Zerstörungsfreie Materialprüfung
Berlin, 21.-23. Mai 2001 -Berichtsband 75-CD
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Basierend auf Simulationsrechnungen diskutiert der Beitrag die Optimierung von breitbandigen Ultraschallprüfköpfen für spezielle Prüfaufgaben. U.a. wird die Anpassung von Winkel- und SE-Prüfköpfen, Normalprüfköpfen zur Prüfung von Wellen und fokussierenden Prüfköpfen zur Prüfung einer Welle-Nabe-Verbindung in Immersionstechnik demonstriert. Es wird gezeigt, wie sich durch die Variation der Prüfkopfparameter eine bzgl. des Einschallwinkels und der Fokuslage optimierte Prüfanordnung bestimmen läßt. Der Einfluß der Schwingergröße, der Mittenfrequenz sowie der Zeitanregung des Wandlers auf das Schallfeld und den Brechungswinkel wird erörtert. Weiterhin zeigt der Beitrag, daß Simulationsrechnungen hilfreich bei der Interpretation von Meßergebnissen sind.
Bei der Ultraschall-Prüfung ist eine anwendungsbezogene Anpassung des Prüfverfahrens und des Ultraschallwandlers an die Geometrie des zu prüfenden Objektes und die Lage des Fehlers erforderlich. Ein Prüfkopf wird so ausgelegt, daß sich seine empfindliche Zone in einer bestimmten Tiefenlage befindet bzw. daß das Schallfeld unter einem bestimmten Winkel auf das zu untersuchende Objekt einfällt. In vielen Fällen, wie z.B. bei der Prüfung von Bauteilen im Wasserbad (Immersionstechnik) oder bei der Untersuchung innerer Organe in der medizinischen Diagnostik muß die vom Wandler ausgesendete Welle Schichten mit unterschiedlichen Impedanzen passieren, bevor sie das zu untersuchende Objekt erreicht. Deshalb hängt das Schallfeld sowohl von den Prüfkopfparametern (der Größe, dem zeitlichen Verlauf der Anregung und der Lage des Schwingers bzgl. der Ankopplungsfläche, dem Einsatz von Linsen zur Fokussierung) als auch von den Parametern des Prüfobjektes (dem Material der einzelnen Schichten, der Krümmung der Grenzflächen) ab. Bei solchen Optimierungsaufgaben gewinnen Simulationsprogramme zunehmend an Bedeutung. Diese Programme simulieren das Schallfeld im Prüfkörper entsprechend den Prüfkopfparametern und der Prüfanordnung. Aus der Variation der Parameter läßt sich eine bzgl. des Einschallwinkels und der Fokuslage optimierte Prüfanordnung bestimmen.
Im folgenden werden anhand von Schallfeldrechnungen Prüfkopfoptimierungen für unterschiedliche Prüfsituationen gezeigt. Dabei handelt es sich um einen Überblick. Die Optimierungsrechnungen erfolgen durch Berechnung der zeitharmonischen Felder bei der jeweiligen Mittenfrequenz. Teilweise wird dann auch das transiente Schallfeld von Stoßwellenprüfköpfen berechnet, um zu zeigen, daß die Berechnung harmonischer Schallfelder zur Optimierung ausreichend ist.
Die verschiedenen Methoden zur Modellierung der Schallausbreitung in Festkörpern kann man mindestens in drei Gruppen einteilen:
Der Einsatz der einzelnen Methoden richtet sich nach dem Verhältnis zwischen Wellenlänge und geometrischen Abmessungen, wie Wandlergröße, Entfernung zwischen Wandler und zu untersuchendem Objekt und Objektgröße. Da bei Ultraschallproblemen Wandler und Objekte oft nur wenige Wellenlängen groß sind, spielen Interferenzen eine große Rolle. Deshalb sind Strahlenakustische Methoden nicht anwendbar.
Abb 1: Berechnungsmethoden.
