Browsing by Author "Ruck, Hans-Jürgen"

Now showing 1 - 1 of 1

Open Access
Erfassung der Schadensentwicklung von mineralischen Baustoffen mit Hilfe der Ultraschallphasenspektroskopie
(2005) Ruck, Hans-Jürgen; Reinhardt, Hans-Wolf (Prof. Dr.-Ing. Prof. h. c. Dr.-Ing. E. h.)
Der Wunsch der zerstörungsfreien Prüfung besteht darin, ein inneres Abbild der Struktur eines Körpers zu erstellen, ohne diesen zu beschädigen. Für mineralische Baustoffe hat sich die Untersuchung mittels Ultraschall in den letzten Jahren etabliert. Zum einen kann mit Hilfe moderner mathematischer Methoden aus vorhandenen Daten eine bessere Analyse erzielt werden oder weitere Informationen aus dem Messsignal gewonnen werden. Dafür hat sich im Bereich der Auswertung von transienten Ultraschall-Transmissions- und Emissionssignalen in den letzten Jahren die Wavelet-Transformation als nützliches Werkzeug ergeben, die im ersten Teil der Arbeit ausführlich vorgestellt wird. Des Weiteren kann durch die Anwendung eines neuen Messverfahrens, welches es ermöglicht zusätzliche Messparameter zu ermitteln, die Interpretation der Messsignale erleichtert und verbessert werden. Dieses Vorgehen wird im zweiten Teil der Arbeit an Hand von Messungen an verschiedenen mineralischen Baustoffen mittels der Ultraschallphasenspektroskopie aufgezeigt. Mit dieser Methode können Geschwindigkeit, Amplitude und Frequenzinhalt eines transmittierten Signals bestimmt werden. Der Vorteil dieser Methode liegt darin, dass die Messapparatur zu Beginn der Messung kalibriert werden kann. Somit ist eine Aussage über die Filtereigenschaften des Prüfkörpers realisierbar mit gleichzeitiger frequenzgenauer Bewertung der transmittierten Energien. Die Wavelet-Transformation stellt eine alternative Möglichkeit dar, ein Signal in einen Frequenz-Zeit-Bereich zu zerlegen. Im Gegensatz zu anderen Transformationsmethoden werden dabei Wavelet-Funktionen eingesetzt, die in Ihrer Lage und Breite, der sogenannten Skalierung oder dem Zeitfenster, variiert werden können. Dadurch besitzt dieses Verfahren Vorteile gegenüber der Fourier-Transformation, die auf Grund der Heisenbergschen Unschärferelation keine Analyse im Zeitbereich zulässt und der Short-Time-Fourier-Transformation, die nur mit einem festem Zeitfenster arbeitet, so dass entweder eine gute zeitliche oder frequenzmäßige Auflösung möglich ist. Bei der Ultraschallphasenspektroskopie wird die Phasenverschiebung zwischen dem transmittierten Signal und einem Referenzsignal bei zunehmender Frequenz ermittelt. Mit Hilfe der linearen Geradensteigung im Frequenz-Phasen-Diagramm kann auf die Wellengeschwindigkeit im Prüfkörper geschlossen werden. Damit entfällt die Bestimmung des Ersteinsatzes, was zu einer höheren Genauigkeit führt. Die Phasenspektroskopie wird heutzutage mit Hilfe von Netzwerkanalysatoren durchgeführt, die neben einem einfachen Messaufbau, es werden lediglich der Analysator und zwei Sensoren benötigt, den Vorzug besitzen, dass eine gleichzeitige Messung der transmittierten Amplitude gewährt wird. Als Grundlage zur Ermittlung des Schadensverlaufs wurde die Geschwindigkeitsabnahme und die Amplitudenabnahme mit zunehmender Verformung ausgewertet. Auf Grund der Kalibrierung kann die Amplitude frequenzselektiv aufgespaltet werden. Man geht davon aus das Frequenzen, deren Wellenlänge die Größenordnung eines Risses erreichen durch Streuung gedämpft werden. Dies zeigt sich darin, dass höhere Frequenzen bereits bei kleiner Verformung abgedämpft werden. Legt man nun eine Sicherheitsschwelle im Diagramm der frequenzselektierten Amplituden an, so kann der Stauchungsgrad der einsetzenden Dämpfung für die einzelnen Frequenzen bestimmt werden. Mit Hilfe der zu den Stauchungen zugeordneten Geschwindigkeiten ist eine Bestimmung der jeweiligen Wellenlängen möglich. Trägt man die Wellenlängen gegen die Stauchung auf, lassen sich die Punkte mit Hilfe einer Exponentialkurve fitten. Setzt man die Wellenlänge in Bezug zur Rissgröße, lässt sich damit die Schadensgröße ermitteln. Der Verlauf der abnehmenden Amplitude des transmittierten Signals mit zunehmender Belastung kann auf die Sensorflächenform zurückgeführt werden. Die Abnahme der Fläche eines Kreises beschreibt dabei die Amplitudenform. Geht man davon aus, dass die Amplitude des Empfangssignals von der aktiven Sensorfläche abhängt, ist eine Bestimmung von Ausgleichswerten möglich, die den Schädigungsgrad der Probe angeben. Als Ergebnis erhält man eine Darstellung der Schadensgröße und des Schädigungsgrades mit zunehmender Verformung. Bei kleiner Verformung werden zuerst Verbindungen zwischen Matrix und Zuschlag abgelöst, es entstehen also viele Mikrorisse. Dies ergibt damit eine langsame Zunahme der Schadensgröße und einen linearen Verlauf des Schädigungsgrades. Mit zunehmender Belastung wachsen die Risse über die Matrix zusammen, damit nimmt die Schadensgröße zu und der Schädigungsgrad ab. Schließlich kommt es zur Entfestigung des Prüfkörpers, es entstehen Makrorisse. Hierbei nimmt die Schadensgröße signifikant zu, während der Schädigungsgrad kaum noch zunimmt. Das gleiche gilt auch für die Amplitudenauswertung, die bei diesem Verfahren für jede Frequenz ermittelt werden kann und eine Analyse bezüglich Schadensgröße und Schädigungsgrad erlaubt.