Zusammenfassung

1 Einleitung

• bei hohen Lohnkosten viel zu teuer,
• unzuverlässig, insbesondere in lauter Umgebung,
• nicht reproduzierbar und dokumentierbar,
• zu ungenau, weil das menschliche Ohr feine Frequenzunterschiede nicht erkennt,
• ungeeignet, weil sich der Mensch nur kurze Zeit konzentrieren kann. Die Klangprüfung ist zusammen mit der Sichtprüfung die älteste ZfP-Methode, die man in
• volumenorientierte und
• oberflächenorientierte Verfahren

Bild 1: Klassierung der ZfP-Verfahren

2 Physikalische Grundlagen

Longitudinalwelle	Ausbreitung ähnlich wie in Gasen und Flüssigkeiten, d. h. parallel zur Ausbreitungsrichtung. Lokale Verdichtungszonen und Zonen mit geringerer Dichte.
Transversalwelle	Partikel des Körpers schwingen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung um die Ruhelage. Nur Schubdeformation, keine Volumenänderung.
Bild 2: Grundwellentypen

Generell ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Longitudinalwellen schneller als die der Transversalwellen. Die Wellenbewegungen in elastischen Körpern lassen sich als Summe von reinen Longitudinalwellen und reinen Transversalwellen beschreiben. Sie bilden die Grundtypen, aus denen alle anderen Wellentypen aufgebaut werden können (Tabelle 1):

Die Fortpflanzungsgeschwindigkeiten von Longitudinal- und Transversalwellen sind Materialkonstanten und hängen von elastischen Eigenschaften (E-Modul) und Materialdichte ab. Da diese wiederum temperaturabhängig sind, ist auch die Schallgeschwindigkeit temperaturabhängig.

3 Akustische Resonanzanalyse

Bild 3: Zeitsignal und zugeordnete Resonanzen (Spitzen)

Die Schwingungen sind quasi die "Sprache" des Werkstückes, die man mit einem Sensor erfassen und digital analysieren kann. Die Resonanzen in einem Körper hängen u. a. vom Material, der Geometrie und dem Zustand ab. Jede Eigenschaft repräsentiert eine stehende Welle mit einer Resonanzfrequenz. Während beispielsweise eine Flöte vorzugsweise mit einer einzigen Frequenz (Grundschwingung und harmonische Oberschwingungen) schwingt, entstehen in anderen Körpern eine Vielzahl von Frequenzen, die miteinander in keiner (einfachen) mathematischen Beziehung stehen.
Die Resonanzanalyse erfordert ein systematisches und schrittweises Vorgehen, um die Wirkungsweise der verschiedenen Einflussfaktoren auf die Resonanzfrequenzen kennen zu lernen und zu bewerten.
Folgende Schritte sind nacheinander durchzuführen:

1. Lagerung, Anregung und Messposition bestimmen,
2. Eigenfrequenzen von Gut-Werkstücken bekannter Geometrie, Material, Härte und Struktur messen,
3. Eigenfrequenzen analysieren nach Richtung (Spektralverschiebung), Größe und Vorhandensein,
4. Eigenfrequenzen vergleichen mit exemplarischen Schlecht-Werkstücken,
5. Klassifikationsalgorithmus festlegen.

• in Ordnung,
• rissbehaftet,
• Material- und Gefügefehler,
• gehärtet oder teilgehärtet.

