DE4233958A1 - Gefüge-Zustandermittlung von Gestein - Google Patents
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Description
Vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur
Gefüge-Zustandsermittlung von Natur- und Kunststein
sowie von Beton mittels Ultraschall-Durchschallung, bei
dem von einem an den zu untersuchenden Stein angekoppelten
Geber Ultraschall-Wellen ausgesendet und von einem auf der
dem Geber entgegengesetzten Seite des Steins angekoppelten
Empfänger empfangen werden sowie eine Vorrichtung zum
Durchführen eines solchen Verfahrens mit einem Geber,
einem Empfänger, einem Ultraschall-Generator und einer
Auswerteeinheit.
Die Ultraschallprüfung ist heute bei der zerstörungsfreien
Materialprüfung die wohl am häufigsten eingesetzte
Prüfmethode. Hierbei werden Ultraschall-Schwinger zur
Fehlerortung, beispielsweise in Metallen, eingesetzt, man
spricht auch von der "Impuls-Echomethode". Bei diesem
Prüfverfahren läßt man nur eine Schwingungsrichtung zu.
Die senkrecht zur Achsrichtung stets vorhandene
Radialschwingung wird meist durch elektronische Filter
oder andere geeignete mechanische Maßnahmen unterdrückt.
Die Ortung von Fehlstellen in Naturstein und Beton
mit dem Impuls-Echoverfahren ist aufgrund des hohen
Schallintensitätsverlustes (Dämpfung) bei hohen
Meßfrequenzen nicht möglich. Im folgenden ist unter dem
Begriff "Gestein" sowohl Natur- und Kunststein als auch
Beton zu verstehen.
Man bedient sich daher der Prüfmethode der
Ultraschall-Durchschallung. Hierbei wird nicht das vom zu
untersuchenden Werkstück erhaltene Echo ausgewertet,
sondern die Schallaufzeit zwischen Geber und Empfänger
sowie die vom Gestein ausgehende Dämpfung. Diese
"konventionellen" Ultraschall-Messungen eignen sich zur
Detektierung von Makrorissen und gröberen
Gefügezerstörungen, sind jedoch für zu ortende
Riß-Strukturen, die im Bereich unter 0,1 mm bis hin zu
verheilten Rissen liegen, nicht mehr mit einem
befriedigenden Ergebnis einsetzbar. Zu beachten ist, daß
die Korngrößen und Mikrorisse wesentlich kleiner sind als
die eingesetzten Wellenlängen, welche in der
Größenordnung von mehreren Zentimetern liegen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das
eingangs genannte und zuvor näher beschriebene Verfahren
zur Gefüge-Zustandermittlung von Gestein sowie eine
Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens so
auszugestalten und weiterzubilden, daß leistungsfähigere
Messungen ermöglicht werden. Neben der höheren
Meßgenauigkeit ist weiterhin eine hohe Reproduzierbarkeit
bei vertretbarem Aufwand erwünscht.
Verfahrensmäßig wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der
Geber eine kombinierte P-Welle (Longitudinalwelle) mit
einer axialen und einer radialen Komponente aussendet,
daß die radiale Komponente niederfrequenter ist als die
axiale Komponente (Dickenfrequenz) und daß das
Signalgemisch beider Frequenzen in einer anschließenden
schnellen Fourier-Transformation (Fast Fourier
Transformation, FFT) analysiert wird. Im Gestein ist die
Dämpfung der Ultraschall-Welle frequenzabhängig, höhere
Frequenzen werden stärker gedämpft als niederfrequentere.
Der Empfänger wird demzufolge ein Signalgemisch
empfangen, in dem wesentliche Informationen über den
Gefügezustand enthalten sind. Durch die Eigenschaften des
Gefügezustandes läßt sich eine obere akustische
Grenzfrequenz definieren, die analog zum
Tiefbaßübertragungskanal der elektrischen
Nachrichtentechnik ist. Dieses Empfangssignal wird der
Auswerteinheit, d. h. einem Signalspeicheranalysator bzw.
Transient-Recorder zugeführt, in welchem es A/D
gewandelt in digitalisierter Form auf einer Festplatte
gespeichert wird. Die Weiterverarbeitung mit
Signalanalyse einschließlich FFT kann bei Einsatz eines
entsprechenden Rechnersystems gewissermaßen "on-line"
erfolgen.
