DE2915156C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren für die zerstörungsfreie Untersuchung eines stabförmigen Körpers durch Erzeugen einer Schwingung in dem Körper gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Zerstörungsfreie Untersuchungsverfahren für stabförmige Körper sind bekannt. So ist z. B. aus der DE-OS 20 08 625 ein Verfahren für die zerstörungsfreie Untersuchung eines stabförmigen Körpers durch Erzeugen einer Schwingung in diesem Körper und (Wieder)- Erfassen der auf Grund von Diskontinuitäten in diesem Körper veränderten Schwingung bekannt, wobei jedoch nur eine Untersuchung hinsichtlich des strukturellen Zustands des stabförmigen Körpers möglich ist, und wobei dieser stabförmige Körper so auf zwei Auflager frei aufgelegt werden muß, daß er in seinen charakteristischen Schwingungsknotenpunkten, die in einem Abstand von 0,224 L (L = Länge des stabförmigen Körpers) vom jeweiligen freien Ende des stabförmigen Körpers liegen, unterstützt ist. Zum Zwecke der Untersuchung wird dann gegen die Mitte zwischen den Knotenpunkten des stabförmigen Körpers, d. h. im Schwingungsbauch, ein Schlag ausgeübt, so daß der stabförmige Körper auf Grund dieser speziellen freien Auflagerung frei abklingend zu schwingen vermag (a.a.O., Seite 5 unten bis Seite 6 oben). Die durch diesen Schlag erzeugten Schwingungen werden in elektrische Signale umgewandelt; dann wird die Anzahl der Schwingungen während ausgewählter Zeitspannen, in welchen die Dämpfung der Schwingung andauert, gewählt und hierdurch die Dämpfung der Probe gemessen und schließlich die Frequenz der festgestellten Signale bestimmt und hierdurch die Resonanzfrequenz der Probe gemessen.

Dieses aus der DE-OS 20 08 625 bekannte Verfahren, bei dem die Proben frei auf Stützen liegen, welche wiederum in bestimmten, von der Länge des jeweiligen stabförmigen Körpers abhängigen Abständen (0,224 L) angeordnet sein müssen, so daß die Proben frei schwingend abklingen können, eignet sich jedoch nicht für die zerstörungsfreie Untersuchung von einseitig eingespannten stabförmigen Körpern, wie z. B. einbetonierten Bergankern, Ankerstegen im Boden, Betonarmierungen, eingebetteten Rohrleitungen oder dgl. Bei diesen Untersuchungen von einseitig eingespannten Körpern, wie Bergankern, sollen die wirksame Länge der Einspannung, d. h. der Kontakt des Körpers mit dem umgebenden Material, insbesondere die Lokalisierung der Einspannung längs des Körpers, außerdem die Länge des Körpers sowie die wesentlichen Diskontinuitäten im stabförmigen Körper und/oder in dessen Einspannung und/oder in der Umgebung des stabförmigen Körpers bestimmt werden. Die Befestigung des einseitig eingespannten Körpers, die wirksame Länge der Einbettung sowie eventuelle Diskontinuitäten im Körper haben für das Lastaufnahmevermögen des stabförmigen Körpers entscheidende Bedeutung.

Die übliche Art und Weise, Berganker zu montieren, beispielsweise für die Verstärkung von Decken oder Wänden in Tunneln, gibt an und für sich keine Garantie dafür, daß die Einspannung des Ankers im umgebenden Material ausreichend gut ist. Es ist nicht möglich, visuell festzustellen, ob beispielsweise ein einbetonierter Anker die vorgeschriebene Länge und eine einwandfreie Einbetonierung, d. h. ein ausreichendes Lastaufnahme- oder Lastübertragungsvermögen aufweist.

Des weiteren kann auch ein ursprünglich korrekt montierter Anker mit gutem Kontakt mit dem umgebenden Berg oder ausreichendem Lastaufnahmevermögen später locker werden oder wenigstens einen wesentlichen Teil seines Lastaufnahmevermögens verlieren. Das kann beispielsweise dadurch geschehen, daß der Anker aufgrund von Schub- oder Zugkräften abbricht, die im Zusammenhang mit Bewegungen im umgebenden Berg entstehen. Auch wenn beispielsweise ein eingebetteter Anker in einem kleinen Abstand von der Außenseite der Einbettung abbricht, ist es unmöglich, dies durch Betrachtung zu entdecken. Daher ist es notwendig, die Länge und funktionelle Wirksamkeit von Bergankern zu kontrollieren.

Eine Art, die Einspannung und das Lastaufnahmevermögen eines Ankers zu kontrollieren besteht darin, mit Hilfe von beispielsweise einer Winde am Anker zu ziehen, gegebenenfalls bis er abbricht oder sich löst. Im Hinblick auf die Kosten und den Zeitverbrauch kann normalerweise nur ein kleiner Teil aller Anker kontrolliert werden. Darüber hinaus kann das Lastaufnahmevermögen des Ankers und die gegen Korrosion schützende Wirkung der Einbettung durch den Probezug verschlechtert werden, so daß der geprüfte Anker nach der Probe nicht wie beabsichtigt verwendet werden kann, auch wenn man nicht gezogen hat, bis der Anker abgebrochen ist oder sich gelöst hat. Außerdem hat eine Zugprobe nur begrenzten Wert; man konnte feststellen, daß ca. 30 cm einwandfreie Einbettungslänge ausreicht, damit ein Anker bei der Probe außerhalb der Einbettung abgerissen werden kann. Eine Zugprobe, bei der das Ankerende abreißt, gibt also nur Aufschluß darüber, daß der Anker mit wenigstens 30 cm einwandfreier Einbettungslänge verankert war.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nunmehr, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu finden, mit dem bzw. mit der die zerstörungsfreie Prüfung der Befestigung und der Länge von einseitig eingespannten stabförmigen Körpern, wie z. B. Bergankern o. dgl., sowie von Diskontinuitäten im einseitig eingespannten stabförmigen Körper bzw. Berganker selbst und/oder in dessen Einspannung und/oder in dessen Umgebung an Ort und Stelle möglich sind.

Gelöst wird diese Aufgabe durch den kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, eine bestimmte Art transienter elastischer Schwingungsbewegungen in bzw. an dem freien Ende eines einseitig eingespannten stabförmigen Körpers zu erzeugen. Eine derartige Schwingungsbewegung breitet sich längs des Körpers und in dessen Einspannung mit einer Geschwindigkeit und einer Dämpfung aus, die auf bestimmten Wellenausbreitungsparametern beruhen. Bei Diskontinuitäten im Berganker und/oder in dessen Einspannung und/oder der Umgebung des Bergankers entstehen reflektierte Schwingungsbewegungen mit auf geometrischen Gegebenheiten sowie Wellenausbreitungsparametern beruhenden Größen, Art und Richtung. Die Wellenausbreitungsparameter hängen wenigstens teilsweise mit den physikalischen Parametern des Ankers, der Einspannung bzw. der Umgebung zusammen. Durch Erfassen derartiger reflektierter transienter elastischer Schwingungsbewegungen samt Auslegung und Analyse der Parameter der Schwingungsbewegungen, wie der Ankunftszeit, Frequenz, Amplitude, Schwingungsart usw. kann man erfindungsgemäß gewisse Informationen über zumindestens gewisse Diskontinuitäten erhalten.

Diskontinuitäten von Interesse hinsichtlich des Vermögens eines eingebetteten Bergankers Last aufzunehmen oder zu übertragen, sind in erster Linie der Anfang und das Ende des Ankers, die Befestigung des Ankers sowie etwaige Sprünge oder Brüche im Anker oder dessen Einbettung. Von Bedeutung für das Lastaufnahme- oder Lastübertragungsvermögen ist ebenso der Kontakt der Einbettung mit dem Anker und dem umgebenden Berg. Dieser Kontakt beeinflußt die Dämpfung der transienten elastischen Schwingungsbewegungen und in gewisser Weise auch deren Ausbreitungsgeschwindigkeit. Dadurch, daß man die Amplitude der reflektierten Schwingungsbewegungen in Beziehung zur Ankunftszeit und den Amplituden bei den erzeugten Schwingungsbewegungen setzt, kann man indirekt einen gewissen Aufschluß über den genannten Kontakt bekommen

Die Anwendung von Schwingungsbewegungen oder Vibrationsbewegungen für zerstörungsfreie Prüfungen oder Kontrollen ist an und für sich keine Neuheit. Materialprüfung mit Hilfe von Ultraschall und ähnliche Methoden sind ja schon sei langem bekannt. Die Prüfung nach der vorliegenden Erfindung unterscheidet sich indessen von gängigen Ultraschallprüfungen sowohl im Hinblick auf die Erzeugung wie auch die Erfassung und Analysierung der Schwingungsbewegungen.

