Zerstörungsfreie Prüfung von Betonbauteilen mit Ultraschall-Gruppenstrahlern in Verbindung mit statistischer Signalverarbeitung
Final Report Abstract
Für die zerstörungsfreie Prüfung im Bauwesen wurden Grundlagenuntersuchungen für die Anwendung von laufzeitgesteuerten Ultraschall-Gruppenstrahlern durchgeführt. Im Vergleich zu bisherigen Studien wurden die vorliegenden Untersuchungen mit koppelmittelfreien „Punktkontakt-Prüfköpfen“ durchgeführt, die eine schnelle Ankopplung auf Betonoberflächen ermöglichen und dadurch auch den Einsatz der Prüfköpfe in automatisierten Messsystemen einfacher macht. Koppelmittelfreie Punktkontaktprüfköpfe sind sowohl für Transversal- als auch für Longitudinalwellen kommerziell erhältlich. In Experimenten an Halbkugel-Testkörpern und einer Betonstufenplatte mit eingebauten Hüllrohren wurden beide Prüfkopfausführungen getestet; hierbei zeigten sich deutliche Vorteile der Richtcharakteristik und des Signal-Störabstandes des Ultraschall-Transversalwellen-Prüfkopfes, so dass diese Prüfköpfe auch für die Untersuchungen mit den laufzeitgesteuerten Gruppenstrahlern genutzt wurden. Der Aufbau der Prüfkopfarrays erforderte im Vorfeld Modellierungen, um die Anordnung der Prüfköpfe im Array hinsichtlich der gewünschten Schallfeldformung zu optimieren. Hierzu wurden die Modellierungsprogramme auf Basis der Punktquellensynthese dahingehend erweitert, dass nun auch die Berechnungen der Schallfelder, Schallfeldprofile, Richtcharakteristiken und die Simulation der Wellenausbreitung mit Ultraschall-Transversalwellen- Prüfköpfen erfolgen können. Mithilfe von Modellierungsstudien und Vergleichsmessungen wurden Prüfkopfarrays bestehend aus Transversal-Punktkontaktprüfköpfen aufgebaut, mit denen beim Senden das Schallfeld im Betonbauteil formbar ist. Die Funktionstüchtigkeit konnte durch Messungen der Richtcharakteristiken bei unterschiedlichen Schallbündelschwenks und durch Messungen der Wellenausbreitung mithilfe eines Laservibrometers überprüft werden; es zeigte sich in den Messergebnissen eine sehr deutliche Übereinstimmung mit den Simulationen. Außerdem konnte mit dem Messsystem ein in 250 mm Tiefe eingebautes Hüllrohr in einem Betontestkörper bildgebend dargestellt werden. Bei kommerziellen NF-Ultraschallgeräten erfolgt die Prüfkopfanregung üblicherweise durch eine Folge von rechteckförmigen bipolaren Impulsen. Untersuchungen an Betonbauteilen mit gesteuerten Sendesignalen zeigten deutliche Verbesserungen des Signal-Störverhältnisses, so dass ein Gruppenstrahler-Steuergerät aufgebaut wurde, bei dem die angeschlossenen Strahlerelemente mit programmierten Signalen angeregt werden können. Um die Aussagesicherheit der Messergebnisse weiter zu steigern, wurde ein Konzept für die Kombination der Gruppenstrahlertechnik mit einem statistischen Signalverarbeitungsverfahren erarbeitet. In Experimenten an Polyamid- und Betontestkörpern konnte gezeigt werden, dass das Verfahren der blinden Quellentrennung auch in der Ultraschallprüfung im Bauwesen anwendbar ist. Dabei wurden Reflexionen im Betonbauteil wie z. B. ein Rückwandecho oder Echos von Hüllrohren mit speziellen Algorithmen aus dem Ultraschallsignal extrahiert. Es stehen nun die rechnerischen und messtechnischen Werkzeuge zur Verfügung, um die Vorgänge der Schallfeldformung beim laufzeitgesteuerten Gruppenstrahler und die Einflüsse der Prüfkopfanordnung, -anregung und -polarisation auf das Schallfeld zu erforschen und besser zu verstehen. Im Rahmen des Projektes wurde untersucht, unter welchen Bedingungen sich die laufzeitgesteuerte Gruppenstrahlertechnik eine ultraschallgestützte Qualitätssicherung und zerstörungsfreie Zustandsüberprüfung prinzipiell einsetzen lässt. Außerdem konnte das große Potenzial der gesteuerten Sendesignale und der statistischen Signalverarbeitung anhand von Messungen an Betontonbauteilen aufgezeigt werden. Die wissenschaftlichen Erkenntnisse aus den Untersuchungen lassen zukünftig auch einen hohen wirtschaftlichen Nutzen bei der Anwendung der Verfahren zur Qualitätssicherung und Prüfung der Bauwerkssicherheit im Bauwesen erwarten.
Publications
- Schallfeldmodellierung von Ultraschall-Transversalwellen-Prüfköpfen - Modellierung von Prüfkopfarrays mit der Elastodynamischen Finiten Integrationstechnik und der Punktquellensynthese. Z. MP Materials Testing, (2013) Band 55, Heft 11-12, S. 856-864
Mielentz, F.; Feller, V.; Krause, M.; Orglmeister, R. ; Mayer, K.
(See online at https://doi.org/10.3139/120.110510) - Anwendung von gesteuerten Sendesignalen bei Ultraschallmessungen an Beton. In: Tagungsband, Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Zerstörungsfreie Prüfung e.V.,DGZfP Berlin, 2014, ISBN 978-3- 940283-61-0
Feller, V.; Mielentz, F.; Grun, J.; Orglmeister, R.
- Evaluation of a Sound Field Modelling based on Point Source Synthesis Technique for the Design of Ultrasonic Probe Array. In: Proceedings of the 31st DANUBIA-ADRIA Symposium on Advances in Experimental Mechanics. VDI Verein Deutscher Ingenieure e.V. Düssedorf, 2014, ISBN 978-3-00-046740-0.
Feller, V; Mielentz, F.; Orglmeister, R.
- Entmischung von Quellsignalen aus mehrkanaligen Ultraschallmessungen an Beton. tm-Technisches Messen, 2015, Band 82, Heft 9, S. 432–439
Feller, V.; Mielentz, F.; Orglmeister, R.
(See online at https://doi.org/10.1515/teme-2014-0045) - Ultraschallprüfung von Betonbauteilen, Laufzeitgesteuerte Gruppenstrahler mit Punktkontaktprüfköpfen. Z. MP Materials Testing, (2015) Band 57, Ausgabe 4, S. 329-336
Mielentz, F.; Feller, V.; Krause, M.; Orglmeister, R.
(See online at https://doi.org/10.3139/120.110723)
