Schallemission und Energie

Die bei einem Prozess induzierten Schalleistungen sind nicht nur von äußeren Objektparametern (OP) abhängig, sondern noch entscheidender von der Art des Stoffes, der inneren Struktur, Korngrößen, Versetzungen, inneren Spannungen, vorhandenen Gleitlinien, inneren Einschlüssen usw.. Mangels hinreichender Kenntnisse über den konkreten Einfluss all dieser inneren Parameter wird der stoffabhängige Einfluss in einem Faktor Energiedichte S (Gleichung 8) zusammengefasst. Sie wird durch die Art und den Zustand des emittierenden Stoffes bestimmt. Für die Diagnostik ist dies ein bedeutender Parameter. Die potentielle Schallenergiedichte S gibt eine mittlere Energie an, die unter den aktuellen Bedingungen für jede aktivierte Volumeneinheit des Objektstoffes bei einem Erregungsprozess zu erwarten ist. Sie charakterisiert den Stoff und dessen Struktur, die inneren Parameter des Objektes. Gelingt für ein Objekt die Bestimmung dieses Parameters, so ist eine vergleichbare Messung zu erwarten.

Da die potentielle Energiedichte S vom Zustand und der Art der beteiligten Stoffe abhängt, jede Beanspruchung (BA) des Objektes aber eine Zustandsveränderung des Objektes bewirken kann, muss die Veränderung dieses Parameters mit der Geschichte der Beanspruchung, der Nutzungsdauer t des Objektes parallel laufen. Die potentielle Schallenergiedichte spiegelt die Geschichte der Beanspruchung des Objektes vom Zeitpunkt der Herstellung (t= 0) bis zum Ende der Lebensdauer τ wieder. Der Schadensverlauf eines Objektes wird aus der Funktion S = S (t) für t= 0 - τ ablesbar. Diese Funktion ist aber nicht auf einfachem Wege bestimmbar, da jede Beanspruchung auf die innere Struktur des Stoffes einwirkt. Keine Einwirkung ist wegen der unmittelbar folgenden Veränderung der inneren Spannungen wiederholbar.

Bild 1: Kaisereffekt bei einer Wasserdruckprobe. Druck (p/Pa) und SE(SP/V) über der Zeit (t/S). BMT = Bleistiftminentest.

Das erklärt den bekannten nach Kaiser (Artikel 3) benannten Effekt (Bild 1), der besagt, dass bei der aller ersten Materialbeanspruchung eines strukturierten Objektes, das Erscheinungsbild der SE charakteristisch für das spezielle Objekt und den Herstellungsprozess ist. Die zweite neu erzeugte Beanspruchung am gleichen Objekt aber erst wieder SE-Erscheinungen liefert, wenn die vorangegangene Beanspruchung in der Intensität übertroffen wird oder ganz anderer Art ist oder weitere Schädigungen in der Zwischenzeit eingetreten sind. Der Bleistiftminentest (BMT) (siehe Testmethoden) wird durchgeführt, um sicher zu gehen, dass die Messanordnung gleich empfindlich ist (Bild 1). Der BMT ist sehr einfach durchzuführen, eine Bleistiftmine wird auf dem Objekt abgebrochen.

Die potentielle Schallenergiedichte S ist von der Herstellung, der Vorgeschichte des Prüfobjektes und der entstandenen Strukturierung abhängig. Die sehr unterschiedlichen Lebensdauern τ der Objekte auch bei extrem gleichen Beanspruchungen (Versuchsbedingungen) zeigen, das jedes Objekt individuell als spezielles, nicht vergleichbares Medium zu behandeln ist. Die Forschungskonzepte sind entsprechend auszurichten, da eine einfache Reproduzierbarkeit der Versuche, wie bei den meisten Erforschungen vorausgesetzt wird, nicht zu erwarten ist. Hier hilft oft nur ein Korrelationskonzept oder ein Ganzheitskonzept (Siehe SE-Konzepte). Die Herstellung von einfachen Prüfobjekten gelingt momentan nicht mit hinreichend identischer Vorgeschichte, um Objekte mit gleicher potentieller Schallenergiedichte S herzustellen (Artikel 11). Mit den momentan genutzten Messparametern sind bei der Herstellung von Prüfkörpern keine übereinstimmende Schallenergiedichten zu erreichen. Ganz offensichtlich reichen die bisher genutzten Zustandsgrößen unserer Objekte noch nicht für die SE-Charakterisierung des Momentanzustandes des Objektes aus. Das zeigen zahlreiche Schallemissionsuntersuchungen an normierten Zugproben bei gleichen Bedingungen der Zugbeanspruchung in den verschiedensten Forschungslabors. Obwohl gleiche Beanspruchungen an den Prüfobjekten ausgeführt wurden, gelang es nicht gleiche Schallenergiedichten (SE-Bilder) zu erhalten. Nur durch eine Normierung der Ergebnisse auf die Gesamtenergie der Beanspruchung werden reproduzierbare Faktoren erhalten. Die intern sich ausbildenden Eigenspannungen eines jeden Objektes dominieren und geben jedem Objekt seinen eigenen Charakter.

