{"id":232,"date":"2012-02-27T10:15:15","date_gmt":"2012-02-27T09:15:15","guid":{"rendered":"http:\/\/www.werkstoff-blog.de\/?p=232"},"modified":"2026-04-02T09:20:18","modified_gmt":"2026-04-02T07:20:18","slug":"wie-funktioniert-eigentlich-ultraschallpruefung","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.werkstoff-service.de\/blog\/wie-funktioniert-eigentlich-ultraschallpruefung\/","title":{"rendered":"Wie funktioniert eigentlich \u2026 Ultraschallpr\u00fcfung?"},"content":{"rendered":"

Bei der Ultraschallpr\u00fcfung wird Schall zur Analyse von Entfernungen, dem Innenleben und den Eigenschaften von Werkstoffen und Bauteilen eingesetzt. Das klingt abstrakt, aber das hat jeder schon im Alltag gemacht: Das Klopfen gegen eine Wand, um d\u00fcnne Stellen aufzufinden; das Werfen eines Steines in einen Schacht, um die Tiefe zu bestimmen, oder das Z\u00e4hlen der Sekunden zwischen Blitz und Donner, um die Entfernung zum Gewitter zu berechnen \u2013 all das ist nichts anderes als der Einsatz von Schall<\/em> und Schallechos.<\/p>\n

Was aber ist Schall? Alle Stoffe sind aus mehr (Festk\u00f6rper) oder weniger (Gase oder Fl\u00fcssigkeiten) dicht gepackten Atomen oder Molek\u00fclen zusammengesetzt. Versetzt man diesen einen Impuls, dann \u201est\u00f6\u00dft\u201c jedes Teilchen mit seinen Nachbarn zusammen und \u00fcbergibt dabei seine Impulsenergie. Dieses Prinzip kann man auch bei den Kugeln eines Billardspiels beobachten. Der Impuls-Effekt breitet sich durch den Stoff aus, und eine Dichteschwankung<\/em>wandert durch den K\u00f6rper. Die Teilchen selbst bewegen sich dabei nur um ihre Ruhelage – sie schwingen wieder an ihren Ausgangsort zur\u00fcck – aber die Energie<\/em> des Impulses wird durch das ganze Medium weitergeleitet. Eine Schallwelle<\/em> \u2013 also eine periodische Dichteschwankung im Werkstoff – ist entstanden.<\/p>\n

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Abb. 1: Ausbreitung einer Schallwelle: Teilchen links wird durch einen Impuls (orange) in Schwingung versetzt, st\u00f6\u00dft gegen seinen Nachbarn, der den Impuls wieder an seinen Nachbarn weitergibt. Anschlie\u00dfend schwingen die Teilchen in ihre Ausgangslage zur\u00fcck (grau).<\/em><\/div>\n

\u00dcber kurz oder lang trifft die Schallwelle auf ein Hindernis \u2013 die Oberfl\u00e4che des Werkst\u00fcckes oder einen Materialfehler. Die Welle wird dort als Echo<\/em> zur\u00fcckgeworfen (auch hier analog zur Billardkugel, die an der Bande zur\u00fcckgeworfen wird und weiter \u00fcber den Tisch rollt) und von einem Empf\u00e4nger aufgenommen. Im menschlichen K\u00f6rper ist das das Trommelfell, in der Ultraschallpr\u00fcfung der Sensor des Pr\u00fcfkopfes.<\/p>\n

Kennt man die Schallgeschwindigkeit, so kann man aus der Dauer der Bewegung des Schalls auf zur\u00fcckgelegte Entfernungen schlie\u00dfen und z.B. Wand- oder Schichtdicken bestimmen. Hat man eine Referenz (wei\u00df man also, welche Ultraschall-Signale ein fehlerfreies Werkst\u00fcck liefern sollte<\/em>) und erh\u00e4lt aber andere Signale, dann kann man dadurch auf Fehler im Bauteil schlie\u00dfen.<\/p>\n