1. Gesamtes Werkstück
   Die akustische Resonanzanalyse bezieht das gesamte Objekt in die Messung und Bewertung ein, da sich die Schwingungen im gesamten Körper ausbreiten. Anders als bei anderen Verfahren muss der mögliche Fehlerort vorher nicht bekannt sein.
2. Reproduzierbar und objektiv
   Auch die wiederholte Anregung eines Werkstückes erzeugt exakt die gleichen Resonanzfrequenzen! Aufgrund der Digitalisierung des Messsignals weichen die Resonanzfrequenzen maximal lediglich um 1 Messauflösung ab!
3. Empfindlich / hohe Auflösung
   Je länger das Werkstück nach dem Anschlagen klingt, desto höher ist die Messauflösung. Bei hoher Auflösung haben schon geringe Eigenschaftsänderungen einen Einfluss, und ermöglichen auch feine Fehler zu erkennen.
4. Automatisierbar
   Im Vergleich zu allen anderen volumenorientierten Prüfverfahren ist der Aufwand für eine automatische Resonanzprüfung in der Fertigung deutlich geringer. Aufwändige Vorrichtungen und Abschirmungen sind nicht erforderlich.
5. Umweltfreundlich
   Die Resonanzanalyse ist sauber und trocken. Verbrauchsmaterialien und umweltbelastende Stoffe gibt es nicht.
6. Schnell
   Die Messung und Berechnung der Resonanzfrequenzen geschieht innerhalb von Sekunden. Die Dauer ist abhängig von verschiedenen Faktoren wie der Klangdauer, der erforderlichen Auflösung und der Anzahl von Anregungen des Werkstückes.
7. Preiswert

1. Defektgrößen
   Die Resonanzanalyse ist ein qualitatives Verfahren. Aussagen über Defektgrößen sind nur auf der Basis von vergleichbaren Referenzobjekten möglich.
2. Defektanregung
   Sollen Risse in einem Werkstück erkannt werden, ist zu analysieren, wo und wie sich diese typischerweise ausbilden. Risse sind flächenhafte (atomare) Bindungsdefekte, die die Ausbreitung der Wellen im Körper "unterbrechen" und besonders dann deutlich messbar, wenn sich die Rissfläche senkrecht zur Anregungsrichtung befindet (unter Umständen Anregung an verschiedenen Stellen bzw. Richtungen).
3. Struktur des Werkstückes Ein komplexer Körper besitzt eine Vielzahl an Resonanzfrequenzen, die sich unter Umständen nur wenige Hertz voneinander unterscheiden. Veränderungen einzelner Frequenzen lassen sich dann nicht mehr eindeutig zuordnen.

1. Verschiebung einzelner Resonanzfrequenzen Eine oder mehrere Resonanzlinien können sich verschieben, wenn sich Maße verändern oder die Werkstückstruktur.
2. Verschiebung aller Resonanzfrequenzen
   Verändern sich alle Frequenzen um den gleichen Betrag in die gleiche Richtung, ist dieses ein Hinweis auf eine Gefügeänderung, z. B. Härteänderung oder Zusammensetzung (globularer Graphit in Gusseisen, Nodularität bei Sphäroguss).
3. Vorhandensein
   Fehlen einzelne Linien, so können im Material Risse sein oder sich die Struktur verändert haben, z. B. durch Abbrüche oder Formänderungen.
4. Aufspreizung
   Eine einzelne Resonanzfrequenz kann sich in zwei Frequenzen aufspalten, d. h. im Spektrum sind zwei statt eine Resonanzfrequenz vorhanden. Dieser Effekt ist manchmal bei Rissen zu beobachten.

   Einzelresonanz eines Gutteils

   Frequenzaufspreizung eines Schlechtteils

5. Abstandsänderung Der Abstand zwischen zwei Frequenzen ist normalerweise fest. Eine Änderung (größer, kleiner) deutet auf einen Defekt im Körper hin.
6. Pegeldämpfung Die Dauer einer Schwingung bzw. die Geschwindigkeit der Abnahme (Dämpfung) ist ebenfalls ein Maß für die Beschaffenheit des Werkstückes. Da dieses Maß jedoch bei weitem nicht so präzise ist wie die Lage einer Resonanzfrequenz (Reproduzierbarkeit hängt direkt von der Anschlagstärke ab), verwendet man die Dämpfung meist nur in Verbindung mit anderen Merkmalen. Ursache für eine veränderte Pegeldämpfung können Gefügeänderungen oder Risse sein.
7. Frequenzbezogene Dämpfung Auch die Dämpfung einzelner Resonanzfrequenzen kann man betrachten (frequenzselektives Abklingverhalten). Solche Effekte deuten beispielsweise auf Gefügeauflockerungen hin.
8. Modulation Als Modulation bezeichnet man die Veränderung von Signaleigenschaften eines Trägers in Abhängigkeit von einem modulierenden Signal: es entstehen neue Frequenzen. In einem durch einen Schlag angeregten Körper entstehen diese durch die Beeinflussung der Resonanzfrequenzen untereinander. Die Ursachen sind abhängig vom jeweiligen Körper.

