Labor Köhler
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Die Ultraschallmethode

Ultraschall ist eine mikromechanische Schwingung, die sich als Welle in festen, flüssigen und gasförmigen Medien ausbreitet. Die Messfrequenzen beginnen oberhalb des hörbaren Schallbereiches bei 20kHz und sind bei Naturstein bis etwa 1MHz für Untersuchungen nutzbar. Die Wellen breiten sich in verschiedenen Bewegungsformen im Gestein aus und werden dementsprechend auch unterschiedlich stark gedämpft. Die wichtigsten Wellenformen sind

Stoßwellen (Longitudinalwellen, Primärwellen, p-Wellen) und
Scherwellen (Transversalwellen, Sekundärwellen, s-Wellen).

Die einfachste Messgröße bei Ultraschallmessungen ist die Ultraschallgeschwindigkeit, die sich aus der Zeit, die der Schall zur Durchquerung einer definierten Messstrecke benötigt, errechnet. Die Geschwindigkeit der Stoßwellen ist immer höher als die Geschwindigkeit der Scherwellen. Die größte Bedeutung bei normalen Ultraschallmessungen hat die Stoßwellengeschwindigkeit:

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tl_files/laborkoehler/Media/Bilder/Oldsite/image19.gif - Geschwindigkeit der Longitudinalwelle in km/s oder m/s
l - Messstrecke in cm
tl - Laufzeit (Ersteinsatz) in µs

Schema: Prinzip der Ultraschallmessung in Transmission
Schema: Prinzip der Ultraschallmessung in Transmission

Alle Messungen erfolgten zerstörungsfrei mit unterschiedlichen Prüfköpfen. Die eingesetzten Prüfkopfkombinationen haben unterschiedliche Schwingungsfrequenzen und Ankopplungskonstanten (Korrekturwerte), die bei der Berechnung der Schallgeschwindigkeiten von der gemessenen Laufzeit abgezogen werden müssen. Diese Korrekturwerte können gerätespezifisch einige Mikrosekunden betragen oder sogar negativ sein. Die Ultraschallgeschwindigkeiten in verschiedenen Stoffen sind sehr unterschiedlich. Hier einige Beispiele für ausgewählte Materialien:

Wasser: 1,48 km/s
Luft: 0,33 km/s
CaCO2-Kristall:
parallel zur Hauptachse:
senkrecht zur Hauptachse:

5,6 km/s
7,4 km/s
SiO2-Kristall:
parallel zur Hauptachse:
senkrecht zur Hauptachse:

6,2 km/s
5,4 km/s
Beton: 4,0...5,0 km/s
Sandstein: 2,0...4,3 km/s
Kalkstein: 2,2...6,8 km/s
Marmor: 5,4...6,7 km/s

Die Ultraschallgeschwindigkeit hängt neben dem Wassergehalt vor allem von der Dichte des Materials und seinem Erhaltungszustand, d.h. vom Zustand der wirklichen Bindung, ab. Dadurch hat man durch die Messung der Ultraschallgeschwindigkeit ein einfaches Maß zur Beurteilung des allgemeinen Erhaltungsszustandes.

Beispiel Carrara-Marmor :

bruchfrischer Marmor: 5,4...6,7 km/s
stark verwitterter Marmor: 3,0...4,0 km/s
abbruchgefährdeter Marmor: 2,0...3,0 km/s
vollständig zerstörter Marmor: 1,0...2,0 km/s
Zuckermarmor: unter 1,0 km/s

Der Zusammenhang zwischen der Ultraschallgeschwindigkeit und den Materialeigenschaften ergibt sich aus folgenden beiden Gleichungen:

Formel 2
vi  - Longitudinalwellengeschwindigkeit
vt- Transversalwellengeschwindigkeit
ro- Gesteinsdichte
v- Poisson-Zahl
E - dynamischer E-Modul

Weiterführende Messungen und Auswertungen gestatten auch die Qualifizierung und Quantifizierung einzelner Schadensformen und Hinweise auf mögliche Erhaltungsmaßnahmen. Ultraschallmessungen erfolgen routinemäßig im Durchschallungsverfahren. Dabei können bei mineralischen Baustoffen (z.B. Naturstein und Beton) Dimensionen von 2 bis 5cm (Messfrequenz: 800kHz oder 1MHz) bis zu 5 bis 8m (Messfrequenz: 40 oder 20 kHz) vermessen werden. Für Messungen an Marmorskulpturen sind z.B. Messfrequenzen von 250kHz geeignet.

Das Ultraschallsignal muß direkt auf den Stein übertragen werden. Dabei ist eine möglichst gute Ankopplung von Geber und Empfänger die Voraussetzung für eine reproduzierbare Messung. Als Koppelmaterial hat sich fettfreier Modellierton bewährt, der sich nach der Messung feucht oder trocken rückstandslos auch von wertvollen Kunstwerken entfernen läßt. Lassen sehr empfindliche Oberflächen die Verwendung von Ton als Koppelmittel dennoch nicht zu, so kann mit einer speziellen Prüfkopfkombination auch völlig trocken gearbeitet werden, was allerdings erhöhte Anforderungen an die Durchführung der Messungen und deren Auswertung stellt. Dieser Fehler ist maximal mit 10% anzunehmen.

Heute ist es möglich, neben der Zustandsbeurteilung von Denkmalen, die Wirksamkeit von Konservierungsmaßnahmen, die Tiefe von Verwitterungszonen, Brandschäden, Rissverläufe, Metallanker und den dynamischen E-Modul zu messen. Auch bei der Beurteilung von Rohblöcken in Steinbrüchen wurden bisher gute Ergebnisse erzielt.

Die Methode der Ultraschallmessung wird in den nächsten Jahren in ihrer Aussagefähigkeit maßgeblich erweitert. Dies betrifft besonders die Erstellung von computertomographieähnlichen Ergebnisdarstellungen und die Messungen an nur einseitig zugänglichen Untersuchungsobjekten.