Die Reproduzierbarkeit eines Versuches ist bisher immer noch der beste und sicherste Beweiß für die  weitgehende physikalische Erkenntnis und Beherrschung eines Prozesses. Da die Reproduktion der SE- Versuche nicht generell funktioniert (Kaisereffekt) , müssen andere Konzepte [1] zur Erarbeitung von SE-Anwendungen eingesetzt werden. Die drei wichtigsten, das Ganzheitskonzept, das Korrelationskonzept und das Linearkonzept, werden kurz erläutert.

Das Ganzheitskonzept ist auf eine Bewertungsfunktion B( S) einer Black Box (eines Schwarzen Kastens)gerichtet. Das Bewertungssystem mit Systemparametern S ist die Gesamtheit von Beanspruchungen, Primärschallquellen, Objekt,Schallwandler und Auswertungssystem. Die Eingangsgrößen E (t) werden bei gegebenen Systemparametern (S) in definierte Ausgangsgrößen A(t) überführt. Die bei der Beanspruchung erzeugten Eingangsgrößen E (t) induzieren Primärschall - Quellen. Durch das Objekt, den Schallwandler und das Auswertungssystem werden bestimmte Schallgrößen ausgefiltert und messbare Ausgangsgrößen A (t) geliefert. Die Untersuchungen konzentrieren sich auf allgemeingültige Aussagen über das Verhältnis von 

B (S) = A (t ) / E (t)

Bei gleichen Objekten, Schallwandlern und Auswertungssystemen darf in erster Näherung mit nur kleinen Veränderungen der Systemparametern  gerechnet werden. Treten bei einer durchschnittlichen Produktionsbeanspruchung neue Primärschallquellen auf, so verändern diese die Bewertungsfunktion B (S) , wenn ein geeignetes Auswertungssystem angeschlossen wurde.

Bild1 : Ganzheitskonzept

In gezielten, meist recht aufwändigen Versuchsreihen ist zu ermitteln in welchen Grenzen sich die Produktions-Beanspruchungen E (t) und die damit gekoppelten Ausgangsgrößen A (t) verändern dürfen, wenn nur tolerierbare Defekte am produzierten, überprüften Objekt auftreten sollen. Bei nicht tolerierbaren Defekten wird auch bei Einhaltung der Grenzen der Eingangswerte E (t) die Bewertungsfunktion B (S, t) wesentliche Abweichungen anzeigen./1/, /2/, /3/ . Für die Eingangsgrößen E (t) sind alle die Größen einsetzbar, die den Beanspruchungsvorgang (BAV) beeinflussen. Zu den Ausgangsgrößen gehören Signalparameter wie die Signalamplitude A _Sig oder die Signalspannung U _Sig, usw.. Bild 1 erläutert kurz das Ganzheitskonzept. So einfach das Verfahren auch erscheint, sind jedoch  oft sehr aufwändige Versuchsreihen erforderlich,um geeignete Auswertungen mit einer unteren bzw. oberen Bewertungsbedingung für eine Defektfreiheit aufzufinden.

Sind Erkenntnisse über die zu erwartenden Primärschallquellen vorhanden, so kann die elektronische Auswertung entsprechend verändert werden (Frequenzbereich,Schwellwert, Auflösung). Das hilft die erforderlichen Versuchsreihen in Grenzen zu halten. Sind bei der Materialbearbeitung mitunter Mikrorisse zu erwarten, So kann die Auswertung gezielt auf das Auftreten von Rissgeräuschen (Plastifizierungs-, Trenn-, Rissuferreibungs-, Einprägungsgeräusche) ausgerichtet werden. /4/ /8/ Einige Faltversuche mit Schallemissionsmessung können hierbei sehr hilfreich sein /5/ . Die Ankopplung der Schallwandler kann durch die Verwendung von Wellenleitern einen sehr definierten Frequenzbereich herausfiltern. Je mehr über die Art der Defekte bekannt ist, umso schneller kann ein geeignetes Bewertungssystem herausgefunden werden.

Ein Teil des Bewertungssystems kann ganz speziell als ein System mechanischer Resonatoren erfasst werden und führt dann zu einem, bis her bei der SEA kaum beachtetem Randgebiet, der mechanischen Frequenzfilterung..

Bild 2 : Mechanisches Filtersystem

Das Untersuchungsobjekt kann mit den elektrischen Wandlern zusammen als schwingungsfähiges Objekt, als ein mechanisches Filtersystem, aufgefasst werden. Dieses idealisierte Objektmodell wird als ein Mechanisches Filtersystem betrachtet, das auf bestimmte mechanische Schwingungs-Frequenzen sehr empfindlich und in sehr engem Frequenzbereich reagiert. Mechanische Filter werden selbst in der Hochfrequenztechnik zur scharfen Filterung hoher Frequenzen verwendet. Sie sind aufgrund der sehr schmalen Frequenzbereiche nicht einfach zu registrieren.

