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Das Snellsche Brechungsgesetz für Ultraschallwellen

1940
  • Willebrord Snellius
Ultraschallprüfeinrichtung für die Schweißnahtprüfung in der Fertigung unter Anwendung des Snellschen Gesetzes.

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.

Das Snellsche Gesetz ist ein Eckpfeiler der Wellenphysik, der ursprünglich für Licht formuliert wurde, aber auch für Schallwellen gilt. In der Ultraschallprüfung ist es unverzichtbar für die Planung von Prüfungen, bei denen ein geradliniger Ansatz unmöglich ist. Dies ist vor allem bei der Prüfung von Schweißnähten der Fall, bei denen die Schweißnahtkappe die direkte Anbringung eines Prüfkopfes verhindert. Stattdessen wird ein Winkelschallwandler verwendet, der aus einem piezoelektrischen Element besteht, das auf einem Kunststoffkeil montiert ist.

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

Unterbrechung

Grundlegendes

Verwendung

Weit verbreitete Verwendung

Vorläufersubstanzen

  • 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

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