Schallmessung

Das Mikro ist zum Prüfen da

Zerstörungsfreie Prüfung. Um die Qualitätssicherung durch ein berührungsfreies Verfahren zu ermöglichen und gleichzeitig eine neue Möglichkeit zur Inline-Prozessüberwachung bereitzustellen, hat Xarion ein neuartiges optisches Mikrofon entwickelt.

Schallmessung aufgenommen mit dem optischen Mikrofon; wertvolle Prozesssignale liegen in hohen Frequenzbereichen. © Xarion

„Bei der Durchführung von Ultraschallmessungen zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung muss üblicherweise ein Koppelmittel, zum Beispiel ein Gel, verwendet werden“, erklärt Dr. Balthasar Fischer, Unternehmensgründer und Geschäftsführer von Xarion. „Ein Grundproblem ist hierbei, dass zerstörungsfreie Prüfungen von Werkstoffen idealerweise kontaktlos erfolgen sollten, um zum Beispiel Verschmutzungen des Materials zu vermeiden, den Prüfkörper nicht mit Wasser zu schädigen, oder auch um eine Roboter-gestützte Prüfung zu erleichtern. Luft eignet sich im Vergleich zu Wasser oder Gel jedoch nur bedingt als Koppelmedium. Es geht nämlich sehr viel Ultraschallsignal an der Material-zu-Luft-Grenzschicht verloren.“

Herkömmliche Ultraschallempfänger beruhen in der Regel auf dem piezoelektrischen Prinzip, wobei die Ultraschallwelle das piezoelektrische Material in Schwingung versetzt. Damit der Schall möglichst verlustfrei in den Detektor einkoppeln kann, wird mit einem Koppelmittel die akustische Impedanz zwischen Prüfkörper und Detektor angeglichen. Dies verhindert, dass bereits an der Grenzfläche zwischen Luft und dem Piezoempfänger ein Großteil des Ultraschalls reflektiert und verloren geht, und dadurch die zerstörungsfreie Prüfung erschwert wird. Das optische Mikrofon hingegen detektiert den Ultraschall direkt in der Luft; die Schallwelle wird nicht erst in einen Festkörper eingekoppelt und in Folge dessen Schwingung detektiert. Vielmehr misst ein Laserstrahl berührungslos die Dichteveränderung der Luft, welche durch die sich ausbreitende Ultraschallwelle entsteht. Damit entfallen eine Luft-zu-Festkörper-Grenzschicht und der damit einhergehende unerwünschte Verlust des Prüfsignals.

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Das optische Mikrofon findet auch in einem weiteren Einsatzbereich Verwendung: Bei der industriellen Prozessüberwachung werden heute meistens Kamera-Systeme eingesetzt. Bei Fertigungsprozessen, in denen Laser eingesetzt werden, darunter Laserschweißen und -strukturieren sowie in der additiven Fertigung, können optische Systeme aufgrund der starken optischen Prozessemissionen an ihre Grenzen stoßen. Die Kamera kann buchstäblich vom Laser geblendet werden, oder Schmauch kann die Sichtverbindung einschränken. Außerdem kann keine Kamera eingesetzt werden, wenn der Fertigungsprozess auf Fehler überwacht werden soll, die unter der Oberfläche stattfinden. Beispiele hierfür sind Risse oder Porenbildung, oder eine sich ablösende Klebeschicht. Hier stellt die akustische Prozessüberwachung eine interessante Alternative dar. Analog der komplementären menschlichen Sinneswahrnehmungen erfolgt damit die Detektion nicht nur optisch mit Kamera (entsprechend dem menschlichen Auge), sondern auch akustisch über das Mikrofon (entsprechend den Ohren).

Das optische Mikrofon Eta250 Ultra. Ein Komplettsystem bestehend aus der Signalverarbeitungseinheit, Sensorkopf und optischer Faser. © Xarion

Im Falle von akustischer Überwachung setzte man bislang auf Kondensatormikrofone, welche sich aber aufgrund ihrer Empfindlichkeit auf Hintergrundlärm nur bedingt für die Überwachung der Produktion und die Qualitätskontrolle einsetzen lassen. Da in einer Fertigungshalle der Umgebungslärm oft sehr groß ist, kommt akustische Prozessüberwachung mit herkömmlichen Mikrofonen für die meisten Prozesse nicht in Frage. Anders stellt sich die Situation beim optischen Mikrofon dar: Der messbare Frequenzbereich ist so groß, dass zwischen Hintergrundlärm (üblicherweise unter 100 Kilohertz) und wertvoller Prozesssignatur (wesentliche Anteile auch über 100 Kilohertz) mithilfe eines einfachen Frequenzfilters unterschieden werden kann.

Um einen größeren akustischen Frequenzbereich bedienen zu können, wählt Xarion keinen elektroakustischen oder mechanischen, sondern einen optischen Ansatz zur Schalldetektion: Das Unternehmen entwickelte ein laserbasiertes Messverfahren, mit dessen Hilfe sich Materialprüfungen und Prozessüberwachungen in einem sehr breiten Frequenzbereich von rund zehn Hertz bis zwei Megahertz in der Luft durchführen lassen und herkömmliche Sensoren damit um den Faktor 20 übertreffen.

Xarion nutzt mit seinem optischen Mikrofon Eta250 Ultra ein akusto-optisches Prinzip: Dabei wird zunächst ein Laserimpuls auf den Prüfling geschossen, um das Material in Schwingung zu versetzen. Das in Folge in Luft abgestrahlte Signal dieses Schall-Schock-Pulses wird daraufhin gemessen. Die Schallwellenschwingungen bewirken eine Änderung des Luftdrucks, was wiederum die Wellenlänge des Laserlichts im optischen Mikrofon beeinflusst. „Die Schallwelle wird in ein sehr kompaktes, nur zwei Millimeter großes Interferometer im Sensorkopf gesendet“, erläutert Fischer. „Sie beeinflusst die Wellenlänge und ändert im Mini-Interferometer damit die Helligkeit des Laserstrahls, was dann gemessen wird.“ Eine bewegliche Membran, oder ein sich verformbares piezoelektrisches Material ist somit überflüssig. Damit lassen sich störende Eigenschwingungen vermeiden, die das Messergebnis auf unerwünschte Weise beeinflussen.

Das optische Mikrofon selbst benötigt für die Messungen nur sehr wenig Platz: Der Sensorkopf ist lediglich fünf Millimeter groß. Dies ermöglicht es, dass sich das Gerät ohne großen zeitlichen Aufwand und umständliche Umbau- und Anpassungsmaßnahmen der Anlagen an Roboterarmen montieren und in bereits bestehende Prüfprozesse integrieren lässt. Dadurch werden nicht nur zerstörungsfreie Materialprüfungen, sondern auch die Inline-Prozessüberwachung (also die Qualitätsprüfung direkt während dem Herstellungsprozess) erleichtert. Über ein Glasfaserkabel ist das optische Mikrofon an eine Kontrolleinheit angeschlossen; in dieser befinden sich der Laser, die Detektionseinheit und ein Vorverstärker. Die metallfreie Verkabelung ermöglicht auch Messungen in schwierigen Umgebungen wie etwa in der Nähe von elektromagnetischen Feldern und funktioniert auch über sehr große Distanzen ohne messbaren Signalverlust und Störungen durch Einstreuungen. as

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