Schon seit langer Zeit ist es bekannt, daß elastische Schwingungsbewegungen vieler verschiedener Wellenarten unter bestimmten Voraussetzungen sich in Längsrichtung eines kreiszylindrischen homogenen Körpers ausbreiten können. Als Beispiel für verschiedene derartige Wellenarten können longitudinale Wellen, Torsionswellen, radiale Wellen und Biegewellen genannt werden. Wenn die Schwingungsbewegungen ausreichend hohe Frequenzen aufweisen, können außerdem im allgemeinen mehr als ein Schwingungsmodus der betreffenden Wellentypen sich in Längsrichtung des kreiszylindrischen Körpers ausbreiten. Wenn man sich der Einfachheit halber auf die niedrigfrequentesten und einfachsten Schwingungsmodi des betreffenden Wellentyps beschränkt, ist es relativ einfach, die verschiedenen Wellentypen so zu beschreiben, daß ihre Unterschiede klar erkennbar sind. Der Schwingungsmodus der longitudinalen Wellen ist dadurch gekennzeichnet, daß alle Querschnitte im Körper abwechselnd in Längsrichtung des Körpers komprimiert und expandiert werden. Der Schwingungsmodus der radialen Wellen ist dadurch gekennzeichnet, daß alle Querschnitte im Körper in radialer Richtung abwechselnd komprimiert und expandiert werden. Der Schwingungsmodus der Torsionswellen ist dadurch gekennzeichnet, daß alle Querschnitte im Körper sich relativ zueinander um die Körperachse verdrehen. Der Schwingungsmodus der Biegewellen ist dadurch gekennzeichnet, daß bestimmte Bereiche eines Querschnitts des Körpers in Längsrichtung des Körpers expandieren, während gleichzeitig andere Bereiche des Querschnittes in Längsrichtung des Körpers komprimiert werden. Die Bereiche werden dabei voneinander durch eine diametrale neutrale Ebene getrennt, die parallel zur Ausbreitungsrichtung des Schwingungsmodus ist, d. h. zu der Längsachse des kreiszylindrischen Körpers.

Für eine ausführliche Beschreibung von elastischen Wellen in stabförmigen Körpern wird auf den Artikel "Elastic Waves in Rods and Clad Rods" von R. N. Thurston hingewiesen, publiziert im Journal of Acoustical Society of America, 64 (1), Juli 1978.

Die Wellenausbreitung in einem einbetonierten Berganker ist aus verschiedenen Gründen komplizierter theoretisch zu beschreiben als die Wellenausbreitung in einem kreiszylindrischen homogenen freien Körper. Eine Ursache ist natürlicherweise die Tatsache, daß Berganker mit ihrem einen Ende einbetoniert sind und dadurch an diesem Ende nicht mehr frei sind. Der Kontakt der Einbettung mit der Außenfläche des Ankers bringt bestimmte Begrenzungen der möglichen Kompressionen und Expansionen vom Querschnitt des Ankers mit sich, wenigstens in den Teilen des Querschnittes, die der Mantelfläche am nächsten liegen. Eine andere Ursache besteht darin, daß Berganker normalerweise nicht die Form eines kreiszylindrischen Körpers aufweisen. Die meisten Anker werden heute aus Armierungseisen gemacht, das längs seiner Mantelfläche eine Anzahl Kämme aufweist. Die Kämme erstrecken sich entweder tangential senkrecht zur Längsrichtung des Ankers oder in spitzem Winkel gegen die Längsrichtung des Ankers. Die Kämme erstrecken sich jedoch nicht immer rund um die ganze Mantelfläche, sondern bestimmte Berganker haben Abschnitte der Mantelfläche ohne solche Kämme. In bestimmten Fällen ist die Mantelfläche der Berganker außerdem mit ein oder zwei Kämmen versehen, die sich in Längsrichtung des Ankers erstrecken. Das bedeutet, daß der Querschnitt des Bergankers weder kreisförmig noch längs des Ankers konstant ist, sondern über die Länge des Ankers, im wesentlichen periodisch, variiert.

Für eine auführliche Beschreibung von der Wellenausbreitung in stabförmigen Körpern mit längs der Stäbe variablem Querschnitt wird auf den Artikel hingewiesen: "Wave Propagation in None-uniform Elastic Rods" von Gerald Rosenfeld und Joseph B. Keller, publiziert im Journal of Acoustical Society of America, Vol. 57, No. 5, Mai 1975, Seite 1094 bis 1096.

Die vorliegende Erfindung beruht darauf, transiente Biegewellen zu erzeugen und zu erfassen, vorzugsweise in Kombination mit longitudinalen Wellen und/oder Torsionswellen. Es hat sich nämlich ganz überraschenderweise gezeigt, daß die einfachsten niedrigfrequentesten Schwingungsmodi der Biegewellen bei der Ausbreitung in einem einbetonierten Berganker aus Kammstahl bedeutend weniger gedämpft werden als beispielsweise die einfachsten niedrigfrequentesten Schwingungsmodi von longitudinalen Wellen mit vergleichbaren Frequenzen.

Obwohl entsprechend der Erfindung hauptsächlich Biegewellen erzeugt werden, kann man aufgrund der Einspannung und der variierenden Querschnitte des Bergankers nicht ausschließen, daß elastische Schwingungsbewegungen mit anderen Wellentypen und/oder Schwingungsmodi längs des einbetonierten Ankers erzeugt werden, wenigstens bei genügend hohen Schwingungsfrequenzen. Es kann auch nicht ganz ausgeschlossen werden, daß derartige elastische Schwingungsbewegungen gekoppelt werden und im Zusammenwirken mit diesen fortgepflanzt werden, wenn die Schwingungsbewegung bestimmte Frequenzen aufweist. Durch eine geeignete Form des Auffangens der reflektierten elastischen Schwingungsbewegungen können indessen reflektierte Schwingungsbewegungen von verschiedenen Wellentypen ganz oder teilweise voneinander getrennt werden. Eine ausführliche Beschreibung vom derartigen Anregen von Schwingungen längs eines Stabes sowie der genannten Kopplung findet sich im Artikel "Experimental Study on the Wave Mode in Elastic Cylindrical Rod" von Toda Fukuoka Tanida, publiziert im Bulletin of Japan Society of Mechanical Ingeneers, Vol 19, Nr. 132, JUNI 1976 S. 590-594.

Im Rahmen der Erfindung wird außerdem eine Vorrichtung zum Erzeugen und Erfassen der sich in Längsrichtung des einseitig eingespannten stabförmigen Körpers bzw. Bergankers ausbreitenden transienten elastischen Schwingungsbewegungen, die eine Biegewelle enthalten, vorgeschlagen. Diese erfindungsgemäße Vorrichtung besteht im wesentlichen aus mindestens zwei am freien Ende des zu untersuchenden stabförmigen Körpers angebrachten elektromagnetischen Wandlern sowie entsprechenden Elektroden zur Erzeugung bzw. Aufnahme von elektrischen Erregerspannungen. Vorzugsweise bestehen die zwei elektromagnetischen Wandler aus piezoelektrischen Kristallen mit dicht nebeneinander gelegenen halbkreisförmigen Elektroden, welche zusammen eine Größe und eine Form aufweisen, die im wesentlichen mit der Querschnittsfläche des zu untersuchenden stabförmigen Körpers übereinstimmt.