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Halbanalytische Methoden, wie Integraltransformationsmethoden und Integralformen, liefern durch Umformung der Grundgleichung der Elastodynamik eine explizite Darstellung der Lösung des Rand-Anfangswert-Problems. Die Lösung liegt in Form eines Integrals vor, das entweder durch eine Näherungslösung bestimmt oder numerisch ausgewertet wird. Für zweidimensionale Geometrien, wie der Halbraum, die Platte oder geschichtete Medien mit ebenen Grenzflächen, liefern die Integraltransformationsmethoden (z.B. "generalized ray theory") eine analytische Lösung des Rand-Anfangswert-Problems in Form von zweidimensionalen, zeitabhängigen GREENschen Funktionen. Die analytische Lösung liegt im zweifach transformierten Gebiet vor. Bei Verwendung der Cagniard deHoop-Methode wird eine der zwei Rücktransformation analytisch und eine numerisch durchgeführt. Geht man von einer zeitharmonischen Anregung (Sinus-förmig) aus, so ist für eine zweidimensionale Geometrie nur eine Transformation und dementsprechend nur eine Rücktransformation erforderlich. Die Lösung des Rand-Anfangswert-Problems liegt in Form von zweidimensionalen, harmonischen GREENschen Funktionen vor. Durch die Verwendung analytischer Lösungen, die numerisch ausgewertet werden, sind Integraltransformationsmethoden nicht so rechenzeitintensiv wie rein numerische Methoden und deshalb besser zur Prüfkopfauslegung geeignet.
Basierend auf der Separationsmethode [2,3] in Verbindung mit zweidimensionalen GREENschen Funktionen wurden schnelle Algorithmen zur Simulation des Schallfeldes entwickelt und programmtechnisch umgesetzt. Die Programme sind auf unterschiedlichen Prüfsituationen ausgerichtet und chronologisch mit A bis E bezeichnet. Auf die Fernfeldnäherung A für Winkel- und SE-Prüfköpfe und auf Methode B für Normaleinschallung in Wellen sei auf frühere Arbeiten [1,3,4] verwiesen. Programm C (Abb.1) dient zur Berechnung des harmonischen Schallfeldes von fokussierenden Prüfköpfen und zur Berechnung des Schallfeldes in einem geschichteten Körpersystem mit nichtparallelen oder gekrümmten Grenzflächen [5]. Entsprechend Schritt 
wird von zweidimensionalen, harmonischen GREENschen Funktionen in FRAUNHOFERscher Näherung ausgegangen. Durch eine Zerlegung des geschichteten Mediums in einzelne Schichten und eine separate Feldberechnung in jeder Schicht (Separationsmethode) lassen sich die oben genannten 3D-Probleme näherungsweise mit Hilfe von 2D-GREENschen Funktionen berechnen. Zu diesem Zweck werden das Schwingerelement und alle Grenzflächen diskretisiert und gleichmäßig mit Punktquellen belegt. Das Schallfeld resultiert aus der Überlagerung der Felder aller Elementarpunktquellen (Punktquellensynthese). An den Grenzflächen wird die Normalspannungsverteilung in einem gleichmäßigen Punktabstand bestimmt. Jeder Punkt dient dann als neue Punktquelle für die angrenzende Schicht. In Fortsetzung von Weg C wird entsprechend Weg E das transiente Feld aus einer Überlagerung der harmonischen Felder (harmonische Synthese) und anschließender Faltung mit der Anregungsfunktion bestimmt.
Der Algorithmus entsprechend Weg D, zur Berechnung des transienten Schallfeldes, verwendet transiente GREENsche Funktionen und wird deshalb als direkte Methode bezeichnet. Die Berechnung der transienten GREENschen Funktionen erfolgt mit Hilfe der Cagniard deHoop-Methode, d.h. für jede Punktquelle wird das Rücktransformations-Integral numerisch berechnet. Das Feld für den ausgedehnten Wandler ergibt sich analog zu Weg C mit der Punktquellensynthese. Mit Methode D läßt sich die Verschiebung, die ein Normalprüfkopf in einem festen Halbraum hervorruft, exakt berechnen. Bei Verwendung der Seperationsmethode ist auch mit Algorithmus D das Feld in 3D-Geometrien berechenbar, wenn aber wie bei unserem Vorgehen zur Berechnung des Rücktransformations-Integrals keine Näherungen verwendet werden, ist diese Methode wesentlich rechenzeitaufwendiger als Methode C/E und wurde deshalb, entsprechend Abb.1, bisher nur zur Evaluierung von Feldberechnungen von Normalprüfköpfen genutzt.
Eine ausführliche Darlegung der theoretischen Grundlagen für alle fünf Algorithmen ist in [3] gegeben.
Zum besseren Verständnis des Berechnungsablaufes soll als erstes das transiente Schallfeld von Norrmalprüfköpfen beim Aufsetzen auf eine ebene Oberfläche (einschichtiges Problem) behandelt werden. Wie vorn erläutert, ist die Berechnung des zeitabhängigen Schallfeldes sowohl mit der direkten Methode als auch mit einer harmonischen Synthese möglich. Programm D verwendet zweidimensionale, zeitabhängige GREENsche Funktionen. Die Auswertung der Integrale erfolgt in diesem Fall mit Hilfe der CAGNIARD-DE HOOP-Methode; es handelt sich also um eine exakte Berechnung. Mit diesem Programm wurden die Schallfelder von ebenen Wandlern, die an eine ebene Oberfläche angekoppelt sind, im Innern eines Halbraums berechnet. Diese exakten Berechnungen dienten der Entwicklung und der Evaluierung der optimierten Näherungsmethode - Programm E.
Abb 2: Normierte Verschiebung uz(t) für Impulsanregung (z=3.9 mm).
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Abb 4: Empfindlichkeitskurve für die L-Welle oben: auf z-Achse; unten: senkrecht zur Wandlerkante.
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Die Abbildungen 2 und 3 zeigen das Schallfeld von einem quadratischen Schwinger mit einer Kantenlänge von 6 mm in einem Festkörper-Halbraum (r =7,6g/cm3, cL =5840ms-1, cT =3170ms-1). Der Schwinger befindet sich im Koordinatenursprung in der x-y-Ebene. Abb.2 zeigt die mit der exakten, direkten Methode berechnete Impulsantwort. Das Signal beginnt mit der Ankunft der L-Welle aus dem Mittelpunkt des Schwingers (tL ). Zu den Zeitpunkten tLK bzw. tTK läuft die erste L- bzw. T-Kantenwelle am Beobachtungspunkt ein. Abb.3 zeigt den zeitlichen Verlauf der Verschiebungskomponenten uz an zwei Orten auf der z-Achse. Die Zeitanregung ist eine Sinus-Burst-Funktion entsprechend Abb.1 mit einer bzw. drei Perioden.
In Abb.3 ist die Zeit auf die Ankunftszeit der L-Welle tL normiert. Da das transiente Signal einer Faltung der Impulsantwort mit der Zeitfunktion der Quelle entspricht, entstehen die Peaks im transienten Signal an den Kanten in der Impulsantwort; sie treten also zu den Zeitpunkten tL , tLK und tTK auf. Bei einem Sinus-Burst von 1 Periode tritt keine Überlagerung der Signale von den Kanten tL und tLK auf. Somit ist die Höhe des ersten Peaks im transienten Signal für alle z bis zum Ende der Nahfeldlänge konstant. Das Maximum des transienten Signals am jeweiligen Ort z liefert den in Abb.4 dargestellten Verlauf der Empfindlichkeitskurven für den L-Wellenanteil der uz-Komponente. Bei einer Zeitanregung von nur einer 1 Periode ergibt sich ein konstanter Wert bis zum Ende der Nahfeldlänge. Bei einer Anregung mit einem Sinus-Burst von 3 Perioden (Abb.3 unten) tritt eine Überlagerung des L-Wellen-Signals vom Schwingerzentrum und des L-Wellen-Signals von der Schwingerkante auf, und in der Empfindlichkeitskurve (Abb.4) zeigen sich Maxima und Minima im Nahfeldbereich. Die Ausprägung von Minima und Maxima im Nahfeld beginnt bei einer Anregungsdauer von ca.1.5 Perioden.
