Frequenz und Durchmesser sind keine Katalogzahlen: Sie entscheiden, wie tief der Impuls reicht, wie dünn das Teil sein kann und wie klein die Fläche, auf die der Prüfkopf aufgesetzt wird.
- ✓ Hohe Frequenz für dünne Wanddicken, niedrige Frequenz zum Durchdringen
- ✓ Kleiner Durchmesser für gekrümmte Oberflächen und begrenzte Aufsetzflächen
- ✓ Nahfeld: die Anfangszone, in der das Schallbündel nicht stabil ist
- ✓ Jede Wahl ist ein Kompromiss zwischen Auflösung und Eindringtiefe
Bei der Wahl eines Ultraschallprüfkopfs erscheinen als erste zwei Größen die Nennfrequenz und der Durchmesser des aktiven Elements. Es sind die beiden Parameter, die mehr als alle anderen festlegen, was dieser Prüfkopf können wird: welche Dicke er liest, mit welcher Auflösung, auf welcher Geometrie er aufgesetzt werden kann und in welchen Werkstoffen er bis zur Rückwand kommt. Es gibt keine absolut beste Kombination, denn jede Wahl gewinnt etwas und verliert etwas anderes.
Die Frequenz bestimmt die Wellenlänge des im Werkstoff laufenden Impulses. Eine hohe Frequenz erzeugt eine kurze Wellenlänge, und eine kurze Wellenlänge erlaubt es, sehr dicht aufeinanderfolgende Echos zu unterscheiden: Das ist die notwendige Bedingung für die Messung kleiner Dicken, bei denen das Rückwandecho sehr kurz nach dem Sendeimpuls zurückkehrt. Derselbe Impuls wird jedoch schnell gedämpft: Die hochfrequenten Anteile werden von der Werkstoffstruktur gestreut, und bei einem dicken Teil oder einem grobkörnigen Werkstoff ist die Energie erschöpft, bevor sie zum Prüfkopf zurückkehrt.
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Eine niedrigere Frequenz bewirkt das Gegenteil. Die Wellenlänge wächst, die Auflösung verschlechtert sich und die minimal messbare Dicke steigt, doch der Impuls durchquert den Werkstoff mit weit geringeren Verlusten. Deshalb sind niederfrequente Prüfköpfe die zwingende Wahl bei Gusseisen, Verbundwerkstoffen, Kunststoffen und generell bei allem, was das Bündel streut, während hochfrequente Prüfköpfe zur Welt der Präzisionsmessung an feinen Werkstoffen und bearbeiteten Oberflächen gehören.
Was sich mit den Parametern ändert
| Parameter | Auswirkung auf die Messung |
|---|---|
| Hohe Frequenz | Bessere Auflösung und geringere Mindestdicken, geringere Eindringtiefe |
| Niedrige Frequenz | Höhere Eindringtiefe in dämpfenden Werkstoffen, geringere Auflösung |
| Großer Durchmesser | Mehr übertragene Energie, erfordert aber eine große, ebene Aufsetzfläche |
| Kleiner Durchmesser | Zugang zu gekrümmten Oberflächen und engen Stellen, insgesamt schwächeres Signal |
| Nahfeld | Anfangszone mit unregelmäßiger Amplitude: beeinträchtigt Messungen sehr nahe an der Oberfläche |
Durchmesser und Geometrie des Teils
Der Durchmesser des aktiven Elements bestimmt, wie viel Energie in das Teil eintritt und wie groß die Kontaktfläche ist. Ein großer Schwinger überträgt mehr und begünstigt schwierige Messungen, verlangt aber eine ebene, freie Fläche zum Aufsetzen: An einem Rohr kleinen Durchmessers erfolgt der Kontakt nur entlang einer Mantellinie, die Ankopplung nimmt ab und die Messung wird instabil.
Ein kleiner Schwinger löst das geometrische Problem und erreicht sonst unzugängliche Stellen, um den Preis eines schwächeren Signals. Bei engen Krümmungen ist der Prüfkopf mit kleinem Durchmesser daher oft der einzig praktikable, und das ist der Grund, warum der Katalog der Prüfköpfe mehrere Formate für dieselbe Frequenz anbietet.
Das dritte Element ist das Nahfeld. Im ersten Teil des Schallwegs ist das vom Schwinger erzeugte Bündel noch nicht gleichmäßig: Die von den verschiedenen Punkten der aktiven Fläche ausgesandten Wellen interferieren miteinander, und die Amplitude schwankt unregelmäßig von Punkt zu Punkt. Erst jenseits dieser Entfernung stabilisiert sich das Bündel und beginnt, geordnet zu divergieren. Die Ausdehnung des Nahfelds wächst mit Durchmesser und Frequenz, und das ist der physikalische Grund, warum ein großer, hochfrequenter Prüfkopf nicht für sehr kleine Dicken geeignet ist: Die zu messende Zone läge genau dort, wo das Bündel am wenigsten stabil ist. Die übliche Lösung ist eine zwischengeschaltete Vorlaufstrecke, die das Nahfeld in das Vorlaufmaterial verlegt und dem Teil nur den nutzbaren Teil des Bündels überlässt.
Empfohlene Geräte
| Produkt | Warum es relevant ist |
|---|---|
| Prüfköpfe für Präzisions-Dickenmessgeräte | Hohe Frequenzen und kleine Durchmesser für dünne Wanddicken und feine Werkstoffe |
| Prüfköpfe für Korrosions-Dickenmessgeräte | Formate und Frequenzen für reale Oberflächen und nicht ebene Geometrien |
| Dakota PZX1-DL | Präzisionsmessung an dünnen Substraten, wo das Nahfeld entscheidend ist |
| Kalibrierblöcke | Referenzen bekannter Dicke zur Überprüfung des Ansprechverhaltens des gewählten Prüfkopfs |
Häufige Fragen
Nein. Eine hohe Frequenz verbessert die Auflösung und senkt die minimal messbare Dicke, wird aber schnell gedämpft: Bei grobkörnigen Werkstoffen oder großen Dicken kann das Rückwandecho ausbleiben. Die Frequenz wird nach Werkstoff und erwarteter Dicke gewählt.
Weil ein Prüfkopf mit großem Durchmesser auf einer stark gekrümmten Oberfläche nur entlang einer Linie aufsitzt und die Ankopplung nur teilweise gelingt. In diesen Fällen verwendet man einen Prüfkopf mit kleinem Durchmesser, der sich der Krümmung besser anpasst.
Es ist der Anfangsabschnitt des Bündels nahe am Schwinger, in dem die Amplitude durch Interferenzen unregelmäßig ist. Messungen in dieser Zone sind wenig zuverlässig: Deshalb werden bei sehr kleinen Dicken Prüfköpfe mit Vorlaufstrecke eingesetzt.
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