Mechanische Schwingungen können in verschiedenartigen Schwingungsformen erregt werden. Die Art der Schwingung wird durch die Form des Objektes, das Medium und die Art der Erregung (Primärschallquelle) bestimmt.Resonatoren sprechen am empfindlichsten auf mechanische Erregungen an. Das idealisierte Objektmodell für Schallemissionsuntersuchungen ist repräsentiert durch die Summe aller im System wirksam werdenden Resonatoren.

Der Schallwandler ist für die Ausgangsgrößen A (t) bestimmend und muss in Kombination mit dem Objekt betrachtet werden, weil sich beide gegenseitig beeinflussen. Das bedeutet hinsichtlich der zu messenden Schallfrequenzen, das sie durch das mechanische Filtersystem bestimmt werden.

Die Eingangsgröße E = F_n(t) aktiviert einen durch das Filtersystem definierten Resonator R_n. Die insgesamt freigesetzte elastische Energie wird auf eine Reihe von Resonatoren im Objekt übertragen. In erster Näherung kann ein solcher Resonator (schwingungsfähiges Gebilde) als Feder-Masse-Schwinger (FM) angesehen werden. Mit diesen groben Vereinfachungen kann jeder Resonator als Primärschallquelle, die Schallwellen aussendet, betrachtet werden. Der Schallwandler kann diese Schallwellen empfangen oder ist direkt in den Resonator mit eingebunden und verwandelt die mechanischen  in elektrische Schwingungen. Die Primärschallquellen PQ sind somit in grober Vereinfachung als Summe von Feder - Masse - Schwingern (FM ) zu betrachten.

PQ = ∑(FM)

Jeder Feder-Masse-Schwinger FM gerät mit einer reduzierten Masse m _r, einer Federkonstante k und einer Dämpfungsgröße b in Bewegung.Die Bewegungsgleichung

m_rx + b x + kx = F _x (t)

gilt für jeden beliebig gewählten Freiheitsgrad x . Für die mitschwingende reduzierte Masse folgt mit der Dichte ρ des Werkstoffes 

m_r = ρG_r

wobei G _r das Anregungsgebiet des momentan aktiven Feldes der Primärschallquelle bedeutet. Die Dämpfungskraft F_d = b dx/dt bewirkt eine Leistungsdämpfung P_d = F_d v = b d²x/dt ². Diese Energie - Dissipation wird bewirkt durch interkristalline Reibung fester Körper (Strukturdämpfung), Reibung in Verbindungselementen (festen Einschlüssen). Dieses idealisierte Objektmodell für SE-Untersuchungen erlaubt die Nutzung von Ergebnissen der Schwingungsanalyse. Hier sind für die verschiedenen Formen der Krafterregungen die Lösungen der Bewegungsgleichungen bekannt. Die Theorie der mechanischen Schwingungen und der mechanischen Filter ist bereits ausgebaut. Das vorgestellte Objekt - Modell für die Schallemissionsanalyse sollte in gewissen Grenzen die Nutzung der Erkenntnisse dieser Theorien ermöglichen. /6/ /7/

Das Korrelationskonzept ist auf die Wechselbeziehungen des Erscheinungsbildes der akustischen Emission mit den Erkenntnissen anderer Fachdisziplinen gerichtet. Die Erkenntnisse anderer Fachdisziplinen über die Auswirkungen der Beanspruchungsprozesse auf die mechanischen Bauteile werden durch Vergleich mit den SE-Bildern zur Bewertung und Aussagengewinnung herangezogen. Diese Wechselbeziehungen sind interdisziplinär in großer Zahl vorhanden und bewirken technisch-ökonomische Erkenntnisse für den Einsatz der Schallemissionsanalyse bei der Materialprüfung, der Qualitätssicherung und bei der Verringerung des Reparatur- und Instandhaltungsaufwandes. Sie beziehen sich einerseits auf definierte Beanspruchungs - Kollektive und andererseits auf parallel ablaufende, das Verständnis fördernde, Untersuchungen der verschiedensten Fachgebiete. Der Erkenntnisgewinn führt beiderseits zu neuen, modernisierten, verbesserten Verfahren., wie die Korrelationen zwischen SEA und ML /9/ oder Leckage-Bestimmungen zeigen. Typische SE-Bilder bei der plastischen Verformung von Metallen /13/ wurden so schnell aufgezeigt.

