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Snelliussches Brechungsgesetz für Ultraschallwellen

1940
  • Willebrord Snellius
Ultrasonic testing setup for weld inspection in manufacturing using Snell's Law.

(Abbildung dient nur zur Veranschaulichung)

Wenn ein Ultraschall- Wenn eine Welle unter einem bestimmten Winkel auf die Grenze zwischen zwei verschiedenen Materialien trifft, wird sie gebrochen oder ändert ihre Richtung. Dies wird durch das Snellsche Gesetz geregelt, das die Einfalls- und Brechungswinkel mit den Wellengeschwindigkeiten in den beiden Medien in Beziehung setzt: [latex]\frac{\sin\theta_1}{c_1} = \frac{\sin\theta_2}{c_2}[/latex]. Dieses Prinzip ist von grundlegender Bedeutung für die Schrägstrahlprüfung, die zur Prüfung von Komponenten wie Schweißnähten verwendet wird, die nicht direkt von oben zugänglich sind.

Snell’s Law is a cornerstone of wave physics, originally formulated for light but equally applicable to sound waves. In Ultraschall- testing, it is indispensable for designing inspections where a straight-on approach is impossible. This is most common in weld inspection, where the weld cap prevents placing a transducer directly on top. Instead, an angle beam transducer is used, which consists of a piezoelectric element mounted on a plastic wedge.

Die Formel [latex]\frac{\sin\theta_1}{c_1} = \frac{\sin\theta_2}{c_2}[/latex] gibt das Verhalten vor, wobei [latex]\theta_1[/latex] der Einfallswinkel im ersten Medium (dem Keil) ist, [latex]c_1[/latex] die Schallgeschwindigkeit im Keil ist, [latex]\theta_2[/latex] der Brechungswinkel im zweiten Medium (dem Prüfkörper, z.g., Stahl), und [latex]c_2[/latex] ist die Schallgeschwindigkeit im Prüfkörper. Durch sorgfältige Wahl des Keilwinkels und des Materials können die Prüfer eine Scher- oder Longitudinalwelle in einem präzisen, gewünschten Winkel innerhalb des Prüfteils erzeugen, um das Schweißnahtvolumen effektiv zu untersuchen.

Ein entscheidender Aspekt dabei ist die Modenumwandlung. Wenn eine Longitudinalwelle in einem Winkel auf eine Grenzfläche trifft, kann sie sowohl eine gebrochene Longitudinalwelle als auch eine gebrochene Scherwelle erzeugen, jede in einem anderen Winkel, wie es das Snellsche Gesetz vorhersagt (da Scher- und Longitudinalwellen unterschiedliche Geschwindigkeiten haben). Techniker verwenden häufig die erzeugte Scherwelle, da ihre kürzere Wellenlänge eine bessere Empfindlichkeit für kleine Defekte bietet.

UNESCO Nomenclature: 3301
- Die Akustik

Typ

Physikalisches Prinzip

Störung

Grundlegendes

Verwendung

Weitverbreitete Verwendung

Vorläufer

  • Willebrord Snellius' ursprüngliche Arbeit über optische Brechung im 17.
  • Huygens'sches Prinzip zur Erklärung von Wellenausbreitung und Wellenfronten
  • das Verständnis, dass sich Schall wie eine Welle verhält und sich durch Festkörper ausbreitet
  • die Entwicklung von Winkelstrahlwandlern und Keilen für die industrielle Inspektion

Anwendungen

  • Winkelschweißnahtprüfung in Fertigung und Konstruktion
  • Immersionsprüfung von komplex geformten Industriekomponenten
  • Design von Winkelkeilen für Ultraschallwandler
  • Strahlsteuerung im medizinischen Phased-Array-Ultraschall
  • Analyse seismischer Wellen in der Geophysik zum Verständnis der Erdschichten

Patente:

NA

Potenzielle Innovationsideen

  • Akustik metamaterials that exhibit negative refraction for sound focusing and superlensing
  • Software zur Echtzeitsimulation komplexer Ultraschallwellenpfade in anisotropen Materialien
  • selbstkalibrierende Sonden, die automatisch die Materialgeschwindigkeit bestimmen und den Strahlwinkel korrigieren
  • Ultraschall-Goniometer zur präzisen Messung von Materialelastizitätskonstanten
  • nicht-invasive Hirnstimulation mit fokussierten Ultraschallstrahlen, die durch den Schädel gebrochen werden
  • akustische Pinzetten, die Partikel mithilfe präzise gebrochener Schallfelder manipulieren
  • fortgeschrittene Wettervorhersagemodelle unter Verwendung der akustischen Brechung in atmosphärischen Schichten
  • Untergrund-Bildgebungssysteme, die die Brechung durch komplexe geologische Schichten korrigieren
  • intelligente Fenster mit einstellbaren akustischen Brechungseigenschaften zur Geräuschunterdrückung
  • Ultraschall-Durchflussmesser, die gebrochene Strahlen verwenden, um die Flüssigkeitsgeschwindigkeit in Rohren zu messen
Verwandt mit: Snellsches Gesetz, Brechung, Ultraschallprüfung, Winkelstrahl, Modenumwandlung, Scherwelle, NDT, Schweißnahtprüfung, Wellenausbreitung, Akustik.

Historischer Kontext

Snelliussches Brechungsgesetz für Ultraschallwellen

1930
1940
1940
1940
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1940
1930
1934
1940
1940
1940
1940
1940
1945-01-01

(wenn das Datum unbekannt oder nicht relevant ist, z. B. „Strömungsmechanik“, wird eine gerundete Schätzung seines bemerkenswerten Auftretens bereitgestellt)

10. Jahr Jubiläum

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