Ultraschallecho

Verfahrensbeschreibung

Beim Ultraschallechoverfahren im Bauwesen werden an der Betonoberfläche durch hochfrequent schwingende Erregerprüfköpfe elastische Wellenimpulse erzeugt. Die für die Untersuchung von Beton erforderliche Erregerfrequenz ist maßgeblich von der Inhomogenität des Betons (Größtkorn) und der zu untersuchenden Bauteildicke abhängig und liegt in der Regel bei etwa 50 kHz. Dies ist deutlich geringer als in der klassischen Materialprüfung an vergleichsweise homogenen Stahl- und Gusseisenformstücken (Frequenzen im MHz-Bereich). Generell gilt, dass mit zunehmender Eindringtiefe (größere Bauteildicken) und mit zunehmendem Größtkorn die Erregerfrequenz abnehmen muss. Die Wellenlänge der erzeugten Impulse wird somit größer, der Einfluss von Inhomogenitäten auf das Signal nimmt ab, da Streuung und Reflexionen reduziert werden. Dabei ist zu beachten, dass mit zunehmender Wellenlänge der Impulse auch das Auflösevermögen abnimmt, so dass Nutzsignale, z.B. Echos von Bewehrungseisen in größerer Tiefe, schwächer werden und eventuell nicht mehr identifzierbar sind.

Die Impulse breiten sich im Beton gemäß physikalischer Gesetze aus, werden an Grenzflächen zu Stoffen anderer akustischer Eigenschaften reflektiert und an Empfängerprüfköpfen aufgezeichnet (Impuls-Echo-Prinzip). An Grenzschichten zu Luft erfolgt dabei stets eine Totalreflexion, zu darunterliegenden Bauteilen/Schichten kann mit dem Ultraschallverfahren keine Aussage getroffen werden. Über die Laufzeit des Signals kann bei bekannter Schallgeschwindigkeit – kalibiert in der Regel an Bauteilen bekannter Dicke oder, bei einseitiger Zugänglichkeit, als Schätzwert anhand der Oberflächenwelle bzw. anhand von Erfahrungswerten – die Entfernung zum Prüfkopf bestimmt werden.

Im Bauwesen werden üblicherweise sogenannte Punktkontaktprüfköpfe verwendet, die im Gegensatz zum medizinischen Ultraschall und den klassischen Einsatzgebieten der Materialprüfung kein Koppelmittel zum Einschallen der Impulse in das Prüfobjekt benötigen. Diesem Vorteil bei der Untersuchung großer Messflächen steht die Tatsache gegenüber, dass mit Einzelprüfköpfen keine direkte Auswertung von Messdaten möglich ist, da der Schallimpuls im Prüfobjekt weitgehend ungerichtet emittiert wird. Für ein bildgebendes Resultat ist die Kombination  mehrerer Messungen (auch in einem Messgerät als sogenannten Array möglich) oder das nachträgliche positionstreue Zusammensetzen von Messdaten am Rechner erforderlich. Für die Bildgebung zur Darstellung von Bauteilschnitten und -volumina werden Rekonstruktionsrechnungen durchgeführt mit denen Nutzanzeigen verstärkt und ihrer Herkunft im Untersuchungsbereich zugeordnet werden.


Verfahrensgrenzen

In Abhängigkeit des Zustandes von Oberfläche und Betonstruktur können Bauteile bis in Tiefen von ca. 100 – 150 cm untersucht werden. Bewehrung kann bei guten Randbedingungen bis in Tiefen von ca. 50 cm detektiert werden. Der Eisendurchmesser ist mit dem Ultraschallechoverfahren nicht feststellbar. Rückwände massiver Bauteile sind in Tiefen von bis zu etwa 250 cm detektierbar.

Werden entlang einer Linie oder Fläche mehrere Signale erzeugt und empfangen, so kann mittels geeigneter Rekonstruktionsalgorithmen eine bildgebende Darstellung des Bauteilinnern erzeugt werden.

Das A 1040 Ultraschallgerät ermöglicht an einzelnen Messpunkten unter Einsatz mehrerer Prüfkopfbänke, die jeweils als Sende- und Empfangsprüfköpfe durchgeschaltet werden, direkte bildgebende Resultate. Durch Aufnahme von Linien oder flächigen Messfeldern können dreidimensionale Volumendaten erzeugt werden.


Einsatzmöglichkeiten in der Bauwerksuntersuchung mit aktueller Messtechnik

  • Bewehrungsortung in großen Tiefen (bis ca. 50 cm, in Einzelfällen bei großem Stabdurchmesser und/oder dichtem Messraster auch tiefer)
  • Bauteildickenmessung (Rückwände von einseitig zugänglichen Bauteilen wie Fundamenten, erdberührenden Wänden, etc.)
  • Ortung von weiteren Bewehrungslagen hinter dichter oberflächennaher Bewehrung (nicht mit elektromagnetischen Verfahren wie Wirbelstrom oder Radar möglich)
  • Ortung von Fehlstellen (Kiesnester, Verdichtungsmängel) und oberflächenparallelen Ablösungen (z.B. Kaltfugen, Ablösungen an Elementwänden)
  • Bewertung von senkrechten Rissen (Unterscheidung von Trennrissen und oberflächennahen Rissen)
  • Ortung von Einbauteilen (Hüllrohre und Spannglieder, BKT-Heizschleifen, etc.)
  • Untersuchung des Verpresszustands von Hüllrohren (unter geeigneten Randbedingungen in schadfreiem Beton)