Bleiben wir bei unserer Billardkugel: Beim Rollen \u00fcber den Tisch wird sie langsamer und bleibt schlie\u00dflich stehen; Ursachen sind Energieverlust an der Bande und Reibung durch das Tischtuch und die Luft. Das gleiche geschieht mit unserer Schallwelle: Bei Reflektionen an W\u00e4nden und Hindernissen verliert sie Energie, w\u00e4hrend des Weges durch das Werkst\u00fcck streut der Schall am Gef\u00fcge (in zuf\u00e4llige Richtungen verteilt) und wird absorbiert (vom Gef\u00fcge \u201egeschluckt\u201c). Zus\u00e4tzlich breitet sich der Schall immer weiter in alle Richtungen aus, die vorhandene Energie verteilt sich auf immer gr\u00f6\u00dfere Fl\u00e4chen. Wie auch im Alltag wird mit zunehmender Entfernung der Schall immer schw\u00e4cher wird, verliert sich der Ultraschall im Werkst\u00fcck nach einer gewissen Zeit und Strecke.<\/p>\n

Alle Verluste zusammen bilden die Schallimpedanz – den Schallwiderstand. Bei der Ultraschall-Pr\u00fcfung werden dadurch die Signale bei langem Schallweg oder starker Schallschw\u00e4chung immer kleiner, und die Auswertung wird komplizierter.<\/p>\n

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Abb. 2: Signaldarstellung mit einem Senkrechtpr\u00fcfkopf. Links: Pr\u00fcfsituation, Rechts: Bildschirmdarstellung. Sendeimpuls (rechtes Bild, links), Fehlerecho (rechtes Bild, Mitte) und R\u00fcckwandecho (rechtes Bild, rechts).<\/em><\/div>\n

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Die Ultraschall-Pr\u00fcftechnik<\/strong><\/div>\n

Ultraschall arbeitet mit Frequenzen au\u00dferhalb des menschlichen H\u00f6rverm\u00f6gens \u2013 \u00fcblicherweise 2-4 MHz, also 2-4 Millionen Schwingungen pro Sekunde (zum Vergleich: Menschen nehmen Schwingungen zwischen 16 und 16.000 Hz wahr). Im menschlichen K\u00f6rper wird das Senden (durch die Stimmb\u00e4nder) und das Empfangen (durch das Trommelfell) von Schallwellen arbeitsteilig erledigt. Bei der Ultraschallpr\u00fcfung gibt es Pr\u00fcfk\u00f6pfe, die ebenso arbeitsteilig funktionieren, aber auch solche, die sowohl senden, als auch empfangen.<\/p>\n

Realisiert wird dies durch piezoelektrische Kristalle<\/em>. Legt man an diese einen elektrischen Wechselstrom an, fangen die Kristalle an hochfrequent zu schwingen. Dadurch erzeugt der Pr\u00fcfkopf Schallwellen, wenn er auf einem Bauteil liegt und angekoppelt wurde. Ankopplung bedeutet, durch ein Koppelmittel (z.B. Wasser, Kleister oder \u00d6l) einen nahtlosen \u00dcbergang des Schalls aus dem Pr\u00fcfkopf in das Werkst\u00fcck zu erm\u00f6glichen. Findet die Schallwelle den Weg zur\u00fcck zum Kristall, versetzt sie ihn in Schwingung, und dabei erzeugt der Kristall selbst einen elektrischen Strom, der vom Ger\u00e4t registriert und in ein Messsignal umgewandelt wird. Je st\u00e4rker dabei der Schall ist, umso st\u00e4rker die erzeugte Schwingung, und umso st\u00e4rker das elektrische Signal.<\/p>\n

