akustische Verfahren

4.7.1 Ultraschall Physikalische Grundlagen

Schallwellen sind mechanische Wellen, welche an feste flüssige oder gasförmige Stoffe gebunden sind. Bezüglich der Frequenz wird zwischen Infraschall (0 - 10 Hz), hörbarem Schall (10 Hz - 20 kHz) und Ultraschall (≥ 20 kHz) unterschieden. Je nach Anregung entstehen Longitudinalwellen oder Transversalwellen. Die Schwingungs- und Wellenübertragung erfolgt über die elastische Kopplung der Massenpunkte.

Prinzip

Es ist zu differenzieren zwischen dem Resonanz-, Durchschallungs- und Echoverfahren. Beim Resonanzverfahren wird der Widerhall zwischen zwei parallelen Begrenzungsflächen des Prüfstückes ausgenützt. Das Durchschallungsverfahren verwendet die abschattende Wirkung der Werkstoffunregelmässigkeiten und beim Echoverfahren wird das reflektierende Signal an der Werkstoffunregelmässigkeit genutzt. Das zu prüfende Objekt wird durch ein über einen Quarz (piezoelektrischer Effekt) oder mechanisches Anschlagen zum Schwingen angeregt. Die Probe beginnt also in Abhängigkeit von Anregungsart und Materialeigenschaft zu schwingen. Diese so erzeugten Wellen werden über eine Sensorik aufgenommen und hinsichtlich Laufzeit, Verstärkung, Form und Abklingverhalten ausgewertet. Aus diesen Informationen lassen sich Aussagen über die mechanischen Eigenschaften und die Defekterkennung machen. Mittlerweilen wird auch bereits simultan mit mehreren Sensoren parallel gearbeitet; der Messaufwand kann so stark minimiert werden (Abb. 4.15).

Die Schallgeschwindigkeit steigt mit zunehmender Frequenz. Tendenziell vermindert sich die Geschwindigkeit beim Anstieg der Dicke und der Breite der Probe. Bei steigender Holzfeuchte reduziert sich die Schallgeschwindigkeit infolge des Einflusses der niedrigeren Schallgeschwindigkeit von Wasser. Die Schallgeschwindigkeit sinkt mit zunehmender Temperatur. Von der Tendenz her ist zudem ein Anstieg der Geschwindigkeit bei steigender Rohdichte erkennbar. Bei vorliegen einer Fäule / eines Hohlraumes verlängert sich die direkte Verbindung zwischen Sender und Empfänger, was in einer zu tiefen Schallgeschwindigkeit resultiert (vgl. Abb. 4.14).

Aus der Schallgeschwindigkeit lässt sich unter Zuhilfenahme der Rohdichte der dynamische E-Modul berechnen. Bei einigen Geräten wird bereits durch das Messgerät eine Festigkeit / Festigkeitsklasse ausgegeben. v Schallgeschwindigkeit (m/s) ρ Rohdichte (kg/m³)

Abb. 4.14: Auswirkung eines Hohlraumes auf den direkten Weg zwischen Sender und Empfänger.

T: Transmitting transducer (Schallsender), R: receiving transducer (Schallempfänger)

Anwendung

Bei der Prüfung von Holz wird mit Frequenzen von 300 Hz (Impulshammer), 22 kHz (Sylvatest DUO;

Abb. 4.16) und bis zu 50 kHz (BP 7 der Fa. Steinkamp) gearbeitet. Bei Anwendung höherer Frequenzen kommt es infolge der Porosität und Inhomogenität des Holzes zu einer sehr starken Schallschwächung, so dass bei großen Abmessungen der zu prüfenden Elemente kein Signal mehr empfangen werden kann.

f

= c

λ

Gl. 4.7

f

… Frequenz in s^-1

c … Schallgeschwindigkeit in m/s

λ

… Wellenlänge in mm

Der Gl. 4.7 kann man entnehmen, dass sich die Wellenlänge bei Reduzierung der Frequenz vergrößert. Da Fehler häufig kleinere Dimensionen aufweisen als die Wellenlänge, werden sie nicht erkannt. An stehenden Bäumen werden Untersuchungen hinsichtlich des Pilz- und Insektenbebefalls durchgeführt (Abb. 4.15).

