Lamb-Wellen in der zerstörungsfreien Prüfung
Lamb-Wellen (auch: Plattenführungswellen) sind elastische Ultraschallwellen, die sich in dünnen Platten oder schalenförmigen Strukturen ausbreiten, wenn die Plattendicke in der Größenordnung der Wellenlänge liegt. Sie sind nach dem britischen Mathematiker Horace Lamb benannt, der sie 1917 theoretisch beschrieb.
Physikalische Grundlagen
Lamb-Wellen entstehen durch Überlagerung von Longitudinal- und Transversalwellen an den Grenzflächen einer dünnen Platte. Sie existieren in zwei grundlegenden Modentypen:
- Symmetrische Moden (S₀, S₁, S₂ ...): Die Mittelebene der Platte schwingt in Ausbreitungsrichtung. Bei niedriger Frequenz×Dicke (fd-Produkt) verhalten sich S₀-Moden ähnlich wie Longitudinalwellen.
- Antisymmetrische Moden (A₀, A₁, A₂ ...): Die Plattenoberflächen schwingen in entgegengesetzter Phase. A₀ verhält sich bei niedrigem fd wie eine Biegewelle und ist sehr empfindlich für Oberflächendefekte.
Ein charakteristisches Merkmal der Lamb-Wellen ist die Dispersion: Die Phasen- und Gruppengeschwindigkeit hängen vom Produkt aus Frequenz und Plattendicke ab. Dies erfordert sorgfältige Modenauswahl und Signalauswertung.
Fernbereichsprüfung mit geführten Wellen
Der entscheidende Vorteil von Lamb-Wellen in der ZfP ist ihre Fähigkeit zur Fernbereichsprüfung: Eine einmalige Prüfkopfposition ermöglicht die Detektion von Ungänzen über Entfernungen von mehreren Metern bis hin zu 100 m (bei optimaler Materialbeschaffenheit und Geometrie). Dies ist mit konventionellem Ultraschall nicht möglich.
Anwendungsfelder
- Rohrleitungsprüfung (Guided Wave Testing, GWT): Korrosionsdetektion über große Längen, auch unter Isolierung (CUPS-Anwendung). Standardisiert nach ASME Code Case 2235 und BS 9690.
- Plattenprüfung: Bodenkontrolle von Lagertanks und Behältern
- Schienenprüfung: Rissdetektion in Eisenbahnschienen über große Strecken
- Flugzeugstrukturen: Prüfung von Rumpffeldern und Flügelschalen auf Korrosion und Ermüdungsrisse
- Windenergieanlagen: Rotorblatt-Überwachung und Turmprüfung
Prüftechnik und Transducer
Zur Anregung von Lamb-Wellen werden häufig piezoelektrische Wandler in schräger Anordnung, Kammwandler (Comb Transducers) oder elektromagnetische Schallwandler (EMAT) eingesetzt. Die Anregungsfrequenz wird gezielt so gewählt, dass ein bestimmter Lamb-Wellenmodus dominiert. Typische Prüffrequenzen liegen zwischen 20 kHz und 500 kHz.
Signalauswertung und Herausforderungen
Die dispersive Natur der Lamb-Wellen erfordert spezielle Auswerteverfahren wie die Kurzzeit-Fourier-Transformation (STFT) oder Wavelet-Analyse. Strukturelle Änderungen (Schweißnähte, Verstärkungen, Krümmungen) erzeugen Reflexionen und Modenkonversionen, die von echten Fehlersignalen unterschieden werden müssen. Temperaturänderungen beeinflussen die Schallgeschwindigkeit und damit die Signallaufzeiten.