Ultraschallbündeleigenschaften

Messköpfe für die Ultraschallmessung besitzen diese grundlegenden funktionellen Eigenschaften, die sich wiederum auf die Eigenschaften des Schallbündels auswirken, das sie in einem bestimmten Material erzeugen:

Typ: Der Messkopf wird anhand seines Aufbaus und seiner Funktion als Kontakt-, Vorlaufstrecken- oder Tauchtechniktyp identifiziert. Die physikalischen Eigenschaften des Prüfmaterials, wie Oberflächenrauheit, Temperatur und Zugänglichkeit sowie seine Schallübertragungseigenschaften und der zu messende Dickenbereich beeinflussen die Auswahl der Messkopfart.

Durchmesser: Der Durchmesser des aktiven Schallkopfelements befindet sich normalerweise in einem etwas größeren Gehäuse. Messköpfe mit kleinerem Durchmesser lassen sich häufig am einfachsten an das Prüfmaterial koppeln, während größere Durchmesser aufgrund eines Mittelungseffekts effizienter an raue Oberflächen gekoppelt werden können. Größere Durchmesser sind auch aus Formgründen erforderlich, wenn die Messkopffrequenz abnimmt.

Frequenz: Die Anzahl Schwingungen pro Sekunde werden normalerweise in Kilohertz (kHz) oder Megahertz (MHz) angegeben. Die meisten Ultraschallmessungen werden im Frequenzbereich von 500 kHz bis 20 MHz durchgeführt, so dass die meisten Schallköpfe in diesen Bereich fallen, obwohl auch Schallköpfe unter 50 kHz und über 200 MHz erhältlich sind. Bei niedrigerer Frequenz erhöht sich die Durchdringung, wobei mit höherer Frequenz die Auflösung und Fokusschärfe zunehmen.

Bandbreite: Typische Messköpfe zur Dickenmessung erzeugen keine Schallwellen mit einer einzigen reinen Frequenz, sondern über einen Frequenzbereich, der bei der Nennfrequenz zentriert ist. Bandbreite ist der Frequenzbereich innerhalb festgelegter Amplitudengrenzen. Eine große Bandbreite ist normalerweise bei Dickenmessanwendungen empfehlenswert, wenn Kontakt-, Vorlaufstrecken- und Tauchtechnik-Messköpfe verwendet werden.

Dauer der Wellenform: Die Anzahl Schwingungen/Wellenzyklen, die durch den Messkopf bei jedem Pulsen erzeugt wird. Ein Schallkopf mit kleiner Bandbreite hat mehr komplette Schwingungen als ein Schallkopf mit großer Bandbreite. Elementdurchmesser, Trägermaterial, elektrische Einstellungen und Impulsmethode des Schallkopfs wirken sich auf die Dauer der Wellenform aus. Eine kurze Wellendauer (Breitbandsignal) ist bei den meisten Dickenmessanwendungen wünschenswert.

Empfindlichkeit: Verhältnis zwischen der Amplitude des Sendeimpulses und der Amplitude des von einem bestimmten Ziel zurückgeschallten Echos. Dies ist eine Funktion der Energieabgabe des Messkopfs.

Schallbündelprofil: Das Schallbündel eines meist nicht fokussierten runden Schallkopfs wird oft als Energiesäule betrachtet, die von der Fläche des aktiven Elements ausgeht, sich im Durchmesser ausdehnt und schließlich dissipiert, wie ein Strahl von einem Schweinwerfer.

In der Praxis ist das Schallbündelprofil komplexer, mit Druckunterschieden in Quer- und Achsrichtung. In folgender Abbildung des Schallbündelprofils steht der rote Bereich für die höchste Energie, der grüne und blaue Bereich zeigen die niedrigeren Energiebereiche an.

Die genaue Form des Schallbündels in einem bestimmten Fall wird durch die Messkopffrequenz, den Messkopfdurchmesser und die Schallgeschwindigkeit im Material bestimmt. Der Bereich der maximalen Energie in kleinem Abstand zur Kontaktfläche des Messkopfs markiert den Übergang zwischen Schallbündelkomponenten, die als Nahfeld und Fernfeld bekannt sind, wobei jeder als eine bestimmte Art von Druckgradienten gekennzeichnet ist. Die Nahfeldlänge ist ein wichtiger Faktor in der Ultraschallfehlererkennung, da sie die Amplitude von Echos durch kleine Fehler (wie Risse) beeinflusst. Normalerweise ist es kein wesentlicher Faktor für Dickenmessungen.

Fokussierung: Tauchtechnik-Messköpfe können mit akustischen Linsen fokussiert werden, um ein sanduhrförmiges Schallbündel zu erzeugen, das sich zu einem kleinen Fokusbereich verengt und sich dann wieder ausdehnt. Einige Arten von Vorlaufstreckenschallköpfen können auch fokussieren. Schallbündelfokussierung ist sehr nützlich, um Rohre mit kleinen Durchmessern oder Prüfteile mit engen Radien zu prüfen, da sich die Schallenergie in einem kleinen Bereich konzentriert und das Echosignal verbessert.

Schallschwächung: Beim Durchlaufen eines Mediums beginnt die geordnete Wellenfront, die von einem Ultraschallkopf erzeugt wird, aufgrund der unvollständigen Energieübertragung durch die Mikrostruktur eines jeden Materials zu zerfallen. Geordnete mechanische Schwingungen (Schallwellen) verwandeln sich in willkürliche mechanische Schwingungen (Hitze), bis die Wellenfront nicht mehr erkennbar ist. Diesen Vorgang nennt man Schallschwächung. Die Schallschwächung variiert je nach Material und nimmt proportional zur Frequenz zu. In der Regel tritt weniger Schallschwächung bei harten Materialien (Metalle) auf, als bei weicheren Materialien (Kunststoffe). Die Schallschwächung begrenzt letztlich die maximale Materialdicke, die mit einem bestimmten Messgerät und Messkopf gemessen werden kann, da sie den Punkt bestimmt, an dem ein Echo zu klein ist, um es zu erfassen.

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