Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1380
Main Title: Impact-Echo: Analyse akustischer Wellen in Beton
Translated Title: Impact-Echo: Analysis of Acoustic Waves in Concrete
Author(s): Algernon, Daniel
Advisor(s): Hillemeier, Bernd
Wiggenhauser, Herbert
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät VI - Planen Bauen Umwelt
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Das Impact-Echo (IE)-Verfahren wird bei der zerstörungsfreien Prüfung (ZfP) zur Dickenbestimmung von Betonbauteilen sowie zur Lokalisierung struktureller Fehlstellen in deren Innerem eingesetzt. Die Funktionsweise beruht auf der mechanischen Anregung akustischer Wellen und der Auswertung multipler Reflexionen im Frequenzbereich (Fourier-Spektrum). Der scannende Einsatz des Verfahrens und die damit verbundene bildgebende Auswertung steigern die Aussagekraft erheblich. Dennoch existieren Fälle, in denen die Interpretation der Ergebnisse nicht eindeutig möglich ist. Gerade hierfür ist eine detaillierte experimentelle Untersuchung der akustischen Wellenausbreitung im Beton relevant. Durch den Einsatz eines scannenden Laservibrometers in einer speziellen Messanordnung lässt sich die IE-Wellenausbreitung messen und visualisieren. In einer Abfolge von Zeitschnitten wird die Ausbreitung wie in einem Film sichtbar. So lässt sich anhand eines 2D-Schnitts die Ausbreitung quasi durch das Bauteilinnere beobachten. Auf diese Weise wird die Untersuchung zahlreicher Phänomene ermöglicht. Im Speziellen wird hier die Interaktion der Wellen mit einem einbetonierten Hüllrohr untersucht. Komplementär zu den Laservibrometer-Messungen lässt sich durch eine fixierte Anregung und einen scannenden Sensor die Abfolge der Ankünfte auf einer dazu senkrechten Ebene (Oberfläche) verfolgen. Insbesondere die Ausbreitung der Rayleighwellen, die räumliche Ausbreitung sphärischer Wellen, Reflexionen und Modenumwandlungen werden hierdurch deutlich. Für eine weitergehende Untersuchung der für IE-Messungen typischen, jedoch unerwünschten Geometrieeffekte wurden Messungen in sogenannter Transmissionsanordnung (Anregung und Sensor befinden sich jeweils gegenüber) durchgeführt. Diese nutzen die Tatsache, dass Impact-Echo auf vielfachen Reflexionen der Longitudinalwellen basiert, Geometrieeffekte hingegen vorwiegend durch Oberflächenwellen verursacht werden. Insbesondere zeigt sich beim praktischen Einsatz dieser Methode am Steg einer Hohlkastenbrücke, dass sich Geometrieeffekte auf ein Minimum reduzieren lassen. Der Kenntnisgewinn hinsichtlich der Wellenausbreitung beim Impact-Echo-Verfahren liefert gezielte Ansatzpunkte zur Optimierung des Verfahrens, insbesondere durch den Einsatz spezieller und angepasster Signalverarbeitungsmethoden. So lässt sich durch einen auf der Autokorrelation basierenden Algorithmus der Einfluss von Geometrieeffekten und Störanteilen erheblich verringern. Durch die Autokorrelation werden gerade periodische Signalanteile verstärkt und nicht-periodische geschwächt. So wird das Verhältnis von Nutz- zu Störanteil erheblich verbessert und die Gefahr der Fehlinterpretation vermindert. Die Zeit-Frequenz-Analyse mit der Hilbert-Huang-Transformation (HHT) ist prädestiniert für Signale, in denen der Nutzanteil nur innerhalb eines sehr kurzen Zeitintervalls vorhanden ist. Die HHT besteht aus einem iterativen Algorithmus, der das Signal in die sogenannten Intrinsic Mode Functions (IMFs) zerlegt und anschließend hierfür eine Hilbert-Spektalanalyse durchführt. Diese erfüllt die Forderung nach Schärfe im Zeit- wie im Frequenzbereich in optimaler Weise. Es wird anhand praktischer Beispiele die Fähigkeit der Methode zur Analyse und Filterung von Impact-Echo-Signalen demonstriert. Insbesondere werden für die IE-Anwendung charakteristische Effekte kritisch diskutiert und Lösungsansätze erarbeitet.
The impact-echo (IE) method is used for non-destructive thickness measurements of concrete structures as well as for the localization of defects inside the structure. The method is based on the use of transient stress waves generated by an elastic impact. The multiple reflections of these waves are analysed in the frequency domain (Fourier spectrum). Used as a scanning method and by imaging the results the interpretability has been immensely increased. However, for improved definition a detailed investigation of the acoustic wave propagation is highly relevant. With a special experimental arrangement using a scanning laser vibrometer, it is possible to measure and visualize the wave propagation. For visualization, time slices are combined into an animation to make the wave propagation apparent. Thus, it is possible to observe the propagation through the material, which provides a basis for the investigation of various phenomena. In particular, the interaction of the acoustic waves with an empty tendon duct inside a specimen is examined. In addition to the laser vibrometer measurements, an arrangement is used in which the excitation is fixed at one point of the specimen and a transducer scans all planes of it in phase with the excitation. This makes it possible to analyze the propagation of the Rayleigh waves along the surface as well as the arrival of the spheric waves. Reflections and mode conversions can be observed. For a detailed investigation of the unwanted geometry effects, which are typical for Impact-echo, measurements were carried out in a transmission arrangement, where the impactor and the measuring sensor are placed opposite to each other. This relies on the fact that the principle of IE is based on multiple reflections of the longitudinal waves and geometry effects are primarily caused by reflections of the surface waves. By the practical application of the method on a box girder bridge the geometry effects could be reduced to a minimum. The gain of knowledge regarding the IE wave propagation provides starting points for the optimizing the method, especially regarding distinctive signal processing techniques. By the use of an algorithm based on the autocorrelation of the signal, the influence of geometry effects is remarkably reduced. The algorithm is based on the fact that the reflections of the longitudinal waves are highly periodic compared to the geometry effects. The autocorrelation amplifies the periodic components and reduces those that are non-periodic. The signal-to-noise ratio is thus improved and the danger of misinterpretation is reduced. The Hilbert-Huang Transform is an effective method for the identification of transient signals within short time ranges. It consists of an iterative algorithm, which decomposes the signal into the so-called intrinsic mode functions (IMFs), and the application of the Hilbert spectral analysis on the extracted IMFs. The instantaneous frequency obtained as a result of this method satisfies the requirement of sharpness in time and frequency in an optimal way. Practical examples of the successful application of the method for the analysis and filtering of the signal are presented. Typical effects of the sifting process on impact-echo signals are critically discussed and solutions are presented.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-13142
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1677
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1380
Exam Date: 12-May-2006
Issue Date: 23-Jun-2006
Date Available: 23-Jun-2006
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Beton
FAAIE
Hilbert-Huang Transformation
Impact-Echo
Zerstörungsfreie Prüfung
Concrete
FAAIE
Hilbert-Huang Transformation
Impact-Echo
Non-Destructive Testing
Usage rights: Terms of German Copyright Law
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