Der Ultraschall-Pr\u00fcfkopf<\/strong><\/div>\n

Der Sensor in der UT-Pr\u00fcfung ist der Pr\u00fcfkopf<\/em>. Nach Anwendungsgebiet k\u00f6nnen verschieden gro\u00dfe Pr\u00fcfk\u00f6pfe, Frequenzen und Typen verwendet werden. F\u00fcr sehr kleine Bauteile werden z.B. h\u00e4ufig sog. Miniatur-Pr\u00fcfk\u00f6pfe<\/em> mit einem ca. 10mm gro\u00dfen Schwingerdurchmesser verwendet. F\u00fcr sehr pr\u00e4zise Messungen w\u00e4hlt man in der Regel hohe Pr\u00fcffrequenzen (die zu kleineren Ultraschall-Wellenl\u00e4ngen und damit h\u00f6herer Genauigkeit f\u00fchren).<\/p>\n

Die zuvor dargestellte senkrechte Einschallung (Senkrechtpr\u00fcfkopf – SPK) ist der simpelste Fall; h\u00e4ufig l\u00e4sst die Geometrie dies aber nicht zu. F\u00fcr besonders d\u00fcnne Bauteile oder die Pr\u00fcfung im Oberfl\u00e4chenbereich werden Sender-Empf\u00e4nger-Pr\u00fcfk\u00f6pfe<\/em> (SE-PK, getrennte Sende- und Empfangselemente) verwendet, die die Bereiche unmittelbar unter der Bauteiloberfl\u00e4che pr\u00fcfen. Macht die Geometrie eine schr\u00e4ge Einschallung n\u00f6tig, werden Winkelpr\u00fcfk\u00f6pfe<\/em> (WPK) verwendet, z.B. bei der Nahtpr\u00fcfung an Schwei\u00dfn\u00e4hten.
\n<\/p>\n

Abb. 3: Winkelpr\u00fcfkopf mit Schr\u00e4geinschallung f\u00fcr die Risspr\u00fcfung an der Gegenfl\u00e4che (links).
\nBlechdickenmessung mit einem Sender-Empf\u00e4nger-Pr\u00fcfkopf (rechts).<\/em><\/div>\n

Winkelpr\u00fcfk\u00f6pfe haben eine weitere Besonderheit: Sie arbeiten mit einer anderen Wellenart als Senkrecht- oder SE-Pr\u00fcfk\u00f6pfe. Senkrecht- und SE-Pr\u00fcfk\u00f6pfe verwenden haupts\u00e4chlich Longitudinalwellen<\/em>, Winkelk\u00f6pfe dagegen haupts\u00e4chlich Transversalwellen<\/em>. Dabei handelt es sich um unterschiedliche Ausbreitungsarten von Schallwellen in einem Medium. Longitudinalwellen breiten sich in Schwingungsrichtung aus, kommen in allen Medien vor und sind (im selben Material) schneller als Transversalwellen. Einer Longitudinalwelle entspricht in etwa die Bewegung von Menschen beim Schunkeln. Bei Transversalwellen schwingen die Teilchen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Schallwelle, sie treten nur in Feststoffen auf und sind (im selben Material) langsamer als Longitudinalwellen. Einer Transversalwelle entspricht die Bewegung einer Laola-Welle in einem Fu\u00dfballstadion.<\/p>\n

Ein Vergleich der Gr\u00f6\u00dfenordnungen der Schallgeschwindigkeiten:<\/p>\n

    \n
  • Luft 330 m\/s (Longitudinal)<\/li>\n<\/ul>\n
      \n
    • Wasser 1480 m\/s (Longitudinal)<\/li>\n<\/ul>\n
        \n
      • Schmiedestahl 5920 m\/s (Longitudinal)<\/li>\n<\/ul>\n
          \n
        • Schmiedestahl 3255 m\/s (Transversal)<\/li>\n<\/ul>\n

          <\/p>\n

          Abb. 4: Erzeugung einer Longitudinalwelle durch einen Hammerschlag auf die Stirnseite eines Stabes (oben).
          \nErzeugung einer Transversalwelle durch einen Hammerschlag auf die L\u00e4ngsseite es Stabes (unten).<\/em><\/div>\n

