Der Einfluss der Schallschwächung in Guss- und Verbundwerkstoffen auf die Schallfelder von Standard- und Gruppenstrahler-Prüfköpfen

Faser- und partikelverstärkte Verbundmaterialien, Gusswerkstoffe und Betone zählen aufgrund ihrer für den Ultraschall ungünstigen Eigenschaften zu den schwerprüfbaren Werkstoffen. Die Streuung elastischer Wellen an (Grob-)Korn- und/oder Phasengrenzen führt zu einer mitunter beträchtlichen Schallschwächung und damit zu einem geringen Nutzsignal bei der bildgebenden Ultraschallprüfung. Bei kohlefaserverstärkten Kunststoffen wirken sich zusätzlich die Viskoelastizität der Epoxidharzmatrix und in der Regel auch die Anisotropie nachteilig aus. Durch die Simulation auf der Basis physikalischer Modelle gelingt es, diese Effekte quantitativ zu erfassen. Dies erlaubt, konventionelle Prüfverfahren zu optimieren, aber auch neue Ansätze zu entwickeln. In diesem Beitrag betrachten wir den Einfluss der frequenzabhängigen Schallschwächung auf die Schallfeldausbildung und zeigen Möglichkeiten auf, diese positiv zu beeinflussen. Die Berechnung erfolgt mit der Generalisierten Punktquellensynthese (GPSS) im Frequenzbereich mit anschließender inverser Fourier-Transformation. Für Gusswerkstoffe mit ihrer polykristallinen Mikrostruktur berücksichtigen wir die experimentell bestimmte Frequenzabhängigkeit der Schallschwächung im Rayleigh-Bereich, während die Viskoelastizität von Faserkompositen durch die Verwendung von komplexwertigen frequenzabhängigen elastischen Konstanten erfolgt. Anhand von Beispielen für kommerzielle Standardprüfköpfe werden Effekte wie die Reduktion des Schallbündelöffnungswinkels bei zunehmender Schallschwächung illustriert und die Vorteile der Schallfeldfokussierung beispielweise durch Phased-Arrays diskutiert.