Thermoakustische Ultraschallwandler für zerstörungsfreie Materialprüfung

  • Luftgekoppelte Ultraschallwandler werden für die bildgebende Prüfung von Klebeverbindungen und Verbundwerkstoffen eingesetzt. Nach dem heutigen Stand der Technik wird die Prüfung in Durchschallung durchgeführt, d.h. der Prüfling befindet sich zwischen dem Sender und dem Empfänger. Allerdings erlauben komplexere Strukturen wie z.B. Teile einer PKW-Karosserie, nur einen einseitigen Zugang. Für die Prüfung solcher Bauteile sind Wandler von hoher Bandbreite von Vorteil. Thermoakustische Wechselwirkung, wobei thermische Energie einer elektrisch geheizten Elektrode in akustische umgewandelt wird, öffnet die Möglichkeit, extrem breitbandige Pulse zu erzeugen. In unserem Beitrag werden verschiedene thermoakustische Sender vorgestellt. Die meisten bestehen aus einer elektrisch leitenden Schicht auf einem festen Substrat. Der erste Typ ist ein Sender mit einer Elektrode aus Indium-Zinn-Oxid auf Glas-Substrat kombiniert mit einem Laser-Doppler-Vibrometer als Empfänger. DieseLuftgekoppelte Ultraschallwandler werden für die bildgebende Prüfung von Klebeverbindungen und Verbundwerkstoffen eingesetzt. Nach dem heutigen Stand der Technik wird die Prüfung in Durchschallung durchgeführt, d.h. der Prüfling befindet sich zwischen dem Sender und dem Empfänger. Allerdings erlauben komplexere Strukturen wie z.B. Teile einer PKW-Karosserie, nur einen einseitigen Zugang. Für die Prüfung solcher Bauteile sind Wandler von hoher Bandbreite von Vorteil. Thermoakustische Wechselwirkung, wobei thermische Energie einer elektrisch geheizten Elektrode in akustische umgewandelt wird, öffnet die Möglichkeit, extrem breitbandige Pulse zu erzeugen. In unserem Beitrag werden verschiedene thermoakustische Sender vorgestellt. Die meisten bestehen aus einer elektrisch leitenden Schicht auf einem festen Substrat. Der erste Typ ist ein Sender mit einer Elektrode aus Indium-Zinn-Oxid auf Glas-Substrat kombiniert mit einem Laser-Doppler-Vibrometer als Empfänger. Diese Kombination ermöglicht extrem breitbandige Signale. Der zweite Typ kombiniert thermoakustische Emission mit piezoelektrischem Empfang. Dieser Typ besteht aus einer Titan-Elektrode auf geladenem zellulärem Polypropylen, das als piezoelektrischer Empfänger dient. Zelluläres Polypropylen ist mit einem Elastizitätsmodul von ca. 1 MPa bei 250 kHz an die Luft sehr gut angepasst. Der dritte Wandlertyp ist ein Wandler mit elektrostatischen Gasentladung unter Atmosphärendruck. Mit dem fokussierenden thermoakustischen Sender (Typ 1) und einem Polypropylen-Empfänger ist eine Durchschallung einer 4 mm dicken Platte aus carbonfaserverstärktem Kunststoff gelungen. Künstliche Delaminationen mit der Größe 1 mm wurden detektiert. Derselbe Sender kombiniert mit einem Laser-Doppler-Vibrometer als Empfänger wurden für die Prüfung von einem Testkörper aus PMMA mit einseitigem Zugang eingesetzt. Der Wandler bestehend aus einem thermoakustischen Sender auf einem Polypropylen-Empfänger (Typ 2) wurde für die Profilvermessung eines Stufenkeils eingesetzt. Dabei wurden Flachbodenbohrungen mit einem Durchmesser 1 mm abgebildet. Mit diesen beiden Sendern wurde ein Schalldruckpegel über 140dB im Fokus gemessen. Der Wandler mit der Funkenentladung (Typ 3) wurde für die Charakterisierung von Luftultraschallwandlern eingesetzt. Auf Basis dieses Entladungstyps wurde ein Schalldruckpegel über 160dB an einem Abstand von 150 mm gemessen, was deutlich über dem Schallpegel aller bekannten Luftultraschall-Wandler liegt. Die größte Bandbreite von deutlich über 100% der Mittenfrequenz wurde mit dem Wandler Typ 1 erreicht. So große Bandbreiten ermöglichen neue Anwendungen für Luftultraschallwandler, insbesondere wenn kombiniert mit Signalverarbeitungsalgorithmen.zeige mehrzeige weniger

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Metadaten
Autoren/innen:Mate Gaal
Koautoren/innen:Daniel Kotschate
Dokumenttyp:Vortrag
Veröffentlichungsform:Präsentation
Sprache:Deutsch
Jahr der Erstveröffentlichung:2017
Organisationseinheit der BAM:8 Zerstörungsfreie Prüfung
8 Zerstörungsfreie Prüfung / 8.4 Akustische und elektromagnetische Verfahren
DDC-Klassifikation:Naturwissenschaften und Mathematik / Chemie / Analytische Chemie
Freie Schlagwörter:Luftultraschall; Thermoakustik; Transducer; Ultraschall; Wandler
Themenfelder/Aktivitätsfelder der BAM:Analytical Sciences
Analytical Sciences / Zerstörungsfreie Prüfung und Spektroskopie
Veranstaltung:Workshop des Fachausschusses Ultraschall der DEGA e.V. „Schallfeldbasierte Messverfahren - vom Transducer bis zur praktischen Anwendung“
Veranstaltungsort:Kloster Drübeck, Germany
Beginndatum der Veranstaltung:11.07.2017
Enddatum der Veranstaltung:12.07.2017
Verfügbarkeit des Volltexts:Volltext-PDF im Netzwerk der BAM verfügbar ("Closed Access")
Datum der Freischaltung:03.08.2017
Referierte Publikation:Nein