Dadurch daß die Meßelektroden anstatt in zwei nunmehr in vier Sektoren aufgeteilt sind, ist es möglich, Biegewellen in zwei zueinander senkrechten Richtungen zu erfassen.

Eine ausführlichere, detaillierte Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung für die zerstörungsfreie Untersuchung von einseitig eingespannten stabförmigen Körpern, wie z. B. Bergankern, soll nachfolgend anhand von konkreten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den anliegenden Zeichnungen erfolgen; es zeigt

Fig. 1 die Untersuchung an einem Berganker, der in die Wand eines Tunnels eingespannt ist.

Fig. 2 eine explodierte Darstellung eines Organes zum Erzeugen und Erfassen von elastischen Biegewellen und longitudinalen Wellen im freien Ende eines eingespannten stabförmigen Körpers.

Fig. 3 ein Blockschema einer Vorrichtung für die Untersuchung von einem eingespannten stabförmigen Körper.

Fig. 4 eine explodierte Darstellung eines Organes zum Erzeugen und Erfassen von elastischen Biegewellen und longitudinalen Wellen mit der Möglichkeit, Biegewellen in zwei zueinander senkrechten Richtungen am freien Ende eines eingespannten stabförmigen Körpers zu erfassen.

Fig. 5 ein Blockschema über eine Vorrichtung zur Untersuchung eines eingespannten stabförmigen Körpers mit Hilfe eines Organes zum Erzeugen und Erfassen nach Fig. 4.

Fig. 6 eine Anzahl Berganker mit verschiedenen Einspannungen.

Fig. 7 bis 15 bei den Untersuchungen von Bergankern mit verschiedenen Einbettungen entsprechend Fig. 6 erfaßte Signalverläufe.

Fig. 16 den Signalverlauf, erfaßt an einem kürzeren Berganker.

Fig. 1 stellt einen Tunnel in einem Berg dar. Im Dach und in den Wänden des Tunnels ist eine Anzahl Anker so eingespannt, daß jeder mit seinem Ende frei herausragt. Bestimmte Anker können Freianker sein, während andere eingebettete Anker sein können. Zur Untersuchung eines einbetonierten Ankers 1 drückt eine Person ein Handwerkszeug 2 gegen das freie Ende des Ankers, das bei Bedarf vor der Untersuchung plangearbeitet wird. Das Handwerkszeug stellt einen Teil einer zweiteiligen Vorrichtung zur Untersuchung dar und umfaßt ein Organ zum Erzeugen und Erfassen von bestimmten transienten elastischen Schwingungsbewegungen im aus der Einspannung herausragenden freien Ende des Ankers. Das Handwerkszeug und der zweite Teil 3 der Untersuchungsvorrichtung sind mit einem elektrischen Kabel 4 verbunden.

Die im freien Ende angeregte transiente elastische Schwingungsbewegung breitet sich in Längsrichtung des Ankers aus und gibt Anlaß zu reflektierten elastischen transienten Schwingungsbewegungen beim Anfang der Einbettung und bei anderen Diskontinuitäten, wie beim Schluß der Einbettung oder des Ankers, sowie bei etwaigen Bruchstellen des Ankers. Unter ihrer Ausbreitung längs des Ankers in dessen Längsrichtung von dem freien Ende des Ankers aus und zurück, werden die elastischen Schwingungsbewegungen in einem Ausmaß gedämpft, das u. a. davon abhängt, wie gut die Betonbettung in Kontakt mit dem Anker und dem umgebenden Berg ist.

Die Wellenausbreitungsgeschwindigkeiten und die Dämpfungen für transiente elastische Wellen können durch Messungen an teils freien, teils eingespannten Ankern mit bekannten Längen und Querschnittsdimensionen sowie im vorliegenden Fall bekannten Einspannungen bestimmt werden. Amplituden und Kurvenformen von reflektierten Schwingungsbewegungen, die bei verschiedenen Typen und Größen von Diskontinuitäten der Einspannung und des Ankers entstehen, können ebenfalls durch Messungen an einer Anzahl Diskontinuitäten von bekannter Art und Größe bestimmt werden. Das Handwerkszeug und der zweite Teil der Untersuchungsvorrichtung enthalten zusammen Organe, die die zeitliche Lage und/oder Amplitude und etwaige andere Parameter an den erfaßten transienten elastischen Schwingungsbewegungen mit früher bestimmten Wellenausbreitungsgeschwindigkeiten und -dämpfungen usw. in Relation setzen, und geben gewisse Informationen über die Diskontinuitäten am Anker oder dessen Einspannung, durch welche die erfaßten reflektierten Schwingungsbewegungen entstehen. Die Informationen sind von mehr oder weniger sophistischer Art und werden von einem Anzeigeorgan am Handwerkszeug oder dem zweiten Teil aufgezeigt oder auf einem Magnetbandaufzeichnungsgerät od. dgl. gespeichert. Wie diese Informationen aufgezeigt werden, stellt keinen Teil der Erfindung dar. Die Erfindung ist vielmehr dazu bestimmt, zur Wahl von erzeugten und erfaßten Wellentypen und Schwingungsmodi hinzuführen, zu einem Organ für das Erzeugen und Erfassen dieser Wellentypen, sowie zu einer damit zusammenhängenden bestimmten Signalbehandlung.

Der mechanische Aufbau und die Ausgestaltung des Teiles 3 sowie bis zu einem bestimmten Teil auch des Handwerkszeuges sind von untergeordneter Bedeutung und werden deshalb nicht näher beschrieben. Es dürfte reichen, die Konstruktion der Teile der Anordnung zu beschreiben, welche die transiente elastische Schwingungsbewegung erzeugt und erfaßt. Fig. 2 zeigt eine explodierte Darstellung von Teilen einer Ausführung dieses Organs zum Anregen und Erfassen von Kompressionswellen und Biegewellen.

Vier piezoelektrische (Blei-cirkonat-titanat) Kristalle 6, 9, 11 und 14 sind jeder für sich in einem Stück ausgeführt, mit einer zylindrischen Mantelfläche sowie planparallelen Endflächen. Sie haben sämtlich einen Durchmesser von 25 mm und eine Dicke von 2 mm. Diese piezoelektrischen Kristalle sind senkrecht zu den planparallelen Endflächen polarisiert, d. h. parallel zur Symmetrieachse.

Die zwei ersten piezoelektrischen Kristalle 6 und 9 sind zwischen zwei kreisrunden Messingelektroden 5 und 10 mit einer Dicke von 0,05 mm derartig angeordnet, daß die Polarisationsrichtungen der beiden piezoelektrischen Kristalle einander entgegengesetzt gerichtet sind. Zwischen den beiden piezoelektrischen Kristallen 6 und 9 sind zwei halbkreisförmige dünne Metallelektroden 7 und 8 eingesetzt. Die beiden Elektroden 7 und 8 bedecken nicht ganz eine Kreisfläche, sondern zwischen den beiden halbkreisförmigen Elektroden ist ein schmaler elektrisch isolierender Spalt.

Auf gleiche Art wie die Kristalle 6 und 9 sind die Kristalle 11 und 14 zwischen zwei runden dünnen Metallelektroden 10 und 15 angeordnet. Zwischen den Kristallen 11 und 14 sind ebenso zwei halbkreisförmige Elektroden 12 und 13 eingefügt, in der gleichen Art wie die halbkreisförmigen Elektroden 7 und 8.

Die verschiedenen Teile der Kristalle und Elektroden sind mit Epoxyharzkleber vom Zweikomponententyp zusammengefügt.

Zum Erzeugen und Erfassen von transienten elastischen Schwingungsbewegungen wird das Fig. 2 entsprechende Organ in verleimten Zustand im Handwerkszeug mit der Elektrode 15 gegen das zugängliche Ende des Ankers 16, also gegen die Stirnseite des freien Endes des Ankers 16 gedrückt. Diese Stirnseite hat durch Abschneiden und Schleifen oder auf andere Weise eine ausreichend ebene Oberfläche erhalten. Die Kontaktfläche zwischen der Elektrode und der Oberfläche wird vorteilhaft mit einer kleinen Menge Kontaktmittel, beispielsweise Vaseline, versehen.

