Entwicklung einer Gruppenstrahler-Sendeeinheit für Ultraschalluntersuchungen von Betonbauteilen
(2002)
Zusammenfassung
Die Ultraschall Phased-Array-Technik oder auch Gruppenstrahlertechnik wird erfolgreich in der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung an Metallen und Kunststoffen eingesetzt. Mit dieser Technik kann durch zeitlich gesteuerte Anregung der einzelnen Wandlerelemente des Arrays das Schallbündel im Probekörper verschoben, geschwenkt und/oder fokussiert werden. Der für Beton anwendbare Frequenzbereich liegt in der Regel von 50 kHz bis 200 kHz. Die Erzeugung der notwendigen Verzögerungen der Sendespannungen für die Schallbündelsteuerung kann in diesem Frequenzbereich durch kommerziell erhältliche Komponenten der Rechnertechnik erreicht werden. Die Hardware-Entwicklung beschränkt sich somit nur auf die Leistungssendestufen und das Interface zwischen dem Steuerrechner und dem Leistungsteil.
Die Phased-Array-Sendeapparatur besteht aus einem Steuerrechner mit eingebauten Timerbaugruppen und einem externen Leistungsteil mit 10 eingebauten Sendern für die Ultraschallprüfköpfe. Als Kompromiss zwischen Schaltungsaufwand und bestmöglicher Anregung werden z. Zt. Rechtecksendestufen mit einstellbarer Impulsbreite verwendet. Durch die variable Impulsbreite kann, je nach verwendeten Prüfköpfen, die Anregung optimiert werden.
Orientierende Messungen wurden an einem 50 cm dicken Betonprobekörper mit einem Größtkorn von 8 mm durchgeführt. Die Möglichkeiten des Fokussierens und des Schwenkens des Schallbündels sind in Durchschallung überprüft worden. Es erfolgte danach ein Vergleich der Ergebnisse mit einer Modellrechnung auf Grundlage der Punktquellensynthese.
Für die zerstörungsfreie Prüfung im Bauwesen ist es neuerdings gelungen, mit laufzeitgesteuerten Ultraschall-Gruppenstrahlern Objekte in Betonbauteilen zu orten. Um eine Bündelung des Schallfeldes zu erreichen, konnten bisher bereits nach dem Prinzip der synthetischen Apertur durch sequenzielle Abtastung einer Bauteiloberfläche mit einem Prüfkopf große Strahlerflächen nachgebildet werden. Als alternative Methode zur Schallfeldbündelung bietet sich die Zusammenschaltung mehrerer Prüfköpfe zu Strahlergruppen an. Werden die einzelnen Prüfköpfe einer solchen Gruppe laufzeitgesteuert angeregt, kann schon während der Messung das Schallfeld geeignet geführt werden. Modellierte und experimentelle Schallfelder werden verglichen. Die Ortung eines Rohrkörpers im Beton wird demonstriert. An vielen Betonbauwerken, wie zum Beispiel Brücken, werden regelmäßig Inspektionen durchgeführt. Wünschenswert sind zerstörungsfreie Prüfverfahren, mit denen im Rahmen der Inspektionen auch von außen nicht sichtbare Fehler am Bauwerk festgestellt werden können, bevor diese zu schwerwiegenden Bauwerksschäden führen.