Laseroptische 3D-Vermessung von Ultraschall-Feldern

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1 DACH-Jahrestagung 2008 in St.Gallen - Mo.2.A.4 Laseroptische 3D-Vermessung von Ultraschall-Feldern Reinhard BEHRENDT, Thomas MECHNIG, Polytec, Waldbronn Kurzfassung. Neue scannende 3D-Laser-Doppler-Vibrometer ermöglichen eine hochauflösende, berührungslose Bestimmung der transversalen X-, Y- und Z- Komponenten von Ultraschallwellen auf Festkörperoberflächen und in optisch transparenten Medien. Dadurch können die Differenzen der Ausbreitungsgeschwindigkeiten, das Reflexions- und Beugungsverhalten sowie die Dämpfung von unterschiedlichen Komponenten der Ultraschallwelle getrennt analysiert werden. Dabei wird die gute Frequenzneutralität der Sensoreigenschaften der Vibrometer genutzt, um unterschiedliche Dispersionseigenschaften der einzelnen Schallkomponenten zu untersuchen. Zwei unterschiedliche Scanning-Verfahren werden in ihrer Leistungsfähigkeit, im Signal-Rausch-Verhältnis sowie in der Messgenauigkeit miteinander verglichen. Anwendungsbeispiele dokumentieren die Leistungsfähigkeit der Vibrometer zur berührungslosen 3D-Vermessung von Ultraschall-Feldern. Einführung Berührungslos arbeitende Laser-Vibrometer werden seit längerem als Referenzsensoren für zerstörungsfreie Ultraschallprüfungen eingesetzt. Hierbei waren es zunächst vor allem Untersuchungen zur Ausbreitung von flächennormalen Komponenten der Longitudinalwelle (Out-of-Plane) an Festkörperoberflächen, die mit Laser-Vibrometern analysiert wurden. In aktuellen Applikationen der Vibrometer werden zunehmend auch Transversal- und Grenzflächenwellen untersucht [1]. Dabei kommen sowohl neue punktuell messende InPlane- und 3D-Vibrometer als auch scannende 3D-Vibrometer zum Einsatz. Die Systemeigenschaften dieser unterschiedlichen Vibrometer werden anwendungsbezogen diskutiert. Neben den Standardmessungen auf nichttransparenten Oberflächen eignen sich die Laservibrometer auch zur Untersuchung der Ultraschallausbreitung in transparenten festen, flüssigen und gasförmigen Medien. Dabei liefern scannende Vibrometer direkt die in der Ultraschalltechnik üblichen A-, B-, C- und D-Bilder. 1. Vergleich der Systemeigenschaften unterschiedlicher Vibrometer Die berührungslos und damit rückwirkungsfrei arbeitenden Vibrometer bestehen aus einem Messkopf und einer in der Regel abgesetzten Elektronikeinheit. Dabei bestimmt die Optik, welche Komponente der Ultraschallwelle detektiert werden kann: 1

2 Standard 1 Punkt 1D-System Scanning 1D-System - flächennormale Out-of-Plane Komponente in 1 Punkt - Verteilung der Out-of-Plane Komponenten 1 Punkt 3D-System - InPlane- und Out-of-Plane Komponente in 1 Punkt Scanning 3D-System - Verteilung der InPlane- und Out-of-Plane Komponenten Die Elektronikeinheit bestimmt im wesentlichen die für die Ultraschallanwendungen interessanten Systemeigenschaften wie: - Frequenzbereich - Empfindlichkeit - Rauschen. Tabelle 1 gibt einen Überblick über die wichtigsten Ultraschallkenndaten. Tabelle 1. Vergleich der für US-Anwendungen relevanten Kenndaten unterschiedlicher Vibrometersysteme 1 Punkt 1D 1 Punkt 3D Scanning 1D Scanning 3D Arbeitsabstand Variabel Fest Variabel Variabel Frequenzbereich Bis 2 MHz (24 MHz) 0,25 MHz 2 MHz (24 MHz) 2 MHz ((24 MHz)) Empfindlichkeit 2 mm/s je V 54 db (1 m/s) (50 nm/v) 5 mm/s 46 db (1 m/s) 2 mm/s je V 54 db (1 m/s) (50 nm/v) 2 mm/s je V 54 db (1 m/s) ((50 nm/v)) Rauschen BW µm/s x y z 1 Hz / 250 khz 0,05 / 25 (0,25 nm) 1 Hz / 250 khz 1 / / 480 0,16 / 80 1 Hz /250 khz 0,07 /35 (0,25 nm) 1 Hz / 250 khz 0,15 / 75 0,15 / 75 0,10 / 50 ((0,25 nm)) Folgende Eigenschaften zeichnen den Einsatz der Vibrometer für Ultraschallanwendungen aus: 1. Berührungslos mit hoher Ortsauflösung (µm) 2. Hohe Frequenzneutralität (typ. besser 1 db) 3. Bandpässe sind nicht im Sensor integriert. Somit eignen sich die Vibrometer ideal, um die Frequenzcharakteristik der Schallwellen zu detektieren. Da die piezoelektrischen Sensoren in der Regel in ihrem Resonanzbereich 2

