Grundlagenuntersuchungen zur Anregung von niederfrequentem Ultraschall mit fluidischen Bauteilen
- Die zerstörungsfreie Prüfung (ZFP) mittels Ultraschalls wird häufig im Bauwesen eingesetzt, um innere Defekte in Betonstrukturen zu erkennen. Dabei werden Ultraschallwellen im Frequenzbereich von 50 bis 200 kHz genutzt, um Schäden zu entdecken, ohne das Material zu beschädigen. Die meisten derzeit verwendeten Geräte müssen direkten Kontakt mit der Oberfläche haben, was bei großen Bauwerken sehr zeitaufwendig und umständlich ist. Deshalb wird nach alternativen Lösungen gesucht, wie zum Beispiel die luftgekoppelte Ultraschalltechnik, bei der Luft als Übertragungsmedium dient. Solche Geräte könnten die Messzeit um das 50- bis 100-fache verkürzen, was die Inspektion ganzer Strukturen wie Tunnel oder Brücken ermöglichen würde. Dies würde eine zuverlässige Bewertung des Zustands der Infra-struktur erleichtern. Allerdings führt die große Impedanzdifferenz zwischen dem Transducer und der Luft zu erheblichen Energieverlusten, was die Signalstärke schwächt. Geräte, die auf dünnen Membranen oderDie zerstörungsfreie Prüfung (ZFP) mittels Ultraschalls wird häufig im Bauwesen eingesetzt, um innere Defekte in Betonstrukturen zu erkennen. Dabei werden Ultraschallwellen im Frequenzbereich von 50 bis 200 kHz genutzt, um Schäden zu entdecken, ohne das Material zu beschädigen. Die meisten derzeit verwendeten Geräte müssen direkten Kontakt mit der Oberfläche haben, was bei großen Bauwerken sehr zeitaufwendig und umständlich ist. Deshalb wird nach alternativen Lösungen gesucht, wie zum Beispiel die luftgekoppelte Ultraschalltechnik, bei der Luft als Übertragungsmedium dient. Solche Geräte könnten die Messzeit um das 50- bis 100-fache verkürzen, was die Inspektion ganzer Strukturen wie Tunnel oder Brücken ermöglichen würde. Dies würde eine zuverlässige Bewertung des Zustands der Infra-struktur erleichtern. Allerdings führt die große Impedanzdifferenz zwischen dem Transducer und der Luft zu erheblichen Energieverlusten, was die Signalstärke schwächt. Geräte, die auf dünnen Membranen oder laserinduzierter Signalanregung basieren, sind oft nicht robust genug für den rauen Baustellenbetrieb.
Eine potentielle Lösung sind sogenannte fluidische Oszillatoren, die in der Strömungskontrolle sowie beim Kühlen und Mischen von Flüssigkeiten eingesetzt werden. Sie erzeugen komplett ohne bewegliche Teile schwingende Strömungen, indem sie selbstangeregte Strömungsinstabilitäten nutzen, bei denen der Freistrahl zwischen zwei Kammerwänden durch Feedback-Kanäle hin und her schwingt. Dabei entstehen zeitlich und räumlich schwingende Strömungen am Ausgang. Kleinere Oszillatoren können höhere Frequenzen bis zu 50 kHz erzeugen. Die Frequenz lässt sich durch den Versorgungsdruck steuern, entweder direkt oder über ein Ventil, was die Erzeugung von frequenzmodulierten Signalen ermöglicht. Solche Geräte könnten bei der Untersuchung von Betonelementen eingesetzt werden, um die Dicke und innere Delaminationen zu bestimmen. Die Düsen sind klein, robust und können aus Keramik oder Stahl gefertigt werden, was sie ideal für den Einsatz auf der Baustelle macht.
Im Rahmen dieses Projekts wurden fluidische Oszillatoren an der BAM entwickelt, hergestellt und getestet. Dabei wurden die Frequenzinhalte, die Frequenzbandbreite und die Schalldruckamplitude experimentell untersucht. Akustische Messungen mit Mikrophonen sowie erste Tests an Betonproben wurden durchgeführt. Die Düsen wurden geometrisch skaliert, um die Mittenfrequenz und die Schalldruckamplitude zu optimieren. Mit Hilfe von hochfrequenten Druckregeln konnten frequenzmodulierte Anregungssignale (Chirps) erzeugt werden. Die momentan erreichte Frequenzbandbreite von ca. 10 % stellte sich als zu gering heraus für reproduzierbare und statistisch abgesicherte Ultraschall-Messungen durch Beton.…

