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News: Holographische Projektionen von Ultraschall

Eine neuentwickelte Laser-Ultraschall-Kamera kann Schallwellen in ein Bild umwandeln. Das System produziert in Echtzeit ein dynamisches, holographisches Bild aus den Ultraschallschwingungen, die auf der Oberfläche eines Objektes entstehen. Das Muster der Schwingungen, die nicht nur für die Kamera, sondern auch das bloße Auge sichtbar sind, verraten dann die Dicke, Steifigkeit und mögliche Unregelmäßigkeiten des Objektes. Diese Kamera könnte die gegenwärtig genutzten Methoden der bildlichen Darstellung von Ultraschalluntersuchungen ersetzen.
Die Laser-Ultraschall-Kamera wurde von einem Team des Idaho National Engineering and Environmental Laboratory (INEEL), unter der Leitung von Ken Telschow und Vance Deason, entwickelt. Die meisten der heutigen Hochleistungssysteme müssen ein Objekt abtasten und führen dabei eine Punkt-für-Punkt-Analyse durch. Der Prozeß des Abtastens verläuft langsam und ist von Natur aus schwieriger durchzuführen als die Bilderstellung mittels der neuen Laser-Ultraschall-Kamera, bei der ein dynamisches Echtzeit-Bild entsteht. Es zeigt Wellen an, die sich zu einem bestimmten Zeitpunkt entlang der Oberfläche eines ganzen Objektes bewegen. Die INEEL-Kamera liefert eine höhere Bildauflösung als die bisherigen Systeme mit direkter Bilderfassung.

Um die nur Nanometer hohen Ultraschallwellen, die sich an einem Objekt entlangkräuseln, überhaupt beobachten zu können, muß das Bild der Wellen auf eine "sichtbare" Geschwindigkeit reduziert werden. "Und dazu wenden wir ein paar Tricks an", sagt Deason. Zunächst wird der Quellstrahl zweigeteilt. Ein Strahl wird durch einen Phasenmodulator geschickt und wird so zum "Referenzstrahl". Der zweite Strahl leuchtet auf ein Testobjekt, durch das sich die Ultraschallschwingungen bewegen. Die Strahlen werden von Spiegeln umgelenkt, welche die Strahlen so dirigieren, daß sie sich innerhalb eines holographischen Kristalls wieder treffen. Dort treten die Strahlen miteinander in Wechselwirkung und die Modulationsunterschiede zwischen ihnen erzeugen das "verzögerte", bewegte Bild. Genauer gesagt, heben sich die modulierten Frequenzen gegenseitig auf – bis auf 25-Hertz-Wellen. Das verbleibende Bild ist nun langsam genug, um von Auge und Kamera wahrgenommen zu werden.

Diese Technik funktioniert in etwa so wie ein regelmäßig pulsierendes Stroboskoplicht. Anstatt einen kontinuierlichen Strom von Ultraschallwellen anzuzeigen, die sich mit einer Geschwindigkeit von ein bis fünf Kilometer pro Sekunde bewegen, erzeugt der Laser aus Stichproben des Ultraschall-Wellenmusters ein dynamisches holographisches Bild. Eine einfache Videokamera kann dann das Bild im Kristall aufnehmen und der Betrachter kann sehen, wie sich die Wellen entlang der Objektoberfläche bewegen.

Das Muster der Wellen hängt von der Mikrostruktur des Objektes ab. So könnte es beispielsweise aufgrund des Herstellungsprozesses dazu kommen, daß die Fasern einer dünnen Schicht eines Verbundwerkstoffes nicht optimal angeordnet wären, sondern auf einer größeren Fläche nur in einer Richtung. Die Wellen wandern dann schneller an den gleichgerichteten Fasern entlang und produzieren dadurch ein Bild, das als längliches Muster erscheint und das sich in Faserrichtung erstreckt. Mit dieser Methode kann man dann die Steifigkeit eines Verbundwerkstoffes in verschiedenen Richtungen messen.

Aber diese Laser-Ultraschall-Kamera kann auch die Schwingungsarten komplexerer Objekte enthüllen: Sie kann zum Beispiel die stehenden Wellen anzeigen, wenn man eine Trommel geschlagen hat. Letztendlich kann die Kamera für viele Zwecke der Materialbewertung und Qualitätskontrolle verwendet werden. So könnte grundsätzlich die Struktur einer Brücke, eines Gebäudes oder eines Kugellagers auf die gleiche Art und Weise untersucht und dargestellt werden. Durch die berührungsfreie Arbeitsweise der Kamera können auch Produktionsprozeße in widrigen Umgebungen überwacht werden, zum Beispiel bei hohen Temperaturen, wenn Keramik gesintert wird oder geschmolzene Metalle erstarren.

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