauchbad wurde eine Stahlplatte von 10 mm Dicke beschallt. Zu sehen sind erheblich mehr als die bereits erwähnten zwei Peaks, was sich folgendermäßen erklärt: Im ersten Drittel ist der Sendepuls zu sehen, der wegen einer fehlenden Anpassung der Elektronik nicht in seiner ursrünglichen, sehr schmalen Form zu erkennen ist. Im zweiten Drittel folgen dann Vor- und Rückwandecho und weitere, immer schwächere Peaks. Diese resultieren daraus, daß die Schallwelle beim Austritt aus dem Prüfstück nur teilweise transmittiert, ein anderer Teil aber wieder reflektiert wird. So erhält man eine Kaskade von Echos, die sich wegen der fortlaufenden Aufspaltung der Welle in transmittierten und reflektierten Anteil und wegen der Schallabsorption immer mehr abschwächen. Der Abstand der Linien entspricht dabei der für die doppelte Dicke der Stahlplatte benötigten Laufzeit: Ein Abstand von ca. 10/3 µs entspricht bei einer (longitudinalen) Schallgeschwindigkeit in Stahl von etwa 5900 m/s einer Weglänge von 10/ m 19.7 mm, was sehr gut mit dem doppelten der Plattenstärke von ca. 10 mm übereinstimmt. Im letzten Drittel erscheint dasselbe Muster noch einmal in abgeschwächter Form. Das erklärt sich durch die partielle Reflexion des Vorwandechos am Sensor; da die Schallgeschwindigkeit im Wasser viel kleiner ist als diejenige in Stahl und auch der Abstand zwischen Sensor und Stahl größer ist als die Dicke der Platte, folgt diese zweite Echoserie erst einige Zeit nach

27 5 MATERIALPRÜFUNG MIT ULTRASCHALL 21 den vielen Echos, die durch Reflexionen innerhalb des Stahls verursacht sind. Der zeitliche Abstand dieser zweiten Echogruppe von der ersten beträgt im gezeigten Bild ca. 36 µs. Bei einer Schallgeschwindigkeit in Wasser von 1483 m/s entspricht das einem Laufweg von ca mm, also einem Abstand zwischen Sensor und Stahlplatte von etwa 2.7 cm Rißprüfung Bei der Rißprüfung wird nicht senkrecht, sondern schräg auf die Oberfläche eingeschallt, da ein Riß wegen seiner sehr geringen Breite im breiten Schallpuls kein eindeutiges Echo erzeugt. Der Einschallwinkel (im flüssigen Medium) ist dabei üblicherweise so gewählt, daß in der Wand nur eine Transversalwelle entsteht, deren Richtung etwa 45 Grad zur Oberfläche geneigt ist. Abbildung 8 zeigt die Funktionsweise dieses Prüfverfahrens. Abbildung 8: Rißprüfung mit Ultraschall. Gezeigt sind zwei mögliche Sensorpositionen und Schallwege, die zu einem Echo führen können 5.2 Darstellung von Meßergebnissen Vor der Darstellung werden die Meßergebnisse in der Regel verstärkt, wobei eine lineare und eine logarithmische Verstärkung, welche schwächere Echos deutlicher hervortreten läßt, gebräuchlich sind. Hinzu kommt oftmals noch eine zeitabhängige Verstärkung, die die stärkere Schallschwächung, die aufgrund längerer Laufwege und damit größerer Laufzeiten zustandekommt, ausgleicht. Die Ergebnisse von Ultraschallmessungen können anschließend auf unterschiedlichste Weise dargestellt werden, die bevorzugte Darstellung hängt dabei von der jeweiligen Anwendung ab.

28 5 MATERIALPRÜFUNG MIT ULTRASCHALL A-Scan Bei einem A-Scan ist die am Ultraschallprüfkopf anliegende, dem Schalldruck proportionale Spannung im zeitlichen Verlauf dargestellt. Dies kann in ungleichgerichteter oder gleichgerichteter Form geschehen Amplitude (Volt) Zeit (µs) Abbildung 9: Beispiel eines A-Scans In Abb. 9 ist beispielhaft ein A-Scan für schräge Einschallung (45-Grad- Transversalwelle in Stahl) gezeigt. Bei etwa 30 µs ist das Einschallecho zu sehen, das durch die Streuung des Schallbündels beim Auftreffen auf die Wasser-Stahl-Grenzfläche verursacht wird. Da das Schallbündel recht breit ist (der Sensor mißt typischerweise rund 15 mm im Durchmesser), ergibt sich wegen der schrägen Einschallung auch ein zeitlich breites Echo. Im hinteren Teil des Scans sieht man dann durch Reflexionen hervorgerufene Signale B-Scan Ein B-Scan faßt mehrere A-Scans zusammen. Auf der Ordinate ist dabei die Position des Ultraschallprüfkopfes aufgetragen, die Koordinate bildet die zu jedem Ort gehörige Ultraschall-Laufzeit, und die Amplituden der A-Scans sind farblich kodiert eingetragen. Abb. 10 zeigt links einen einfachen B-Scan. Diese Darstellung bietet also eine Repräsentation eines linearen Abschnitts des Prüfstücks. Eine