Die Anregung der Schwingungsbewegungen geschieht dadurch, daß die drei ganzen Elektroden 5, 10 und 15 gemeinsam an Erde gelegt werden, sowie daß den halbkreisförmigen Elektroden 7 und 8 eine elektrische Spannung zugeführt wird. Wenn in den halbkreisförmigen Elektroden 7 und 8 Wechselspannungsimpulse mit gleicher Amplitude und Phase zugeführt werden, werden die Kristalle 6 und 9 veranlaßt, zu versuchen, die ganzen Elektroden 5 uns 10 vorwiegend planparallel abwechselnd gegeneinander und voneinander zu versetzen. Die Kristalle geben auf diese Weise Anlaß zu einer longitudinalen Schwingungsbewegung. Wenn dagegen den beiden halbkreisförmigen Elektroden 7 und 8Wechselspannungsimpulse mit gleicher Amplitude aber einer um 180° versetzten Phase zugeführt werden, versuchen die Kristalle 6 und 9 gleichzeitig die einen Hälften der Elektroden 5 und 10 aufeinander zu und die anderen Hälften der Elektroden 5 und 10 voneinander weg zu versetzen und umgekehrt. Auf diese Weise geben die Kristalle Anlaß zu einer Wellenbewegung vom Biegewellentyp.

Das Erfassen der Schwingungsbewegung geschieht mit den Kristallen 11 und 14 sowie den halbkreisförmigen Elektroden 12 und 13. Dadurch, daß die Erfassungselektroden 12 und 13 und die Anregungselektroden 7 und 8 elektrisch durch das elektrisch isolierende Kristallmaterial getrennt sind, kann das Erfassen und Erzeugen gleichzeitig geschehen.

Das Erfassen der Schwingungsbewegungen erfolgt so, daß die drei ganzen Elektroden 5, 10 und 15 gemeinsam an Erde gelegt werden. Werden die beiden piezoelektrischen Kristalle 11 und 14 einer deformierenden Kraft von einer erfaßten Schwingungsbewegung ausgesetzt, entsteht in den Elektroden 12 und 13 eine elektrische Ladung. Wenn man der Einfachheit halber voraussetzt, daß die Kapazitäten zwischen den Elektroden und der Erde sowie der Elastizitätsmodul der Kristalle konstant sind, ergibt sich eine im wesentlichen zu den Deformationen proportonale Spannung an den Elektroden. Aus dieser Spannung kann man beispielsweise entsprechend Fig. 3 mit zugehörigem Text Informationen bekommen.

Das Blockschema in Fig. 3 zeigt eine Vorrichtung für die Untersuchung eines eingespannten stabförmigen Körpers durch Erzeugen und Erfassen von transienten elastischen Wellen mit einem Fig. 2 entsprechenden Organ. Ein Signalgenerator 18 erzeugt abhängig vom Steuerorgan 17 einen Impuls, bestehend aus einer kleinen Anzahl Sinusperioden mit geeigneter Frequenz. Bei eingebetteten Ankern aus Kammstahl (Werkzeugstahl?) mit ca. 25 mm Ø sollte die Frequenz zwischen 20 und 100 KHz betragen. Die Ausgangsseite des Signalgenerators ist an einen Inverter 20, einen Umschalter 21 sowie den Eingang des Organes 22 für das Erzeugen und Erfassen angeschlossen. Der Umschalter 21 hat zwei Eingänge, von denen der zweite an den Ausgang des Inverters 20 angeschlossen ist. Der Ausgang des Umschalters 21 ist an den zweiten Eingang des Erzeuger- und Erfasserorgans angeschlossen. Beide Eingänge des Erzeuger- und Erfasserorganes 22 sind jeweils an eine halbkreisförmige Elektrode 7 und 8, entsprechend Fig. 2, angeschlossen. Wenn die Umschalteinheit 21 auf bestimmte Weise geschaltet ist, werden dem Erzeugungs- und Erfassungsorgan 22 Wechselspannungsimpulse mit gleicher Amplitude und gleicher Phase zugeführt, so daß longitudinale Schwingungsbewegungen erzeugt werden. Wenn die Umschalteinheit 21 auf die andere Weise geschaltet ist, werden dem Erzeugungs- und Erfassungsorgan Wechselspannungsimpulse mit gleicher Amplitude aber mit um 180° versetzter Phase zugeführt, was zur Erzeugung von Schwingungsbewegungen vom Biegewellentyp führt.

Die Spannungen von den Elektroden 12 und 13 in Erzeugungs- und Erfassungsorgan 22 werden einer Signalbehandlungskette zugeführt, bestehend aus einem Inverter 23, einem Umschalter 24, einer UND-Schaltung 25 sowie einem Bandfilter 26.

Die Spannung von der einen der Elektroden 12 und 13 wird der UND-Schaltung 25 zugeführt. Die Spannung von der anderen der beiden Elektroden 12 und 13 wird einem Inverter 23 zugeführt sowie dem einen Eingang eines Umschalters 24 für zwei Stellungen. Der Ausgang des Inverters 23 ist an den zweiten Eingang des Umschalters 24 angeschlossen. Der Ausgang des Umschalters 24 ist an den zweiten Eingang der UND-Schaltung 25 angeschlossen.

Wenn sich der Umschalter 24 in einer Stellung befindet, wird das Ausgangssignal der UND-Schaltung proportional zur Summe der beiden Spannungen der Elektroden 12 und 13. Wird der Umschalter 24 in seine andere Stellung gebracht, ergibt sich stattdessen ein Ausgangssignal, das proportional der Differenz zwischen den beiden Spannungen von den Elektroden 12 und 13 ist.

Durch das Summieren der Spannungen wird die Erfassung maximal empfänglich für die niedrigsten Schwingungsmodi bei longitudinalen Wellen, während die Einwirkung der Biegewellen unterdrückt wird. Wird stattdessen die Differenz gebildet, wird die Erfassung maximal empfänglich für die niedrigsten Schwingungsmodi bei Biegewellen, während die Einwirkung der longtudinalen Wellen unterdrückt wird.

Mit der Steuereinheit 17 ist es möglich, die Umschalter 21 und 24 synchron so einzustellen, daß entweder longitudinale Schwingungsbewegungen, oder Schwingungsbewegungen vom Biegewellentyp erzeugt und erfaßt werden.

Gleichzeitig werden die Bandfilter 19 und 26 so umgestellt, daß ein für jeden Wellentyp optimaler Frequenzbereich ausgenützt wird.

Die in einem stabförmigen Körper erzeugte Biegewelle ist gekennzeichnet durch eine Bewegung um eine Neutralebene, die parallel zur Ausbreitungsachse der Welle gerichtet ist, d. h. zur Längsachse des Ankers. Im Augenblick der Erzeugung fällt die neutrale Ebene mit der Spalte zwischen den beiden Elektrodenhälften 7 und 8 zusammen, denen die Erzeugungsspannung zugeführt wird.

Wenn die Biegewelle längs der Stange fortschreitet, an der Endfläche oder anderen Diskontinuitäten reflektiert wird und zu dem äußeren Ankerende mit dem Erzeugungs- und Meßorgan zurückkehrt, kann es nicht ausgeschlossen werden, daß die Richtung der neutralen Ebene geändert wird. Diese Richtungsänderung kann abhängen von Inhomogenitäten im Anker, Deformationen des Ankers oder der Ankeroberfläche sowie an den Gegebenheiten der reflektierenden Fläche, die auch das Ende des Ankers sein kann (inneres Ende).

Um reflektierte Biegewellen optimal erfassen zu können, sollte die Symmetrieachse der Erfassungselektroden mit der neutralen Ebene der Biegewelle zusammenfallen. Eine Möglichkeit, dies zu erreichen, besteht darin, das Organ für die Erzeugung und Erfassung so auszubilden, daß dessen Teile zur Erfassung im Verhältnis zu dessen Teilen für die Erzeugung gedreht werden können. Dies ist indessen im allgemeinen eine unpraktische Lösung. Eine praktischere Lösung ist dagegen, das Organ zum Erzeugen und Erfassen so auszubilden, daß es Biegewellen beliebig in einer oder beiden von zwei zueinander senkrechten Achsen erfaßt. Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform eines Organes zum Erzeugen und Erfassen, welches das kann.

