KRAUTKRÄMER

UltraschallprüfungTheorie und Praxis

copyright: Michael Berke, Krautkrämer GmbH & Co. - Germany 1996

Jede Störung des Gleichge-wichtes versetzt die Kugel in

eine Schwingung:

Impuls

Schwingung

Zeitlicher Ablauf einer Schwingung

Zeit

eine volle Schwingung T

Aus der Dauer einer Schwinungkann leicht die Anzahl der Schwin-gungen pro Sekunde berechnetwerden:

1Tf =

Die Frequenz

180 36090 270Phase

Zeit

Die momentane Auslen-kung a wird durch folgende Funktion beschrieben:

a = A sin a

0

Schallspektrum

Frequenz-bereich Hz Begriff Beispiel

0 - 20 Infraschall Erdbeben

20 - 20.000 hörbarerSchall

Sprache, Musik

> 20.000 Ultraschall Fledermaus,Quartzschwinger

Zum Verständnis der Wellenausbreitung,hier das Federmodell:

Feder = elastische Bindung

Kugel= Atom

T

zurückgelegter Weg

während einer Schwingungsdauerbewegt sich die Wellenfront um dieStrecke .

Hieraus leiten wir die Schallgeschwindigkeit ab:

c = T

c = foder Wellengleichung

Transversalwelle

Zusammenfassung

LuftWasserStahl, longStahl, trans

330 m/s1480 m/s

3250 m/s5920 m/s

Longitudinalwellen breiten sich in jedem Medium aus. Transversalwellen können nur in festen Stoffen auftreten.

Wegen der anderen Schwingungsform breiten sich Transversalwellen viel langsamer aus.

Die Schallgeschwindigkeit hängt im wesentlichen von derDichte und dem E-Modul des Werkstoffes ab.

Reflektion und Schalldurchgang

Solange eine Schallwelle durch ein homogenes Material läuft, passiert nichts Aufregendes.

Jede Änderung der Materialeigenschaft hat jedoch einen direkten Einfluß auf das Verhalten der Schallwelle, z.B. an den Grenzflächen eines Werkstückes, oder an einer Fehlstelle.

Schallübergang zwischen unterschiedlichenWerkstoffen

Medium 1 Medium 2

Grenzfläche

Einfallende Welle Durchlaufende Welle

Reflektierte Welle

Einfallende Welle

Durchgehende Welle

Reflektierte Welle

Plexiglas Stahl1,87

1,00,87

Reflexion + Durchgang: Plexi - Stahl

Einfallende Welle

Durchgehende Welle

Reflektierte Welle

0,13

1,0

-0,87

Reflexion + Durchgang: Stahl - Plexi

Stahl Plexiglas

Verschiedene Schallübergänge

hohe Reflexion

doppelte Transmission

keine Reflexion

einfacheTransmission

hohe Reflexion mitPhasenumkehr

keine Transmission

Wasser - Stahl Kupfer - Stahl Stahl - Luft

+

Piezoelektrischer Effekt

piezoelektrischerKristall (Quartz)

Batterie

+

der Kristall wird dicker, bedingt durch eine Verzerrung des Kristallgitters

Piezoelektrischer Effekt

+

Die Wirkung ist umkehrbar

Piezoelektrischer Effekt

Eine Wechselspannung der Frequenz f erzeugt eine Schwingung des Kristalls

U(f)

Schallwelle mit der Frequenz f

Piezoelektrischer Effekt

ein kurzer Spannungsstoß erzeugt einen kurzenSchallimpuls mit der Resonanzfrequenz f

kurzer Span-nungsstoß ( < 1 µs )

o

Piezoelektrischer Effekt

Empfang von Ultraschallwellen

Eine Schallwelle, die auf einen piezoelektrischen Kristall trifft, versetzt diesen in eine Schwingung,die dann eine Wechselspannung an der Kristall-oberfläche erzeugt:

elektrischeEnergie

piezoelektri-scher Wandler

Ultraschall-welle

100 ns

Hochfrequenzimpuls (kurz)

Hochfrequenzimpuls (mittel)

N

6

Nahfeld Fernfeld

Fokus DivergenzwinkelWandler akustischeAchse

Do

Schallbündel

0 2 4 8 106

0 2 4 8 106

+-Uh

0 2 4 8 106

+ -Uh

0 2 4 8 106

+

+

-

-

U

U

h

v

Prinzip: Ultraschallprüfung

P 2

Verstärker

Werkstück

Prüfkopf

Horizontal-ablenkung

Takt

Sender

SIRWE

Bildschirm

Schallreflexion am Fehler

Sender/Empfänger

FehlerSchallaufweg

Werkstück

s

Dopplung

Blech 0 2 4 6 8 10

SI

D

RWE

SI = Sendeimpuls D = Dopplungsecho

RWE = Rückwandecho

Dopplungsprüfung

0 2 4 6 8 10

s

s

Restwanddickenmessung

Korrosion

0 2 4 6 8 10

Durchschallungs-signal

1

2

1

2

S

S

E

E

Durchschallungsprüfung

Fehler

0 20 40 60 80 100

s

aa'

t

x

a = s sinßa' = a - x

t' = s cosßt = 2d - t'

a = Projektionsabstand

s = Schallweg

a' = verkürzter Projektionsabstandt' = scheinbare Tiefet = tatsächliche Tiefe

s

Flanken-bindefehler

Werkstück mit Schweißnaht

Schweißnahtprüfung

F

senkrecht SE-Prüfung fester Vorlauf

TauchtechnikDurchschallung

Prüftechniken für Senkrechteinschallung

0 2 4 6 8 10 0 2 4 6 8 10

EE EESI SI

RWE RWE

Werkstück-oberfläche =

Rückwand

F

Fehler

Schalleintritt

1

1

2

2

Wasser-vorlauf

Tauchtechnik - Prüfung