DE10159820A1

DE10159820A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Detektion von strukturellen Defekten in einem Festkörper

Info

Publication number: DE10159820A1
Application number: DE2001159820
Authority: DE
Inventors: Juergen Mertes; Thomas Sandbank; Edmund Stadler; Juergen Gerl; Ivan Kojouharov; Frederic Ameil; Alicja Surowiec
Original assignee: FORSCH ENTWICKLUNGSSERVICE GMB; BASF SE
Current assignee: Gesellschaft fur Forschung und Entwicklungsse De; BASF SE
Priority date: 2001-12-06
Filing date: 2001-12-06
Publication date: 2003-06-18

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Detektion von Defekten in einem Festkörper, wobei das erfindungsgemäße Verfahren die folgenden Verfahrensschritte umfaßt: DOLLAR A A) Erzeugung von Schwingungen in dem Festkörper durch mechanische Anregung, DOLLAR A B) Detektion der von dem Festkörper emittierten Schallwellen in einem den Festkörper umgebenden Medium, wobei die detektierten Schallwellen in ein elektrisches Signal transformiert werden, DOLLAR A C) Analyse des Signals zur Bestimmung mindestens einer für das Schwingungsverhalten des Festkörpers charakteristischen Größe, gegebenenfalls nach Subtraktion eines Untergrundsignals und Vergleich des Wertes der charakteristischen Größe mit einem Referenzwert. DOLLAR A Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird vorzugsweise zur Detektion von Defekten in einem Festkörper verwendet, wobei der Festkörper vorzugsweise ein schichtweise aufgebautes Metall-Kunststoff-Verbundelement ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion von strukturellen Defekten in einem Festkörper, wobei der Festkörper zu Schwingungen angeregt wird und die dabei emittierten Schallwellen detektiert und ausgewertet werden.
Für die Konstruktion von Schiffen, beispielsweise Schiffsrümpfen und Laderaumabdeckungen, Brücken, Dächern oder Hochhäusern müssen Konstruktionsteile verwendet werden, die erheblichen Belastungen durch äußere Kräfte standhalten können. Derartige Konstruktionsteile bestehen aufgrund dieser Anforderungen üblicherweise aus Metallplatten oder Metallträgern, die durch eine entsprechende Geometrie oder geeignete Verstrebungen verstärkt sind. So bestehen Schiffsrümpfe von Tankschiffen aufgrund von erhöhten Sicherheitsnormen üblicherweise aus einem inneren und einem äußeren Rumpf, wobei jeder Rumpf aus 15 mm dicken Stahlplatten, die durch ca. 2 m lange Stahlverstrebungen miteinander verbunden sind, aufgebaut ist. Da diese Stahlplatten erheblichen Kräften ausgesetzt sind, werden sowohl die äußere als auch die innere Stahlhülle durch aufgeschweißte Verstärkungselemente versteift.
Als Ersatz für die Stahlkonstruktionen sind SPS-Elemente (Sandwich-Plate-System) bekannt, die einen Verbund aus Metall und Kunststoff in Form eines Metall-Kunststoff- Metall-Schichtsystems beinhalten. Durch die Haftung des Kunststoffs an den zwei Metallschichten entstehen Verbundelemente mit außerordentlichen Vorteilen gegenüber bekannten Stahlkonstruktionen. Derartige SPS-Elemente sind bekannt aus den Schriften DE-A 198 25 083, DE-A 198 25 085, DE-A 198 25 084, DE-A 198 25 087 und DE-A 198 35 727.
Nach der Herstellung solcher Verbundelemente und insbesondere während ihres Einsatzes ist es wünschenswert, den strukturellen Aufbau der Verbundelemente beispielsweise hinsichtlich der Bindung des Kunststoffs am Metall, größerer Lücken oder allgemeiner Schäden oder Mängel im Kunststoff zu untersuchen, um gegebenenfalls mangelhafte Verbundelemente austauschen oder reparieren zu können. Dies gilt vor allem für Verbundelemente, die aufgrund ihres Einsatzes hohen thermischen, statischen oder dynamischen Belastungen unterworfen sind. Gerade die Haftung des Kunststoffs am Metall, beispielsweise aufgrund der Klebwirkung von Polyisocyanat-Polyadditionsprodukten, stellt ein wichtiges Kriterium für die Stabilität und Belastbarkeit des Verbundelementes dar.
