Die Ausbreitung von Schall

Die akustische Impedanz von Schallwellen verstehen.

Begeben wir uns auf eine Reise zurück in die Vergangenheit, etwa zweihundert Jahre zuvor. Sir John William Strutt, 3. Baron Rayleigh (1842–1919), war ein englischer Physiker, der das Element Argon mitentdeckte und dafür 1904 den Nobelpreis erhielt.

Rayleigh war jedoch auch für seine bedeutenden Arbeiten und Beiträge auf den Gebieten der Quantenphysik, Optik und Schalltheorie bekannt. 1879 wurde er zum Cavendish-Professor für Experimentalphysik ernannt; seine erste Veröffentlichung erschien zwei Jahre zuvor, 1877. Diese neue Theorie verdeutlichte, wie Schall aus verschiedenen Medien übertragen und abgegeben wird. Er bezog sich auf gespannte Saiten, Glocken, Metallplatten und Membranen und experimentierte mit ihnen, um nicht nur zu zeigen, sondern auch zu beweisen, wie Schallwellen durch verschiedene Medien übertragen werden, indem er mathematische Modelle verwendete und die Ergebnisse der Experimente diskutierte.

Sir John William Strutt, 3. Baron Rayleigh

In seiner Veröffentlichung stellt Rayleigh fest, dass „oft schon eine sehr oberflächliche Beobachtung ausreicht, um zu zeigen, dass sich klingende Körper in einem Schwingungszustand befinden und dass die Phänomene von Schall und Schwingung eng miteinander verbunden sind“. Außerdem gilt: „Wenn eine schwingende Glocke oder Saite mit dem Finger berührt wird, verstummt der Ton in dem Moment, in dem die Schwingung gedämpft wird. Um jedoch den Hörsinn zu beeinflussen, genügt es nicht, ein schwingendes Instrument zu haben; es muss auch eine ununterbrochene Verbindung zwischen dem Instrument und dem Ohr bestehen.“

Was erzeugt Ultraschall?

Viele Dinge erzeugen Ultraschall, und es ist die Aufgabe des CBM-Analysten , vor der Datenerfassung und Schallwellenmessung festzustellen, welche Ultraschallemissionen in dem Bereich auftreten, in dem er arbeiten wird .

Fünf gängige Kategorien von Ultraschallemissionen werden oft als FITEM bezeichnet : Reibung, Aufprall, Turbulenzen, Umwelt und künstliche Emissionen. Reibung, Aufprall und Turbulenzen stehen häufig in direktem Zusammenhang mit einem Problem im Bereich von Fluiden, elektrischen Systemen oder mechanischen Komponenten und sind daher genau die Faktoren, die Sie erfassen möchten. Umweltbedingte und künstliche Ultraschallemissionen hingegen wirken „antagonistisch“, d. h., sie konkurrieren mit den Frequenzen des zu untersuchenden Problems und stören diese.

• Reibung: Sie kann auf vielfältige Weise entstehen, beispielsweise wenn zwei Oberflächen aneinander gleiten, übereinander rollen oder wenn sich ein Objekt durch ein Gas oder eine Flüssigkeit bewegt.

• Auswirkungen: Höherfrequente, kürzere Energieimpulse, die durch das Aneinanderprallen von Oberflächen entstehen.

• Turbulenzen: Treten nur in Gasen oder Flüssigkeiten auf, wenn diese mit verschiedenen Oberflächen in Wechselwirkung treten.

• Umwelt: Natürliche Ultraschallvorkommen sind selbst in industriellen Umgebungen nicht ungewöhnlich, beispielsweise in Wespennestern und Fledermausquartieren.

• Künstlich erzeugt: Bewegungsmelder, Schädlingsbekämpfungsmittel, Industriereiniger, Anzeigetafeln, Monitore und viele andere künstlich hergestellte Objekte können als Nebenprodukt ihrer beabsichtigten Funktion Ultraschallfrequenzen aussenden.

Als Ultraschallprüfer ist es wichtig zu beachten, dass die Schallwelle eine Schwingung des Mediums ist, durch das sie sich ausbreitet . Dieses Medium muss elastisch sein, damit die Schallwelle ihre Energie ungehindert übertragen kann, ohne dass es zu Interferenzen zwischen ihr und dem Prüfgerät bzw. -modul kommt.