Die Ausführungsform stimmt mit der Ausführungsform der Vorrichtung nach Fig. 2 überein bis auf den wesentlichen Unterschied, daß die Meßelektroden 12 und 13 anstelle in zwei in vier Sektoren aufgeteilt sind 34, 35, 36 und 37 (Fig. 4).

Durch die Ausbildung mit vier Sektoren 34, 35, 36 und 37 der Erfassungselektrode in Erzeugungs- und Erfassungsorgan nach Fig. 4, sowie des ergänzten Signal-Behandlungsorganes nach Fig. 5 ist es möglich, in zwei zueinander senkrechten Richtungen Biegewellen zu erfassen.

Vier piezoelektrische Kristalle 28, 31, 33 und 38 sind jeweils in einem Stück und mit zylindrischer Mantelfläche sowie planparallelen Endflächen ausgebildet. Diese piezoelektrischen Kristalle sind senkrecht zu ihren planparallelen Außenflächen polarisiert, d. h. parallel zur Symmetrieachse.

Die beiden ersten piezoelektrischen Kristalle 28 und 31 sind zwischen zwei kreisförmigen dünnen Metallelektroden 27 und 32 derart angeordnet, daß die Polarisationsrichtung der beiden piezoelektrischen Kristalle einander entgegengerichtet sind. Zwischen den beiden piezoelektrischen Kristallen 28 und 31 sind zwei halbkreisförmige dünne Metallelektroden 25 und 30 so plaziert, daß sie nicht eine geschlossene Kreisfläche bilden, sondern durch einen schmalen elektrisch isolierenden Spalt getrennt sind.

Die für die Erfassung bestimmten Kristalle 33 und 38 sind ebenso zwischen zwei Elektroden 32 und 39 so angeordnet, daß die Polarisationsrichtungen der Kristalle einander entgegengerichtet sind. Zwischen den beiden Erfassungskristallen sind vier Metallelektroden 34, 35, 36 und 37 mit Kreisviertelform so angeordnet, daß sie voneinander elektrisch isoliert sind.

Fig. 5 zeigt ein Blockschema einer Vorrichtung für die Untersuchung von einem eingespannten stabförmigen Körper durch Erzeugen und Erfassen von transienten elastischen Schwingungsbewegungen mit Hilfe eines Fig. 4 entsprechenden Organes.

Ein Impulsgenerator 42 erzeugt in Abhängigkeit von der Steuereinheit 41 einen oder mehrere kurzzeitige Impulse, deren Energie sich hauptsächlich in dem Frequenzbereich befindet, der für die elastischen Schwingungsbewegungen geeignet ist. Der Ausgang des Impulsgenerators ist an den Eingang eines Bandfilters 43 angeschlossen. Der bandgefilterte Impuls wird einem Inverter 44 zugeführt, einem Umschalter 45 sowie einem Erzeugungs- und Erfassungsorgan 46. Der zweite Eingang des Umschalters 45 ist an den Ausgang des Inverters angeschlossen. Der Ausgang des Umschalters 45 ist an den zweiten Eingang des Erzeugungs- und Erfassungsorganes angeschlossen.

Die beiden Eingänge des Erzeugungs- und Erfassungorganes 46 sind jeweils an eine halbkreisförmige Elektrode 29 und 30 angeschlossen (entsprechend Fig. 4).

Wenn die Umschalteinheit 45 in einer bestimmten Weise geschaltet ist, werden den Erzeugungselektroden der Erzeugungsvorrichtung 46 Wechselspannungsimpulse mit gleicher Amplitude und gleicher Phase zugeführt, wodurch longitudinale Schwingungsbewegungen erzeugt werden. Wenn die Umschalteinheit 45 auf die andere Art geschaltet ist, werden den Erzeugungselektroden der Erzeugungsvorrichtung 46 Wechselspannungsimpulse mit gleicher Amplitude aber mit um 180° verschobener Phase zugeführt, was zu Schwingungsbewegungen vom Biegewellentyp führt.

Die von dem Erzeugungs- und Erfassungsorgan 46 ausgehenden Leitungen 47, 48, 49 und 50 sind jeweils an eine der sektorförmigen Elektroden 34, 35, 36 und 37 angeschlossen, entsprechend Fig. 4.

In der weiteren Beschreibung wird angenommen, daß das Erzeugungs- und Erfassungsorgan so orientiert ist, daß seine Symmetrieachsen horizontal und die obere rechte Elektrode 34 an die Leitung 48 angeschlossen ist. Die untere rechte Elektrode 35 ist an die Leitung 48 angeschlossen. Die untere linke Elektrode 36 ist an die Leitung 49 und die obere linke Elektrode 37 an die Leitung 50 angeschlossen.

Eine UND-Schaltung 51 ist an die Leitungen 47 und 50 angeschlossen und gibt auf diese Weise ein Signal, das zur Summe der Spannungen der beiden oberen Elektroden proportional ist. Die UND-Schaltung 52 bildet durch den Anschluß an die Leitungen 48 und 49 ein Signal, das proportional zur Summe der Spannungen von den beiden unteren Elektrodensektoren ist. Die UND-Schaltung 53 bildet durch Anschluß an die Leitungen 49 und 50 ein Signal, das proportional zur Summe der Spannungen der beiden linken Elektroden ist. Die UND-Schaltung 54 liefert durch Anschluß an die Leitungen 47 und 48 ein Signal, das proportional zur Summe der Spannungen von den beiden rechten Elektroden ist.

Die Ausgangssignale von der UND-Schaltung 51 werden teils einer weiteren UND-Schaltung 56, teils einer Differenzschaltung 55 zugeführt. Das Ausgangssignal von der UND-Schaltung 52 wird ebenso der UND-Schaltung 56 sowie der Differenzschaltung 55 zugeführt. Die Ausgangssignale von den UND-Schaltungen 53 und 54 werden einer Differenzschaltung 57 zugeführt. Die Ausgangssignale von der UND-Schaltung 56 stellen die Summe der Signale von den vier Erfassungselektroden dar und sind auf diese Weise besonders empfänglich für die longitudinalen Kompressionswellen, während die Einwirkung der Biegewellen unterdrückt wird.

Die Ausgangssignale der Differenzschaltung 55 stellen die Differenz zwischen den Summensignalen der beiden oberen und den Summensignalen der beiden unteren Elektroden dar. Ein maximales Ausgangssignal erhält man für Biegewellen mit horizontaler neutraler Fläche, während Biegewellen mit vertikaler neutraler Fläche sowie longitudinale Kompressionswellen unterdrückt werden.

Das Ausgangssignal von der Differenzschaltung 57 stellt die Differenz zwischen den Signalen von den beiden rechten und den Signalen von den beiden linken Elektroden dar. Ein maximales Ausgangssignal erhält man für Biegewellen mit vertikaler neutraler Ebene, während Biegewellen mit horizontaler neutraler Ebene sowie longitudinale Wellen unterdrückt werden.

Das von der Differenzschaltung 55 gelieferte Ausgangssignal wird zu einem Bandfilter 58 geführt. Das Signal von der zweiten Differenzschaltung 57 wird einem Bandfilter 60 zugeführt. Das Ausgangssignal von den Summierkreisen wird dem Bandfilter 59 zugeführt.

Es kann nicht ausgeschlossen werden, daß zusätzliche Informationen von wenigstens einem äußeren Einbettungsabschnitt eines Ankers dadurch gewonnen werden sollten, daß auch Torsionswellen und Schubwellen erzeugt werden. Primitive praktische Versuche haben indessen gezeigt, daß es Schwierigkeiten macht, eine ausreichend gute mechanische Verbindung zwischen dem ebenen Ende eines Ankers und dem Organ zum Erzeugen und Erfassen von Schwingungsbewegungen herzustellen. Es ist möglich, daß eine ausreichend gute Verbindung dadurch erzielt werden kann, daß die zugängliche Endfläche statt eben zu sein, die Form zwei halbelliptischen ebenen Flächen aufweist, die im Winkel zueinander und zur Längsrichtung des Ankers angeordnet sind.