Im Stande der Technik sind Verfahren zur Detektion von strukturellen Defekten in Festkörpern durch Analyse des Schwingungsverhaltens von zu untersuchenden Festkörpern bekannt. Beispielsweise wird in J. J. Tracy, G. C. Pardoen: Effect of Delamination on the Natural Frequencies of Composite Laminates, Journal of Composite Materials, Vol. 23, 1200 (1989) untersucht, welche Auswirkungen eine Delamination auf die natürlichen Frequenzen von schichtförmigen Verbundelementen hat. Dabei wird die zu untersuchende Probe mit einer bekannten Kraft zu Schwingungen angeregt und die daraus resultierende Beschleunigung der Probe an bestimmten Punkten gemessen und ausgewertet.
Ein weiteres Sensorsystem, das das mechanische Schwingungsverhalten einer Probe in Abhängigkeit von ihrer Materialstruktur bestimmt, ist in der US 5,814,729 beschrieben. Dabei werden Wellen durch Piezoaktoren in dem zu untersuchenden Verbundmaterial erzeugt und durch faseroptische Sensoren detektiert, wobei sowohl die Piezoaktoren als auch die Sensoren in das zu untersuchende Verbundmaterial implantiert werden.
Die Messung des mechanischen Schwingungsverhaltens nach dem Stand der Technik hat den Nachteil, daß Sensoren zur Messung der Schwingungen mit der Probe mechanisch verbunden werden müssen. Dies ist aufwendig und oft auch nicht problemlos möglich aufgrund von Verschmutzungen der Probenoberfläche. Ferner können die angebrachten Sensoren und die mit ihnen verbundenen elektrischen Leitungen aufgrund ihrer Masse und Steifigkeit zu einer Veränderung des Schwingungsverhaltens der Probe führen.
Eine Alternative dazu offenbart die WO 96/04532. Sie betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Schwingungsverhaltens einer Probe mittels Modalanalyse. Dabei wird die Probe zu Schwingungen angeregt und es werden unter Einsatz von Lasern optische Interferenzbilder aufgenommen. Ein Nachteil dieser Methode ist die Komplexität der dafür benötigten Messvorrichtung. Sie enthält eine Vielzahl optischer Elemente, wie Spiegel, Linsen, Strahlteiler, und einen Laser, die alle genau justiert sein müssen. Dadurch ergibt sich die Gefahr einer Dejustage bei dem Transport dieser Messvorrichtung, so daß sie sich vorwiegend zum Einsatz in einem Labor, also an einem festen Ort, eignet.
Die US 5,824,908 und die EP 0 538 110 beziehen sich auf Systeme und Verfahren, die ein Objekt mittels Ultraschallwellen untersuchen. Dabei werden die Ultraschallwellen durch Ultraschallgeber erzeugt, an dem Objekt reflektiert oder durch das Objekt transmittiert und anschließend durch einen Sensor detektiert. Zur Messung der transmittierten Ultraschallwellen müssen Ultraschallgeber und Sensor auf zwei verschiedenen Seiten des Objekts aufeinander ausgerichtet werden. Dies ist beispielsweise bei der Untersuchung von großen Objekten, wie zum Beispiel Konstruktionsteilen eines Schiffes, problematisch. Die Messung der reflektierten Ultraschallwellen macht wiederum eine genaue Justage des verwendeten Sensors notwendig.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Detektion von strukturellen Defekten in Festkörpern bereitzustellen, die die genannten Nachteile im Stande der Technik vermeiden. Sie sollen insbesondere eine schnelle, nicht-destruktive Detektion und Lokalisierung von stukturellen Defekten mit hoher Genauigkeit und großer Flexibilität des Einsatzortes ermöglichen.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Detektion von strukturellen Defekten in einem Festkörper mit den Schritten:

A) Erzeugung von Schwingungen in dem Festkörper durch mechanische Anregung,
B) Detektion der von dem Festkörper emittierten Schallwellen in einem den Festkörper umgebenden Medium, wobei die detektierten Schallwellen in ein elektrisches Signal transformiert werden,
C) Analyse des Signals zur Bestimmung mindestens einer für das Schwingungsverhalten des Festkörpers charakteristischen Größe, gegebenenfalls nach Subtraktion eines Untergrundsignals und Vergleich des Wertes der charakteristischen Größe mit einem Referenzwert.

Vorteilhaft ist dabei, daß der überprüfte Festkörper weder beschädigt, noch sonstwie verändert wird. Ferner muß der Sensor nicht auf dem - möglicherweise verschmutzten - Festkörper befestigt werden. Der Festkörper kann gezielt an der Stelle zu Schwingungen angeregt werden, an der er auf strukturelle Defekte untersucht werden soll.
Unter strukturellen Defekten sind im Sinne der vorliegenden Erfindung fehlerhafte Stellen in dem Festkörper zu verstehen, zum Beispiel Delamination, Lufteinschlüsse oder Inhomogenitäten, die sich auch auf sein Schwingungsverhalten auswirken.
Die von dem schwingenden Festkörper emittierten Schallwellen werden erfindungsgemäß in ihrem zeitlichen Verlauf detektiert, in ein elektrisches Signal transformiert und analysiert. Zur Analyse wird der Wert mindestens einer charakteristischen Größe bestimmt, die das Schwingungsverhalten des Festkörpers an der untersuchten Stelle charakterisiert. Dieser wird mit einem Wert dieser Größe verglichen, der für einen Festkörper ohne Defekte erwartet wird (Referenzwert), so daß bei einer Abweichung von dem Referenzwert ein struktureller Defekt lokalisiert wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfolgt die mechanische Anregung in Form mindestens eines Kraftimpulses. Unter einem Kraftimpuls ist im Sinne der vorliegenden Erfindung eine pulsförmige Krafteinwirkung, beispielsweise ein Stoß, zu verstehen. Der kontrollierte Kraftimpuls verursacht Schwingungen in dem Festkörper. Die Dauer und Form des Kraftimpulses bestimmt das angeregte Frequenzband. Je kürzer der Kraftimpuls ist, um so höher sind die angeregten Frequenzen. In vorteilhafter Weise kann der oder können die Kraftimpulse in der Nähe der auf strukturelle Defekte zu untersuchenden Stelle des Festkörpers ausgeübt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfolgt die Anregung eines breiten Frequenzbandes. Dies ist vorteilhaft, da sich die gesuchten Strukturinformationen in dem gesamten Frequenzbereich erstrecken und das erfindungsgemäße Verfahren damit empfindlicher ist. Das Medium, das den Festkörper umgibt, ist dabei üblicherweise Luft.
Die in Schritt B) des erfindungsgemäßen Verfahrens detektierten Signale werden bezüglich einer oder mehrerer Größen ausgewertet, die charakteristisch für strukturelle Defekte in dem Festkörper sein können. Dabei werden insbesondere Zeit- oder frequenzabhängige Größen bestimmt. Mit dem Einfluß der Festkörperstruktur auf die Dämpfung befasst sich beispielsweise D. L. Edberg in Material Damping of Simple Structures in a Simulated Space Environment, Journal of Spacecraft and Rockets, Vol. 23, No. 3, 288 (1986).
Bevorzugte charakteristische Größen zur Analyse des Signals sind bei der vorliegenden Erfindung die Frequenzen und ihre Amplituden im Fourier-Spektrum der detektierten Schallwellen. Diese sind von der Struktur des Festkörpers abhängig und unterscheiden sich bei einem fehlerhaften Festkörper von den Schallwellenfrequenzen und Amplituden eines fehlerfreien Festkörpers.
Eine weiterhin bevorzugte charakteristische Größe, die bei der Analyse des in dem erfindungsgemäßen Verfahren detektierten Signals bestimmt werden kann, ist die Abklingzeit der Schwingungen. Dabei kann es sich beispielsweise um die seit der Anregung verstrichene Zeit handeln, in der die Amplitude einer Schwingung mit einer bestimmten Frequenz oder mehrerer Schwingungen mit verschiedenen Frequenzen auf die Hälfte oder 1/e ihres Anfangswertes abgenommen hat.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden als charakteristische Größe die Breite einzelner Komponenten im Fourier-Spektrum oder die Dämpfung einzelner Komponenten oder einer Gruppe von Komponenten im Fourier- Spektrum bestimmt. Die Dämpfung, ebenso wie die Breite der Linien, sind ebenfalls Größen, die durch die Struktur des Festkörpers beeinflusst werden.