Abstandsgesetz

Bei jeder Verdopplung des Abstands zur Schallquelle verringert sich die Schallintensität um 6 dB. Dieses Wissen ist entscheidend für die Messung von Ultraschallwellen, da der Abstand zur Quelle die Messwerte direkt beeinflusst. Angenommen, wir beginnen in 30 cm Entfernung von der Quelle ohne Schallverlust, so beträgt der Verlust in 60 cm Entfernung 6 dB und in 9 m Entfernung 32 dB.

Wir wissen nun genau, wie sich akustische Energie in einer gasförmigen Umgebung über eine bestimmte Distanz dämpft und wie atmosphärische Einflüsse die Ausbreitung einer Schallwelle in diesem Medium beeinflussen. Das Abstandsgesetz (und die oben genannten Messungen) setzen jedoch voraus, dass sich der Schall in einem „freien Feld“ ausbreitet und von anderen äußeren Faktoren unbeeinflusst ist. In der Realität ist dies nicht immer der Fall. Nachfolgend finden Sie sechs der häufigsten Schallenergieimpedanzen.

Akustische Impedanzen - Luft

• Übertragung: Ultraschallwellen breiten sich durch das Medium der Atmosphäre aus. Dabei muss berücksichtigt werden, dass sich Schall in einer gasförmigen Atmosphäre langsamer ausbreitet als in einem festen oder flüssigen Medium . Beispielsweise kann man einen Zug kilometerweit hören, indem man sein Ohr an die Schienen hält ( Feststoff – sehr dichte Partikel ). Wale können sich unter Wasser über Kilometer hinweg mit minimaler Verzögerung verständigen ( Flüssigkeit – mitteldichte Partikel ). Der Donner ist manchmal erst nach einigen Sekunden nach einem Blitzeinschlag zu hören ( Gas – weniger dichte Partikel). All dies sind Schallübertragungen.

• Spiegelung: Ein Reflexionseffekt entsteht, wenn eine Schallwelle von einer ebenen Fläche reflektiert wird. Der Reflexionspunkt (auch Einfallswinkel genannt) kann oft fälschlicherweise für die ursprüngliche Ultraschallquelle gehalten werden. Wenn Sie beispielsweise mit einem Ultraschalldetektor eine Ultraschallaussendung lokalisiert haben, sich an der lokalisierten Stelle aber keine Ultraschallquellen befinden, haben Sie möglicherweise einen Reflexionspunkt gefunden, von dem die ursprüngliche Ultraschallwelle zurückgeworfen wurde.

• Brechung: Ähnlich wie die Reflexion beschreibt die Brechung den Übergang einer Schallwelle von einem Medium in ein anderes. Während Reflexion an einer festen Oberfläche stattfindet, erfolgt Brechung üblicherweise in Flüssigkeiten (einem Aggregatzustand, der Schallenergie durchlässt). Die gebrochene Schallwelle erfährt nun den Einfluss der Elastizität und Dichte (auch Brechungsindex genannt) des neuen Mediums. Mithilfe des Snelliusschen Brechungsgesetzes lässt sich der Einfluss des Materials auf die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schallwelle im neuen Medium im Vergleich zum ursprünglichen Medium berechnen.

• Beugung: Die Umlenkung einer Schallwelle durch Umlenkung oder Ausbreitung/Stauchung in einem Raum. Beugung tritt häufig auf, wenn eine Schallwelle durch eine sehr kleine Öffnung dringt. Auch das Hören von jemandem, der um eine Ecke spricht, ist ein typisches Beispiel für Beugung, da die Schallwelle um den Raum herum und durch ihn hindurch zum Ohr des Zuhörers gebrochen wird.

• Absorption: Schallabsorption bezeichnet die Fähigkeit eines Mediums, einen Teil der eintreffenden Schallenergie aufzunehmen . Feste, poröse Materialien wie Schaumstoff oder Glasfaser sind gängige Beispiele für schallabsorbierende Stoffe. Der absorbierte Anteil der ursprünglichen Schallwelle wird in eine völlig neue Energieform (meist Wärme) umgewandelt und aus dem Material abgegeben. Der verbleibende, nicht absorbierte Anteil der Schallwelle wird reflektiert .

• Streuung: Der Prozess, bei dem eine Schallwelle mit einer besonders rauen Oberfläche interagiert und dabei zahlreiche neue Schallwellen mit reduzierter Energie erzeugt. Diese entstehenden Schallwellen weisen unvorhersehbare Richtungen und Amplituden auf, was die Streuung zu einem schwer zu überwindenden Hindernis bei der Ultraschallprüfung macht.