Vorrichtungsmäßig erfolgt die Lösung der Aufgabe dadurch,
daß der Geber vom Ultraschall-Generator erregt und die
Auswerteeinheit getriggert wird. Der Empfänger gibt das
Signalgemisch an den Verstärker der Auswerteeinheit
weiter. Hier werden die Signalverläufe gespeichert und
anschließend mit einer Signalanalyse-Software
ausgewertet. Die bei der Auswertung mittels FFT
entstehenden Frequenzspektren können miteinander sowie
mit den als Referenz gespeicherten Spektren von
störungsfreiem Gesteinsgefüge verglichen werden. Eine
Dokumentation und der erzeugten Graphiken und
Berechnungen erfolgt anschließend über Plotter oder
Drucker.
Jedes Gesteinsgefüge stellt ein akustisches Filter dar,
dessen obere Grenzfrequenz von den jeweiligen Korngrenzen
geprägt wird. Sind Mikro- und Makrorisse vorhanden, dann
reagiert die obere Grenzfrequenz empfindlich mit einer
Absenkung, gleichzeitig nimmt die Dämpfung entsprechend
zu. Die ausgesendete Primär- oder Longitudinalwelle
enthält neben der Dickenfrequenz auch eine
Radialfrequenz, wobei die Amplituden beider Wellen sich
annähernd wie das Verhältnis Dicke/Durchmesser des
Erregers, beispielsweise einer Piezoscheibe, verhalten.
Die Radialwelle ist also bei Erregern mit geringer Dicke
als ihr Durchmesser stets niederfrequenter als die
Dickenschwingung. Bei Messungen an Granit zeigt sich
beispielsweise deutlich, daß die Filterwirkung des
Gesteinsgefüges und Mikro- bzw. Makrorisse beide
Schwingungskomponenten unterschiedlich stark dämpfen.
Der Bereich von Dickenfrequenz und Radialfrequenz wird
auch als Kombinationsfrequenz bezeichnet. Dieses
Frequenzband ist nun vom Gefüge-Zustand abhängig.
Die zuvor wiedergegebene Abhängigkeit zwischen
Kombinationsfrequenz und Gefüge-Zustand läßt sich durch
Analyse mittels einer schnellen Fourier-Transformation
besonders deutlich zum Ausdruck bringen. Dabei werden die
einzelnen gemessenen Signalverläufe (Schallaufzeiten) aus
dem Zeitbereich in den Frequenzbereich transformiert.
Wichtig für gute Meßergebnisse ist die richtige
Ankoppelung von Geber und Empfänger an den zu
untersuchenden Gesteinsblock. Weist der zu untersuchende
Gesteinsblock eine geschliffene Oberfläche auf, können
Geber und Empfänger über einen Wasserfilm angekoppelt
werden. Zweckmäßigerweise wird hierzu fließendes Wasser
verwendet. Dies ist die einfachste Art, um völlig
reproduzierbare Schwingungsbilder zu erhalten.
Bei unebener Oberfläche ist es nach einer weiteren Lehre
der Erfindung vorgesehen, daß die Ankoppelung von Geber
und Empfänger an-den Stein mittels Modellierton erfolgt.
Je nach Oberflächenbeschaffenheit können jedoch auch
Viskosepasten oder dergleichen zum Einsatz kommen.
Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, daß mit Hilfe
der Laufzeit von Longitudinalwelle und Transversalwelle
(Kopfwelle) die Poissonsche Konstante (Querdehnungszahl)
des untersuchten Gesteins ermittelt wird. Hierzu wird der
Geber an eine freie Grenzfläche angekoppelt. Auf
Grenzflächen kann sich keine Primärwelle ausbreiten, sie
wird daher bereits in unmittelbarer Umgebung des Gebers
in eine Kopfwelle verwandelt und tangiert im Inneren des
Meßobjektes die S-Welle (Scher- oder
Transversalwelle). Je nach Abstand des Gebers vom Rand
des zu untersuchenden Gesteinsblocks existiert die
Kopfwelle komplett oder als Teil eines Kegelmantels.