           <\/p>\n

          Wie sehen Ultraschall-Signale am Pr\u00fcfger\u00e4t aus?<\/strong><\/div>\n

          Die eigentliche Signal-Darstellung am Ultraschall-Pr\u00fcfger\u00e4t \u00e4hnelt der eines Oszilloskops. Aus der Position des Signales kann die Entfernung zum Reflektor<\/em> (Wand, Materialfehler, \u2026) abgeleitet werden, aus Form und Gr\u00f6\u00dfe (und mit Pr\u00fcferfahrung) auch die Art des Reflektors (Riss, Lunker, \u2026) In vielen F\u00e4llen kann ein erfahrener Ultraschallpr\u00fcfer einen Flankenbindefehler (fehlende Verschwei\u00dfung) von einer Pore (Gaseinschlu\u00df), einem Lunker (Schwindungsholraum durch Abk\u00fchlen von Gu\u00dfteilen) oder von Dross (Ablagerungen im Gu\u00df, die zur Oberfl\u00e4che aufsteigen) unterscheiden. Die folgende Abbildung zeigt einige m\u00f6gliche Signalformen und \u2013Arten, die bei der Ultraschallpr\u00fcfung gefunden werden k\u00f6nnen.<\/p>\n

          <\/p>\n

          Abb. 5: 1. Senkrechteinschallung mit deutlichem Sendeimpuls, Fehlersignal und R\u00fcckwandecho,
          \n2. Schr\u00e4geinschallung mit gro\u00dfem Fehlersignal und \u00fcblicherweise sind weder Sendeimpuls noch R\u00fcckwandecho sichtbar,
          \n3. Viele Fehlersignale mit geschw\u00e4chtem R\u00fcckwandecho; der Sendeimpuls fehlt auch hier, da Pr\u00fcfung mit SE-PK,
          \n4. Ein Lunker im Bauteil absorbiert bzw. streut den Schall. Weder Fehler- noch R\u00fcckwandecho sichtbar.<\/em><\/div>\n

          Eine 100%ige Aussage \u2013 der Fehler ist genau dort und ist exakt so gro\u00df \u2013 ist mit konventionellem Ultraschall (im Gegensatz zu bildgebenden Verfahren wie z.B. VT oder RT) zwar nicht m\u00f6glich, in der Praxis kann aber zuverl\u00e4ssig auf wenige Zehntelmillimeter genau gemessen werden.<\/p>\n

          Was wird mit der Ultraschallpr\u00fcfung bewertet?<\/strong><\/div>\n

          Wie in allen Verfahren der zerst\u00f6rungsfreien Pr\u00fcfung wird auch bei der Ultraschallpr\u00fcfung anhand von Referenzen gepr\u00fcft \u2013 eine Anzeige wird in Bezug auf bereits bekannte Justiergr\u00f6\u00dfen bewertet. F\u00fcr eine Wanddickenmessung wird daher im Vorfeld an bekannten Dicken des gleichen Materials justiert, die \u00e4hnliche Ma\u00dfe aufweisen wie das Pr\u00fcfobjekt; f\u00fcr eine Schwei\u00dfnahtpr\u00fcfung werden Vergleichsk\u00f6rper verwendet, deren Material, Geometrie und Referenzfehler dem Pr\u00fcfobjekt \u00e4hneln.<\/p>\n

          Wird auf Fehler gepr\u00fcft, kennt das Verfahren zwei wesentliche Bewertungsma\u00dfst\u00e4be \u2013 DAC und AVG. Bei der DAC-Methode (D<\/strong>istance A<\/strong>mplitude C<\/strong>orrection \u2013 Korrektur der Amplitude in Abh\u00e4ngigkeit zur Entfernung) wird eine Vergleichskurve am Ger\u00e4t aufgenommen, die die Ultraschallechos eines Referenzfehlers f\u00fcr verschiedene Schallwege darstellt \u2013 z.B. f\u00fcr Schallwege von 20mm, 40mm, 60mm, 80mm und 100mm. Anschlie\u00dfend wird der Pr\u00fcfgegenstand untersucht, und die dort gefundenen Signale werden unter Beachtung der jeweiligen Reflektortiefe (Entfernung) mit den Referenzechos verglichen.<\/p>\n

