Abstract

Inhalt

Eingabemodul


Ausgabemodul


Oszillograph


Beispiele am Kontrollkörper 1


Vergleich zur Praxis


Überblick aller Bilder

Einleitung

In der Werkstoffprüfung finden Ankoppelschuhe, meist aus Plexiglas, zum Auffinden von Materialfehlern eine häufige Anwendung. Der genaue Verlauf des Ultraschallfeldes nach einer Reflexion in dem zu prüfenden Material ist meist schlecht vorhersagbar. Der Nachweis von Fehlern setzt oft eine langjährige Erfahrung in der Ultraschallmeßtechnik voraus. Eine Abhilfe schafft ein System zur Simulation dieser Brechungs- und Reflexionsvorgänge an den Grenzflächen.
USSIM (UltraSchallSIMulator) ist ein Simulationssystem, in dem versucht wurde mittels optischer Gesetze hinreichend genaue Ergebnisse zu erzielen. Es ist für einem normalen PC unter DOS entworfen. Dabei wurden die Ultraschallwellen als Strahlen aufgefaßt, welche an Grenzschichten von Materialien mit unterschiedlicher Schallhärte der Reflexion und Brechung mit gleichzeitiger Modenwandlung unterliegen. Zur Bestimmung der momentanen Schalldruckamplitude kamen Näherungsgleichungen zur Anwendung. Für eine gute Handhabung sorgt eine grafische Benutzeroberfläche, welche den heute üblichen Windows-Oberflächen ähnelt.

Eingabemodul

Es existiert ein Eingabemodul für eine zweidimensionale Geometrie der zu prüfenden Werkstücke mit Fehlern (Risse), welches eine Vielzahl von Prüflingen zuläßt. Der Einschallwinkel und die Position des Ultraschallwandlers auf der Prüflingsoberfläche ist frei wählbar. Hier wird auch die Prüfkörpergeometrie eingeben. Es sind Linien, Kreise, Kreissegmente und Risse oder Fehler (als Linien, rot dargestellt) möglich. Wahlweise kann ein Einfangen auf Eckpunkte gewählt werden. Als Bedingung für die Simulation mit diesem Werkstück ist eine geschlossene Oberfläche des Prüflings! (geschlossener Umlauf der Begrenzungslienien)


Eingabemodul

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Ausgabemodul

Das Ausgabemodul (auch als Teilansicht/Werkstückansicht zu bezeichnen) bietet eine Übersicht über den Schallverlauf im Material. Diese Seite bietet wohl mit die wichtigsten Funktionen, um die optimalen Parameter für ein gutes Ultraschallbild herauszufinden.
Es sind die Position des Wandlers (auf der gesamten außeren Oberfläche), der Einschallwinkel (in 0,1° Schritten) variierbar.
Zur Ansicht kommen ein kleiner Oszillograph und die Schall-"Strahlen" (-Bündel).
Bei diesen Schall-"Strahlen" wird zwischen longitudinal (grün) und transversal (violett) unterschieden.
Es ist möglich, nur einzelne Teile der Schallbündel anzuzeigen, wie z.B. nur die longitudinalen Schallbündel, oder auch nur die Schallbündel bis zur ersten oder zweiten Reflexion.
Eine Online-Simulation ist mit schneller Rechentechnik möglich. Wird ein Parameter, wie z.B. die Position des Wandlers, verändert, so wird sofort simuliert und das Ergebnis angezeigt. Diese Online-Simulation ist für die Anzeige des Schallbündels und die Berechnung des Oszillogramms optional.

Ausgabemodul
Als Festlegung ist ein Abstand zwischen Wandler und Prüflingsoberfläche von 1 mm getroffen worden, da im Entwurf von selbstgefertigten Ankoppelschuhen ausgegangen wurde.

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Oszillograph

Ist eine Simulation erfolgt, so kann zur Anzeige des Oszillogramms gewechselt werden. und einen Oszillographen, welcher einen direkten Vergleich mit der Praxis erlaubt.
Die Verstärkung dieses Oszillographen ist nicht identisch mit der Verstärkung der in der Praxis üblichen Meßgeräte. !
Am oberen Rand des Oszillographen ist über einem empfangenen Echo ein weißer Strich für rein transversaler Natur, oder ein gelber Strich für rein longitudinaler Natur zu sehen. Dies ermöglicht es die Echos zwischen den 3 Arten, longitudinal, transversal und Nebenechos, zu unterscheiden. Zusätzlich ist im Oszillographen eine Besonderheit enthalten, welche es ermöglicht die Wegstreckenlänge (Impuls-Echo-Verfahren) sichtbar zu machen und die errechneten Laufzeiten bzw. Weglängen der Ultraschallechos anzusehen.

Oszillographen

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Beispiele am Kontrollkörper 1

Beispiel 1
Einschallung senkrecht auf die kleine Bohrung.
Es ist gut zu sehen, daß durch die große Bohrung und die rechte Begrenzungsfläche Nebenechos erzeugt werden.

Beispiel 2
Einschallung senkrecht auf die kleine Bohrung.
Hier ist jedoch der Wandlerdurchmesser im Verhältniss zur kleinen Bohrung in etwa der gleichen Größenordnung.
Es ist gut zu sehen, daß von der großen Bohrung nur ein sehr geringes Echo zu erwarten ist.

Beispiel 3
Einschallung am Kontrollkörper am Sägeschnitt
Es sind gut alle drei Echos zu erkennen. Sowohl die rein longitudinaler Art, die rein transversaler Art und die Nebenechos.

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Vergleich zur Praxis

Der Vergleich von simulierten Oszillogrammen mit praktisch gemessenen Oszillogrammen an verschiedenen Teststücken ergab eine gute Übereinstimmung. Es kann also mittels eines einfachen Modells der Ultraschallverlauf und die Schalldruckamplitude für das Problem der Fehlerfindung mittels Ultraschall in der Materialprfung simuliert werden.
Das vorgestellte System bietet die Möglichkeit Echoanzeigen zu simulieren und daher einen Vergleich zur Praxis (auch ohne Normteststück). Weiterhin bietet es die Möglichkeit durch Veranschaulichung des Schallverlaufes zur Schulung von Meßpersonal.

(Bildbeschreibung) Es ist eine hinreichende Genauigkeit festzustellen. Man sollte bei dieser Betrachtung nicht außer Augen verlieren, daß die Simulation auf einem sehr stark vereinfachten Modell basiert. Weiterhin sind die Datenfelder zur Berechnung auf 77 "Strahlen" im ganzen Ultraschallschallfeld begrenzt, was eine ausreichende Auflösung bei einer vertretbaren Rechenzeit ermöglicht.

Vergleich zur Praxis

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Überblick aller Bilder dieses Artikels.

Hier wird nochmal einbildhafter Überblick aller Bilder dieses Artikels gegeben.

Dipl.-Ing. Ralf Bernhard
Angestellter der Fachhochschule Wismar im Projekt Ultraschall-Prüfung von Schienen auf der Grundlage der Künstlichen Neuronalen Netze; außerberufliche Tätigkeit als Vorstandsvorsitzender des Tauchsportclubs "Walfisch" Wismar e.V.
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