Weitere bevorzugte charakteristische Größen sind die mittlere Amplitude der Komponenten des Fourier-Spektrums in einem bestimmten Frequenzbereich und/oder die Abklingzeit oder Dämpfung dieser mittleren Amplitude. Beispielsweise wird die mittlere Amplitude der hochfrequenten Schwingungen ab einer Grenzfrequenz bestimmt, vorzugsweise ab 3 kHz.
Die charakteristischen Größen werden mit Referenzwerten für diese Größen verglichen. Diese Referenzwerte werden vorzugsweise aus Simulationsrechnungen oder aus Vergleichsmessungen gewonnen. Bei einer Simulationsrechnung wird das akkustische Wellenverhalten des zu untersuchenden Materials simuliert, woraus die Referenzwerte für die charakteristischen Größen resultieren. Referenzwerte können durch Vergleichsmessungen an Festkörpern aus den gleichen Materialien gewonnen werden, von denen bekannt ist, daß sie strukturelle Defekte enthalten oder daß sie defektfrei sind. Ein struktureller Defekt wird erkannt, wenn der Wert der aus dem Meßsignal ermittelten charakteristischen Größe von dem für einen defektfreien Festkörper erwarteten Referenzwert abweicht, oder wenn der Wert der gemessenen charakteristischen Größe mit dem Referenzwert eines fehlerhaften Festkörpers übereinstimmt.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt als weiterer Verfahrensschritt die Messung eines Untergrundsignals, das von dem durch die detektierten Schallwellen erzeugten Signal abgezogen wird. Dadurch wird der Signaluntergrund unterdrückt, der durch Schallwellen in der Umgebung des untersuchten Festkörpers oder durch Schallwellen des Festkörpers selbst entsteht, wobei die Schallwellen aber unabhängig von dem Prüfvorgang emittiert werden. Eine Möglichkeit zur Messung des Untergrundsignals ist das Ausdehnen des Zeitintervalls, in dem die von dem Festkörper emittierten Schallwellen detektiert werden, bis das Signal durch die von dem Festkörper emittierten Schallwellen nicht mehr von dem Untergrundsignal unterschieden werden kann. Es ist aber auch möglich, das Untergrundsignal außerhalb dieses Zeitintervalls zu messen, vor und/oder nach der Messung des Signals durch die von dem Festkörper emittierten Schallwellen. Durch Subtraktion des Untergrundsignals von dem detektierten Gesamtsignal erhält man im wesentlichen das durch die von dem schwingenden Festkörper emittierten Schallwellen erzeugte reine Signal.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Diese umfasst mindestens ein Anregungselement zur Erzeugung der Schwingungen in dem Festkörper, mindestens einen Schallsensor zur Detektion der von dem Festkörper emittierten Schallwellen und eine Auswerteeinheit zur Analyse des Signals und zum Vergleich der charakteristischen Größe. Diese Vorrichtung ermöglicht die Ausübung eines oder mehrerer Kraftimpulse durch ein oder mehrere Anregungselemente auf den zu untersuchenden Festkörper und die Detektion von Schallwellen mit einem oder mehreren Schallsensoren. Dadurch wird die Untersuchung größerer Flächen gleichzeitig ermöglicht.
Bei dem Schallsensor handelt es sich vorzugsweise um ein Mikrofon. Der mindestens eine Schallsensor wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren so positioniert, daß er sich an dem zu untersuchenden Ort durch einen Spalt getrennt von dem zu untersuchenden Festkörper befindet. Die Größe des Spalts beträgt dabei vorzugsweise 0,01 bis 100 mm.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das mindestens eine Anregungselement ein Hammer, insbesondere ein Modalhammer. Mechanische Anregungselemente, zum Beispiel Modalhämmer, erzeugen ein breites Frequenzband, das gut geeignet ist, um als von dem vibrierenden Festkörper emittierte Schallwellen in Luft übertragen zu werden. Der Hammer besitzt vorzugsweise eine scharfe Spitze aus einem harten Material, beispielsweise aus Bronze. Durch einen kurzen Kraftimpuls, der mit einem solchen Hammer auf den zu untersuchenden Festkörper übertragen wird, entstehen Schallwellen mit hohen Frequenzen in einem breiten Frequenzband. Die durch das mindestens eine Anregungselement auf den Festkörper ausgeübte Kraft wird vorzugsweise pneumatisch oder per Feder gesteuert.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind das mindestens eine Anregungselement und der mindestens eine Schallsensor auf derselben Seite des Festkörpers angeordnet. Vorteilhaft ist dabei, daß die gesamte Vorrichtung in einem Gehäuse untergebracht werden kann. Der Abstand von dem Anregungselement zu dem Schallsensor beträgt dabei vorzugsweise 1 bis 500 mm. Die Vorrichtung kann somit in einem Gehäuse als kompaktes Gerät zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens realisiert werden, das ohne Probleme transportiert und an verschiedensten Einsatzorten eingesetzt werden kann. Üblicherweise besitzt dieses Gerät zum Transport einen Handgriff. Ferner wird es bevorzugt durch eine wiederaufladbare Batterie mit elektrischer Energie versorgt, so daß der Einsatzort des Gerätes unabhängig von einer dort vorhandenen Spannungsquelle gewählt werden kann.
