DE4233958C2 - Verfahren zur Gefüge-Zustandsermittlung von Gestein - Google Patents

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.

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 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.

Die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung mittels Ultraschall ist für sich bereits bekannt (J. Krautkrämer, H. Krautkrämer, Werkstoffprüfung mit Ultraschall, Springer-Verlag, Berlin, 1986, S. 559 bis 569 oder H. S. Limaye, R. J. Krause, Nondestructive Evaluation of Concrete with Impact-Echo and Pulse-Velocity Techniques, Material Evaluation, Oktober 1991, S. 1312 bis 1315). Dabei wird in der Vorrichtung zur zerstörungsfreien Untersuchung von Gestein oder Beton als Ultraschallgeber ein piezoelektrischer Schwinger oder ein seismischer Hammer verwendet. Darüber ist es auch bereits bekannt, zur Ultraschallprüfung von Beton als Ultraschallgeber einen magnetostriktiven Schwinger vorzusehen (DE 19 04 936 C3).

Aus der DE 40 06 454 A1 ist eine Vorrichtung zur Ultraschalluntersuchung von Beton und anderen Materialien bekannt, bei der ein stark gedämpfter Wandler (Meßteil) eingesetzt wird, der Querschwingungen (d. h. Transversalwellen) und Dickenschwingungen (d. h. Longitudinal- Wellen) erzeugt. Diese laufen vom Punkt ihrer Erregung (Geber) mit zwei unterschiedlichen Längenwellen und Geschwindigkeiten V_t und V_l durch das Meßobjekt und treffen daher zu zwei unterschiedlichen Zeiten t_t und t_l am Empfänger ein, wobei die Laufzeit der Longitudinal-Welle t_l immer die kürzeste ist. Dieser zeitliche Versatz führt zu einem relativ hohen Aufwand bei der Auswertung der Signale.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das eingangs genannte und zuvor näher beschriebene Verfahren zur Gefüge- Zustandsermittlung von Gestein so auszugestalten und weiterzubilden, daß leistungsfähigere Messungen ermöglicht werden. Neben der höheren Meßgenauigkeit ist weiterhin eine hohe Reproduzierbarkeit bei vertretbarem Aufwand erwünscht.

Diese Aufgabe wird 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), daß das Signalgemisch der in der kombinierten P-Welle enthaltenen Frequenzen in einer anschließenden schnellen Fourier-Transformation analysiert wird und daß die obere akustische Grenzfrequenz das Meßergebnis bildet.

Erfindungsgemäß werden durch den Wandler ungedämpfter Bauart Dickenschwingungen in axialer und radialer Richtung erzeugt. Diese Dickenschwingungen besitzen beide Longitudinalcharakter, enthalten jedoch zwei bzw. mehrere unterschiedliche Frequenzen. Die Dickenschwingungen laufen alle mit der gleichen Geschwindigkeit, nämlich V_l, durch das Meßobjekt und treffen demnach auch zur gleichen Zeit am Empfänger ein. Daher wird auch der Begriff "kombinierte P-Welle" verwendet. Der ausgesendeten Welle folgen auch Transversal- und Rayleigh-Wellen sowie Reflexionen von den Grenzflächen des Meßobjektes. Zur Eliminierung der letztgenannten Wellen wird auswerteseitig ein Fenster definiert, in dem nur die kombinierte P-Welle enthalten ist.

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 geringerer 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.

Die Auswertung erfolgt mittels Fourier-Transformation, wobei das im Auswertefenster enthaltene P-Wellen-"Gemisch" einmalig mittels der schnellen Fourier-Transformation (FFT) vom Zeit- in den Frequenzbereich transformiert und dort quantitativ für die enthaltenen Einzelfrequenzen ausgewertet wird. Dabei erhält man eine Aussage des Tiefpaßverhaltens bzw. die obere akustische Grenzfrequenz des Meßobjektes, welche die Gefügeeigenschaften des untersuchten Steines widerspiegelt.

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 Poissonschen Konstanten erfolgt dabei aus den Laufzeiten t_p und t_s anhand der folgenden Formel:

t_p = Laufzeit der Longitudinalwelle
t_s = Laufzeit der Transversalwelle
µ = Poissonsche 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.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Gefüge-Zustandsermittlung 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.

Als Geber kann ein piezoelektrischer Schwinger verwendet werden. Im Gegensatz zu den Ultraschall-Schwingern, die zu Fehlerortungen in Metallen nach der Impuls-Echomethode verwendet werden, weisen die piezoelektrischen Schwinger keine elektronischen Filter oder sonstige mechanische Korrekturelemente auf, weil jedes Filter die Kombination Dickenfrequenz/Radialfrequenz stört.

Es ist 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 zeigt

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 gekoppelt 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 wesentlich 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 (7)

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), daß das Signalgemisch der in der kombinierten P-Welle enthaltenen Frequenzen in einer anschließenden schnellen Fourier-Transformation analysiert wird und daß die obere akustische Grenzfrequenz das Meßergebnis bildet.

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 der Geber an eine freie Grenzfläche angekoppelt wird und daß mit Hilfe der Laufzeiten von Longitudinalwelle und Transversalwelle die Poissonsche Konstante (Querdehnungszahl) des untersuchten Steins ermittelt wird.