Was ist Schall?
Schall ist eine mechanische Schwingung von Teilchen in einem elastischen Medium. Im Gegensatz zu Licht braucht Schall immer ein Medium (Festkörper, Flüssigkeit, Gas) — im Vakuum gibt es keinen Schall. Die Ultraschallprüfung nutzt Frequenzen zwischen 0,5 MHz und 20 MHz (Hörschall: 20 Hz – 20 kHz).
Wellentypen
Longitudinalwellen (L-Wellen, Druckwellen)
Teilchenbewegung parallel zur Ausbreitungsrichtung. Breiten sich in allen Medien aus (Festkörper, Flüssigkeiten, Gase). Höchste Schallgeschwindigkeit im Festkörper.
- Stahl: cL ≈ 5 920 m/s
- Aluminium: cL ≈ 6 320 m/s
- Titan: cL ≈ 6 100 m/s
- Wasser: cL ≈ 1 480 m/s (Koppelmittel)
Transversalwellen (T-Wellen, Scherwellen)
Teilchenbewegung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. Nur in Festkörpern möglich (Flüssigkeiten und Gase haben keine Scherfestigkeit). Schallgeschwindigkeit etwa halb so groß wie Longitudinalwellen: cT ≈ 3 250 m/s in Stahl. Standardwelle für Winkelprüfköpfe (35°, 45°, 60°, 70°).
Oberflächenwellen (Rayleigh-Wellen)
Elliptische Teilchenbewegung, nur in einer Tiefe von etwa einer Wellenlänge unter der Oberfläche. cR ≈ 0,92 × cT. Sehr empfindlich für Oberflächenfehler, aber störanfällig gegen Geometrie.
Lamb-Wellen (geführte Plattenwellen)
In dünnen Platten und Rohren: Überlagerung von L- und T-Wellen. Symmetrische (S) und antisymmetrische (A) Moden. Nutzbar für große Flächenabdeckung bei dünnen Blechen und Rohren (Guided Wave UT).
Akustische Impedanz
Z = ρ × c (Dichte × Schallgeschwindigkeit), Einheit: Pa·s/m (Rayl)
| Material | Z (MRayl) |
|---|---|
| Stahl | 46,7 |
| Aluminium | 17,3 |
| Wasser | 1,48 |
| Luft | 0,00043 |
| Kunststoff (PE) | 2,0 |
An Grenzflächen mit großem Impedanzsprung (Stahl–Luft) wird fast 100 % des Schalls reflektiert. Deshalb wird Koppelmittel (Wasser, Gel) zwischen Prüfkopf und Werkstück benötigt.
Reflexion und Brechung
Trifft ein Schallstrahl schräg auf eine Grenzfläche, gilt das Snellius-Gesetz:
sin(α₁)/c₁ = sin(α₂)/c₂
Ab dem 1. kritischen Winkel (c₁/c₁L₂) tritt nur noch T-Welle durch. Ab dem 2. kritischen Winkel (c₁/c₂T) entsteht Totalreflexion — der Prüfkopfwinkel wird so gewählt, dass nur T-Wellen ins Prüfmaterial eindringen (Winkelprüfkopf-Prinzip).
Nahfeld und Fernfeld
Der Schallstrahl eines Prüfkopfs ist nicht ideal gebündelt. Im Nahfeld (N = D²/(4λ)) entstehen Interferenzerscheinungen → Empfindlichkeitsschwankungen. Im Fernfeld nimmt die Amplitude mit 1/r ab. Empfindlichkeitsjustierung sollte daher im Fernfeld erfolgen.