Fig. 6 zeigt im Schnitt drei Anker 61 aus Kammeisen, wovon zwei mittels Beton in Bohrlöcher 62 in Granit eingegossen sind, und zwar mit verschiedenen Längen der Betoneinbettung 63.

Der Anker A ist überhaupt nicht eingegossen und ist zum Vergleich herangezogen worden. Der Anker B ist über eine Länge von ca. 20 cm eingebettet, während der Anker C über eine Länge von ca. 40 cm eingebettet ist. Sämtliche Anker bestehen aus Kammeisen von 25 mm Durchmesser mit einer Länge von jeweils 2250 mm.

Die äußere Endfläche der Anker ist senkrecht zur Ankerachse abgeschnitten sowie mit einer solchen Oberflächenfeinheit bearbeitet, daß zwischen dem Anker und dem Organ zum Erzeugen und Erfassen sich ein guter Kontakt ergibt, wenn das Organ mit Fett als Kontaktmittel gegen das Ankerende gedrückt wird. Das innere Ende der Anker ist mit einer Bolzenschere abgeschnitten und danach nicht speziell bearbeitet worden.

Die Fig. 7 bis 15 zeigen Signale, Ergebnisse von Untersuchungen an den in Fig. 6 wiedergegebenen Ankern mit dem in Fig. 2 beschriebenen Organ zum Erzeugen und Erfassen. Die Untersuchungsvorrichtung ist im übrigen entsprechend dem in Fig. 3 gezeigten Blockschema ausgeführt.

Die in den Fig. 7 bis 9 wiedergegebenen Signalabläufe ergaben sich am Ausgang des Bandfilters 26, mit dem Umschalter 21 in einer solchen Lage, daß beiden Erzeugungselektroden 7 und 8 ein Wechselspannungsimpuls mit gleicher Amplitude und gleicher Phase zugeführt wurde. Entgegengesetzt dazu war der Umschalter 24 so eingestellt, daß die Summe der Signale von den beiden Erfassungselektroden 12 und 13 dem Filter 26 zugeführt wurde. Diese Einstellungen geben eine optimale Erzeugung und Erfassung für die longitudinalen Wellen. Die aktuelle Filtereinstellung gab ein Band mit einer unteren Grenzfrequenz von 20 KHz und einer oberen Grenzfrequenz von 60 KHz. Die Erzeugung erfolgte mit einem Wechselspannungsimpuls, der etwa eine Periode mit der Frequenz 40 KHz und der Amplitude 20 Volt umfaßt.

Fig. 7 zeigt die Signale von der Untersuchung des ganzen freien Bolzens A nach Fig. 6. Aus dem Signalverlauf geht hervor, daß die im Zusammenhang mit den Erregerimpulsen erfaßten Signale in der UND-Schaltung 25 in ihrer Amplitude begrenzt wurden. Nachdem die Erregungsimpulse ausklangen, haben die Signale eine sehr kleine Amplitude bis zu dem Zeitpunkt, an dem die von dem zweiten Ende des Ankers reflektierten Schwingungsbewegungen erfaßt werden und ungefähr in der Mitte der Fig. 7 auftreten. Die Figur zeigt ferner einen Teil andere erfaßte Schwingungsbewegungen, die mehr als einmal am inneren Ende des Ankers reflektiert wurden und deshalb zu einem späteren Zeitpunkt und weiter rechts in Fig. 7 auftreten.

Wenn die Ausbreitungsgeschwindigkeit der longitudinalen Kompressionswellen bekannt ist, kann die Zeitachse der Signale zu einer in cm eingeteilten Abstandsachse umgerechnet werden. In Fig. 7 wird ein Signalverlauf über 2 ms gezeigt, der an einem freien Anker von 225 cm Länge aufgenommen wurde (Anker A nach Fig. 6). Die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Kompressionswellen für den freien Anker ist experimentell mit 5,1 km/sec in dem aktuellen Frequenzband festgestellt worden. So geht aus Fig. 7 hervor, daß die wirkliche Länge des Ankers von 225 cm ziemlich übereinstimmt mit der aus den Signalen berechneten Ankerlänge. Sie kann an der Abstandsachse der Figur unter dem in der Mitte der Figur registrierten Reflex vom inneren Ende des Ankers abgelesen werden. Gleichzeitig zeigen die niedrigen Signalamplituden vom Schluß der Erregerimpulse ein bis zu dem obengenannten Reflex vom Ankerende, daß sich längs des Ankers keinen wesentlichen Diskontinuitäten finden.

Fig. 8 gibt die Signale von der Untersuchung am Anker B nach Fig. 6 wieder, d. h. von einem Anker mit ca. 20 cm Betoneinbettung. Die Amplituden- und Zeitskala stimmt mit Fig. 7 überein. Der erzeugte Wechselspannungsimpuls wurde über eine Periode ausgegeben und hatte eine Amplitude von ca. 20 Volt.

Auch in Fig. 8 wurde eine Abstandsachse eingezeichnet. Sie wurde berechnet aus der Ausbreitungsgeschwindigkeit für die longitudinale Kompressionswelle in einem freien Anker und innerhalb des aktuellen Frequenzbandes. Es soll jedoch beachtet werden, daß die augenblickliche Ausbreitungsgeschwindigkeit in eingebetteten Partien niedriger ist als die für einen freien Anker experimentell bestimmte Ausbreitungsgeschwindigkeit von 5,1 km/sec. Für die in Rede stehenden Anker mit Einbettungslängen von ca. 20 cm bzw. 40 cm (Fig. 9) sank die durchschnittliche Ausbreitungsgeschwindigkeit um ca. 1% für jeden Dezimeter Einbettungslänge. In Fig. 8 ist die Länge des Ankers mit einer Linie auf der Abstandsachse unter den vom Ende des Ankers reflektierten Erregerimpulsen markiert. Darüber hinaus wurde auf der Abstandsachse ein schraffierter Bereich angegeben, der der Lage und Länge der Einbettung entspricht.

In Fig. 8 ist der Reflex vom Ende des Ankers ungefähr in der Mitte der Figur zu sehen. Der Reflex hat eine wesentlich kleinere Amplitude als der entsprechende Reflex des freien Ankers entsprechend Fig. 7. Dagegen stimmt die Ankunftszeit für den Reflex vom Ende des Ankers in Fig. 8 gut mit der Ankunftszeit in Fig. 7 überein. Aus der Amplitude und der Ankunftszeit des Reflexes kann man daher den Schluß ziehen, daß der Anker über einen Teil seiner Länge eingespannt ist. Unmittelbar nach dem Erregerimpuls in Fig. 8 treten Reflexe auf, die Diskontinuitäten längs des Ankers anzeigen. In diesem Fall bestehen die Diskontinuitäten aus der Betoneinbettung.

Bei einer Einbettungslänge von ca. 40 cm, was dem Anker C in Fig. 6 entspricht, ergibt sich ein Signalverlauf entsprechend Fig. 9. Aus Fig. 9 geht hervor, daß der Reflex vom Ankerende eine sehr kleine Amplitude aufweist. Die Lage und Länge der Einbettung längs des Ankers ist in Fig. 9 mit einem schraffierten Bereich angegeben. Das innere Ende des Ankers ist mit einer Linie am Abstand 225 cm markiert. Ein Reflex unmittelbar nach dem Erregerimpuls zeigt die Diskontinuität an, die im Beginn der Betoneinbettung besteht.