Mit Hilfe eines Korrelationsverfahrens konnten letztlich die Geräuschbilder am Riss mit den typischen Teilen : Deformations-,Trenn-, Rissuferreibung- und Einprägungs - Geräusch aufgezeigt werden./14/  . Dazu konnte aufgezeigt werden, warum die SE-Aktivität vor dem Bruch absinkt, um dann bis zum Bruch einen Maximalwert zu erreichen. Ist durch die zyklische Schwingungsbelastung der Riss im Rundstab fast bis zur Gegenseite gewachsen, entsteht dem Kerb gegenüber ein neuer Anriss mit deutlichen Trenngeräuschen. Dadurch steigt die SE-Aktivität. Die dann einsetzende Aufweitung der Rissflanken bewirkt, das keine Rissuferreibung mehr auftritt, wie deutlich im nachfolgendem Bild zuerkennen ist. Das Ansteigen der Trenngeräusche führt dann zur maximalen SE-Aktivität beim Bruch/15/ .

Bild 4: SE bei Biegewechselbeanspruchung eines Alu-Rundstabes.

Im Bild sind vier Zyklen zu charakteristischen Zeitpunkten herausgegriffen. Unter der Schwingbeschleunigung a ( t ) ist die SE-Aktivität A_Sig aufgezeichnet.

DasLinearkonzept ist auf die real, linear aufeinanderfolgenden Ereignisse gerichtet, wie sie durch gegebene Beanspruchungen (BA) zu erwarten sind. Die Beanspruchung verursacht in einem Bauteil einen Prozessverlauf (PV), der durch Primär - Schallquellen (PQ) begleitet wird, die Aussagen über die ablaufenden Prozesse gestatten. Nach Abstrahlung, Ausbreitung und Empfang der von den PQ ausgehenden Schallwellen wird in einem Schallwandler ein elektrisches Diagnosesignal (DS) mit bestimmten Frequenz und Amplitudenbereichen gewonnen. Von praktischer ökonomischer Bedeutung ist dann der umgekehrte Vorgang : was aus dem Diagnosesignal für Schlussfolgerungen über die im Objekt tatsächlich ablaufenden Prozesse ausgesagt werden kann . Siehe Konzepte .

Eine der hierdurch gefundenen, zunächst recht überraschenden Aussagen war, die nicht erzielbare Reproduktion der Versuche. Heute wissen wir, zwei Objekte oder auch nur zwei Materialproben zu erhalten, die bei gleicher Beanspruchung ein gleiches akustisches Signal (SE-Bild)liefern, ist aus Gründen der sehr hohen akustischen Empfindlichkeit auf Änderungen von Mikrostrukturen nicht gegeben. Die durch die individuelle Mikrostruktur einer jeden Werkstoffprobe aufgebauten inneren Spannungsspitzen sind beim Abbau durch die erste Beanspruchung der Probe, Ursache für akustische Signale (Primärschallquellen), die in dieser Weise nicht wieder auftreten können, weil die inneren Potentiale nun abgebaut sind. Aufgrund der sehr hohen Empfindlichkeit der Schalldruckmessungen können äußerst geringe Schallenergien nachgewiesen werden. So werden bereits Versetzungen oder Zwillingsbildungen in polykristallinen Strukturen akustisch nachweisbar. Schallquellenmodelle sind für die Beschreibung des ferneren Schallfeldes gut geeignet und für das Verständnis mancher Versuchsergebnisse erforderlich. Monopole dienen der Beschreibung von  Punktquellen (z.B. das Brechen von Bleistiftminen oder von Glaskapillaren, Stoß, Abbau von Spannungsspitzen). Dipole sind für die Beschreibung kleiner linearer Quellen, wie das Aufreißen an der Oberfläche harter Einschlüsse, geeignet. Kombinationen von Dipolen dienen der Beschreibung der Abstrahlung flächenhafter Quellen. Die Schallausbreitung kann mit der verallgemeinerten Strahlentheorie berechnet werden. Zur Berechnung hierfür erforderlicher Greenscher Funktionen wurde ein Programmpaket Transiente Wellen entwickelt. Unabhängig von den verwendeten Quellenmodellen folgt aus dem Studium der Schallausbreitung :

1. Die Schallemissionssignalform hängt vom Abstand der Quelle zum Aufnehmer ab. Das registrierte Signal ist stärker von der Geometrie des Objektes als von der Zeitfunktion derQuelle geprägt.
2. Die prozessinduzierten Schallquellen, die Primärschallquellen,können ausgeprägte Richtungscharakteristiken besitzen.

