Was sind die Eigenschaften von Schallbündeln?
Die hohe Zahl der Schwingungen (MHz) in einer Ultraschallwelle und
die entsprechend kleine Wellenlänge haben zur Folge, dass Ultraschallquellen eine stark ausgeprägte Richtcharakteristik zeigen.
Nennenswerte Schalldruckamplituden p lassen sich nur in einem
kleinen Sektor des Raumes nachweisen. Der wesentliche und für die Prüfung bedeutsame Teil des Schallfeldes liegt innerhalb eines schmalen Feldsektors, der als Schallbündel bezeichnet wird. Zum Verständnis dieser Richtwirkung faßt man die Fläche des Schallschwingers (des Wandlers) als eine Menge schallabstrahlender Punkte auf. Jede von einem solchen Punkt abgestrahlte Schallwelle breitet sich kugelförmig aus. Einen Punkt im Raum Q erreichen sie also mit verschiedenen Laufzeiten (Bild 20). Dort überlagern sich die einzelnen Wellen, sie interferieren und ergeben nach Phase und Amplitude den Gesamtschalldruck im Punkte Q. Je nach Lage des Punktes Q können die Auswirkungen der Interferenz sehr verschieden sein. Das Bild 21 zeigt wie bei einem Schwinger von D/λ = 10 der Schall durch Interferenz in einem schmalen Sektor gebündelt wird. In der unmittelbaren Zone vor dem Schwinger entsteht ein Gebiet mit starken Schwankungen des Schalldrucks, das „ Nahfeld". Das am weitesten vom Schwinger entfernt liegende Druckmaximum markiert das Nahfeldende. An dieser Stelle ist das Schallbündel am stärksten eingeschnürt. Jede Schallquelle, gleich von welcher Form, hat ein solches Nahfeld, dessen Gestalt aber von der Schwingerform (Form des Wandlers) beeinflusst wird. Bei der Werkstoffprüfung ist es sehr wichtig, den Teil des Schallfeldes zu kennen, der für die Prüfung geeignet ist, den Arbeitsbereich des Prüfkopfes. Häufig fragt man, wo bei einem kreisförmigen, ebenen Schwinger die Grenzen des Bündels liegen, innerhalb derer ein Echo von einem Punktreflektor um nicht mehr als einen festgesetzten Betrag unter das maximale Echo absinkt. Hat ein Prüfkopf auf der akustischen Achse die Richtcharakteristik R = 1, so erzeugt er in einem Punkt Q außerhalb der Achse einen Druck R < 1. Eine von dort reflektierte Schallwelle würde vom gleichen Prüfkopf ebenfalls wieder mit dem verminderten Richtwert R < 1 aufgenommen. Das rückkehrende Signal wäre unabhängig vom Reflektor (Punkt) gegenüber der Achse mit dem Richtfaktor R2 behaftet. Im dB-System:
Ein Amplitudenabfall von 20 dB für ein Punktfehler-Echo bedeutet also eine Freifeldabnahme um 20/2 dB — 10 dB. Bild 22 zeigt diese Bündelgrenze im Fernfeld exakt, im Nahfeld als Einhüllende. Außerhalb dieses Bündels gibt es keinen nennenswerten Schalldruck mehr. Das Bild 22 stellt also das Merkmodell für die Schallabstrahlung
eines Prüfkopfs dar. Das Nahfeld weist eine Bündelbreite von etwa Wandlerdurchmesser auf, schnürt sich aber bis zum Nahfeldende auf den halben Wandlerdurchmesser zusammen. Erst im Abstand von zweieinhalb Nahfeldlängen wird die Wandlerbreite wieder erreicht. Auffallend ist, dass im Fernfeld sich das Schallbündel mit einem konstanten Winkel y öffnet, dem Öffnungswinkel zum Amplitudenabfall von (hier) 20 dB Echo. Zu jedem Amplitudenabfall lässt sich eine solche Bündelgrenze festlegen. Für die Prüfpraxis ist z.B. die — 6dB-Grenze sehr wichtig, die der -3dB-Freifeldgrenze entspricht.
Der konstante Öffnungswinkel γ kommt deshalb . zustande, weil die
Schalldruckamplitude p quer zur akustischen Achse für den Kreisschwinger folgender Gleichung folgt ( 1 0):
für Rechteckschwinger gilt entsprechende
wobei man für s wahlweise die Seite a oder b des Wandlers einsetzt.
Bild 23 zeigt die Schalldruckquerverteilung im Fernfeld.
Zu den wichtigen Fällen des Amplitudenabfalls um 6dB und 20dB
gehören also nach Gleichung ( 10, 11) und Bild 23 folgende Öffnungswinkel γ6 und γ20 :
Für Kreiswandler
γ6 = arc sin 0.51 λ/D
γ20 = arc s in 0.87λ/D
Für Rechteckwandler:
γ6= arc sin 0.44 λ/s
γ20 = arc sin 0.74 λ/s
(s = wahlweise Seiten a oder b des Wandlers)
Mit dem Abstand z vom Schwinger ändert sich der Schalldruck p ebenfalls. Für einen Kreisschwinger gilt:
(D Schwingerdurchmesser, z Abstand) Für große Abstände z kann man Cl. (12) annähern durch (13)
Im dB-System wird dies zu (14)
Dies gilt für alle Schwinger unabhängig von ihrer Form: Für große
Abstände nimmt die Schalldruckamplitude proportional zum Abstand ab (Gl. (13), bzw: die Schalldruckkurve, aufgetragen über dem Logarithmus des Abstands (Gl. 14), ist eine Gerade. Das Gebiet, in dem dieses Verhalten gilt, heißt „Fernfeld". Der Bereich zwischen Nahfeld und Fernfeld heißt „ Übergangsbereich". Das Abstandsgesetz für einen quadratischen Schwinger, das nicht mehr so einfach wie Gl. (12) beschrieben werden kann, zeigt Bild 25.
Eine Hilfstabelle zur Berechnung der Schallbündelbreite für Freifeld
und Echobetrieb bei ebenen Kreisund Rechteckschwingern, ist die
Tabelle 4. Die Bündelbreite (gemessen gegen die Achse) berechnet sich dann als
Zur Übersicht zeigt Tabelle 5 die Nahfeldlängen für verschiedene
Schwinger (Wandler) und verschiedene Medien. Für die Nahfeldlänge N0 gilt:
