Ein Mikrofon zum Messen

Mit einem Ultraschall-Mikrofon von Xarion Laser Acoustics lassen sich Verbundstoffe, Schweißnähte oder Klebeverbindungen präzise auf Mängel überprüfen.

Die zerstörungsfreie Prüfung mittels Ultraschall ist etabliert. Doch da bereits ein Großteil des Schalls an der Grenzfläche zwischen Luft und Material reflektiert wird, muss ein Koppelmedium wie Wasser oder Gel aufgetragen und der Prüfkopf am Werkstück entlanggefahren werden. Dies bedingt einen umständlichen Aufbau und eine Erhöhung der Prüfdauer. Abhilfe schafft ein optisches Mikrofon des österreichischen Unternehmens Xarion: Das laserbasierte Ultraschall-Mikrofon Eta250 Ultra beruht auf dem Funktionsprinzip, dass Schallwellen die Wellenlänge des Lichtes beeinflussen. Diese Veränderung wird mit einem miniaturisierten Interferometer gemessen, und in eine proportionale Ausgangsspannung gewandelt. Dieser Ultraschall-Messvorgang lässt sich ohne Koppelmedium und berührungslos durchführen, was den Prüfaufwand deutlich reduziert, und eine automatisierte Prüfung mit Hilfe von Robotik ermöglicht. Der erfassbare Frequenzbereich von 10 Hz bis 2 MHz in Luft stellt eine Einzigartigkeit dar. Durch die kleinen und handlichen Abmessungen des Prüfkopfs lässt er sich ohne großen Aufwand an Roboterarmen oder Anlagen zur Prozessüberwachung montieren.

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.

Das optische Mikrofon findet auch in einem weiteren Einsatzbereich Verwendung: Bei der industriellen Prozessüberwachung werden heute meist 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).

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.

sk