Rechner Simulationen zeigten, dass inverse Methoden bei Punktquellen mit bekanntem Ort und hinreichenden Informationsmengen zwar machbar sind, doch immer noch beträchtliche Schwankungsbreiten aufweisen. Die komplizierten Schallausbreitungseffekte erschweren die eindeutige Zuordnung der Diagnosesignale zu den Schallquellen. /10/, /11/, /12/.

Am häufigsten wird zur Zeit das Korrelationskonzept genutzt, wie es hier bei der Erforschung der Rissgeräusche gezeigt wurde. . Bei großen Objekten ist vielfach das Linearkonzept im Einsatz. Das Ganzheitskonzept ist bei relativ kleinen Objekten angebracht, die bereits als Ganzes in Schwingung geraten.

Fußnoten :

[1] Konzept  = Entwurf zur Erreichung eines bestimmten Zieles. Hier die Erforschung eines Prozesses. In den Grundlagen behandeln wir Graduierungs- , Ortungs- , Prüf- und Überwachungskonzepte.

Artikel :

/1/  Crostack,  H. - A.; Reuss, G. ; On - line- Kontrolle des thermischen Spritzprozesses mittels Schallemissionsanalyse; DGZfP ,  SEP4, Schriftenreihe des Ausschusses für Schallemissionsprüfverfahren Heft 4, S5. Nov. 1994

/2/ Leistner, M; Schallemissionsanalyse bei Scheißverbindungen; DGZfP ,  SEP4, Schriftenreihe des Ausschusses für Schallemissionsprüfverfahren Heft 4, S14 Nov. 1994

/3/ Meding, M.; Einsatz der Schallemissionsanalyse zur Beschreibung des Verschleißverhaltens von Diamant-Schleifwerkzeugen für die Gesteinsbearbeitung; DGZfP,  SEP4, Schriftenreihe des Ausschusses für Schallemissionsprüfverfahren Heft 4, S46.Nov. 1994

/4/ Leistner, M.; Reiche, A.; Seidel, H.; Schallemission bei niederzyklischer Belastung von Stahlproben. Energietechnik, 33. Jhrg., Heft 11 Nov. 1983 S. 11-16

/5/ Leistner, M; Demonstrationen zur Schallemissionsanalyse mit einem Sägeblatt ; DGZfP ,  SEP4, Schriftenreihe des Ausschusses für Schallemissionsprüfverfahren Heft 4, S 37. Nov. 1994.

/6/ Leistner, M.; Konzepte der Schallemissions-Grundlagenforschung und die Beiträge der TH Zittau ; Wiss. Berichte THZ 938 (1988) 18,1-3 .

/7/  Leistner, M.; Zur Interpretation von Schallquellen. Wiss. Bericht IHZ 675  Heft 11 Dez.1986 S.1 -5.

/8/  Leistner, M.; Kirbach, H.- U.; Schallemission beim Risswachstum. Wiss. Bericht  IHZ 687 Heft 11 1986 S.52.

/9/ Sodomka, L.; Leistner, M.; Schallemission und Mechanolumineszenz. Wiss. Bericht IHZ 253 Jan.1981

/10/  Kühnicke, H.; Kühnicke, E.; Beschreibung der Quellen von Schallemissionssignalen mit Burstcharakter. Wiss. Bericht IHZ 473 (1984) Heft 6 Mai 1985 S.17-20.

/11/ Kühnicke, E.; Kühnicke, H.; Untersuchung der Ausbreitungseffekte von Schallemissionsimpulsen mit dem Programmpaket "Transiente Wellen in Platten". Wiss. Bericht IHZ 679 (1986) Heft 11S13-18.

/12/ Kühnicke, H.; Kühnicke, E.;  Möglichkeiten zur Berechnung von Parameter der Quellfunktionen aus den Aufnehmersignalen. Wiss. Bericht IHZ 680 Heft 11 (1986) S.18-20.

/13/Eisenblätter, J.; Acoustic Emission Analysis: Introduction, Present Status and Future Development. DGM Deutsche Gesellschaft für Metallkunde; Papers April, 1979 Bad Nauheim,S.1 ; ISBN 3-88355-030-2.

/14/ Schäwen, R.v; ; Mauersberger, G.; Untersuchung zeitlich hochaufgelöster SE-Signale von Aluminiumproben bei zyklischer Belastung mittels Signalanalysator DSA 601. DGZfP Bd.32, März 1992 S.87.

/15/ Schäwen, R.v.; Leistner, M.: Schallemissionsparameter bei Biegewechselbeanspruchung. DGZfP Bd.32 März1992, S.307.