Definition der akustischen Impedanz
Die akustische Impedanz (Schallkennimpedanz) Z ist definiert als das Produkt aus der Dichte ρ eines Mediums und der Schallgeschwindigkeit c in diesem Medium:
Z = ρ · c
Die Einheit ist Pa·s/m oder kg/(m²·s), häufig als Rayl (1 Rayl = 1 kg/(m²·s)) angegeben. In der Ultraschallprüfung werden Impedanzen in der Einheit MRayl (Mega-Rayl) ausgedrückt. Die akustische Impedanz beschreibt den Widerstand, den ein Medium der Schallausbreitung entgegensetzt.
Impedanzwerte wichtiger Werkstoffe
Die folgende Übersicht zeigt typische Z-Werte:
- Stahl (Baustahl): Z ≈ 45 MRayl (ρ ≈ 7,8 g/cm³, c ≈ 5900 m/s)
- Aluminium: Z ≈ 17 MRayl (ρ ≈ 2,7 g/cm³, c ≈ 6300 m/s)
- Titan: Z ≈ 27 MRayl (ρ ≈ 4,5 g/cm³, c ≈ 6070 m/s)
- Wasser: Z ≈ 1,5 MRayl (ρ ≈ 1,0 g/cm³, c ≈ 1480 m/s)
- Ultraschallgel: Z ≈ 1,5–1,6 MRayl
- Luft: Z ≈ 0,0004 MRayl (ρ ≈ 1,2 kg/m³, c ≈ 343 m/s)
- PMMA (Plexiglas): Z ≈ 3,2 MRayl
Reflexions- und Transmissionskoeffizient
Trifft eine Schallwelle senkrecht auf eine Grenzfläche zwischen zwei Medien mit den Impedanzen Z₁ und Z₂, teilt sich die Energie in einen reflektierten und einen transmittierten Anteil auf. Der Schalldruckreflexionskoeffizient ist:
r = (Z₂ − Z₁) / (Z₂ + Z₁)
Der Intensitätsreflexionskoeffizient (reflektierte Leistung):
R = [(Z₂ − Z₁) / (Z₂ + Z₁)]²
Der Intensitätstransmissionskoeffizient berechnet sich als T = 1 − R (bei senkrechtem Einfall und verlustfreier Übertragung). An der Grenzfläche Stahl/Luft gilt: R ≈ 1 (nahezu vollständige Reflexion, da Z_Luft ≪ Z_Stahl) — ein Luftspalt zwischen Prüfkopf und Bauteil würde die Schallübertragung vollständig unterbinden.
Bedeutung für die Fehlerdetektierbarkeit
Ein Fehler (Riss, Lunker, Einschluss) ist dann gut detektierbar, wenn sein Impedanzkontrast zum Grundwerkstoff groß ist. Risse und Poren, die Luft oder Gas enthalten, reflektieren den Schall nahezu vollständig. Einschlüsse aus Schlacke oder Oxiden haben eine von Stahl verschiedene Impedanz und liefern je nach Größe ein messbares Echo. Bindefehler ohne Luftspalt (sogenannte kalte Verbindungen) können dagegen nur geringen Impedanzkontrast aufweisen und sind schwerer zu detektieren.
Koppelmittel als Impedanzanpassung
Zwischen Prüfkopf und Bauteiloberfläche muss der Luftspalt durch ein Koppelmittel überbrückt werden, da Luft eine extrem niedrige Impedanz hat. Wasser (Z ≈ 1,5 MRayl) oder Ultraschallgel sind ideale Koppelmittel, da sie flüssig die Oberflächen vollständig benetzen und eine ausreichend hohe Impedanz für eine gute Schallübertragung besitzen. Der Transmissionsgrad von Prüfkopf (Z ≈ 2–5 MRayl, Anpassungsschicht) über Koppelmittel in Stahl ist bei korrekter Kopplung typischerweise besser als −20 dB Einfügedämpfung.