Entdeckerseite

Die Probe (1) wird von einem Wandlerpaar (2) durchschallt. Dieses wird mit einem Scanner (3) über die Probe geführt. Angesteuert wird alles vom Ultraschallgerät (4). Die Signale werden von ihm so aufbereitet, dass sie auf dem Monitor (5) übersichtlich dargestellt werden. Bei kompliziert geformten Proben kann auch mit einem Roboterarm (6) gescannt werden.  

Roter Körper

Diese Probe besteht aus zwei unterschiedlichen Wandstärken. Links ist sie dick, rechts ist sie dünn.

Was erkennt man im C-Scan? Die dickere Seite schwächt den Schall stärker als die dünne. Je dunkler der C-Scan, umso leiser ist der Schall. Links ist der Schall also leiser als rechts.

Was erkennt man im D-Scan? Der Schall läuft vom Sender durch die Luft. Dann breitet er sich durch die Probe aus. Schließlich verlässt er die Probe und läuft wieder durch die Luft. In der Probe ist der Schall mehr als fünfmal schneller als in der Luft. Wo die Probe im Schallweg dicker ist, ist der Schall deswegen früher am Empfänger. Im D-Scan sind spätere Signale dunkler gefärbt. Links ist der Schall also früher am Empfänger.

Grüner Körper

Diese Probe ist zweiteilig: links ist sie dick, rechts ist sie dünn. Zusätzlich gibt es im Inneren schallschwächende Scheiben. Die Scheibe links schwächt den Schall stärker als die rechte Scheibe. Beide Scheiben sind gleich dick und haben die gleiche Schallgeschwindigkeit.

Was sieht man im C-Scan? Der Schall im linken Probenbereich ist leiser als im rechten. Zusätzlich ist der Schall in der linken Scheibe leiser als in der rechten. Beide Scheiben heben sich gegenüber dem Hintergrund der Probe ab. Die linke jedoch stärker als die rechte.

Was sieht man im D-Scan? Man sieht den Unterschied zwischen links und rechts. Links ist der Schall schneller, weil der Weg durch die Probe länger geworden ist. Dort ist der Schall aber viel schneller als in Luft unterwegs. Da die Kreisscheiben gleich dick sind, ändern sie gleichartig die Laufzeiten. Deswegen sind sie im D-Scan nicht sichtbar.

Violetter Körper

Die lila Probe enthält im Inneren viele luftgefüllte Hohlräume (Poren). Im rechten Teil der Probe gibt es einen Bereich, in dem die Poren größer sind als in der übrigen Probe.

Was sieht man im C-Scan? Der Bereich mit den größeren Poren zeichnet sich schwach ab. Größere Poren schwächen den Schall etwas stärker als die kleineren Poren.

Was sieht man im D-Scan? Der Bereich mit den größeren Poren tritt stark hervor. Um die großen Poren herum läuft der Schall länger als im übrigen Probenbereich. Deswegen kommt der Schall später an.

Wandlungsfähige Scheiben

Lautsprecher und Mikrofon bestehen aus piezoelektrischen Materialien. Sie erzeugen bei einer mechanischen Verformung elektrische Ladung.  Umgekehrt verformen sie sich, wenn an ihnen eine elektrische Spannung anliegt. Piezoelektrizität ist eine Möglichkeit, elektrische und mechanische Schwingungen ineinander umzuwandeln. Ein verbreitetes piezoelektrisches Material ist Quarz. In den Schallwandlern werden spezielle Keramiken verwendet.

Der Sender erzeugt Schall

Je nachdem, wie man die elektrische Spannung zeitlich ändert, wechselt die Dicke der piezoelektrischen Scheibe. Durch eine geschickte elektrische Ansteuerung bringt man die Platte zum Schwingen. Diese überträgt sich auf die Luft. Mit anderen Worten: Schall wird erzeugt. Für die Luftultraschallprüfung braucht man sehr starken Schall. Deswegen wird mit einer hohen elektrischen Spannung gearbeitet.  

Der Empfänger misst Schall

Die Schallwelle aus der Probe trifft auf den Empfänger. Der Schall verformt periodisch die Dicke der Scheibe. Sie wird abwechselnd dicker und dünner. Dabei erzeugt sie ein periodisches elektrisches Signal. Dieses Signal ist recht klein. Es wird deswegen im Ultraschallgerät elektronisch verstärkt. Dann wird es weiterverarbeitet.

Auch von einer Seite ist prüfen möglich

Bei einigen Proben ist es möglich eine einseitige Prüfung durchzuführen. Der Sender sendet dabei den Schall schräg auf die Probe, so entsteht an ihr entlang eine Welle. Diese regt auch die umgebende Luft zum Schwingen an, welche von einem schräg stehenden Empfänger gemessen wird.        

Mit diesem Aufbau können plattenförmige Proben gescannt werden. Bei stark gewölbten Oberflächen reicht es nicht, die Schallwandler nach oben und unten zu bewegen. Um der komplizierten Form zu folgen, kann ein Roboterarm eingesetzt werden.