3 arbeiten, verfälschen sie die Frequenzcharakteristik des Ultraschallsignals; besitzen jedoch bezüglich des Signal-Rausch-Verhältnisses, d.h. der Auflösung, gewisse Vorteile. 2. Standardanwendungen zur 3D-Ultraschallausbreitung an optisch nichttransparenten Medien. 1D-Scanning Vibrometer werden seit längerem für Ultraschallmessungen an Betonbauteilen und konstruktionen eingesetzt. Durch den Einsatz eines 3D-Scanning Vibrometers gelingt es, das Ausbreitungsverhalten für die X-, Y- und Z-Komponente der Ultraschallwelle getrennt zu analysieren. An einem Betonprobekörper der BAM Berlin wurden Messungen zur Visualisierung der Schallausbreitung in der Umgebung eines definiert eingebrachten Luftspaltes durchgeführt. Abbildung 1 stellt die Ergebnisse für die Schallausbreitungen der horizontalen InPlane-Komponente vx für drei unterschiedliche Zeiten nach der Einleitung des 85 khz Schallsignals dar. Man erkennt, dass für die vxkomponente schon nach 40 µs Reflexionen am vertikal eingebrachten Luftspalt zu beobachten sind. Abbildung 1. Ausbreitung der 85 khz-welle in X-Richtung (Inplane horizontal) nach 20 µm/s, 40 µm/s und 80 µm/s In Abbildung 2 ist die Amplitudenverteilung der Oberflächenschnelle für alle drei 3

4 Richtungskomponenten der 85 khz nach 60 µs sowie deren A-Bilder für den gekennzeichneten Punkt auf der Unterseite des Betonblockes dargestellt. Abbildung 2. Ausbreitung der 85 khz-welle in X-, Y- und Z-Richtung jeweils nach 60 µs (Y - Inplane vertikal, Z Out-of-Plane) Deutlich erkennt man, dass zu diesem Zeitpunkt Reflexionen im wesentlichen bei der vxkomponente, weniger stark bei der vertikalen vy-komponente und kaum für die vz-out-ofplane-komponente auftreten. Ferner ist für die vx-komponente eine geringfügig kleinere Schallgeschwindigkeit zu beobachten. 4

5 3. Schallfeldvisualisierung in optisch transparenten Medien Die Ausbreitung einer Schallwelle wird durch den zeitlichen Verlauf des Druckes im Medium bestimmt. In optisch transparenten Medien induziert die Druckschwankung eine Änderung des Brechungsindexes. So wird die Druck- und Temperaturabhängigkeit der Brechzahl der Luft wird im allgemeinen durch die Formeln von Edlen oder Ciddor beschrieben. Approximation von Stone und Zimmerman [2]. Für die Vielzahl der praktischen Schwingungsmessungen kann diese Abhängigkeit von den atmosphärischen Eigenschaften im Rahmen der Messgenauigkeit vernachlässigt werden. Bei Messungen auf quasi schwingungsfreien Oberflächen ergibt sich jedoch entsprechend einem Vorschlag von Zipser u.a. eine Möglichkeit, schallinduzierte Druckschwankungen der Brechungszahl aus der virtuellen Verschiebung Δs opt des optisches Weges zwischen dem Vibrometersensor und einem festen, nicht schwingenden Reflektors zu bestimmen [3]: Δ sopt = s Δn = s ( n2 n1 ) < 3 > mit s = geometrischer Abstand Δn = Brechzahländerung Für die Abhängigkeit der Brechzahländerung von den atmosphärischen Größen ergibt sich im Bereich der Normalbedingungen p = Pa folgende Näherung: Δn/ Δp = 2,68 x 10-6 je kpa Die Abbildung 3 zeigt einen typischen Messaufbau zur Schallfeldvisualisierung mittels Laser Scanning Vibrometer. Abbildung 3. Detaillierter Aufbau zur Schallfeldvisualisierung Die Abbildung 4 zeigt eine interessante Anwendung des Verfahrens für die Luft- Ultraschall-Visualisierung. Zur Optimierung der ultraschallgestützten Einparkhilfe visualisierte man bei Bosch [4] das Ausbreitungsverhalten der 50 khz Ultraschallimpulse, die von den im Stoßfänger eines PKW eingebauten Ultraschallsensoren ausgeht. 5

6 Abbildung 4. Visualisierung der Ausbreitung des 50 khz Ultraschalls einer Einparkhilfe Firma Bosch [4] 4. Zusammenfassung Mit scannenden Laservibrometern ist es möglich, die Ausbreitung von Ultraschallwellen berührungslos und damit rückwirkungsfrei mit hoher Ortsauflösung zu untersuchen. Durch den Einsatz von 3D-Scanning Vibrometern lassen sich die X-, Y- und Z-Anteile der Ultraschallwellen separieren. Auch in optisch transparenten Medien lässt sich die Schallausbreitung messtechnisch erfassen. Dabei gelang Bahr und Lerch [5] durch spezielle Rekonstruktionsverfahren (gefilterte Rückprojektionen FBP) der Übergang von qualitativen zu quantitativen Aussagen. Referenzen [1] M. Krüger, G. Mook; ZfP Zeitung Ausgabe 99 (April 2006), S [2] J. A. Stone, J. H. Zimmerman; Index of Refraction of Air; [3] L. Zipser, S. Lindner; R. Behrendt; Technisches Messen 69 (2002), S [4] Bosch Research Info Ausgabe 3/2003 [5] L. Bahr, R. Lerch; IEEE Trans. Ultrasonics 2008, 55(2), S

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