Die Auswerteeinheit umfaßt im allgemeinen eine Datenerfassungs- und Datenauswerteeinheit, die alle für die Analyse des Signals und den Vergleich von Werten notwendigen Rechenoperationen durchführt. Ferner enthält die Auswerteeinheit im allgemeinen Mittel zum Einlesen und Speichern von Daten, insbesondere zum Einlesen und Speichern der Referenzwerte für die charakteristischen Größen. Des weiteren umfaßt die Auswerteeinheit bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung üblicherweise eine Anzeige, die nach abgeschlossener Auswertung der Meßsignale anzeigt, ob in dem untersuchten Bereich eines Festkörpers ein struktureller Defekt vorliegt, ob der Festkörper in diesem Bereich fehlerfrei ist oder ob an dem Meßsignal ein struktureller Defekt oder Fehlerfreiheit nicht erkennbar sind.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Detektieren von Defekten in einem Festkörper, insbesondere in einem Verbundelement. Festkörper aus Verbundmaterialien weisen ein komplexes Spektrum von Schwindungsmoden auf, die strukturelle Informationen beinhalten. Folglich können mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens strukturelle Defekte in einem Verbundelement lokalisiert werden.
Vorzugsweise wird die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Detektion von Defekten in schichtweise aufgebauten Verbundelementen verwendet, insbesondere in Metall- Kunststoff-Verbundelementen. Dabei kann es sich insbesondere um die eingangs genannten SPS-Elemente handeln, die einen Verbund aus Metall und Kunststoff in Form eines Metall-Kunststoff-Metall-Schichtsystems beinhalten.
Defekte in Metall-Kunststoff-Verbundelementen können durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung erkannt und lokalisiert werden. Beispielsweise beeinflußt teilweise Delamination in Eisen- Elastomer-Verbundelementen die gedämpften Schwingungen, die durch einen Kraftimpuls verursacht werden, in einem Frequenzbereich zwischen ca. 100 Hz und 20 kHz. Vorzugsweise wird demnach bei solchen Verbundelementen dieser Frequenzbereich analysiert.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei dem auf Defekte zu untersuchenden Festkörper um Konstruktionsteile von Schiffen, Brücken, Gebäuden, Raum- oder Luftfahrzeugen.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigt:
Fig. 1 die schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und
Fig. 2 den Schwingungsverlauf und das Frequenzspektrum eines delaminierten Verbundelementes und eines fehlerfreien Verbundelementes.
Fig. 1 zeigt die schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die Vorrichtung besteht dabei aus zwei Einheiten 19, 20. Die erste Einheit 19 enthält als Anregungselement zum Erzeugen der Schwingungen in dem (nicht dargestellten) Festkörper einen Hammer 11. Ferner umfasst die erste Einheit 19 einen Schallsensor zum Detektieren der von dem Festkörper emittierten Schallwellen in Form eines Mikrofons 12. Der Hammer 11 und das Mikrofon 12 sind dabei in einem festen Abstand zueinander angeordnet und in der gleichen Richtung orientiert. Die zweite Einheit 20 enthält die Auswerteeinheit, umfassend eine Karte 13 und die Stromversorgung und Logik 16. Die erste Einheit 19 ist mit der zweiten Einheit 20 über ein Verbindungskabel 7 verbunden. Zwei aufladbare Batterien 14, 15 in der zweiten Einheit 20 dienen der Spannungsversorgung des gesamten erfindungsgemäßen Messgeräts. Die Vorrichtung wird über einen Schalter 17 aktiviert. Über die Anzeige 18 werden z. B. Messergebnisse oder der Betriebsstatus der Vorrichtung angezeigt. Dabei handelt es sich beispielsweise um eine Flüssigkristallanzeige. Eine Leuchtdiode (LED) 8 auf der ersten Einheit 19 zeigt an, ob die Vorrichtung betriebsbereit ist und somit eine Messung gestartet werden kann. Der Hammer 11 wird über einen Elektromagneten 9 und einen Kontaktschalter 10 betätigt. Der Kontaktschalter 10 schließt über eine Steuerelektronik den Stromkreis des Elektromagneten 9. Der Elektromagnet 9 zieht den Hammer 11 gegen die Federkraft zurück. Anschließend öffnet die Steuerelektronik den Stromkreis wieder. Der Hammer 11 beschleunigt durch die Federkraft in Richtung Untersuchungsobjekt und verursacht dort die Schwingungen. In Ruheposition ragt der Hammer 11 1-2 mm aus der 1. Einheit 19 zum Untersuchungsobjekt heraus. Die Auswertung der mit dem Mikrofon aufgenommenen Schallwellen und die Speicherung der Ergebnisse erfolgt mittels eines Messungs- und Analyseprogramms auf der Karte 13.