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Abb 3: Normierte Verschiebung uz(t) - direkte Methode (blaue Linie), Näherungsmethode
(rote Linie)
oben: Sinus-Burst von einer Periode, unten: Sinus-Burst von 3 Perioden.
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In Abb.3 werden ebenfalls die Ergebnisse der optimierten Näherungsmethode (rote Linie) anhand der Ergebnisse der exakten, direkten Methode (blaue Linie) überprüft. Da bei der optimierten Näherungsmethode hier nur der L-Wellen-Anteil berechnet wurde, fehlt im roten Kurvenverlauf der durch die T-Kantenwelle verursachte Signalanteil. Für die L-Welle stimmen die Signalverläufe gut überein. Für den Sinus-Burst war die Berechnung von 6 harmonischen Wellenfeldern ausreichend und die Berechnungszeit konnte auf weniger als 1% im Vergleich zu den exakten Berechnungen mit der direkten Methode reduziert werden. Auch bei den Empfindlichkeitskurven sieht man eine gute übereinstimmung der mit den zwei Berechnungsmethoden gewonnenen Kurvenverläufe.
Abb 5: Schallfeld im festen Halbraum für ein quadratisches Element; Anregungsfunktion: gefensteter Sinus von 1,2,3,5 Perioden (von oben nach unten).
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Trägt man das Maximum der Verschiebung am jeweiligen Ort auf, so erhält man die in Abb.4 dargestellten Empfindlichkeitskurven bzw. die in Abb.5 dargestellten Schallfelder. Abb.5 zeigt neben dem Einfluß der Zeitanregung auf die Ausbildung von Maxima und Minima im Nahfeld auch die Ausbildung von Nebenkeulen in Abhängigkeit der Länge der zeitlichen Anregung. Das transiente Schallfeld bei einer Anregungsdauer von 5 Perioden ist kaum vom harmonischen Schallfeld bei einer Frequenz von 2MHz zu unterscheiden.
4.1 Winkelprüfköpfe, SE-Prüfköpfe
Bei Winkelprüfköpfen wird der Einschallwinkel in der Praxis meist nach dem Brechungsgesetz bestimmt. Die so "optimierten" Prüfköpfe besitzen dann teilweise große Abweichungen bzgl. des angestrebten Einschallwinkels oder bzgl. der Fokuslage im Prüfkörper. In [1] wird gezeigt, daß der Brechungswinkel extrem von Elementgröße und Frequenz abhängen kann. Deshalb ist das Brechungsgesetz für kleine Schwinger und im Bereich des Grenzwinkels der Totalreflexion nicht anwendbar und kann bis zu 20° abweichende Brechungswinkel liefern. Die Kurven in Abb.6, die mit Hilfe der Fernfeldnäherung A erstellt worden sind, zeigen noch einmal die Abhängigkeit des Brechungswinkels von der Elementlänge (a) bei unterschiedlichen Keilwinkeln.
Abb 6: Abhängigkeit des Brechungswinkels von der Elementlänge a in Einschallrichtung (f=2MHz).
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Entsprechend dem SNELLIUSschen Gesetz ist der kritische Winkel für Totalreflexion bei einem Übergang Plexiglas/Stahl ein Einfallwinkel von b=27.5° in Plexiglas. Bei diesem Winkel müßte sich die gebrochene Welle entlang der Grenzfläche ausbreiten, d.h. der Brechungswinkel in Stahl würde a=90° sein. Abb.6 (volle Linie) zeigt aber, daß für eine endliche Elementgröße von a=12 mm, b=6mm und der Frequenz von f=2 MHz nur ein Brechungswinkel von ca. 70° erreichbar ist. Um einen größeren Brechungswinkel zu erreichen, wird häufig mit einem Einschallwinkel oberhalb des Grenzwinkels der Totalreflexion gearbeitet.