Die in den Fig. 10 bis 12 wiedergegebenen Signale wurden mit der gleichen Umschaltereinstellung aufgenommen, die beim Erzeugen und Messen des Signalverlaufes nach den Fig. 7 bis 9 angewendet wurde. Der erzeugte Wellentyp war also im wesentlichen eine longitudinale Kompressionswelle. Die Signale nach den Fig. 10 bis 12 wurden jedoch mit einer anderen Filtereinstellung aufgenommen, nämlich mit einem Paßband, dessen untere Grenzfrequenz 60 KHz und dessen obere Grenzfrequenz 100 KHz betrug. Die Fig. 10 bis 12 sind mit der gleichen Amplituden- und Zeitskala wiedergegeben. Auch in den Fig. 10 bis 12 wurde die Zeitskala mit einer Abstandsskala ergänzt; außerdem ist die Lage und Länge der Einspannungen längs des Ankers markiert. Die Erregung geschah mit einem Wechselspannungsimpuls, umfassend eine Periode mit einer Frequenz von 80 KHz.

Fig. 10 gibt den Verlauf der Messung an einem gänzlich freien Anker, entsprechend Fig. 6, wieder. Ganz links in der Figur zeigt sich der amplitudenbegrenzte Impuls, der von dem Erregersignal herrührt. Ungefähr in der Mitte der Fig. 10 sind die von dem inneren Ende des Ankers reflektierten Schwingungsbewegungen zu erkennen. Diese Schwingungsbewegung weist in Fig. 10 bedeutend längere Dauer auf als die entsprechende Schwingungsbewegung in Fig. 7. Dies kann darauf beruhen, daß das Erzeugungs- und Erfassungsorgan in Fig. 2 im Frequenzbereich 60 bis 100 KHz Resonanzen aufweist.

Fig. 11 gibt den Signalverlauf bei der Untersuchung an einem Anker B entsprechend Fig. 6, mit einer Einbettungslänge von ca. 20 cm wieder. Aufgrund der 20 cm langen Einbettung des Ankers hat die vom inneren Ende des Ankers reflektierte Schwingungsbewegung eine verringerte Amplitude, doch ist die Ankunftszeit im wesentlichen unverändert verglichen mit der in Fig. 10.

Schließlich wird in Fig. 12 der Signalverlauf wiedergegeben, der bei Messungen bei einem Anker mit ca. 40 cm Einbettung, Anker C nach Fig. 6, auftritt. Die vom freien Ende des Ankers reflektierte Schwingungsbewegung wurde als Folge der längeren Einbettungsstrecke zusätzlich gedämpft.

Die in den Fig. 13 bis 15 wiedergegebenen Signale wurden aufgenommen, während sich der Umschalter 21 in Fig. 3 in einer solchen Stellung befand, daß den beiden Erregerelektroden ein Wechselspannungsimpuls mit gleicher Amplitude, aber mit 180° versetzter Phase zugeführt wurde. In entsprechender Weise war der Umschalter 24 so eingestellt, daß die Differenz zwischen den Signalen von den beiden Erfassungselektroden-Hälften dem Filter 26 zugeführt wurden. Bei dieser Umschalt-Einstellung werden hauptsächlilch Biegewellen erzeugt und erfaßt, während die longitudinalen Wellen unterdrückt werden. Die untere Grenzfrequenz 80 KHz. Die Frequenz der Wechselspannungsimpulse betrug 60 KHz und deren Amplitude ca. 20 Volt. Die Fig. 13 bis 15 sind mit der gleichen Zeitskala wie die Fig. 7 bis 12 wiedergegeben, aber die Abstandsskala unterscheidet sich wesentlich von der dortigen. Dies beruht auf den großen Unterschieden in der Wellenausbreitungsgeschwindigkeit von longitudinalen Wellen bzw. Biegewellen. Die Wellenausbreitungsgeschwindigkeit für eine Biegewelle mit dieser Frequenz im Anker A wurde experimentell mit mit ca. 3,3 km/sec ermittelt. Die augenblickliche Wellenausbreitungsgeschwindigkeit in in Beton eingebetteten Abschnitten von Ankern der in Rede stehenden Art wurde experimentell mit 3 km/sec ermittelt.

Fig. 13 gibt den Signalverlauf bei der Untersuchung des ganz freien Ankers A nach Fig. 6 wieder. Ganz links ist der in seiner Amplitude begrenzte Impuls ersichtlich, der von der Erregung herrührt. Dieser Impuls hat für Biegewellen eine längere Abklingszeit als für die longitudinale Welle. Rechts in Fig. 13 erscheint der Reflex vom Ankerende. Beim Abstand 160 cm, ungefähr in der Mitte der Fig. 13, erscheint ein Reflex vom longitudinalen Wellentyp vom inneren Ankerende. Dieser entstand aufgrund von Unvollkommenheiten bei der Versuchsdurchführung, beispielsweise Unsymmetrien im Erzeugungs- und Erfassungsorgan, der Exzentrizität zwischen der Achse des Erzeugungs- und Erfassungsorgans und der Ankerachse, sowie Unebenheiten in der freien Endfläche des Ankers.

Fig. 14 zeigt den Signalverlauf bei der Untersuchung an dem ca. 20 cm eingebetteten Anker B nach Fig. 6. Der Charakter des Erregerverlaufes ist verändert, aufgrund der durch die Einbettung verursachten Diskontinuität. Der Reflex von dem inneren Ankerende wurde infolge der 20 cm langen Einbettung relativ wenig verändert im Vergleich mit dem Sachverhalt bei dem ganz freien Anker in Fig. 13. Auch in Fig. 14 findet sich ungefähr im Abstand von 160 cm ein kleineres Reflexsignal; es rührt von der longitudinalen Welle her, die nicht ganz unterdrückt werden konnte.

Fig. 15 gibt den Signalverlauf bei der Untersuchung des ca. 40 cm eingebetteten Ankers C nach Fig. 6 mit Biegewellen wieder. Die vom inneren Ankerende reflektierte Biegewelle hat eine relativ große Amplitude, trotzdem die Einbettungslänge sich bis ca. 40 cm Länge erstreckt. Im allgemeinen gilt, daß der niedrigste Schwingungsmodus bei Biegewellen bei der Ausbreitung längs eines in Beton eingebetteten Bergankers bedeutend weniger pro Längeneinheit gedämpft wird als der niedrigste Schwingungsmodus bei longitudinalen Kompressionswellen mit der gleichen Frequenz. Durch die Anwendung von Biegewellen kann man deshalb Berganker mit bedeutend längerer Einbettung untersuchen als wenn man einfach longitudinale Kompressionswellen anwendet. Dagegen sind unter bestimmten Voraussetzungen die niedrigfrequenten longitudinalen Kompressionswellen geeigneter, um festzustellen, wo bei Bergankern mit aus der Einbettung herausragenden freien Enden die Einbettung beginnt. Dabei kann die Beobachtung des Reflexes vom Anfang der Einbettung problematisch werden, wenn der Abstand zwischen dem freien Ende des Ankers und dem Beginn der Einbettung so kurz ist, daß die Reflexe in den Signalen von dem noch nicht ganz abgeklungenen Erregungsverlauf überdeckt werden. Um einen Reflex vom Beginn der Einbettung deutlich erfassen zu können, kann beispielsweise eine Distanzvorrichtung benutzt werden. Sie besteht aus einem Stahlzylinder mit dem gleichen Durchmesser wie der Anker, im aktuellen Fall also mit einem Durchmesser von 25 cm, der zwischen dem Erzeugungs- und Erfassungsorgan und dem freien Ende des Ankers plaziert wird. Die Distanzvorrichtung 40 ist in Fig. 4 gezeigt. Durch die abwechselnde Erzeugung und Erfassung beider Wellentypen kann man in bestimmten Fällen bessere Informationen über die Einbettung erhalten. Es besteht Grund anzunehmen, daß Entsprechendes auch für beispielsweise in Plastik eingebettete Anker gilt.

Um die Möglichkeiten bei der Verwendung von Biegewellen zu illustrieren, wird in Fig. 16 der Signalverlauf gezeigt, der sich bei der Messung an einem 150 cm langen Berganker, eingebettet über 120 cm seiner Länge, ergeben hat. Der Reflex vom Ankerende erscheint deutlich mitten in der Figur.