4 Akustische Prüftechnik

Bild 4: Funktionsstruktur eines akustischen Prüfsystems

Es besteht aus einem oder mehreren Sensoren (Mikrofone, Körperschallaufnehmer), die das Geräusch in elektrische Signale wandeln und über Filter und Verstärker an die nachfolgende Verarbeitungskette anpassen. In der nächsten Stufe erfolgt die Merkmalextraktion, die aus dem Signal die charakteristischen Merkmale extrahiert. Die Werte dieser Merkmale vergleicht man nun mit den Qualitätsforderungen (Merkmalklassifikation). Die Übereinstimmung oder Nicht-Übereinstimmung mit den festgelegten Forderungen ergibt das Qualitätsurteil.

Die Prüfverfahren gliedern sich also in zwei Verarbeitungsstufen: in die Merkmalextraktion und in die Klassifikation. Die Merkmalextraktion bewirkt die Informationsverdichtung. Das Schallereignis bzw. Sensorsignal muss in dieser Stufe so prägnant beschrieben werden, dass alle für den Beurteilungsprozess wesentlichen Informationen in charakteristischen Merkmalen enthalten sind. Sie erfordert Verfahren, mit denen die charakteristischen Kennwerte aus dem Schwingungssignal extrahiert werden. Bei nicht-stationären (impulshaften) Geräuschen und Schwingungen findet also eine Analyse der Geräusche im

• Zeitbereich,
• Frequenzbereich und
• Modulationsbereich

Bild 5: Struktur des Prüfsystems SR20AT

Bild 5 zeigt beispielhaft den Aufbau des akustischen Materialprüfsystems SR20AT der Firma RTE Akustik + Prüftechnik, Pfinztal. Bei einer vollautomatischen Prüfanlage übernimmt in der Regel eine SPS die gesamte Kommunikation mit dem Prozess und ist für die Prüfstandssteuerung sowie das Werkstückhandling verantwortlich. Die Werkstückanregung erfolgt durch das Prüfsystem selber, um die Synchronisation zwischen Anregung und Messung zu gewährleisten.

Zusätzliche Sensorik oder auch die Kommunikation mit anderen Systemen wie Bildverarbeitung oder Prüfsystemen mit ergänzenden Verfahren ist durch den direkten Anschluss an SR20AT möglich. Durch eine zentrale Dokumentation und Archivierung der Ergebnisse ist auch die Durchgängigkeit und einheitliche statistische Analyse sowie Rückverfolgbarkeit sichergestellt. Das Prüfsystem SR20AT ist aus einzelnen Komponenten aufgebaut, die ineinander greifen und vielfältige Funktionen dem Anwender bereitstellen (Bild 6).

Bild 6: Bedienerschnittstelle von SR20AT (Auswahl) Prüfergebnisdarstellung Einzelergebnisse der Prüfmerkmale Resonanzlinie Statische Analyse: Fehlerverteilung

5 Anwendungen in der Praxis

Aus der Vielzahl der Anwendungsmöglichkeiten werden folgende Beispiele näher betrachtet:

• Riss- und Härteprüfung von Zahnstangen
• Rissprüfung von Sintermetallteilen
• Riss- und Gefügeprüfung von Bremsenkomponenten (Sattel, Träger)

5.1 Riss- und Härteprüfung von Zahnstangen

Bild 7: Zahnstangenprüfung

5.2 Prüfung von Sintermetallprodukten

Bild 8: Prüfung von rotationssymmetrischen Werkstücken

5.3 Riss- und Gefügeprüfung von Bremsenkomponenten

6 Ausblick

Literatur