Beim Massivholz wird die Messung der Schallgeschwindigkeit zur Sortierung und zur Untersuchung der Resttragfähigkeit eingesetzt. Jedoch ist die Sortierung mit Ultraschall bauaufsichtlich noch nicht zugelassen. Cbs-Cbt (mit dem Sylvatest DUO), Steinkamp und Picus sind einige der Hersteller von Ultraschallmessgeräten. Die berechneten E-Moduln aus der Schallmessung sind höher als die nach DIN ermittelten Werte (um 10 bis 15 %). Für die Korrelationskoeffizienten zwischen dem dynamisch ermittelten E-Modul und dem nach DIN erprobten wird eine große Streubreite angegeben, welche durch die Verschiedenheit der Messarten und Holzproben zu erklären ist.

Ausser für die Anbringung der Sensoren funktioniert das System absolut zerstörungsfrei. Messungen sind sehr gut überall durchführbar.

Abb. 4.15: Picus-Schalltomograph. Abb. 4.16: Sylvatest DUO (22kHz).

(Quelle: www.picus-online.de) (Quelle: ETH)

4.7.2 Eigenfrequenz Prinzip

Beim dynamischen Messverfahren werden die Proben verschiedenartig eingespannt oder in den Knoten der Biegeschwingungslinie aufgelagert (Abb. 4.17). Die zugeführte Energie durch stossförmige Anregung eines Hammers oder kontinuierlich mit einem Shaker wird in Schwingungen umgewandelt.

Bei mittigem stossförmigem Anschlag entstehen Biegeschwingungen und bei einseitig eingeklemmten Proben tauchen Biege- und Torsionsschwingungen in Abhängigkeit von der Auskraglänge auf.

Günstige Auflagerund Einspannbedingungen, welche freies Schwingen erlauben, lassen den Körper schon nach kurzer Zeit die Eigenschwingungen einstellen. Durch einen Sensor (z.B. ein piezoelektrischer Taster) wird die Probe an der Stelle der maximalen Amplitude hinsichtlich der Frequenz, der Auslenkung und des Abklingverhaltens gemessen. Die entstandenen analogen Messsignale werden über einen externen Verstärker vorverstärkt, bevor sie in den FFT-Analysator kommen. In diesem laufen die Signale durch ein Antialiasing-Filter und einen A/D Wandler. Die Messsignale werden zwischengespeichert und anschließend einem Computer- programm zugeführt, welches die Frequenzspektren berechnet.

Der Astanteil geht relativ schwach, mit einer Korrelation von r² = 0.31, in die Eigenfrequenz ein.

Untersuchungen zum Einfluss von verschiedenen Schnitttiefen und Bohrungen unterschiedlicher Durchmesser als Simulation von Defekten zeigten, dass Schnitte im Gegensatz zu den Bohrungen einen großen Einfluß auf die Resonanzfrequenz haben. Dies, da sie sich befinden in den Zonen der maximalen Spannungen befinden. Die Rohdichte beeinflußt ebenfalls den dynamischen E- Modul (Gl.

4.8). Der Masse-Verlust durch Fichtenrotstreifigkeit nach 6-monatiger Lagerung war klein, aber meßbar und statistisch signifikant. Ähnlich früh erkennbar sind auch andere Massenverluste durch Pilzangriffe. Der Biege E-Modul des Holzes nimmt mit steigender Temperatur und Feuchte ab.

Für die Biegung gilt (1 ₂² ₁) 10 ⁹

K1 Konstante (abhängig von Ordnung der Schwingung) mn Konstante (abhängig von Ordnung der Schwingung) Dabei gilt für Biegeschwingungen 1. Ordnung:

K1 = 49,8 mn4 = 500,6

Anwendung

Die Hauptanwendung liegt primär in der Ermittlung der elastischen und daraus abgeleiteten mechanischen Werte und sekundär in der Fehlerdetektion. Der Zusammenhang zwischen dem dynamischen E- Modul aus der Eigenfrequenz und dem aus DIN bestimmtem statischen E-Modul wurde mehrmals untersucht. Der Wert des Korrelationskoeffizienten schwankt je nach Methode, Versuchsmaterial und verwendeten Parametern.

Das Prinzip arbeitet zerstörungsfrei, ist aber nur für Messungen im Labor praktikabel.

Abb. 4.17: Auflagerung einer Holzprobe bei Messung der Eigenschwingung

Im Dokument Skript zur Vorlesung "Zerstörungsfreie Werkstoffprüfung im Bauwesen" (Seite 54-57)