29 5 MATERIALPRÜFUNG MIT ULTRASCHALL 23 7 Sensoren (5 links-, 2 rechtseinschallend) Zeit Zeit Position (A-Scans) Bewegungsrichtung des Molches Abbildung 10: Links: Einzelner B-Scan. Rechts: B-Scans mehrerer Sensoren Übersicht über einen in zwei Dimensionen ausgedehnten Bereich läßt sich aus der Aneinanderreihung der Daten mehrerer Sensoren gewinnen, wie es in derselben Abbildung auf der rechten Seite zu sehen ist C-Scan Ein C-Scan ist prinzipiell mit einer Ansammlung von B-Scans vergleichbar. Der Sensor wird nicht nur auf einer Linie, sondern über eine Fläche bewegt. Alternativ können auch die Ergebnisse mehrerer Sensoren zusammengefaßt werden, um zu dieser Darstellung zu gelangen. Eingetragen werden die Gebiete, an denen Echos innerhalb eines vorgegebenen Zeitfensters auftreten. Ein C-Scan erlaubt es daher, die Ausdehnung eines Reflektors in zwei Dimensionen abzuschätzen. Bei senkrechter Einschallung kann mit Hilfe verschiedener Zeitfenster auch eine Tiefenabschätzung der Reflektoren vorgenommen werden Weitere Darstellungsformen Neben diesen traditionellen Darstellungen ist es natürlich auch möglich, die Daten z.b. in bildgebenden Verfahren wie bei der pränatalen Ultraschalldiagnostik darzustellen. Voraussetzung ist in der Regel aber, daß ausschließlich longitudinale Wellen verwendet werden und keine Modenwandlung auftritt. Somit lassen sich aus Sensorort und Laufzeit des Ultraschallechos alle drei Raumkoordinaten bestimmen.

30 5 MATERIALPRÜFUNG MIT ULTRASCHALL Der Ultraschallprüfmolch Funktionsweise der Ultraschallprüfmolche Der Ultraschallmolch ist ein komplexes, autonomes Meßgerät, welches die automatisierte Inspektion von Rohrleitungen wie Gas- und Ölpipelines erlaubt. Dabei sind viele Ultraschallprüfköpfe auf einem sogenannten Sensorträger angeordnet, so daß der gesamte Rohrumfang mit einer definierten Auflösung abgescannt werden kann. In Abb. 11 ist der Sensorträger eines Wanddickenmolchs gezeigt. Abbildung 11: Sensorträger eines Wanddickenmolchs Der Molch benötigt keinen eigenen Antrieb, er wird vom Transportgut (z.b. dem Öl) durch die Pipeline geschoben. Die Sensoren senden im gepulsten Betrieb immer abwechselnd und zeichnen ihre eigenen Echos auf. Die dafür benötigten Batterien und die Analogelektronik wie Verstärker sind ebenso im Molch enthalten wie auch die Wandler zur Datendigitalisierung. Ebenfalls integriert ist die anschließende Digitalelektronik mit der Rechenleistung eines Supercomputers. Über die mit 80 MHz digitalisierten Meßwerte wird eine Hüllkurve gelegt, und nur die Maxima dieser Hüllkurve werden weitergereicht. Von diesen stark reduzierten Scans werden anschließend alle unauffälligen Datensätze (die nur die bei einem intakten Rohr erwarteten Merkmale enthalten) verworfen, was zu einer weiteren Reduktion führt. Zuletzt wird die Größe der Daten mit einem Kompressionsverfahren verringert, und die derart reduzierten und komprimierten Scans werden auf mehreren im Molch eingebauten Datenspeichern (Magnetbändern oder auch Festplatten) gespeichert.

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