Akustische Impedanzen – Einfluss der Dichte:

Zusätzlich zu den oben genannten Faktoren ist die tatsächliche Geschwindigkeit einer mechanischen (Schall-)Welle, die sich durch ein Medium ausbreitet, direkt proportional zur Temperatur, Elastizität und Dichte dieses Mediums. Unterschiedliche Medien verursachen aufgrund ihrer Absorptions- und Reemissionseigenschaften unterschiedliche Verzögerungszeiten.

Je wärmer und dichter ein Material ist, desto näher liegen die Atome beieinander und desto schneller breitet sich der Schall in diesem Medium aus. Deshalb können sich mechanische Wellen wie Schall im Weltraum nicht ausbreiten. Mechanische Wellen benötigen ein physikalisches Medium. Der Weltraum ist ein Vakuum , in dem die Atome so weit voneinander entfernt sind, dass Schall keine Ausbreitung finden kann. Die Schallgeschwindigkeiten verschiedener gängiger Materialien sind unten aufgeführt.

Von der Schallausbreitung zur Ultraschall-Lecksuche

Nachdem wir nun mehr über externe und umweltbedingte Faktoren sowie Impedanzen erfahren haben, gibt es einige allgemeine Tipps und bewährte Verfahren für die Ultraschallprüfung. Industrielle Umgebungen, in denen Ultraschallprobleme häufig auftreten, sind oft laut, chaotisch und von Schallwellen im gesamten akustischen Spektrum durchdrungen. Daher ist es wichtig zu wissen, wie man störenden Ultraschall und andere Störgeräusche kompensiert und präzise Daten erfasst.

1. Der Raum sollte vor Beginn des Detektionsprozesses abgetastet werden, um ein besseres erstes Verständnis des Raumes zu erlangen und die ungefähre Position etwaiger Ultraschallanomalien zu bestimmen.

2. Wenn Sie ein Druckluftleck haben, gibt es einige gängige Tipps, die Ihnen helfen, die Quelle zu identifizieren:

   1. Vergewissern Sie sich, dass die Systeme vollständig unter Druck stehen.

   2. Verfolgen Sie den Verlauf der Rohrleitungen vom Kompressor aus.

   3. Vergewissern Sie sich, dass alle relevanten Ventile geöffnet sind.

3. Wenn Sie den PROSARIS OL2 Puck zur Zentralisierung am Quellstandort verwenden, ist es wichtig, die folgenden Best Practices zu implementieren:

   1. Verringern Sie den Abstand zur Schallquelle. Sobald Sie die Quelle näher heranrücken können, ist der nächste Schritt, sich weiter zu nähern, um eine genauere Position zu bestimmen. Denken Sie jedoch daran, den Abstandsregler in der PROSARIS-App auf Ihrem Tablet anzupassen, sobald Sie sich innerhalb von 1,8 Metern (6 Fuß) befinden. Dadurch wird sichergestellt, dass die verschiedenen Berechnungen korrekt sind.

   2. Scannen Sie die Umgebung der Emissionsquelle in alle Richtungen. Es ist nicht ungewöhnlich, dass sich weitere Lecks in der Nähe befinden. Diese Lecks könnten fälschlicherweise für das Hauptleck gehalten werden, solange Sie nicht nahe genug herangehen, um das Vorhandensein mehrerer Quellen zu bestätigen.

4. Wenn Sie Schwierigkeiten haben, die Leckage genau zu lokalisieren – sei es aufgrund anderer Leckagen oder allgemein störender Ultraschallstrahlung – versuchen Sie, eine Abschirmungstechnik anzuwenden. Am einfachsten gelingt dies, indem Sie sich zwischen die Zielquelle und die anderen unerwünschten Ultraschallemissionen positionieren.

   1. Zur Not kann man sogar ein Stück Pappe oder ein Klemmbrett verwenden, um verbleibende störende Ultraschallquellen vorübergehend abzuschirmen.

   2. Das Abkleben eines undichten Lappens über die Leckage dämpft deren Schallübertragung in der Umgebung. Dies erleichtert die Isolierung – insbesondere bei Leckagen im unteren Bereich.

Wissen ist eines der wertvollsten Werkzeuge für erfolgreiche Ultraschallprüfungen. Das Verständnis der physikalischen Grundlagen des Schalls hilft Ihnen stets dabei, die optimalen Techniken, Strategien und Werkzeuge für Ihre Aufgabe auszuwählen.