Simultane Bestimmung der Plattendicke und Schallgeschwindigkeit mit codierten Ultraschallsignalen

Abstract

In der zerstörungsfreien Prüftechnik müssen üblicherweise die Dicke und die Schallgeschwindigkeit des Prüflings ermittelt werden. Ist eine dieser Größen bekannt, so kann durch Laufzeitmessung von Ultraschallsignalen leicht auf die andere geschlossen werden. Häufig sind jedoch beide Parameter unbekannt. In diesem Fall ermöglichen Mehrfachreflexionen die simultane Bestimmung beider Größen. Um homogene Platten auf diese Weise zu charakterisieren, kann beispielsweise eine Transmissionsmessung nach Abbildung 1 erfolgen. Die Schallgeschwindigkeit im umgebenden Medium sowie der Abstand zwischen Sende- und Empfangswandler müssen vorab bekannt sein. Anschließend kann durch Laufzeitmessung des direkt transmittierten Signals e_p0 (t) und der ersten Mehrfachreflexion e_p1 (t) auf die beiden gesuchten Größen geschlossen werden. Zwei Ziele werden für die vorgeschlagene Vermessung von Platten verfolgt: einerseits in mög-lichst gutes Signal-Rausch-Verhältnis und andererseits eine möglichst gute axiale Auflösung bei gegebenen Ultraschallwandlern. Ersteres wird erreicht, indem der Sender mit einem linearen Chirpsignal angeregt wird. Ein solches codiertes Ansteuersignal weist aufgrund seines hohen Zeit-Bandbreiteproduktes einen hohen Energiegehalt auf, was zu einem besseren Signal-Rausch-Verhältnis führt. Gleichzeitig stellt die hohe Bandbreite, nach der erforderlichen Pulskompressi-on, eine gute axiale Auflösung zur Verfügung. Ein Verfahren wird vorgestellt, um die Bandbreite des durch die Wandler erzeugten und anschließend empfangenen Signals, dem sogenannten Interrogationssignal, weiter zu erhöhen. Dies wird als Signalkonditionierung bezeichnet und basiert auf der Vorverstärkung von Frequenzanteilen, welche durch die Ultraschallwandler ge-dämpft werden. Der -6dB-Bandbreitengewinn ist in Abbildung 2 zu sehen. Indem die Konditio-nierung auf das Amplitudenspektrum beschränkt wird, kann zudem zur Pulskompression eine Korrelation mit dem nicht konditionierten Ansteuersignal erfolgen.

Daniel A. Kiefer

Researcher at Institut Langevin

Research in guided elastodynamic waves, fluid-structure interaction, simulation and signal processing for ultrasonic sensors and nondestructive testing.