In die akustischen Aktivierungsprozesse sind Zustandsveränderungen in den Gitterebenen, an den Korngrenzen, Eigenspannungen in Mikrobereichen des Objektes mit einbezogen. Somit ist eine Zustandsgröße erforderlich, die diese Bereiche erfasst, wenn eine Reproduzierbarkeit der Effekte erreicht werden soll. Ist S eine Größe, die in den Mikrobereichen den Aktivierungszustand charakterisiert, so muss sie für jeden Punkt im Objekt durch einen Ortsvektor (r) angezeigt werden ( S = S (r) ). Für eine exakte Entwicklung von S ist eine zeit- und ortsbezogene Zustandsgröße S (t,r) von Bedeutung . Somit gilt:

Die potentielle Schallenergiedichte ist somit als Zustandsgröße zu betrachten, die bestimmte Objekteigenschaften charakterisiert. Sie ist für das Schallemissionsgeschehen im Objekt verantwortlich. Die individuellen Eigenspannungen, die Korngrößen, die Versetzungsstrukturen, Stoffgrenzen usw. bestimmen S. Solange keine differenzierte durch Quellenortung unterstützte örtliche Analyse möglich ist, muss S für kleinere Prozessgebiete gemittelt werden. Die Funktion      S (t) zeigt die Entwicklungsgeschichte des Objektes vom Zeitpunkt der Herstellung (t = 0 ) bis zum Nutzungsende, der Lebensdauer τ des Objektes an.

Bild 2: Die gleiche Energiedichte wird nur sehr selten auftreten, wie der Volltreffer im Lotto. Dazu sind spezielle Objekterzeugungen erforderlich.

Betrachten wir zuerst ein homogenes, unendlich ausgedehntes Objekt. Alle Struktureigenschaften (Korngrenzen, Gleitbahnen, Eigenspannungen entfallen), Reflexionen und Streuungen an Poren, Ungänzen und Stoffgrenzen entfallen. Das ist bei flüssigen und gasförmigen Stoffen im allgemeinen gegeben. Der photoakustische Effekt beruht auf der Ausbildung von Schallwellen in einer Gasprobe nach einer Strahlungsabsorption. Zu Schwingungen angeregte Moleküle reagieren bei Normaldruck bevorzugt strahlungslos durch Stöße und die optische Anregungsenergie wird in Wärme (kinetische Energie der Moleküle ) umgewandelt. Das durch die Stöße verursachte Schallsignal lässt sich mit empfindlichen Schallwandlern messen. Die Signalamplituden sind der absorbierten Energie proportional. Die photo-akustische Spektroskopie (PAS) hat sich als besonders leistungsfähiges Werkzeug beim Spurengasnachweis erwiesen. (Artikel 12)