Abb 7: Optimierung eines 70°-SE-Prüfkopfes für oberflächennahe Prüfung Element: a=12 mm, b=6 mm, f=2 MHz.
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Abb.7 demonstriert die Entwicklung eines für oberflächennahe Prüfung geeigneten SEL-Prüfkopfs (Sende-Empfangs-Prüfkopf für L-Wellen) anhand der Schallfelder für drei verschiedene Prüfköpfe. Unten ist das Schallfeld des ursprünglich verwendeten Schallkopfs, der bei einem Einschallwinkel entsprechend dem Grenzwinkel der Totalreflexion arbeitet, dargestellt. Durch Erhöhung des Keil- oder des Dachwinkels wird der Arbeitsbereich in einen oberflächennahen Bereich verschoben. Mit einem Einschallwinkel oberhalb des Grenzwinkels der Totalreflexion wird zwar ein größerer Brechungswinkel in Stahl erreicht, gleichzeitig verringert sich aber auch die Intensität der empfindlichen Zone und die Nebenstrukturen vergrößern sich (Abb.7 oben). Für einen solchen Prüfkopf muß immer ein Kompromiß zwischen Einschallwinkel und Nebenstrukturen geschlossen werden (Abb.7 Mitte).
Abb.7 zeigt auch, daß in der Nähe des Grenzwinkels der Totalreflexion das Schallfeld sehr empfindlich auf nur geringfügige Änderungen eines Prüfkopfparameters reagiert. Es kann ein großer Empfindlichkeitsverlust im zu prüfenden Bereich auftreten, und außerdem kann es zu großen Nebenstrukturen kommen. Deshalb sind gerade in diesem Bereich Simulationsrechnungen unumgänglich.
Zur Überprüfung der Gültigkeit dieser Optimierungen erfolgt die Berechnung des transienten Feldes des Einzelschwingers (Sende- bzw. Empfangselement) von Abb.7-Mitte mit Hilfe der harmonischen Synthese. Dazu werden die Felder des ausgewählten Schallkopfes für die zu überlagernden Frequenzanteile berechnet (Abb.8), überlagert und mit dem Frequenzspektrum der Anregungsfunktion multipliziert. Abb.9 zeigt die transienten Schallfelder für eine Zeitanregung mit einem Sinus-Burst von 1, 2 und 5 Perioden bei einer Mittenfrequenz von 2 MHz. Ein Vergleich der transienten Schallfelder der Abb.9 mit den harmonischen Schallfeldern der Abb.8 zeigt, daß die Abhängigkeit des Brechungswinkels von der Zeitdauer des Anregungssignals klein im Vergleich zur Frequenzabhängigkeit ist. Deshalb ist das harmonische Schallfeld bei Mittenfrequenz (Abb.9 unten rechts) eine gute Näherung für das transiente Schallfeld, selbst bei kurzen Anregungen mit nur einer Sinus-Schwingung.
Es sei noch bemerkt, daß Abb.8 auch sehr schön die komplizierte Abhängigkeit des Brechungswinkels von der Frequenz bei Einschallwinkeln oberhalb des Grenzwinkels der Totalreflexion demonstriert. Eine Erhöhung der Frequenz bewirkt zuerst eine Erhöhung des Brechungswinkels a in Stahl verbunden mit einem starken Anwachsen der Nebenstrukturen. Bei einer Frequenz von ungefähr 4 MHz werden die Nebenstrukturen größer als die letzte Keule und so sinkt der Brechungswinkel a.
Abb 8: Abhängigkeit des Schallfeldes von der Frequenz - Harmonische Schallfelder eines Winkelprüfkopfes in Stahl (Schwinger: 12mm. 6mm; Einschallwinkel bE=29.6°).