Die Ermittlung der Poisonschen Kostanten erfolgt dabei aus den
Laufzeiten tp und ts anhand der folgenden Formel:
tp = Laufzeit der Longitudinalwelle
ts = Laufzeit der Transversalwelle
µ = Piossonsche Konstante.
ts = Laufzeit der Transversalwelle
µ = Piossonsche Konstante.
Als Element zur Fehlerdiagnose eignet sich die Kopfwelle weniger,
weil ihre Amplitude bei Messungen im Randbereich des zu
untersuchenden Gesteinsblocks durch Randreflexionen moduliert wird.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des beschriebenen
Verfahrens zur Gefüge-Zustandermittlung zeichnet sich durch die
folgenden Vorteile aus:
Es können Gefügestörungen in Gesteinen größerer Abmessungen
ermittelt werden, die sich bisher einer meßtechnischen Erfahrung
entzogen. Die Signalanalyse reduziert den Auswerteaufwand
derartiger Messungen überhaupt erst auf ein wirtschaftliches
Niveau.
Messungen im Labor und "in situ" sind mit gleicher Meßanordnung und
gleichen Meßbedingungen möglich, d. h. die gewonnenen Aussagen sind
übertragbar. Bei den "in situ"-Messungen ist keine Probeentnahme
notwendig, das Verfahren ist daher zerstörungsfrei. Dies ist
insbesondere bei der Gefüge-Zustandsermittlung von Denkmälern etc.
von Bedeutung.
Die kurzen Meßzeiten (quasi kontinuierliche Meßmethode)
gestatten die Messung zeitlich veränderlicher
Gefügezerstörungsprozesse mit hoher zeitlicher
Auflösung.
Die Messung der Poissonschen Konstante bedeutet die
direkte Messung einer Materialkonstanten, die unabhängig
von anderen Meßeffekten ist.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird als Geber
ein piezoelektrischer Schwinger verwendet. Im Gegensatz
zu den Ultraschall-Schwingern, die zu Fehlerortungen in
Metallen nach der Impuls-Echomethode verwendet werden,
weisen die erfindungsgemäß verwendeten piezoelektrischen
Schwinger keine elektronische Filter oder sonstige
mechanische Korrekturelemente auf, weil jedes Filter die
Kombination Dickenfrequenz/Radialfrequenz stört.
Nach weiteren Lehren der Erfindung ist es auch
denkbar, daß als Geber ein magnetostriktiver Schwinger
oder ein seismischer Hammer eingesetzt wird. Bei den
genannten Gebern sollte die Normalpolarität einen
negativen ersten Einsatz bedingen, d. h. der Geber führt
als erste Aktion nach der Impulserregung am zu
untersuchenden Gesteinsblock einen Zugimpuls aus. So
erfolgt beispielsweise bei einem piezoelektrischen Geber
als erste Phase eine Kompression (Zugimpuls am
Meßobjekt) in Achsrichtung. Dies geht mit einer radialen
Vergrößerung der Piezoscheibe einher. Die Periodendauer
(1/Frequenz) und die Amplituden beider Wellen verhalten
sich annähernd wie das Verhältnis Dicke/Durchmesser der
Piezoscheibe. Dies führt zu dem bereits erläuterten
Frequenzunterschied zwischen Dickenwelle und Radialwelle.
Die folgende Tabelle zeigt die Verhältnisse bei einem
untersuchten Granitblock, einmal intakt, und darüber
hinaus bei zunehmender Gefügezerstörung durch Mikrorisse
(Meßstellen 1 bis 3):
Die an den Meßstellen 1 bis 3 deutlich niedriger werdende
Dickenfrequenz zeigt, daß der Randbereich der
untersuchten Granitblöcke durch die Trennung (Keil bzw.