          Die AVG-Methode (A<\/strong>bstand, V<\/strong>erst\u00e4rkung, G<\/strong>r\u00f6\u00dfe) nimmt ebenfalls eine Kurve auf \u2013 allerdings rein rechnerisch anhand von physikalischen Gesetzen, die die Ver\u00e4nderung von Signalen in Bezug auf Entfernung und Gr\u00f6\u00dfe beschreiben. Der Pr\u00fcfer hat hier weniger zu tun \u2013 moderne Ger\u00e4te machen hier fast die \u201eganze Arbeit\u201c. W\u00e4hrend aber DAC f\u00fcr fast alle Materialien, Pr\u00fcfk\u00f6pfe und Geometrien funktioniert, findet man die Anwendung von AVG h\u00e4ufig nur bei \u201enormalen\u201c Pr\u00fcfk\u00f6pfen, Werkst\u00fccken aus Stahl und einfachen Geometrien.<\/p>\n

          <\/p>\n

          Abb. 6: DAC-Methode: Mit zunehmender Tiefe werden die Schallwege (Entfernungen zum Reflektor) immer gr\u00f6\u00dfer und die Signale immer kleiner. Die orange Linie ist die DAC-Kurve und wird auf dem Bildschirm abgebildet.
          \nAlle Folgeanzeigen werden danach bewertet, ob sie \u00fcber oder unter dieser Kurve liegen.<\/em><\/div>\n

           <\/p>\n

          Fazit \/ Ausblick<\/strong><\/div>\n

          Die UT-Pr\u00fcfung ist ein flexibles Werkzeug der zerst\u00f6renden Werkstoffpr\u00fcfung. Von der Risspr\u00fcfung \u00fcber Schichtdickenmessungen bis hin zu Wanddickenmessungen k\u00f6nnen viele Pr\u00fcfaufgaben realisiert werden. F\u00fcr die L\u00f6sung verschiedener Pr\u00fcfaufgaben kann ein einziges Ger\u00e4t und ein Satz jeweils passender Pr\u00fcfk\u00f6pfe eingesetzt werden. Ein entsprechend ausger\u00fcsteter Pr\u00fcfer kann schnell auf verschiedene Situationen und Anforderungen reagieren. Durch Verfahren wie die Gruppenstrahler-Pr\u00fcfung oder TOFD nehmen die Genauigkeit und die Bandbreite der Anwendungsm\u00f6glichkeiten der Ultraschallpr\u00fcfung weiter zu.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

          Bei der Ultraschallpr\u00fcfung wird Schall zur Analyse von Entfernungen, dem Innenleben und den Eigenschaften von Werkstoffen und Bauteilen eingesetzt. <\/p>\n","protected":false},"author":1,"featured_media":457,"comment_status":"open","ping_status":"closed","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_bbp_topic_count":0,"_bbp_reply_count":0,"_bbp_total_topic_count":0,"_bbp_total_reply_count":0,"_bbp_voice_count":0,"_bbp_anonymous_reply_count":0,"_bbp_topic_count_hidden":0,"_bbp_reply_count_hidden":0,"_bbp_forum_subforum_count":0},"categories":[35,9],"tags":[],"yoast_head":"\nWie funktioniert eigentlich \u2026 Ultraschallpr\u00fcfung? - Werkstoff Service Blog<\/title>\n<meta name=\"robots\" content=\"index, follow, max-snippet:-1, max-image-preview:large, max-video-preview:-1\" \/>\n<link rel=\"canonical\" href=\"https:\/\/www.werkstoff-service.de\/blog\/wie-funktioniert-eigentlich-ultraschallpruefung\/\" \/>\n<meta property=\"og:locale\" content=\"de_DE\" \/>\n<meta property=\"og:type\" content=\"article\" \/>\n<meta property=\"og:title\" content=\"Wie funktioniert eigentlich \u2026 Ultraschallpr\u00fcfung? 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