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  Ultraschall
 

Olaf Rosenhagen, Sachverständiger für Boote und Yachten, Worpswede

Was ist Ultraschall?

Unter Ultraschall versteht man im allgemeinen mechanische Schwingungen, die in ihrer Frequenz oberhalb des hörbaren Bereichs liegen. Als Grenze zwischen hörbarem Schall und Ultraschall wird oft die Frequenz  f = 20 kHz = 20 000 Hz (20 000 Schwingungen/ Sekunde) genannt.

Die in der Ultraschall-Prüftechnik gebräuchlichsten Frequenzen von 0,5 - 15 MHz (1 Megahertz = 1 MHz = 1000000 Hz) werden in festen und flüssigen Stoffen mehr oder weniger gut weitergeleitet, jedoch nicht in Gasen. Deshalb kann eine Ultraschallwelle, die sich im Innern eines Werkstoffs ausbreitet, nicht aus dem Prüfstück austreten. An den Begrenzungsflächen Werkstück - Luft  - wird sie nach bekannten physikalischen Gesetzen reflektiert.

Ein fester Körper besteht bekanntlich aus vielen Atomen (oder Molekülen), die sich auf Grund atomarer Kräfte gegenseitig so stark anziehen, dass die Form eines festen Körpers ohne Einwirkung starker äußerer Kräfte (Druck, Biegekräfte usw.) erhalten bleibt. Diese atomaren Kräfte sind elastisch, d. h. man kann sich die Verbindung der Atome im Festkörper bis zu einem gewissen Grad als Federkräfte vorstellen. Anhand des Federmodells sieht man sofort, dass eine mechanische Anregung eines Atoms (kleine Verschiebung aus seiner Ruhelage) einen Schwingungsvorgang einleitet, der sich über den gesamten Festkörper ausbreitet. Die Geschwindigkeit, mit der diese mechanische Schwingung weitergeleitet wird (die Schallgeschwindigkeit), hängt ab von der Richtkraft (Stärke) der Feder und der Länge der Feder (Abstand der Atome bzw. Dichte).

Die Longitudinalwelle

Betrachten wir eine Kette von Atomen, die durch Federn gekoppelt sind.

Was passiert, wenn die linke Kugel zum Zeitpunkt 0 kurz in Richtung ihrer Nachbarkugel ausgelenkt wird?

Die „Federkräfte“ werden einerseits die linke Kugel wieder in ihre Ausgangslage drücken, andererseits wird die zweite Kugel nach rechts gedrückt (Zeitpunkt 1). Dabei wird die Feder zwischen der zweiten und dritten Kugel komprimiert, was wiederum zu einer Auslenkung der dritten Kugel führt (Zeitpunkt 2).

Die Auslenkung der ersten Kugel wird sich in Form von Verdichtungen und Verdünnungen über die Kugelreihe fortpflanzen (Zeitpunkt 3, 4,...). Dabei schwingen die Kugeln nur in der Ausbreitungsrichtung der „Welle“.

Man nennt diese Art der „Welle" eine Longitudinalwelle oder Druckwelle.Die Wellenlänge einer Longitudinalwelle ist der Abstand zwischen zwei benachbarten Verdichtungen oder Verdünnungen und wird mit dem griechischen Buchstaben l (Lambda) bezeichnet.

Betrachten Sie wieder die Federkette:

Die Anregung der Welle geschieht nun nicht in Richtung der Kette, sondern quer dazu: d .h. die mittlere Kugel wird nach oben ausgelenkt und anschließend sich selbst überlassen. Die Federkräfte ziehen die Kugel in die Ausgangsposition zurück, wobei sie wegen ihrer Bewegung über die Ruhelage hinausschwingt. Gleichzeitig werden diese Querschwingungen auch auf die beiden Nachbarkugeln übertragen, die ihrerseits zu schwingen beginnen. Die Schwingungen werden durch die Federkopplungen immer weiter auf die benachbarten Kugeln übertragen. Da die Schwingungsenergie auf diese Weise auf die Nachbarkugel übertragen wird, verharrt die anregende Kugel bereits nach kurzer Zeit wieder in ihrer Ruhelage, d.h. die Schwingung des einzelnen Atoms verläuft stark gedämpft.

Da die Kraftübertragung bei der Transversalwelle (auch Scherwelle) wegen der Querschwingung der Atome geringer ist als bei der Longitudinalwelle, pflanzt sich die Transversalwelle wesentlich langsamer fort als eine Longitudinalwelle. Die Wellenlänge hier ist die Entfernung von einem Wellenberg bis zum nächsten Wellenberg.

In der Ultraschall-Prüftechnik kommen beide Wellenarten vor. Unter bestimmten geometrischen Voraussetzungen werden Longitudinalwellen beim Übergang in ein anderes Medium in Transversalwellen umgewandelt.

Schallgeschwindigkeit   =      Frequenz    x     Wellenlänge

Sowohl die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Transversalwellen als auch der Longitudinalwellen sind von Material zu Material verschieden, d. h. jedes Material hat seine eigene Schallgeschwindigkeit.

Die Schallgeschwindigkeit ist eine Materialkonstante

In der Literatur wird für die Schallgeschwindigkeit der Buchstabe c benutzt. Um zu unterscheiden, ob es sich um die Geschwindigkeit der Longitudinalwelle oder der Transversalwelle handelt, schreibt man dieses als Index an den Buchstaben c.

Werkstoff

Ctrans

Clong

Aluminium

3130

6320

Eisen

3230

5900

Gußeisen

2200-3200

3500-5800

Hartmetall

4000-4700

6800-7300

Kupfer

2260

4700

Magnesium

3050

5770

Messing (MS 58)

2200

4400

Stahl

3250

5920

Wasser (bei 20° C)

 

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Die Schallgeschwindigkeit, mit der sich eine Schallwelle im Material ausbreitet, hängt nur vom Material selber ab. Sie ist deshalb unabhängig von der Frequenz und der Wellenlänge des Schalls.

Jede Schallwelle wird durch Schwingungen der Atome innerhalb des Materials gebildet. Die Anzahl der Schwingungen nennt man Frequenz; sie werden in Schwingungen pro Sekunde gemessen. Die Einheit der Frequenz ist Hz (nach dem Physiker Hertz). Bei der Ultraschallmessung werden für verschiedene Zwecke verschiedene Frequenzen eingesetzt. Die Ausbreitung einer Ultraschallwelle in einem Werkstück hängt wesentlich von ihrer Frequenz ab.

Zwischen der Schallgeschwindigkeit, der Frequenz und der Wellenlänge gibt es eindeutige Beziehung:

Schallgeschwindigkeit = Frequenz x Wellenlänge c = Schallgeschwindigkeit
Frequenz = Schallgeschwindigkeit : Wellenlänge
f = Frequenz
Wellenlänge= Schallgeschwindigkeit : Frequenz
l = Wellenlänge

Diesen Zusammenhang verdeutlicht folgendes Beispiel von Stahl:

Nach 1 Sekunde hat die Schallwelle 5920 Meter zurückgelegt.

Bei gegebener Frequenz von 1 MHz hat sie nach dieser Sekunde 1 Million Schwingungen vollzogen.

Die Wellenlänge beträgt dann:

Wellenlänge = 5920 : 1000000m = 5,92mm

 

 
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