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Ein Ziel der Arbeit bestand ursprünglich darin, ein Rechenmodell zur Ultraschallprüfung mit einer Evolutionsstrategie zu verknüpfen. Zunächst verlagerte sich der Schwerpunkt der Arbeit jedoch auf die Erarbeitung eines validierten und erprobten Modells, das den Anforderungen für die Verwendung der Evolutionsstrategie genügt. Aber selbst damit zeigte sich, dass ein Arbeiten mit der Evolutionsstrategie nicht ohne weiteres möglich ist. Daher wurde der Weg der iterativen Modellierung gewählt. Die Einschränkungen der verschiedenen Bewertungs- und Untersuchungsverfahren zur Fehlerdiagnose in der Ultraschallprüfung lassen in Abhängigkeit von der Prüfsituation nur eine fallweise Anwendung zu. Die erzielbaren Ergebnisse sind durch prinzipielle Grenzen, wie die orientierungsabhängigen Wechselwirkungen der Ultraschallwellen mit dem Fehler, in ihrer Genauigkeit stark begrenzt. Eine zuverlässige Bewertung ist meist durch die Zusammenfassung der Ergebnisse mit denen aus anderen ZfP- Verfahren und die Nutzung von a priori Informationen z. B. aus der Fertigungsgeschichte einer Komponente oder des Fehlerentstehungsmechanismus möglich. Die vorgeschlagene iterative Modellierung bietet dazu, wie die vorliegende Untersuchung zeigt, eine Möglichkeit. Die durch Einführung von a priori Informationen aufgestellten Fehlerhypothesen werden durch Modellrechnungen abgesichert oder wieder verworfen. Das Rechenmodell ermöglicht die Bewertung der Amplitude, der Laufzeit, der Echodynamik und des Anzeigenmusters, also aller auch bei anderen Diagnoseverfahren herangezogenen Bewertungskriterien. Die iterative Modellierung basiert auf drei Teilprozessen, der Analyse der möglichen Wechselwirkungen, der Separation dieser Wechselwirkungen in diverse Schallwege und schließlich der Synthese der auf den verschiedenen Wegen berechneten Signale zum Gesamtsignal. Die ersten beiden Teilprozesse müssen z. Zt. für jeden Prüffall neu gelöst werden und erfordern wie die Modellbedienung Expertenwissen. Die im Rahmen dieser Untersuchung erfolgten Modellmodifikationen konnten gemeinsam mit der Modellverifikation die Zuverlässigkeit der Modellrechnungen deutlich steigern. Die Berechnungen können schnell und interaktiv durchgeführt werden. Die Rechenzeit für ein TD- Bild mit 50 A- Bildern beträgt üblicherweise ein bis fünf Minuten. Durch die Kombination des Rechenmodells mit der Evolutionsstrategie wurde der Versuch unternommen, die iterative Modellierung zu systematisieren. Diese Kombination würde die Lösung des inversen Problems, d.h. die Bestimmung der Ursache für die akustische Störung, ohne Durchführung einer mathematischen Inversion ermöglichen. Der Anwendung der Evolutionsstrategie mit der hier gewählten einfachen Qualitätsfunktion steht ein hoher Zeitbedarf entgegen, ein schnelles und interaktives Arbeiten ist nicht möglich. Die Praxis erfordert die Definition einer komplexen Qualitätsfunktion, die eine Bewertung des Anzeigenmusters ermöglicht und unempfindlich auf Störeffekte reagiert. Die besondere Schwierigkeit besteht darin die Erfahrungen und die "Phantasie" eines Experten in das Modell zu integrieren. Dieser Umstand beinhaltet noch ein großes Entwicklungspotenzial. Ein gegenwärtiger Einsatz der Evolutionsstrategie erscheint daher verfrüht. Inwieweit Probleme mit in den Messdaten enthaltenen Mehrdeutigkeiten und Störanzeigen von Testblockkanten und anderen Reflektoren zukünftig überwunden werden können, kann gegenwärtig noch nicht abschließend geklärt werden. Eine zuverlässige Bewertung von kritischen Befunden mit mehreren möglichen Ursachen kann derzeit nur mit Expertenwissen über den Weg der iterativen Modellierung erfolgen. Dies ermöglicht auf einfache Weise die Einführung der a priori Informationen und gestattet ein schnelles und interaktives Arbeiten.