Für den Bleistiftminen-Test (BMT) und den Test mit einem Schallwandler, der als Schallgeber (SG) eingesetzt wird, kann aufgrund der geringen Leistungen vermutet werden, das keine wesentlichen Struktur-Beanspruchungen erfolgen. Ist das Objekt zudem noch hinreichend Groß, so sind zu Beginn des Vorganges noch keine Störungen durch Reflexion an Ungänzen oder Stoffgrenzen zu erwarten. Für die Übertragung der Schallenergie ist die Schallintensität J ( Gleichung 7 ) der maßgebende Parameter. Mit  Gleichung 6 für die Schallintensität und die Schallschnelle v folgt für die Schallenergiedichte w = p v / c. Mit Gleichung 4 für den Schallwechseldruck p folgt: Die vorhandene Schallenergiedichte ist: w = Zv² / c. Hierbei ist Z die Schallkennimpedanz und c die Schallgeschwindigkeit im Objektmaterial. Zum Vergleich von BMT und SG an Objekten mit verschiedenem Material kann die unterschiedliche Schallenergiedichte des Materials herangezogen werden. Die von den einzelnen Testgeneratoren in das Objekt eingetragene Schallschnelle ist unbekannt. Wir können jedoch die Relationen zu einer Bezugsschallschnelle v ₀ erstellen. Wählen wir beliebig, sinnvoll für v ₀ = 1 μm / s aus, so wird die Schallenergiedichte für die Bezugsschallschnelle gleich : w_o =(Z / c) vo². Mit diesen Randbedingungen kann eine Standard-Primärschall-Quelle  ( SPQ ) mit G₀ = 1 (μm)³ und einem Prozessverlauf von U₀ = 1 (μs)^-1. Für die SPQ gilt, wenn unter der Voraussetzung einer nicht strukturverändernden Schalleinführung, die Bezugsschallschnelle v₀ eingetragen wird, ist die potentielle Schallenergiedichte S₀ = w_o. In erster Näherung, in der Zeit bis zur ersten Reflexion an einer Ungänze oder Stoffgrenze, gilt:

Aussagen über die potentielle Schallenergiedichte S (r)sind bei strukturierten Objekten zu erhalten, wenn man zwei gleiche Belastungszyklen durchführt (Bild 3). Diese sollten aus einer linear ansteigenden, einer konstanten und einer linear fallenden Beanspruchung (BA) bestehen. Überschwingungen, die in allen BA-Phasen gleich auftreten, gehören mit großer Wahrscheinlichkeit nicht zu den gesuchten Signalen. In Bild 3 treten bei °C in allen Phasen gleichartige Überschwinger auf, die deshalb sicher nicht aus der Probe stammen. Sicherlich befinden sich im Kühlmittel und an der Apparatur geringe Spuren von Wasser, die hier auskristallisieren (Artikel 13 ).
Bei metallischen Werkstoffen fallen im 2. Beanspruchungszyklus Primärschallquellen weg, die dem Kaisereffekt unterliegen. In diesem Zyklus ist deutlich zu erkennen, das die Signalaktivität mit spröder werdendem Zustand (niedrigeren Temperaturen) in der 3. Phase deutlich zunimmt.
Mit sinkender Verformungstemperatur verringert sich die innere Energie in der Probe. Die Beweglichkeit der Versetzungen wird geringer. Das führt zu einer erhöhten, inneren, elastischen Verformung. Bei Auflösung dieser erhöhten Eigenspannungen entstehen kräftigere PQ. Mit zunehmender Versprödung (geringeren Temperaturen ) nimmt im 1. Zyklus die SE-Aktivität deutlich zu.
Im zweiten BA ist in der 1. Phase deutlich zu erkennen, das bei geringeren Temperaturen zunehmende Schädigungen gegen Ende der 1. Phase auftreten, die nicht mehr elastisch ausgeglichen werden. Diese Schädigungen machen sich in der dritten Phase durch Setzungsgeräusche deutlich bemerkbar.

Nach Artikel 13 sind in der ersten BA-Phase vier Bereiche zu unterscheiden (Bild 4). Der 1. Verformungsbereich reicht von 0 -50% der BA-Grenze. Der Abbau der Eigenspannungen ist Ursache der PQ. Signalaktivität, die bis zu einem Maximum ansteigt und wieder auf Null abfällt. Sie steigt mit sinkender Temperatur. Im 2. Verformungsbereich (50% - BA-Grenze) treten mehrere Maxima der Signalaktivität auf. Die PQ werden erzeugt durch Anpassung der Versetzungs-Struktur, durch Leerstellendiffusion und Kleinbereichsfließen. Sie nimmt mit zunehmender Versprödung und zu Ende des Bereiches zu. Im 3.Bereich beginnt die plastische Verformung. Die Signalaktivität ereicht das höchste Maximum der ersten Phase. Ursachen der PQ sind Vervielfachung und Beschleunigung der Versetzungen. Der 4. Bereich ist durch plastische Verformung mit Querschnittsveränderungen gekennzeichnet. PQ entstehen durch Überwindung von Versetzungsaufstauungen, Vergrößerung der plastischen Zone und eintretende Trennvorgänge.