Roboterarm zur einseitigen Prüfung

Die elektrischen Signale für den Sender werden erzeugt und verstärkt. Dadurch hat der Sender eine hohe Lautstärke, um die Probe durchschallen zu können. Die Signale aus dem Empfänger werden elektrisch verstärkt und ausgewertet. Für die Auswertung werden der zeitliche Verlauf der empfangenen Signale und die Position des Scanners auf der Probe erfasst. Diese Scandaten werden aufbereitet und zu Scanbildern verrechnet. Dazu werden sie gefiltert. Mit Hilfe von speziellen Auswerteverfahren können Fehler in der Probe identifiziert werden. Die Datenaufnahme und -darstellung wird mit einem Computerprogramm gesteuert. Die Daten werden zur Dokumentation und weiteren Analyse gespeichert.

Daten sammeln

Bei der Prüfung der Proben entsteht eine große Datenmenge. Damit diese beurteilt werden kann, wird diese aufbereitet. Im Ergebnis entstehen Bilder der gescannten Probe. Beim Scannen wird das Paar der Ultraschallwandler über die Probe geführt. Wie entstehen aus den Ultraschalldaten die Prüfbilder? Während des Scans werden vom Sender in kurzer Folge Ultraschallpulse ausgesendet. Es braucht eine gewisse Zeit, bis der Schall vom Sender durch die Luft, dann durch die Probe und wieder durch die Luft zum Empfänger gelangt. Der Schall braucht dafür eine gewisse Zeit und verändert dabei auch seine Lautstärke. Am Empfänger wird der Schall in ein elektrisches Signal umgewandelt. Dieses elektrische Signal wird vor der Weiterverarbeitung gefiltert. Dadurch sind auf die Probe zurückgehende Unterschiede im Signal leichter auffindbar. Der zeitliche Verlauf dieses Signals wird im A-Bild dargestellt. Das A-Bild gibt damit den zeitlichen Verlauf des Schalldrucks für einen Punkt des Scanwegs an. Zu jedem A-Bild werden die Koordinaten des Scanpunktes gespeichert. Der Scanweg besteht aus vielen einzelnen Punkten. Für jeden dieser Punkte wird ein A-Bild aufgenommen. Das sind sehr viele Daten. Um Fehler in der Probe zu finden, müssen in den Daten Muster entdeckt werden. Bei einem Scan werden einige Zehntausend Punkte abgerastert. Entsprechend viele A-Bilder entstehen dabei.

Wie C- und D-Bilder entstehen

In dieser Datenmenge ist es schwer, darin Auffälligkeiten zu finden. Deswegen wird in der Datenauswertung aus jedem A-Bild ein einziger Zahlenwert ermittelt. Damit hat man die Koordinaten der Scanpunkte und einen Zahlenwert dazu. Die Größe des Zahlenwertes wird als Farbe dargestellt. Damit bekommt jeder abgerasterte Punkt eine Farbe. Insgesamt erhält man so ein Bild der gesamten Probenfläche. Es ist nach den ermittelten Zahlenwerten eingefärbt. Welche Zahlenwerte nutzt man? Für die C-Bilder wird für alle A-Bilder ein Zeitbereich festgelegt. Innerhalb dieses Zeitbereiches wird im A-Bild das lauteste Schallsignal gesucht. Die Lautstärke wird als Farbe des gescannten Punktes dargestellt. Im C-Bild kann man also die Schwächung des Schalls in der Probe beurteilen. Für die D-Bilder wird wie beim C-Bild das lauteste Schallsignal gesucht. Hier wird aber der Zeitpunkt bestimmt, wann dieses Schallsignal am Empfänger ankommt. Dieser Wert wird als Farbe des gescannten Punktes dargestellt. Wann ein Signal ankommt, hat mit der Schallgeschwindigkeit zu tun. Im D-Bild kann man ortsabhängig die Schallgeschwindigkeit beurteilen.

Jeder Punkt des Scans wird entsprechend dem Grauwert eingefärbt.

  C-Bilder und D-Bilder sind aber selten grau. Unterschiede werden dabei nicht deutlich genug. Sie werden so eingefärbt, dass Abstufungen deutlicher werden. Dazu wird jedem Grauwert eine Farbe zugeordnet. Das kann zu ganz verschieden aussehenden Bildern führen. Eines ist aber immer gleich: für jede Scan-Position wird ein Wert dargestellt.

Das Messprogramm

Die Messung wird mit dem Computer gesteuert. Die Messbedingungen werden in einem Programm eingestellt. Das sind einerseits Einstellungen für die Wandler. Andererseits sind das die Vorgaben für den Scan-Vorgang. Viele Daten werden während eines Scans gesammelt. Vom Programm werden diese weiterverarbeitet. Es können dann übersichtliche Bilder angezeigt werden. Mit ausgetüftelten Filtern können Fehler in der Probe automatisch erkannt werden.