Zusammenfassung

Die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung mittels Ultraschall ist für akustisch anisotrope Medien vergleichsweise schlecht entwickelt: Schallbündel werden in diesen Materialien in charakteristischer Weise verändert.

Während die Modellierung der Schallausbreitung in anisotropen Medien für den allgemeinen Fall die Verwendung aufwendiger numerischer Verfahren verlangt, führt der einfache Ansatz ebener Wellen mit geringerem Rechenaufwand in anisotropen Medien ebenfalls zu praktisch bedeutsamen Aussagen über Schallbündelablenkung, Richtung der Energieausbreitung und Brechungswinkel für Ultraschall. Am Beispiel einachsig (unidirektional) glasfaserverstärkten Kunststoffes (DU-GFK) wird dies experimentell verifiziert. Damit ist gezeigt, daß übliche prüfpraktisch relevante Situationen der Ultraschallprüfung wie beispielsweise die manuelle Ultraschallprüfung von GFK-Komponenten im Rahmen der prüftechnischen Erfordernisse hinreichend genau mit dem Ansatz der ebenen Wellen im anisotropen Kontinuum modelliert werden können.

Durch Messung der Phasengeschwindigkeiten aller ausbreitungsfähigen Wellenmoden in planparallelen Proben aus DU-GFK für verschiedene Ausbreitungsrichtungen wird der vollständige Satz effektiver elastischer Konstanten für diesen transversal isotropen Werkstoff abgeleitet. Dabei muß zur Bestimmung der elastischen Konstanten für jede Wellenart ein eigener algebraischer Zusammenhang verwendet werden. Die Phasengeschwindigkeiten werden durch Auswertung von insgesamt 33 verschiedenen Ausbreitungsbedingungen (11 Richtungen und alle drei möglichen Polarisationen) bestimmt.

Aus den effektiven elastischen Konstanten werden Vorhersagen über die Ablenkung des Energieflusses von seiner Richtung in isotropem Material, das Auftreten von Wellenabspaltung und die Brechungswinkel getroffen, die sowohl für die longitudinale als auch für beide transversale Polarisationen in allen untersuchten Ausbreitungsrichtungen bestätigt werden. Es zeigt sich beispielsweise, daß die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Longitudinalwellen je nach Ausbreitungsrichtung zwischen 3 km/s und 5 km/s variiert, und daß Schallstrahlen um bis zu 35° von der Richtung des Wellenvektors abgelenkt werden, in dessen Richtung sie sich in isotropem Material ausbreiten würden. Diese Bündelablenkungen werden auch für Transversalwellen experimentell nachgewiesen, was wegen der besonderen Ankopplungsprobleme experimentell schwierig ist.

Die Verwendung des Konzeptes ebener Wellen wird zur Planung von Prüfanweisungen empfohlen, die die Schrägeinschallung in GFK-Komponenten vorsehen, indem die Kenntnisse über die anisotropiebedingten Wirkungen auf den Ultraschall berücksichtigt und gezielt nutzbar gemacht werden. Für Prüfsituationen an realen Bauteilen wird das Vorgehen in theoretischer Hinsicht erläutert und experimentell verifiziert.