Fig. 2 zeigt in Fig. 2a den Schwingungsverlauf und das Frequenzspektrum eines delaminierten Verbundelementes und in Fig. 2b den Schwingungsverlauf und das Frequenzspektrum eines fehlerlosen Verbundelementes. Die Messungen wurden mit der in Fig. 1 dargestellten erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführt, wobei ein Hammer mit Bronzespitze verwendet wurde. Der Abstand des Schallsensors zu dem zu untersuchenden Verbundwerkstoff betrug während der Messung ca. 5 mm. Beide Verbundelemente hatten bei der Messung der dargestellten Werte die gleichen Ausmaße von 1 × 1 m² und bestanden aus dem gleichen Verbundwerkstoff. Es handelte sich dabei um einen 6 mm Fe, 50 mm Elastomer, 6 mm Fe Verbundwerkstoff. Das Erzeugen der Schwingungen erfolgte in beiden Fällen durch mechanische Anregung in Form eines Kraftimpulses. Dauer und Form des Stoßes waren so, dass Frequenzen bis ca. 14 kHz angeregt wurden.
In Fig. 2a ist der Schwingungsverlauf 1 dargestellt, der sich beim Detektieren der von der delaminierten Platte emittierten Schallwellen ergibt. Dabei ist auf der y-Achse 2 in willkürlichen Einheiten die Amplitude aufgetragen und auf der x-Achse 3 die Zeit in willkürlichen Einheiten. Ferner ist in Fig. 2a das Frequenzspektrum 4 (Fourier-Spektrum) des Schwingungsverlaufs 1 dargestellt. Dabei sind auf der y-Achse 2 die Amplitude und auf der x-Achse 3 die Frequenz in willkürlichen Einheiten aufgetragen.
In Fig. 2b sind der Schwingungsverlauf 5 und das Frequenzspektrum 6 für die fehlerlose Platte dargestellt. Dabei entsprechen die willkürlichen Einheiten, die an der x-Achse 3 und der y-Achse 2 eingetragen sind, den in Fig. 2a gewählten Einheiten.
Bei der delaminierten Platte besitzt der Schwingungsverlauf 1 (Fig. 2a) eine lange Abklingzeit. Die Amplitude geht bei dem Schwingungsverlauf 1 innerhalb der 4500 Zeiteinheiten ab dem Start der Schwingung nicht wieder auf den Wert 0 zurück. Bei der fehlerlosen Platte hingegen besitzt der Schwingungsverlauf 5 (Fig. 2b) eine wesentlich geringere Abklingzeit. Dies ist daran erkennbar, daß die Amplitude der Schwingung schon nach ca. 1000 Zeiteinheiten ab dem Start der Schwingung auf annähernd den Wert 0 abgenommen hat. Bei der fehlerlosen Platte (Fig. 2b) ist demnach die Dämpfung wesentlich größer als bei der delaminierten Platte (Fig. 2a).
Bei der delaminierten Platte (Fig. 2a) weist das Frequenzspektrum 4 eine Vielzahl schmaler Linien mit hohen Amplituden auf, insbesondere bei hohen Frequenzen. Bei der fehlerlosen Platte (Fig. 2b) hingegen zeigt das Frequenzspektrum 6 nur wenige verwertbare hochfrequente Komponenten mit einer großen Breite. Die mittlere Amplitude ist ca. einen Faktor 3 kleiner in dem Hochfrequenzbereich als im delaminierten Fall.
Die genannten charakteristischen Größen (Abklingzeit, Dämpfung, Frequenzen und Amplituden im Fourier-Spektrum, mittlere Amplitude eines bestimmten Frequenzbereichs im Fourier-Spektrum, Breite der Komponenten im Fourier-Spektrum) erlauben eine einfache Erkennung des mangelhaften Festkörpers (hier einer delaminierten Platte), wenn sie mit den Referenzwerten für eine fehlerlose Platte verglichen werden. Sie ermöglichen eine Beurteilung der Haftung zwischen dem Kunststoff und der durch den Kraftimpuls angeregten Metallfläche. Versuche haben ergeben, daß der Ort des Mangels oder Defekts in einem Metall-Kunststoff-Verbundelement mit einer Genauigkeit von < 0,04 m² lokalisiert werden kann. Ferner sind die Reduktion der Abfallzeit sowie die Zunahme der Amplituden hochfrequenter Schwingungen bei dem delaminierten Festkörper gegenüber dem fehlerfreien Festkörper ein Maß für den Umfang der Delamination. Denkbar wäre demnach auch eine Einstufung eines detektierten Mangels oder Defekts nach seinem Ausmaß. Bezugszeichenliste 1 Schwingungsverlauf bei der delaminierten Platte
2 y-Achse
3 x-Achse
4 Frequenzspektrum bei der delaminierten Platte
5 Schwingungsverlauf bei der fehlerlosen Platte
6 Frequenzspektrum bei der fehlerlosen Platte
7 Verbindungskabel
8 Betriebs-LED
9 Elektromagnet
10 Kontaktschalter
11 Hammer
12 Mikrofon
13 Karte
14 1. aufladbare Batterie
15 2. aufladbare Batterie
16 Stromversorgung und Logik
17 Schalter
18 Anzeige
19 1. Einheit
20 2. Einheit

