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Bei der konventionellen Ultraschallprüfung kommen Schwingerelemente aus Piezokristallen oder Kompositmaterialien zum Einsatz. Durch Ausnutzung des Piezoeffekts lassen sich elektrische Spannungen in mechanische Verformungen überführen und umgekehrt. Durch geeignete elektrische Anregung erhält man so mechanische Schwingungen im Frequenzbereich des Ultraschalls (für die Prüfung von Metallen typischerweise im Bereich 1-20 MHz). In den Ultraschallprüfköpfen werden Longitudinalwellen (Druckwellen / Kompressionswellen) erzeugt, die mittels eines Immersions- oder Koppelmittels (Wasser, Gel, Öl) in das Prüfgut eingekoppelt werden. In Festkörpern lassen sich neben den Longitudinalwellen (Schwingungsrichtung entlang der Schallausbreitungsrichtung) auch Transversalwellen oder Scherwellen (Schwingungsrichtung senkrecht zur Schallausbreitungsrichtung) und weitere Wellenarten wie Oberflächenwellen, Rayleighwellen,  Lambwellen (Auslenkung auf geschlossenen elliptischen Bahnen entlang der Schallausbreitungsrichtung) erzeugen.

Zur Auswertung werden am Prüfkopf eintreffende Ultraschallwellen in elektrische Pulse gewandelt. Anhand von Schalllaufzeit und Intensität (Schalldruck) der Ultraschallwelle lassen sich Aussagen über Ungänzen, Materialbeschaffenheit und Geometrie treffen. Dies erfordert ein detailliertes Verständnis der Einflussfaktoren auf die Ultraschallwelle und Ihren Weg durch das Prüfgut. Mit Hilfe standardisierter Bedingungen (die in Prüfnormen und Prüfanweisungen festgelegt sind) werden durch Signalbewertungen Aussagen getroffen, ob ein Prüfgegenstand für einen Einsatzzweck verwendet werden kann.  
Die Auswertung der elektrischen Impulse erfolgt auf zwei Arten:

  • Laufzeitmessung
  • Amplitudenmessung und Schwellenbewertung

Schallausbreitung / Verhalten an Grenzflächen

Trifft eine Ultraschallwelle unter einem Winkel auf eine Oberfläche mit unterschiedlichen Schalleigenschaften, so bestimmt das Verhältnis des Schallwellenwiderstandes der beiden beteiligten Materialien die reflektierten sowie durchgehenden Anteile (die Amplituden) des Schalldrucks. Die Verhältnisse an einem Materialübergang sind durch Reflexions- und Durchgangskoeffizient bestimmt (siehe Gleichungen 1 a, b).

Reflexionskoeffizient Gleichung1a

(Gleichung 1 a)

Transmissionkoeffizient Gleichung1b

(Gleichung 1 b)

Mit Z1/2: Schallwellenwiderstand im Material 1/2
R: Reflektionskoeffizient für Übergang des Ultraschalls vom Material 1 in das Material 2
T: Transmissionskoeffizient für Übergang des Ultraschalls vom Material 1 in das Material 2

Die Richtung von durchgehender und reflektierter Welle ergibt sich anhand der Einfallswinkel und dem Verhältnis der beteiligten Schallgeschwindigkeiten. Es ist üblich die Ausbreitungsrichtung einer Ultraschallwelle durch Ihren Schallstrahl darzustellen. Der Hauptschallstrahl verbindet Wellenfronten gleicher Phase und maximaler Amplitude. Er steht senkrecht auf den Wellenfronten und zeigt die Hauptausbreitungsrichtung einer Welle an. Allgemein gilt, dass die Schallgeschwindigkeit von Longitudinalwellen in einem Material stets höher ist als die Schallgeschwindigkeit von Transversalwellen im gleichen Material. Für die Winkelverhältnisse für Schallstrahlen von Ultraschallwellen gilt das Snellius‘sche Brechungsgesetz (Gleichung 2):

Snellius Gleichung2

(Gleichung 2)

Grundlagen klBild1

In Bild 1 ist die Situation dargestellt, die sich ergibt, wenn eine Longitudinalwelle unter dem Winkel α_(long.,1) aus dem flüssigen Medium 1 auf die Grenzschicht mit dem festen Medium 2 trifft. Es tritt dabei:

  • teilweise Reflektion der Longitudinalwelle im Medium 1 ein; für den Ausfallwinkel gilt: 〖α'〗_(long.,1)=α_(long.,1)
  • teilweise Transmission mit Wellenaufspaltung in
  • eine Longitudinalwelle unter dem Winkel β_(long.,2) und der Schallgeschwindigkeit c_(long.,2)
  • eine Transversalwelle unter dem Winkel β_(trans.,2) und der Schallgeschwindigkeit c_(trans.,2) auf.

Die Winkel β_(long.,2) und β_(trans.,2) ergeben sich aus dem Snellius’schen Brechungsgesetz (Gleichung 2) mit den jeweiligen Schallgeschwindigkeiten.