Akustische Emission (AE/AT)
Die Akustische Emissions-Prüfung (AE, auch AT — Acoustic Testing) ist ein passives Verfahren der Zerstörungsfreien Prüfung, das auf der Detektion von transienten elastischen Wellen basiert, welche im Werkstoff selbst entstehen. Im Gegensatz zu aktiven Verfahren wie Ultraschall oder Röntgen sendet der Prüfer keine Energie ein — stattdessen wird die vom Bauteil unter Belastung abgegebene Energie aufgezeichnet.
Physikalisches Prinzip
Wenn in einem Werkstoff ein irreversibler Mikrostrukturprozess abläuft — etwa Risswachstum, Versetzungsbewegung, Martensitumwandlung oder Delamination —, wird lokal gespeicherte elastische Energie schlagartig freigesetzt. Diese Energiefreisetzung erzeugt transiente Spannungswellen (Frequenzbereich typischerweise 20 kHz bis 1 MHz), die sich durch den Festkörper ausbreiten und an der Bauteiloberfläche als winzige Schwingungen (Amplituden im Nanometerbereich) messbar sind. Piezoelektrische Sensoren wandeln diese mechanischen Schwingungen in elektrische Signale um, die anschließend verstärkt, gefiltert und analysiert werden.
Kaiser-Effekt und Felicity-Effekt
Der Kaiser-Effekt (benannt nach dem deutschen Physiker Josef Kaiser, 1950) beschreibt die Beobachtung, dass ein Werkstoff unter wiederholter Belastung erst dann erneut AE-Aktivität zeigt, wenn die zuvor erreichte maximale Last überschritten wird. Dieses Phänomen wird genutzt, um bereits beanspruchte Strukturen von unbelasteten zu unterscheiden.
Zeigt ein Bauteil dagegen bereits vor Erreichen der Vorlast erneut Emissionen, spricht man vom Felicity-Effekt. Er gilt als Anzeichen für fortgeschrittene Schädigung und wird durch den Felicity-Ratio quantifiziert (Verhältnis aus der Last, bei der erneute AE beginnt, zur vorherigen Maximallast). Ein Felicity-Ratio kleiner 1 ist ein Warnsignal.
Sensoren und Messkette
Typische AE-Sensoren sind resonante oder breitbandige piezoelektrische Aufnehmer, die mit Koppelmittel auf die Bauteiloberfläche aufgeklebt oder aufgeschraubt werden. Die Messkette umfasst:
- Piezoelektrischer Sensor (Frequenzbereich 50–500 kHz typisch)
- Vorverstärker (40–60 dB Verstärkung, möglichst sensornah zur Minimierung von Leitungsrauschen)
- Bandpassfilter (Unterdrückung von Körperschall außerhalb des Nutzbereichs)
- Mehrkanal-Datenerfassungssystem mit Zeitstempelung der Ereignisse
- Software zur Quelllokalisierung und Signalanalyse
Quelllokalisierung
Durch den Einsatz von mindestens zwei (bei 1D-Strukturen) oder drei bis vier Sensoren (bei Flächen) lässt sich die Quelle eines AE-Ereignisses über die Laufzeitdifferenzen (Time of Arrival, TOA) triangulieren. Die Genauigkeit hängt von der Schallgeschwindigkeit im Medium und der Sensorgeometrie ab.
Anwendungen
Druckbehälter und Rohrleitungen
AE-Prüfungen werden routinemäßig bei der Druckprüfung von Druckbehältern eingesetzt, um aktives Risswachstum in Echtzeit zu detektieren. Der Vorteil gegenüber konventionellen Verfahren: die gesamte Struktur wird simultан überwacht.
Brücken und Tragwerke
Langzeitmonitoring von Stahlbrücken unter Verkehrslast erlaubt die frühzeitige Erkennung von Ermüdungsrissen in Schweißnähten und Knotenblechen.
Composite-Werkstoffe
Bei faserverstärkten Kunststoffen (CFK, GFK) ermöglicht AE die Unterscheidung verschiedener Schädigungsmechanismen (Faser-Matrix-Ablösung, Faserbruch, Delamination) anhand der Signalcharakteristik (Frequenzgehalt, Amplitude, Anstiegszeit).
Weitere Anwendungen
AE wird auch in der Geotechnik (Hangrutschüberwachung), bei der Überwachung von Werkzeugmaschinen (Werkzeugverschleiß) sowie in der Kerntechnik eingesetzt.
Norm EN 13554
Die europäische Norm EN 13554 legt die allgemeinen Grundsätze für die Akustische Emissions-Prüfung fest: Anforderungen an Ausrüstung, Kalibrierung, Durchführung und Beurteilung von AE-Prüfungen an Druckgeräten. Ergänzt wird sie durch produktspezifische Normen (z. B. EN 15856 für Grundsätze der AE-Prüfung allgemein).