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Abb 9: Transiente Schallfelder in Abhängigkeit der Anregungsfunktion - Berechnung durch harmonische Synthese (Schwinger: 12mm. 6mm; Keilwinkel b=29.6°, Mittenfrequenz f =2MHz).
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4.2 Anpassung von Normalprüfköpfen bei Ankopplung an gekrümmte Grenzflächen
Mit den folgenden Bildern soll die Wirkung einer gekrümmten Probenoberfläche auf das Schallfeld demonstriert und die Anpassung von Prüfköpfen an gekrümmte Oberflächen erläutert werden. Abb. 10 zeigt die Schallfelder in Stahl für einen Normalprüfkopf von 24mm Durchmesser, der an eine ebene Oberfläche und an eine gekrümmte Oberfläche mit einem Radius r=90 mm angekoppelt ist. Für den Einschwinger-Prüfkopf gilt, daß mit abnehmendem Krümmungsradius r das Schallfeld zunehmend divergenter wird. Der Vergleich des Schallfeldes für die ebene Probenoberfläche (Abb. 10a) mit dem für die gekrümmte Probenoberfläche (Abb. 10b) ergibt, daß sich das Schallfeld bei der gekrümmten Oberfläche r=90 mm fast auf das Doppelte verbreitert; die Intensität des Maximums reduziert sich dabei auf 70%. Mit abnehmendem Krümmungsradius entfernt sich die empfindliche Zone vom Prüfkopf und spaltet sich dann in zwei empfindliche Zonen außerhalb der Symmetrieebene auf, die wieder dichter an den Prüfkopf heranrücken.
| a) ebene Oberfläche b) gekrümmte Oberfläche r=90 mm, p=14.0 | |
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| Abb 10: Harmonisches Schallfeld in einer Stahlwelle - Einfluß einer gekrümmten Bauteiloberfläche (Schwinger: 24 mm. 24 mm; f=2 MHz, Plexiglas-Vorlauf). | |
| Schwingergröße: a) 20 mm. 20 mm b) 16 mm. 16 mm Intensität p=13.0 p=14.4 | |||
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Abb 11: Anpassung eines Prüfkopfes für Prüfung einer Welle r=90 mm durch Änderung der Schwingergröße (harmonisches Schallfeld; f =2 MHz).
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Anhand des in Abb.10 verwendeten Prüfkopfes soll eine Anpassung demonstriert werden. Bei der Prüfung von Wellen mit einem Bauteilradius von 90 mm kommt aus Intensitätsgründen ein 24mm-Einschwinger zum Einsatz. Im Schallfeld treten beim Aufsetzen auf die Welle zwei empfindliche Zonen außerhalb der Symmetrieebene auf (Abb.10b), was zu einer falschen Bewertung der mit diesem Prüfkopf gemessenen Signale führen kann. Für diesen Fall ist der Prüfkopf so zu optimieren, daß bei gleichbleibender Intensität ein Schallfeld mit einer empfindlichen Zone in der Symmetrieebene erreicht wird. Abb.11 zeigt, daß durch Wahl eines kleineren Schwingers mit 16 mm Durchmesser bei der Bauteilkrümmung von 90 mm das Schallfeld wesentlich verbessert werden kann, wobei die normierte Intensität im Maximum (p) sogar größer als die für den 24mm-Schwinger (Abb.10b) ist.
| Frequenz: f=1MHz | f=2MHz | f=5MHz | |||
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Abb 12: Harmonische Schallfelder in Stahlwelle r=90 mm bei unterschiedlichen Frequenzen (Schwinger: 24 mm. 24 mm; Plexiglas-Vorlauf).
