Nichtlineare Akustik spürt Materialdefekte auf

In der akustischen Mikroskopie ermöglichen Ultraschallwellen Einblicke in das Innere von Körpern: So können Wissenschaftler zerstörungsfrei Defekte wie Risse oder Löcher in Materialien oder Gewebe aufspüren – zum Beispiel in Brücken oder Flugzeugflügeln, bei denen die Unversehrtheit des Materials extrem wichtig ist. Allerdings entziehen sich manche Materialmängel den bisherigen Methoden, etwa weil die Risse extrem klein sind. Im Fachmagazin „Physical Review Letters“ haben Forscher um Jack Potter von der britischen University of Bristol nun ein einfaches Verfahren vorgestellt, mit dem sich auch solche Defekte aufspüren lassen.

Auf zwei Darstellungen ist jeweils der gleiche Ausschnitt eines Aluminiumwürfels abgebildet. In der oberen Darstellung sind zwei Löcher eingekreist. In der unteren Darstellung sind wieder die zwei Kreise abgebildet, allerdings ist im linken von ihnen nun ein Riss sichtbar und farbig hervorgehoben.
Aluminiumwürfel mit Löchern und Rissen

Schallwandler schicken kurz gepulste Ultraschallwellen in ein Material und messen anschließend, wie diese Wellen innerhalb des Materials reflektiert werden. So können diese beispielsweise innerhalb des Materials gestreut oder an Hohlräumen reflektiert werden. Allerdings funktioniert dieses Verfahren bislang nur mithilfe der linearen Akustik. Hier wird nur diejenige Frequenz in Betracht gezogen, mit der die Ultraschallwellen in das Material geschickt werden. In der nichtlinearen Akustik hingegen spielen auch andere Frequenzen eine Rolle, denn Schallwellen können innerhalb bestimmter Defekte in andere Frequenzen als die ursprüngliche Frequenz umgewandelt werden. Zwar wissen Physiker schon länger, dass gerade solche Defekte als Quellen von akustischer Nichtlinearität für die Materialforschung und Qualitätskontrolle interessant sind. Allerdings bestand bislang immer das Problem, diese Quellen im Material zu lokalisieren – also herauszufinden, wo sich der Riss oder Defekt im Material befindet. Potter und seine Kollegen haben dieses Problem nun gelöst, indem sie zwei bestehende Verfahren aus der linearen akustischen Mikroskopie kombiniert haben. Der Vorteil daran: Ihre neue Technik ist im Prinzip sofort anwendbar, da dafür keine neuen Geräte nötig sind.

Die Wissenschaftler fokussierten dabei die Ultraschallwellen auf einen Brennpunkt auf parallele sowie auf sequenzielle Art und Weise. Bei der parallelen Methode schickt eine ganze Reihe von Schallwandlern ihre Ultraschallwellen gleichzeitig auf das zu untersuchende Material, in diesem Fall einen Würfel aus einer Aluminiumlegierung, die auch oft in der Luft- und Raumfahrt verwendet wird. Diesen Würfel hatte das Team zuvor durch wiederholte Kompression so präpariert, dass er Materialermüdungen und damit Defekte aufzeigte. In der parallelen Methode wurden nun alle 64 Schallwellen auf einen bestimmten Punkt im Würfel fokussiert und die reflektierten Wellen anschließend aufgezeichnet.

In der sequenziellen Methode hingegen sendeten die Schallwandler ihre Pulse nacheinander aus und die einzelnen Reflexionen wurden anschließend miteinander kombiniert. Der Trick dabei ist: In der linearen Akustik ergibt ein Vergleich der Muster aus der sequenziellen und aus der parallelen Methode das gleiche Ergebnis. Bei einem nichtlinearen Defekt wie einem Haarriss hingegen ergibt sich ein geringer Unterschied, wenn er sich im Brennpunkt der Ultraschallwellen befindet, als an dem Punkt, an dem die Wellen fokussiert werden.

Auf diese Weise konnte das Team um Potter Risse im Aluminiumwürfel aufspüren, die mit rein linearen Methoden kaum sichtbar waren. Ihre Technik testeten sie an einem weiteren, vergleichbaren Aluminiumwürfel aus, in den sie zwei Löcher mit je fünf Millimetern Durchmesser bohrten. Eines der Löcher befand sich direkt hinter einem winzigen, 2,5 Millimeter langen Riss. Während die einfache lineare akustische Mikroskopie nur die beiden Löcher im Material zeigte, enthüllte die nichtlineare Methode tatsächlich den Riss im Aluminiumwürfel