Claims

1. Verfahren zur Detektion von Defekten in einem Festkörper, umfassend die folgenden Verfahrensschritte:

A) Erzeugung von Schwingungen in dem Festkörper durch mechanische Anregung,

B) Detektion der von dem Festkörper emittierten Schallwellen in einem den Festkörper umgebenden Medium, wobei die detektierten Schallwellen in ein elektrisches Signal transformiert werden,

C) Analyse des Signals zur Bestimmung mindestens einer für das Schwingungsverhalten des Festkörpers charakteristischen Größe, gegebenenfalls nach Subtraktion eines Untergrundsignals und Vergleich des Wertes der charakteristischen Größe mit einem Referenzwert.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Anregung in Form mindestens eines Kraftimpulses erfolgt.

3. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anregung eines breiten Frequenzbandes erfolgt.

4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine charakteristische Größe ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Abklingzeit der Schwingungen, Frequenzen im Fourier-Spektrum, Amplituden der Frequenzen im Fourier-Spektrum, Breite einzelner Komponenten im Fourier- Spektrum, mittlere Amplitude der Komponenten des Fourier-Spektrums in einem bestimmten Frequenzbereich, Abklingzeit oder Dämpfung dieser mittleren Amplitude, Dämpfung einzelner Komponenten im Fourier-Spektrum und Dämpfung einer Gruppe von Komponenten im Fourier-Spektrum.

5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzwert aus einer Simulationsrechnung oder aus einer Vergleichsmessung gewonnen wird.

6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein Untergrundsignal gemessen wird und von dem durch die detektierten Schallwellen erzeugten Signal subtrahiert wird.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, enthaltend mindestens ein Anregungselement zur Erzeugung der Schwingungen in dem Festkörper, mindestens einen Schallsensor zur Detektion der von dem Festkörper emittierten Schallwellen und eine Auswerteeinheit zur Analyse des Signals und zum Vergleich der charakteristischen Größe.

8. Vorrichtung gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Anregungselement und der mindestens eine Schallsensor auf derselben Seite des Festkörpers angeordnet sind.

9. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Anregungselement ein Hammer (11) ist.

10. Verwendung der Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9 zum Detektieren von Defekten in einem Verbundelement.

11. Verwendung gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Festkörper ein schichtweise aufgebautes Metall-Kunststoff-Verbundelement ist.

12. Verwendung gemäß einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Festkörper ein Konstruktionsteil von Schiffen, Brücken, Gebäuden, Raum- oder Luftfahrzeugen ist.