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Abb.12 zeigt die Schallfelder von drei Frequenzanteilen. Aus der Überlagerung der harmonischen Schallfelder und der Faltung mit der Anregungsfunktion ergibt sich das transiente Schallfeld für diesen Prüfkopf, was in Abb. 13 für drei unterschiedlich lange Anregungsfunktionen (sin-Schwingung von 1 Periode, 2 und 5 Perioden) bei einer Mittenfrequenz von 2MHz gezeigt wird. Der Vergleich der Schallfelder in Abb.13 mit dem harmonischen Schallfeld bei 2MHz (Abb.12 Mitte) zeigt, daß das harmonische Schallfeld für 2MHz, also das Feld bei der Mittenfrequenz der transienten Schallfelder, eine gute Näherung für die transienten Schallfelder, selbst bei kurzen Anregungen, darstellt. Das harmonische Schallfeld bei der jeweiligen Mittenfrequenz sagt eventuell auftretende Nebenstrukturen außerhalb der Mittelebene bei längeren Anregungen voraus. Anhand von Abb.12 sei auch noch einmal auf die starke Abhängigkeit des Schallfeldes und der Fokuslage von der Frequenz bzw. der Schwingergröße aufmerksam gemacht. Hieran wird deutlich, daß strahlenakustische Berechnungen die Fokuslage nicht liefern können.
| Zeitfunktion: 1 Periode | 2 Perioden | 5 Perioden | |||
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Abb 13: Transiente Schallfelder in Stahlwelle r=90 mm bei unterschiedlichen Zeitanregungen.
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4.3 Anpassung von fokussierenden Prüfköpfen für Immersionstechnik
Im folgenden wird die Entwicklung eines angepaßten Prüfkopfes zur Prüfung einer Preßverbindung in Immersionstechnik gezeigt (Abb.14). Um eine gute laterale Auflösung an der Verbindung zu erhalten, muß die Fokussierung auf die Grenzfläche zwischen Welle und Nabe erfolgen, und die empfindliche Zone muß an dieser Stelle möglichst klein sein.
Abb 14: Prüfen in Tauchtechnik.
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Abb.15 zeigt oben jeweils das Schallfeld auf der Grenzfläche zwischen Welle und Nabe und unten den Längsschnitt des Schallfeldes in der Nabe (der Nullpunkt des Koordinatensystems befindet sich an der Oberfläche der Nabe), wobei die Grenzfläche zur Welle vernachlässigt wurde, um die Lage und Ausdehnung der empfindlichen Zone besser zu verdeutlichen. Ein Vergleich der Schallfelder von Prüfköpfen, die die gleiche Schwingergröße und die gleiche Linsenkrümmung besitzen, zeigte, daß der 10-MHz-Prüfkopf gegenüber Prüfköpfen mit einer kleineren Anregungsfrequenz die kleinste empfindliche Zone und damit das größte Auflösungsvermögen an der Grenzfläche zwischen Welle und Nabe besitzt (Abb.15 links). Da im Längsschnitt die empfindliche Zone zu weit von der Grenzfläche entfernt ist, muß durch eine Verringerung des Wasservorlaufs oder eine Verringerung der Fokussierung die empfindliche Zone auf dieser Grenzfläche plaziert werden. Das mittlere Schallfeld zeigt, daß durch die Verkürzung des Wasservorlaufs wirklich eine Verbesserung erzielbar ist. Jedoch wird durch die Verringerung des Wasservorlaufs das Schallfeld in der Nabe divergenter (Längsschnitt Mitte). Mit einer zusätzlichen Fokussierung (rechts) wird eine noch bessere Auflösung erzielt.
| fgeom =50 mm, lvor=25 mm, fgeom =50 mm, lvor=10 mm,fgeom =30 mm, lvor=10 mm | |||||
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Abb 15: Prüfung einer Welle-Nabe-Verbindung in Immersionstechnik; Schallfeld für einen
zylindrisch fokussierenden Prüfkopf; Änderung des geometrischen Fokusses fgeom und des Wasservorlaufs lvor (Wandler: d=6 mm, f=10MHz)
oben: Schallfeld an der Grenzfläche Welle-Nabe unten Längsschnitte in der Nabe.