Bohrloch) Gefügestörungen davongetragen hat.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich
aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung
näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 einen Aufbau der erfindungsgemäßen
Vorrichtung in schematischer Darstellung,
Fig. 2 ein bei der Auswertung mittels schneller
Fourier-Transformation (FFT) entstehendes
Frequenzspektrum mit gestörtem
Gesteinsgefüge und
Fig. 3 ein bei der Auswertung mittels schneller
Fourier-Transformation (FFT) entstehenden
Frequenzspektrum mit ungestörtem
Gesteinsgefüge.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist in Fig. 1
schematisch dargestellt. Dabei ist mit 1 der zu
untersuchende Gesteinsblock bezeichnet, an den ein Geber
2 gekuppelt ist. Der Geber ist mit einem
Ultraschall-Generator 3 verbunden. Auf der dem Geber 2
abgewandten Seite des Gesteinsblocks 1 ist ein Empfänger
4 angeordnet, welcher mit einer Auswerteeinheit 5 in
Verbindung steht. Die Auswerteeinheit 5 wird gleichzeitig
vom Ultraschall-Generator 3 getriggert. Die Dokumentation
der erzeugten Graphiken und/oder Berechnungen erfolgt in
bekannter Weise über Plotter 6 oder Drucker 7. Nicht
dargestellt ist, daß Geber 2 und Empfänger 4 mit einem
Koppelmedium an den Gesteinsblock 1 gekoppelt werden.
In der Auswerteeinheit 5 werden die Signalverläufe
gespeichert und anschließend mit einer
Signalanalyse-Software ausgewertet. Dazu sind
Frequenzspektren von störungsfreien Steingefügen als
Referenz gespeichert. Die Fig. 2 und 3 zeigen am Beispiel
von gestörtem (Fig. 2) und ungestörtem (Fig. 3) Granit
die unterschiedlichen Frequenzspektren. Dabei
ist bereits mit dem bloßen Auge die wesentlichen
gleichmäßiger verlaufende Frequenzverteilung beim
ungestörten Granitblock gemäß Fig. 3 zu erkennen.
Für die Frequenzspektren nach den Fig. 2 und 3 wurden
die untersuchten Granitblöcke in Quadrate mit 10 cm
Kantenlänge eingeteilt, beide Blöcke in sechs Zeilen mit
sechs Spalten, bei der gewählten Schrägdurchschallung in
Zeilenrichtung entstehen vier Schwingungsbilder je Zeile,
zusammen also 24 Bilder.
Claims (11)
1. Verfahren zur Gefüge-Zustandsermittlung von
Natur- und Kunststein sowie von Beton mittels
Ultraschall- Durchschallung, bei dem von einem an
den zu untersuchenden Stein angekoppelten Geber
Ultraschall-Wellen ausgesendet und von einem auf der dem
Geber entgegengesetzten Seite des Steins angekoppelten
Empfänger empfangen werden,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Geber eine kombinierte P-Welle (Longitudinalwelle) mit
einer axialen und einer radialen Komponente aussendet,
daß die radiale Komponente niederfrequenter ist als die
axiale Komponente (Dickenfrequenz) und daß das
Signalgemisch beider Frequenzen in einer anschließenden
schnellen Fourier-Transformation analysiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die axiale Komponente (Dickenfrequenz) im Bereich
zwischen 20 kHz und 500 kHz liegt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Ankoppelung von Geber und Empfänger an den Stein über
einen Wasserfilm erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 3,
gekennzeichnet durch die Verwendung
von fließendem Wasser zur Ankoppelung.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Ankoppelung von Geber und Empfänger an den Stein
mittels Modellierton erfolgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß
Geber und Empfänger nicht mit dem kurzestmöglichen
Abstand auf den sich gegenüberliegenden Stirnseiten
angeordnet sind, sondern mit einem seitlichen Versatz.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß
mit Hilfe der Laufzeiten von Longitudinalwelle und
Transversalwelle die Poissonsche Konstante
(Querdehnungszahl) des untersuchten Steins ermittelt
wird.
8. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach
einem der Ansprüche 1 bis 7 mit einem Geber, einem
Empfänger, einem Ultraschall-Generator und einer
Auswerteeinheit,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Geber (2) vom Ultraschall-Generator (3) erregt und
die Auswerteeinheit (5) getriggert wird.
9. Vorrichtung nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, daß
als Geber ein piezoelektrischer Schwinger vorgesehen ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, daß
als Geber ein magnetostriktiver Schwinger vorgesehen ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, daß
als Geber ein seismischer Hammer vorgesehen ist und daß
beim Aufschlag gleichzeitig ein Trigger-Impuls abgegeben
wird.
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