V 35 Werkstoffuntersuchungen mit Ultraschall 1. Aufgabenstellung 1.1 Untersuchen Sie den Wellencharakter des Ultraschalls im Hochfrequenzund Amplitudenmode, und bestimmen Sie die Frequenz des verwendeten Ultraschallwandlers. 1. Messen Sie die longitudinale und transversale Schallgeschwindigkeit in verschiedenen Probekörpern, und geben Sie den Transmissionskoeffizienten an. 1.3 Untersuchen Sie die Schallschwächung in Polyacryl und in einer Flüssigkeit! Vergleichen Sie die gemessenen Schallschwächungskoeffizienten mit Literaturwerten. 1.4 Führen Sie mittels B-Bild eine Fehlstellensdiagnostik eines vorgegebenen Materials durch. Untersuchen Sie dabei den Einfluss der laufzeitabhängigen Verstärkung (LAV)! 1.5 Beobachten Sie im M-Mode Ultraschallreflexe an bewegten Grenzschichten, und diskutieren Sie die Einsatzmöglichkeiten in der Medizin.. Theoretische Grundlagen Stichworte zur Vorbereitung: Schall, Ultraschall, Schallwellen, Schallfeld, Reflexion, Brechung, Transmission, Schallschwächung, Frequenz, Amplitude, Wellenpaket, Materialprüfung, elastische Eigenschaften, piezoelektrischer Effekt, A-, HF-, B- und M-Bild Literatur: J. Krautkrämer, H. Krautkrämer Werkstoffprüfung mit Ultraschall, 5. Auflage, Springer-Verlag (1986) S. 1-34, S. 113-11 V. Deutsch, M. Platte, M. Vogt Ultraschallprüfung Grundlagen und industrielle Anwendungen, Springer Verlag - Berlin (1997) 9
S. 1 19, S. 15 163 R. Millner, u. a. Wissensspeicher Ultraschalltechnik Fachbuchverlag Leipzig (1987) S. 4 47, S.146 153, S. 400 408 Fa. Gampt GmbH Versuchsanleitung, Gerätebeschreibung http://www.gampt.de/versuch.pdf Ultraschallwandler sind Sensoren, die sowohl zum Senden als auch zum Empfangen von Ultraschallimpulsen geeignet sind. Betrachtet man das Spektrum hörbaren Schalls, so stellt man fest, dass ein gesunder und junger Mensch Frequenzen zwischen ca. 0 Hz (tiefe Brummtöne) und 16...0 khz (helle Pfeiftöne) wahrnehmen kann. Analog zu den aus der Optik bekannten Bezeichnungen nennt man Schallwellen, deren Frequenz zu klein ist, um vom menschlichen Ohr wahrgenommen zu werden, Infraschall. Unter Ultraschall versteht man dementsprechend Schallwellen mit einer Frequenz oberhalb der Wahrnehmungsgrenze. Ultraschallwellen sind also hochfrequente, und damit langwellige Schallwellen. Sie bilden bei allen zerstörungsfreien Prüfverfahren den Schlüssel zur Lösung der Prüfaufgabe, in dem akustisches Übertragungsverhalten und Geometrie an den jeweiligen Probekörper angepasst werden. Die gebräuchlichen Ultraschallköpfe arbeiten heute nahezu ausschließlich nach dem piezoelektrischen Effekt. Ein Impulsgenerator löst im Sender in schneller Folge kurze elektrische Impulse aus, die im Prüfkopf Schallimpulse erzeugen. Die aus dem Werkstoff zurückkommenden Echos werden vom gleichem Prüfkopf in elektrische Signale zurückverwandelt. Die Auswertung erfolgt mittels Oszilloskop oder Rechner. 3. Versuchsdurchführung 3.1 Schallgeschwindigkeit In Abb. 1 ist das vom Ultraschallwandler mittels Oszilloskop oder Rechner registrierte Signal aufgezeichnet. 93
1,0 HF-Daten A-Bild Amplitute in V 0,5 0,0-0,5-1,0 0 5 10 15 0 Laufzeit in µs Abb. 1: HF-Mode (Hochfrequenzschwingung) und A-Mode (Amplitudenbetrag) Über die Laufzeitintervalle zwischen den Impulsen sind sofort die Welleneigenschaften der ausgesendeten Schallwelle ablesbar. So berechnet sich die Frequenz f des Wandlers aus der Zahl n der Schwingungen und dem Zeitintervall t nach Gleichung (1): n f =. (1) t Über c = λ f () lässt sich mit Hilfe der Ausbreitungsgeschwindigkeit c in einem bekannten Medium die Wellenlänge λ bestimmen. Zur Messung der Schallgeschwindigkeit verschiedener Probekörper der Dicke d reicht die Laufzeitmessung des Reflexes. c = d Τ (3) T ist die Laufzeit, c die longitudinale Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schalls. Der Faktor im Zähler entsteht durch das Hin- und Zurücklaufen des Signals. 94
Die transversale Schallgeschwindigkeit misst man im Durchschallungsmode. Bei einem Durchgangswinkel von 45 werden nur noch transversale Wellen im Festkörper angeregt. Durch den Laufzeitunterschied des transversal und longitudinal den Probekörper durchdringenden Signals werden die Amplituden beider Wellen aufgenommen. Die Maximalstelle γ o des transversalen Anteils entspricht dem zum Ausfallwinkel γ l =45 gehörigen Einfallswinkel. Mit Hilfe des Snelliusschen Brechungsgesetzes folgt wobei sin γ 0 CF =, (4) o sin 45 CT cf die Schallgeschwindigkeit in der Flüssigkeit ist. c T ist die transversale Schallgeschwindigkeit im Probekörper. 3. Schallschwächung Für die Absorption einer Welle innerhalb eines Mediums gilt A αx ( x) A e = 0 (5) x ist die im Material zurückgelegte Wegstrecke, α der Schallschwächungskoeffizient, 0 A die Amplitude vor dem Material, A( x) Material. Für den Koeffizienten α folgt die Amplitude am Ort x im α = ( x x ) 1 1 ln A A 1 (6) Der Faktor entsteht durch das Hin- und Zurücklaufen beim Impuls-Echo-Betrieb. 3.3 Fehlstellendiagnostik Beobachten Sie das M- und B- Bild (Abb. ) direkt am Monitor des Ultraschallgerätes bzw. Rechners. Ändern Sie zielgerecht die laufzeitabhängige Verstärkung. 95
Abb.: Ultraschallsonde mit Probekörper 4. Kontrollfragen 4.1 Wie lautet die allgemeine Wellengleichung? 4. Welcher Zusammenhang besteht zwischen Wellenlänge und Frequenz einer Welle? 4.3 Erläutern Sie anhand der Lösung der Wellengleichung die Welleneigenschaften! 4.4 Worin besteht der piezoelektrische Effekt sowie dessen Umkehrung? 4.5 Wie lässt sich eine FOURIER-Transformation mathematisch formulieren, und welcher physikalische Inhalt steckt dahinter? 4.6 Vergleichen Sie das Gesetz der Schallschwächung mit der Schwächung radioaktiver Strahlung in einem Material! 4.7 Weshalb verwendet man in der Medizin Ultraschall, weshalb sind normale Schallwellen ungeeignet? 4.8 Was versteht man unter M- und B- Bild? 4.9 Wie groß ist die Wellenlänge einer Schall-Welle in Luft bei Zimmertemperatur? 96