Zusammenfassend zeigt sich aus den besprochenen Fig. 7 bis 15, daß die Länge des eingebetteten Ankers grob durch die Kenntnis der Ausbreitungsgeschwindigkeit der aktuellen Wellentypen und der Ankunftszeit der Reflexe vom inneren Ende des Ankers bestimmen läßt. Wo die Diskontinuitäten längs des Ankers auftreten, läßt sich durch Messungen mit in erster Linie niedrigfrequenten longitudinalen Wellen dadurch feststellen, daß speziell die Signale beobachtet werden, die zwischen dem Abklingen der Erregerimpulse und den Reflexen vom inneren Ende des Ankers erscheinen. Die Dämpfung der Wellen pro Längeneinheit in freien Abschnitten eines Ankers, bzw. in Abschnitten mit einer einwandfreien Betoneinbettung kann experimentell bestimmt werden. Mit Kenntnis dieser Dämpfungen und einer groben Erfassung der Ankerlänge kann man einen groben Überblick über Länge und Qualität der Einbettung mit Hilfe der gesamten Dämpfung der vom inneren Ende des Ankers reflektierten Wellen erhalten.

Die Ausführungsbeispiele und die erläuterten Untersuchungen haben sich nur mit eingebetteten Bergankern befaßt. Es besteht grund anzunehmen, daß man mit dem erfindungsgemäßen Verfahren oder der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch die Länge von Expanderankern, die Länge der Expander und wenigstens in gewissem Maß deren Kontakt mit der Umgebung bestimmen kann. Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf andere eingespannte stabförmige Körper kann nicht ganz ausgeschlossen werden.

Claims (12)

1.Verfahren für die zerstörungsfreie Untersuchung eines stabförmigen Körpers durch Erzeugen einer Schwingung in dem Körper und (Wieder)-Erfassen der auf Grund von Diskontinuitäten in diesem Körper veränderten Schwingung zum Prüfen der Befestigung und Länge eines einseitig eingespannten stabförmigen Körpers, dadurch gekennzeichnet,
daß an dem zugänglichen Ende des eingespannten stabförmigen Körpers eine sich in Längsrichtung dieses Körpers bewegende derartige transiente elastische Schwingungsbewegung erzeugt wird, die eine Biegewelle enthält, was bedeutet, daß sich sowohl ihre Amplitude als auch ihre Phase durch Deformation am Körper ändert;
daß eine durch Diskontinuität im Körper und/oder der Einspannung bedingte Deformation der reflektierten transienten Schwingungsbewegung vom Biegewellentyp an diesem zugänglichen Ende des eingespannten Körpers erfaßt wird, welche Deformation über den Körperquerschnitt in Amplitude und Phase variiert;
daß Lage und/oder Art und/oder Größe der Diskontinuitäten mit Hilfe der zeitlichen Lage und der Amplitude der genannten reflektierten Schwingungsbewegungen abgeschätzt werden;
und daß die Befestigung und Länge des Körpers mit Hilfe der geschätzten Diskontinuitäten beurteilt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß außerdem am zugänglichen Ende des Körpers derartige transiente elastische Schwingungsbewegungen erzeugt und erfaßt werden, deren Deformation keine Änderung der Phase über den Körperquerschnitt mit sich bringt, und daß mit Hilfe der zeitlichen Lage und/oder der Amplitude beim Empfang einer solchen Schwingungsbewegung in erster Linie die Lage des Anfangs der dem freien Ende nächstgelegenen Einspannung und/oder deren Charakter abgeschätzt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 für die Untersuchung von einbetonierten Bergankern mit Durchmessern von ungefähr 25 mm, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten reflektierenden Schwingungsbewegungen für die Abschätzung von Lage und/oder Art und/oder Größe der genannten Diskontinuitäten im Frequenzbereich 20 bis 100 KHz liegen.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei bestimmten Gelegenheiten hauptsächlich eine Schwingungsbewegung vom genannten Biegewellentyp erzeugt wird, die eine in Amplitude und Phase über den Körperquerschnitt variierende Deformation erfährt und bei anderen Gelegenheiten hauptsächlich eine Schwingungsbewegung erzeugt, welche eine Deformation mit über den Körperquerschnitt konstanter Phase erfährt.

5. Verfahren nach den Patentansprüchen 2 oder 4 zur Kontrolle eines einbetonierten Bergankers, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kontrolle eine erfaßte transiente elastische Schwingungsbewegung mit einer Deformation mit konstanter Phase über den Querschnitt des Bergankers angewendet wird, die im Frequenzbereich 20 bis 100 KHz liegt.

6. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine geringe Anzahl Perioden der einfachsten und niedrigstfrequenten Schwingungsmodi vom Biegewellentyp erzeugt wird.

7. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Erzeugen und Erfassen einer sich in Längsrichtung des eingespannten Körpers ausbreitenden derartigen transienten elastischen Schwingungsbewegung, die eine Biegewelle enthält, was bedeutet, daß sich sowohl ihre Amplitude als auch ihre Phase über den Körperquerschnitt durch Deformation am Körper ändert, sowie eine Einrichtung zur Bestimmung der zeitlichen Lage und der Amplitude bei an Diskontinuitäten des Körpers oder der Einspannung reflektierten transienten elastischen Schwingungsbewegung vom genannten Biegewellentyp, deren Amplitude und Phase sich über den Körperquerschnitt durch Deformation verändern.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Erzeugen und Erfassen von transienten elastischen Schwingungsbewegungen so ausgebildet sind, daß sie auch eine transiente elastische Schwingungsbewegung eines Typs erzeugen und erfassen könne, der eine Deformation zeigt, wobei die Phase sich über den Körperquerschnitt nicht ändert, und daß die Einrichtungen zum Erzeugen und Erfassen von transienten elastischen Schwingungsbewegungen und/oder die Einrichtungen zur Bestimmung von der zeitlichen Lage und/oder der Amplitude bei reflektierten transienten elastischen Schwingungsbewegungen so ausgebildet sind, daß sie verschiedenen Wellentypen von reflektierten transienten elastischen Schwingungsbewegungen unterscheiden.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Erzeugen und Erfassen von transienten elastischen Schwingungsbewegungen wenigstens zwei elektromagnetische Wandler aufweisen, die direkt oder über ein bewegungsübertragendes Organ oder Medium in bewegungsübertragende Verbindung mit dem freien Ende des Körpers gebracht werden können, daß die Vorrichtung außerdem elektrische Kreise für die Erzeugung und Zuführung von einzelnen Erregerspannungen zu den elektromagnetischen Wandlern, sowie Aufnahmekreise für die Aufnahme von derartigen separaten Spannungen von den elektromagnetischen Wandlern aufweisen, die von reflektierten transienten Schwingungsbewegungen erzeugt werden.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch zwei elektromechanische Wandler in Form von mit Elektroden versehenen piezo-elektrischen Kristallen mit dicht nebeneinander gelegenen, im wesentlichen gleichen halbkreisförmigen Flächen, welche zusammen eine Größe und eine Form aufweisen, die im wesentlichen mit der Querschnittsfläche des zu untersuchenden Körpers übereinstimmen, und ausgebildet sind, um in bewegungsübertragende Verbindung mit einer Querschnittsfläche am zugänglichen Ende des stabförmigen Körpers gebracht zu werden.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch mehr als zwei elektromechanische Wandler in Form von mit Elektroden versehenen piezoelektrischen Kristallen, von denen jeder eine eigene, dicht neben den anderen gelegene Fläche aufweist, welche Flächen zusammen eine Größe und Form haben, die im wesentlichen mit der Querschnittsfläche des zu untersuchenden stabförmigen Körpers übereinstimmen und so ausgebildet sind, daß sie in bewegungsübertragende Verbindung mit einer Querschnittsfläche am zugänglichen Ende der Stange bringbar sind

12. Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 7 bis 11, zur Untersuchung von einbetonierten Betonankern mit einem Durchmesser von ca. 25 mm, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine geringe Anzahl Perioden der einfachsten und niedrigfrequentesten Schwingungsmodi vom Biegewellentyp mit einer Frequenz von ca. 20 bis 100 KHz erzeugt.