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Abb.16 zeigt das mit einem schmalbandigen 10MHz-Radiometer-Schallkopf im Wasserbad vermessene Schallfeld eines 2MHz-Sende-Schallkopfes. Der Sende-Schallkopf ist ein fokussierendem Prüfkopf mit der Schwingergröße d=15 mm, einer sphärischen Linse (R=30 mm) und besitzt einen Fokus in Wasser bei z=50 mm. Bei der Messung wurde ähnlich wie bei Intensitätsmessungen mit einem Meßhydrophon nach IEC 1102 vorgegangen und mit einem digitalen Speicher-Oszilloskope der zeitliche Mittelwert für das Pulsintegral des quadrierten Signals (PSI) aufgenommen. Das Maximum der PSI-Werte befindet sich in einem Abstand z=65 mm vom Sender entfernt, und nicht im Fokus des Senders bei z=50 mm [Die Messungen erfolgten in Kooperation Univ. Bonn mit TIMUG e.V. Bonn mit Hilfe einer mit der PTB Braunschweig (Mechanik u. Akustik, R. Reibold) entwickelten Meßeinrichtung; Bericht: H.G. Trier, A. Lohfink, R. v. Hahn, E. Kühnicke, TIMUG e.V., Bonn, Nov. 2000.]
Zur Interpretation der Radiometermessungen werden die harmonischen Schallfelder (Abb.17) herangezogen. Der Vergleich der Schallfelder zeigt, daß die Fokuslage sehr stark von der Frequenz abhängig ist und daß sich der Fokus mit zunehmender Frequenz vom Sender entfernt und dem geometrischen Fokus (Fgeom=65 mm) annähert. Der 10MHz-Anteil des ausgesendeten Schallfeldes hat seinen Fokusbereich etwa bei z=64 mm. Da ein schmalbandiger Empfänger besonders bei seiner Mittenfrequenz empfindlich ist, also besonders diesen 10MHz-Anteil des Feldes registriert, wird mit dem Radiometer an dieser Stelle der maximale PSI-Wert gemessen. D.h., daß mit einem Radiometerschallkopf, der nicht die gleiche Mittenfrequenz wie der Sendeschallkopf besitzt, die Fokuslage falsch bestimmt werden kann.
Abb 16: Vermessung des Schallfeldes des 2MHz-Schallkopfes mit dem Radiometer (10 MHz).
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Der Beitrag erläutert Sensordesign in Abhängigkeit von der Geometrie des Prüfobjektes mit Hilfe von Simulationsrechnungen. Die Anpassung erfolgt durch Berechnung der zeitharmonischen Felder bei der jeweiligen Mittenfrequenz. Es wird gezeigt, daß die Dauer der Zeitanregung des Wandlers einen verhältnismäßig geringen Einfluß auf die Empfindlichkeitsverteilung des Schallfeldes hat und daß deshalb das harmonische Feld bei der jeweiligen Mittenfrequenz eine gute Näherung, auch für das Schallfeld von Stoßwellenprüfköpfen, ist.
Weiterhin wird demonstriert, daß zur Abtastung des Schallfeldes mit einem Sensor auf gleiche Mittenfrequenz von Sender und Empfänger zu achten ist. Zeigen die Frequenzspektrum keine gute Übereinstimmung, so wird die Fokuslage falsch bestimmt. Das gilt für sog. Radiometerschallköpfe, Hydrophone und auch für Thermosensortypen, die eine frequenzabhängige Absorption besitzen.
| Frequenz: f=1 MHz f=2 MHz f=5 MHz f=10 MHz Fokus: z=34 mm z=50 mm z=63 mm z=65 mm | |||||
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Abb 17: Harmonische Schallfelder in Wasser für einen fokussierenden Schallkopf bei unterschiedlichen Frequenzen(Schwinger: d=15 mm; Linsenkrümmung r=30 mm, geometrischer Fokus Fgeo=66 mm).
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| Herausgeber: DGfZP, Programmierung: NDT.net | START |
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