Der für die Ultraschallprüfung an Beton anwendbare Frequenzbereich liegt aufgrund von Streuungen an den Gesteinskörnern in der Regel zwischen 50 kHz und 200 kHz. Die niedrigen Prüffrequenzen führen zu einem für die Ultraschallprüfung ungünstigen Verhältnis des Prüfkopfdurchmessers zur Wellenlänge, was zu einem fast ungerichteten Abstrahlungsverhalten für Longitudinalwellen führt. Außerdem kommt es zusätzlich zu einer erheblichen Abstrahlung von Transversalwellen und Oberflächenwellen, die eine Ultraschallprüfung stören. Im Rahmen der Arbeit werden Konzepte für den Einsatz der Ultraschallprüfung mit Strahlergruppen an Betonbauteilen vorgestellt und der Einfluss der Betoneigenschaften auf die Ultraschallausbreitung bei der Anwendung dieser Technik untersucht. Um das Abstrahlungsverhalten zu verbessern, kann man mehrere Prüfköpfe zu Strahlergruppen zusammenschalten oder mit geringerem Aufwand an Gerätetechnik und Prüfköpfen nach dem Prinzip der sog. synthetischen Apertur entsprechende Strahlergruppen durch sequentielle Abtastung einer „Apertur“-Fläche mit einem Prüfkopf nachbilden. Wird das Prüfobjekt durch einen Prüfkopf mit einem großen Divergenzwinkel abgetastet, kann durch nachträgliche Rekonstruktionsrechnung nach dem SAFT-Verfahren (Synthetische Apertur- Fokussierungstechnik) die Aussagesicherheit der Messergebnisse verbessert werden, indem rechnerisch auf bestimmte Bereiche im Betonbauteil fokussiert wird. Die Ankopplung von Prüfköpfen auf Betonoberflächen ist sehr zeitaufwendig. Daher lohnt es sich, um die Prüfleistung pro Ankopplung zu erhöhen, die Messdatenverarbeitung nicht nur auf die Anwendung von SAFT zu beschränken. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird für die gleiche Aufgabe erstmals ein laufzeitgesteuerter Gruppenstrahler für den Niederfrequenzbereich, bestehend aus zehn einzelnen Prüfköpfen, entwickelt, mit dem schon während der Messung das Schallfeld verändert werden kann. Die Entwicklung orientiert sich an Gesichtspunkten, wie einfache Handhabbarkeit und Aufwandsoptimierung, so dass für die nachfolgenden Experimente ein Gerät zur Verfügung steht, wie es am ehesten auch in der Praxis Verwendung finden könnte. Die durch eine mit Sendeendstufen ausgerüsteten Strahlergruppe gegebene Möglichkeit der Erzeugung realer Schallfelder gestattet es, die Ausbildung dieser Schallfelder und deren Steuerbarkeit unter den Bedingungen des inhomogenen Werkstoffes Beton, auch experimentell zu überprüfen. Um den Einfluss der Schwingerform und -größe der Prüfköpfe auf das Schallfeld theoretisch zu untersuchen, wird ein Rechenprogramm auf Grundlage der Punktquellensynthese entwickelt, das bei der Berechnung die Annahme beliebiger Schwingergeometrien und - anordnungen zulässt. Die Grundlage bilden bewährte Modelle aus der Gruppenstrahler- technik für metallische Werkstoffe. In Zusammenarbeit mit der Universität Kassel wird mit Hilfe von Simulationsrechnungen mit der Elastodynamischen Finiten Integrationstechnik (EFIT) der Einfluss von Luftporen und der Gesteinskörnung auf die Ultraschallausbreitung des Gruppenstrahlers im Beton untersucht. Zur experimentellen Überprüfung des Gruppenstrahler-Prüfkopfes werden zunächst sowohl Schallfeldprofile als auch Schallschnelleverteilungen im Schallbündelquerschnitt mit und ohne Fokussierung des Schallbündels gemessen. Die Messungen erfolgen an Betontestkörpern (8 mm und 16 mm Größtkorn) mit einem scannenden Laservibrometer in Durchschallung. Das dazu verwendete Laservibrometer arbeitet nach dem Prinzip der Frequenzverschiebung durch den Dopplereffekt und bestimmt aus dem am Messpunkt rückgestreuten Laserlicht punktweise die Schallschnelle der schwingenden Betonoberfläche. Durch einen vorgeschalteten Spiegelscanner kann eine vorgegebene Messfläche automatisch abgetastet werden. Eine besonders anschauliche Methode, die Funktionsweise des Gruppenstrahlers zu demonstrieren, ist die Visualisierung der Wellenausbreitung durch Abtastung des Schallfeldes an einer Schnittfläche des Schallbündels, die möglichst parallel und nahe zur Bündelachse liegt. Dies kann die Seitenfläche eines Testblockes sein, auf die das Schallbündel fast streifend auftrifft. Mit Hilfe eines an diese Messtechnik angepassten Auswerteverfahrens können die Vorgänge der Schallwellenausbreitung als Moment- aufnahmen dargestellt werden. Die Untersuchungen ergeben, dass die Gruppenstrahlertechnik auch für Ultraschall- untersuchungen an Betonbauteilen anwendbar ist. Bei dem Einsatz von mehreren einzelnen Prüfköpfen als Gruppenstrahler-Prüfkopf können durch geeignete Positionierung der Prüfköpfe zueinander störende Gitterkeulen minimiert werden.