Allgemeines zu den Messverfahren

Allgemeines
Autor: GEOTRON-ELEKTRONIK	Verfasst: 1999 / 2005
Normen: Prüfung von Beton in Bauwerken - Teil 4: Bestimmung der Ultraschallgeschwindigkeit; Deutsche Fassung EN 12504-4:2004 Prüfverfahren für Naturstein - Bestimmung der Geschwindigkeit der Schallausbreitung; Deutsche Fassung EN 14579:2004
Zur Bestimmung der Ausbreitungsgeschwindigkeiten elastischer Wellen in Gestein und Beton werden grundlegend folgende Verfahren unterschieden. Dabei ist für die jeweilige Messaufgabe die dargestellte Prüfkopfanordnung nutzbar.
	Die Durchschallungs- oder Transmissionsmessung ist die am häufigsten angewandte Prüftechnik und dient der Ermittlung von Longitudinalwellengeschwindigkeit VP, der Gleichmäßigkeit bzw. Homogenität, dem Dämpfungsverhalten und akustischem Übertragungsverhalten des Prüflings. Die Messstrecke kann je nach Prüfkopfwahl zwischen wenigen Zentimetern und 3-5 Metern liegen.
	Die Oberflächenmessung wird bei nur einseitig zugänglichem Prüfling oder zur Bestimmung von Verwitterungstiefen eingesetzt. Dabei kann zusätzlich zu VP die Geschwindigkeit der Transversal- und Rayleighwelle ( VS , und VR ) bestimmt werden. Als Variante dazu ist auch eine Ankopplung über Ecke d.h. diagonal möglich.
	Zur Risstiefenmessung wird wie bei der Oberflächenmessung einseitig und in kurzer Entfernung vom Rissrand angekoppelt. Es wird mit relativ hoher Verstärkung und mit hoher Messfrequenz z.B. 250 kHz beginnend, der Einsatz der P-Welle bestimmt. Aus der zuvor an gesundem Material bestimmten VP kann die Umweg-Laufstrecke und folgend die Risstiefe des offenen Risses bestimmt werden.
	Die Reflexionsmessung, in der Metallprüfung als Impuls-Echo-Verfahren die wichtigste Prüftechnik, kann in der Beton- u. Steinprüfung nur in Einzelfällen eingesetzt werden. Die Gründe dafür liegen am Prüfobjekt selbst und sind auf Inhomogenitäten ( Zuschlagstoffe, Risse ), hohe Schallabsorption ( Porosität ) und unzureichende Reflexionshorizonte ( unebene Rückwand ) zurückzuführen. Eine Sonderstellung nimmt das verwandte Resonanzverfahren ein, welches zur E-Modul-Bestimmung eingesetzt wird.
Zusammenfassung der Wellenarten: VP = Pressure-wave = Druckwelle oder Longitudinalwelle VD = Dilatation-wave = Dehnwelle oder Stabwelle da nur bei entspr. Geometrie vorhanden VS = Shear-wave = Scherwelle oder Transversalwelle VR = Rayleigh-wave = Oberflächenwelle oder Rayleighwelle, benannt nach Ihrem Entdecker Die Querkontraktionszahl stellt den verbindenden Parameter zwischen den einzelnen Schallgeschwindigkeiten im Festkörper dar. Ausgehend von der schnellsten Wellenart, der Logitudinalwelle, welche beispielsweise mit 100% bewertet wird, bestimmt die Querkontraktionszahl als Materialkonstante das Verhältnis zu den anderen Schallgeschwindigkeiten, z.B. Dehnwelle ca. 90%, Scherwelle ca. 60% und Oberflächenwelle ca. 50% bei µ= 0,2. Nähere Erläuterungen dazu finden Sie dazu auch HIER. In diesem Dokument zeigt ein Nomogramm den prinzipiellen Zusammenhang der Schallgeschwindigkeiten. Auswirkung der Material - Inhomogenität auf die Übertragung von Ultraschallsignalen
Beton (heterogen)	feiner körnig u. kristalliner Stein (homogen)
niedrige Frequenz / große Wellenlänge 40kHz / 10cm geringe Dämpfung / keine Richtwirkung	hohe Frequenz / kleine Wellenlänge 500kHz / 8mm hohe Dämpfung / gute Richtwirkung
Bei der Ultraschallprüfung von Stein und Beton muss ein Kompromiss zwischen Materialdämpfung und Richtwirkung der Prüfköpfe eingegangen werden. In der Regel muss die Prüffrequenz im Bereich von 20..250 kHz liegen, wobei eine Richtwirkung des Schallstrahles vollständig verloren geht. Aus diesem Grund wird fast ausschließlich in Transmission, d.h. in Durchschallung gemessen. Die ermittelte Laufzeit der Longitudinalwelle wird zur Berechnung der Schallgeschwindigkeit genutzt, da diese primär mit den Gefüge- und Materialeigenschaften korreliert ist.
Das Prinzip einer Laufzeitmessung