Mehr sehen mit nichtlinearem Ultraschall

Ultraschall macht Materialfehler und Risse in Werkstücken oder Bauwerken sichtbar, bevor sie zu einer Gefahr werden. Oft beeinflussen diese Fehler nur die nichtlinearen akustischen Materialeigenschaften und bleiben deshalb der herkömmlichen linearen Ultraschallanalyse verborgen. Ein neues nichtlineares Ultraschallverfahren schafft hier Abhilfe.

Paul Wilcox und seine Kollegen von der University of Bristol demonstrieren ihr neues Verfahren zur nichtlinearen Ultraschallbildgebung an einem Aluminiumblock, in dem sie durch 75.000 Belastungszyklen einen 15 mm langen Ermüdungsriss erzeugt hatten. Auf eine parallel zum Riss liegende Seite des Blocks klebten sie 64 Ultraschallübertragungselemente, die gepulste Schallschwingungen von 5 Megahertz erzeugen und anschließend wieder aufnehmen konnten. Erzeugung und Auswertung der akustischen Signale erfolgten elektronisch.

Zuerst steuerten die Forscher die 64 Elemente der Reihe nach einzeln an. Die bei diesem sequentiellen Verfahren erzeugten Schallwellen wurden bei ihrer Ausbreitung im Aluminiumblock nur von dessen linearen akustischen Eigenschaften beeinflusst. Nach einer Wartezeit von einer Millisekunde, in der sich der Schall im Block verteilt hatte, wurde mit den Elementen die Schallintensität gemessen. Aus der erhaltenen Information konnten die Forscher die linearen akustischen Eigenschaften im Innern des Blocks rekonstruieren. Der Ermüdungsriss blieb dabei jedoch praktisch unsichtbar.

Im zweiten Schritt wurden die Übertragungselemente nahezu gleichzeitig angesteuert, wobei geringfügige Zeitverzögerungen dafür sorgten, dass die resultierende Schallwelle an einem gewünschten Ort im Aluminiumblock fokussiert wurde. Auch diesmal nahmen die Elemente die Schallintensität auf. Dieses parallele Verfahren ergibt bei linearer Schallausbreitung dasselbe Resultat wie man es für das sequentielle Verfahren erhält, wenn man die gemessenen Signale bei der Analyse geeignet überlagert.

Erfolgt die Schallausbreitung hingegen nichtlinear, so liefern das parallele und das sequentielle Verfahren unterschiedliche Ergebnisse, aus deren Differenz man die nichtlinearen akustischen Eigenschaften des Materials ermitteln kann. Da beim parallelen Verfahren der Schall fokussiert wird und am Fokus eine hohe Intensität erreicht, können dort nichtlineare akustische Effekte auftreten, insbesondere an Rissen und Spalten. Diese Effekte entstehen dort zum Beispiel durch lokale Plastizität des Materials, durch das Aufeinanderprallen von internen Flächen oder durch nichtlineare Reibungsverluste.

Von diesen Überlegungen ausgehend versuchten Wilcox und seine Mitarbeiter, den Riss im Aluminiumblock durch seine nichtlineare Wirkung auf den Ultraschall sichtbar zu machen. Dazu ließen sie mit dem parallelen Verfahren den Fokus systematisch durch den Block wandern und zogen von den dabei aufgenommenen Schallsignalen die Signale ab, die sie mit dem entsprechenden sequentiellen Verfahren gewonnen hatten. Es entstand ein „nichtlineares“ Ultraschallbild, auf dem der Riss deutlich zu erkennen war.

Die Forscher gingen noch einen Schritt weiter. Sie bohrten in einen zweiten Aluminiumblock, der ebenfalls einen Ermüdungsriss enthielt, zwei 5 mm große Löcher, von denen eines durch den Riss ging und etwa 2,5 mm hinter seiner Spitze saß. Solche Ermüdungsrisse entstehend zum Beispiel an stark belasteten Bolzenlöchern. Auf dem linearen Ultraschallbild waren die beiden Löcher deutlich zu erkennen, da die Schallwellen an ihnen reflektiert wurden. Der Riss war wiederum nicht sichtbar.

Hingegen war auf dem nichtlinearen Ultraschallbild nichts von den beiden Löchern zu sehen, da diese nur die linearen akustischen Eigenschaften beeinflussten. Der von dem einen Loch ausgehende Riss war indes deutlich zu erkennen. Das nichtlineare Ultraschallverfahren hatte alle störenden „linearen“ Reflexe der Schallwellen beseitigt, sodass der „nichtlineare“ Ermüdungsriss umso deutlicher hervortrat.

Das neue Ultraschallverfahren macht bisher Unsichtbares sichtbar und erreicht dies überraschenderweise mit den gängigen Mitteln der Ultraschallanalyse. Bei der Suche nach potentiell gefährlichen Materialfehlern und Ermüdungsrissen könnte es in Zukunft eine wichtige Rolle spielen.

Rainer Scharf

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