16  Ultraschall

16.1  Lernziel

Vergleicht man das mechanische mit dem elektromagnetischen Wellenspektrum, so erkennt man eine Analogie zwischen US und UV-Strahlung. Bei US handelt es sich also um einen für das menschliche Ohr unhörbaren, hoch frequenten Schall.

Diese longitudinalen und im Festkörper auch transversalen mechanischen Wellen bieten eine Fülle von Anwendungen in Medizin, Technik und Wissenschaft.

Die physikalischen Gründe dafür liegen in der Wechselwirkung von Schallwellen mit Materie. Genauer gesagt, ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit dieser mechanischen Wellen im wesentlichen eine Funktion der Dichte und der elastischen Konstanten des Materials, während die Abschwächung von US-Wellen hauptsächlich im Zusammenhang mit dissipativen Mechanismen (abhängig vom verwendeten Material), dem Frequenzbereich, sowie der Anwesenheit äußerer Felder steht.

16.2  Lerninhalte

Erzeugung und Ausbreitung von Ultraschall, Echofolgen, Brechungsgesetz, Grenzflächeneffekte, elastische Konstanten, Zusammenhang mit der Schallge schwindigkeit, Grundlagen der Dämpfungsmessung mit Ultraschall, Messung der Schallgeschwindigkeit mittels Ultraschall, Prinzip der Werkstoffprüfung mit Ultraschall, Dämpfungsursachen in Metallen, Polyäthylen (Absorption, Streuung and Inhomogenitäten-Versetzungen), Kontinuumsmechanik (mechanische Bewegungsgleichung), Methode von Lutsch.

16.3  Aufgaben

1. Abgleich des Interferometers (Füllung dest. H₂O, eingebaut ist ein 4 MHz Bariumtitanat-Kopf) auf optimale Echofolge durch Justierung der Reflektorwand.
   Klärung der Einstellmöglichkeiten am Prüfgerät USIP II:
   Geeichte Verstärkung, Auflösung, Impulsstärke, Prüfbereich, Werkstoff, Impulsverschiebung, Folgefrequenz, HF-Darstellung, Frequenzband. Bestimmung der Dämpfungskonstanten

   (16.1)

2. Bestimmung der Longitudinalwellengeschwindigkeit C_L (Koppelmittel Glyzerin) und der Transversalwellengeschwindigkeit C_t (Koppelmittel ”Nonag Stopcock Grease”) sowie der Dämpfungskonstanten α_L und α_t im DIN-Prüfkörper mittels 4 MHz-Prüfköpfen. Aus den Schallgeschwindigkeiten sind der E-Modul, der G-Modul und die Poissonzahl μ zu bestimmen. (Am Prüfkörper kann das Prinzip der Fehlerortung mit Ultraschall demonstriert werden.)
3. Bestimmung der Größen E, G und μ nach der Methode von Lutsch [2, 3] in polykristallinem Messing, Aluminium und Kupfer mittels eines 2 MHz-Quarzes. Deutung der beobachteten Echofolge (fotografieren).
4. Man bestimme unter Zugrundelegung eines inkompressiblen Mediums mit Hilfe der Longitudinalschallgeschwindigkeit (4 MHz-Prüfkopf) den E-Modul
   1. einer isotropen Polyäthylenplatte
   2. einer 8-fach verstreckten Polyäthylenprobe in Verstreckrichtung und senkrecht dazu.

   Worauf ist die Anisotropie zurückzuführen?

5. Ausmessung der Echofolge eines Al- oder Cu-Einkristalls (2 MHz-Quarz), Diskussion des beobachteten Verlaufs im Vergleich zu einem Polykristall. Außerdem Bestimmung der Größen E, G, μ.
6. Vergleiche Aufgabe 3 und Aufgabe 5, nur mit weiteren vom Betreuer ausgegebenen Proben (Quarz, Silizium etc.)

16.4  Literatur

J.u.H.Krautkrämer

”Werkstoffprüfung mit Ultraschall” Springer-Verlag Berlin 1966

A.Lutsch

”Eine einfache Methode zur Messung der elastischen Konstanten mit Hilfe von Ultraschall-Impulsen” Zeitschrift für angewandte Physik, 4, 166-168 (1952)

J.u.H.Krautkrämer

”Bedienungsanleitung, Interferometerzusatzgerät, Typ IZ 1”

O.Weiß

Manuskript ”Grundlagen der Physik V” Universität Ulm

A.P.Crachnell

”Ultrasonics”

H.P.Pollard

”Sound Waves in Solids”

16.5  Hinweise

Bei Schallgeschwindigkeitsmessungen mit den Prüfköpfen muß dieser auf die Probe gedrückt werden (Einspannen!). Bei Quarzmessungen nur eine dünne Koppelschicht verwenden. Proben, Köpfe und Quarze nach Gebrauch mit Methylalkohol reinigen!

Einkristalle (besonders die polierten Endflächen) schonend behandeln!

Wassertemperatur des Interferometers vor und nach den Messungen protokollarisch festhalten. Skizzen zur Durchstrahlrichtung machen.