4. ZUGANG ZU SCHALLFELDERN IN DER PRÜFKOPF-EINSCHALLEBENE

Abb. 8 oben: Geometrie zur Erläuterung der Berechnungen unten: Geometrie zur stroboskopischen Messung der Schallfelder in der Einschallebene

Häufig stellt sich die Frage nach dem Schallfeld eines Prüfkopfes in dessen Einschallebene. Abgesehen von optischen Techniken, die auf transparente Medien angewiesen sind, besteht die einzige bekannte Technik im sukzessiven Abtragen eines Testkörpers und der jeweiligen Vermessung der Schallfelder auf dessen Rückseite. Gleiches gilt für das experimentelle Studium der Wellenausbreitung in homogenen anisotropen Medien [5] und insbesondere dann, wenn diese anisotropen Medien darüberhinaus inhomogen sind, wie das bei einer Schweißnaht der Fall ist. Wir konzentrieren uns zunächst auf das Schallfeld in der Einschallebene eines Prüfkopfes. Vereinfachend wird hier angenommen, daß diese Wellenausbreitung mit einer zweidimensionalen Beschreibung hinreichend genau wiedergegeben wird, d.h. die gesamte Geometrie wird als translationsinvariant senkrecht zur Einschallebene (z-Achse) angenommen. In üblicher Bezeichnung ergibt sich für die Teilchenauslenkungen der l-Welle und der t-Welle die Beziehung

Bestimmen wir hieraus die Dehnung und die Spannung gemäß



so resultiert beispielsweise für die l-Welle


Ein mechanischer Schnitt in der x-y- Ebene bedeutet für die Ultraschallwellen eine zusätzliche Randbedingung in der Form mit dem Normalenvektor, d.h. in Komponentenschreibweise

Für die hier vorausgesetzten isotropen Materialien nimmt das Hooksche Gesetz die Form



mit den Laméschen Konstanten und an. Einsetzen der obigen Ausdrücke für in diese Gleichung liefert für die t-Welle , d.h. die Randbedingung ist schon für die Volumenwelle erfüllt, ein zusätzlicher Schnitt stört diese Welle also nicht. Entfernen der oberen Halbebene, wie in Abb. 8 angedeutet, ändert die Ausbreitung der Transversalwellen in der betrachteten Näherung nichtund macht diese Welle einer Messung zugänglich. Die gleiche Argumentation gilt für die l-Welle wegen nicht.

Abb.9 Folge von Schnappschüssen an einer isotropen Testplatte. Die gescannte Oberfläche liegt geometrisch in der Mittenebene des Prüfkopfes; neben der primären Transversalwelle ist die an der seitlichen Kante reflektierte Transversalwelle und die durch Modenkonversion entstandene Longitudinalwelle an ihrer Wellenlänge, Ausbreitungsgeschwindigkeit und Ausbreitungsrichtung identifizierbar.

Motiviert durch diese Erkenntnisse wurde eine Reihe von Messungen in der Anordnung von Abb. 8 unten durchgeführt, wobei Sensoren, die auf verschiedene Auslenkungskomponenten ansprechen, eingesetzt wurden. Piezoelektrische Stiftsonden erfassen z.B. die Normalauslenkung senkrecht zur Oberfläche, elektrodynamische Wandler verschiedene Verschiebungskomponenten in der Oberfläche. Denkbar ist auch der Einsatz von Laser-Interferometern zur Messung der Normalkomponente. Über diese Ergebnisse wird an anderer Stelle berichtet. In Abb. 9 ist nur beispielhaft eine Folge von Aufnahmen mit einer piezoelektrischen Normalsonde wiedergegeben, wobei durch einen Winkelprüfkopf eine Transversalwelle eingeschallt wurde. Es zeigte sich deutlich, daß alle Wellenmoden einschließlich der Modenwandlung an der Testkörperkante wiedergegeben werden. Dies ist insofern bemerkenswert, da offensichtlich der Energieverlust der l-Welle durch die erzwungene Abstrahlung von Schalleistung in das Volumen (wegen nicht erfüllter Randbedingung) nicht so stark ist, daß sich dies in der Aufzeichnung bemerkbar machen würde. Andererseits ist die piezoelektrische Punktsonde, wie deutlich zu sehen ist, auch ausreichend empfindlich für die Horizontalbewegung der Schnittfläche. Bei uns im Hause durchgeführte numerische Simulationen (2D-EFIT) dieser Aufnahmesituation zeigen eine gute Übereinstimmung mit den experimentellen Bildern. Über diesen Vergleich wird an anderer Stelle berichtet.

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