Wird die Darstellung der 1.Phase mit geringem zeitlichem Auflösungsvermögen dargestellt erscheint nur ein einziges Maximum im Bereich der Plastifizierung der Probe. (Artikel 14) Dieser Bereich kann optisch sichtbar gemacht werden. (Seite : Emissionsbilder) Wird die BA bis zum Bruch durchgeführt, nimmt die SE-Signalrate R _Sig im Bereich zunehmender Beanspruchung ab und bleibt bis zum Einsetzen erster Strukturschäden konstant. Die Bruchgrenze kündigt sich durch wieder ansteigende Signalrate R _Sig und wachsende Signalamplitude an. Die PQ am Riss können im einzelnen analysiert werden. In Bild 5 ist das SE-Verhalten schematisch im Spannungs-Dehnungs- Diagramm für einen typischen Behälter-Stahl aufgezeichnet. (Artikel 15)

Die gepunktete Schallemissionskurve ist die mittlere, potentielle Schallenergiedicht S (D) über das Prüfobjekt gemittelt. D ist die Dehnung die am Objekt erfolgt. Der Prozessverlauf U ist die Versuchszeit für die Dehnung und G das Prozessgebiet, das Gebiet der Plastifizierung. Hiermit sollte eine Beschreibung der Schalleistung gemäß Gleichung 8 möglich werden. Für Faser-Verbund-Werkstoffe ( F V W ) liegen andere Strukturen vor und somit sind andere Primärschallquellen PQ wirksam. PQ aus Eigenspannungen die dem Kaisereffekt unterliegen spielen nur eine untergeordnete Rolle zu Beginn der BA. Die Trennung der Matrix von der Faser, Faserbrüche usw. bilden hier ganz andere PQ, die wesentlich aktiver und intensiver zunehmen als das bei den Metallen der Fall ist. Mit Beginn einer ersten Schädigung folgt ein schneller Aktivitätsanstieg (Artikel 15)(Bild 6).

Für viele Werkstoffe wurden charakteristische PQ herausgefunden z.B. Beton, Knochen, Textilien, Holz usw.. In den sehr unterschiedlichen Forschungsbereichen, die bereits die SEA eingesetzt haben, wurden recht unterschiedliche Verfahren für die SE-Überwachung, die SEP und die SE-Diagnostik entwickelt. Sie alle sind im Detail zu beurteilen und einer einheitlichen Bewertung zu unterwerfen.

Gleichung 1:SE-funktion
Gleichung 2:Scallwechseldruck und Dichte
Gleichung 3:Schallwechseldruck und Schallschnelle>
Gleichung 4:Schallwechseldruck und Schallkennimpedanz
Gleichung 5:Effektiver Schallwechseldruck

Gleichung 6:Schallintensität und Schallschnelle
Gleichung 7:Schallintensität und Schallenergiedichte
Gleichung 8:Schalleistung einer Primärschallquelle
Gleichung 9:Geometrischer Schwächungsfaktor
Gleichung 10:Einheit der Signalaktivität

Gleichung 11:Wandlungsgröße für elektrische Spannung in mechanischen Druck
Gleichung 12:Signalenergie
Gleichung 13:Signalleistung
Gleichung 14:Signalintensität
Gleichung 15:SE-Spannungs-Pegel
Gleichung 16:SE-Spannungs-Level
Gleichung 17:Pot.Schallenergidichte
Gleichung 18:Standard-Primärschall-Quelle

Tabelle 1: Schallbereiche induzierender Prozesse.
Tabelle 2: Dichte, Schallgeschwindigkeit, Schallimpedanz
Tabelle 3: Wellenmoden und Schallgeschwindugkeiten
Tabelle 4: Werkstoffkenngrößen
Tabelle 5: SE-Signalparameter.

Zur Einführung    

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