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Zur messtechnischen Analyse des Schwingungsverhaltens von Festkörpern kann die Bewegung der Oberfläche mit einem Laservibrometer vermessen werden. Für bestimmte Anwendungen, beispielsweise bei der Charakterisierung von anisotropen Werkstoffeigenschaften, ist eine mehrdimensionale Bestimmung der Schwingungskomponenten notwendig.
Zur Umsetzung des Messprinzips wird ein Ansatz mit einem Einpunkt-Vibrometer verfolgt, welcher sequenziell die Messpunkte aus mehreren Winkeln analysiert und unter Verwendung der Winkelbeziehungen die Normal- und In-Plane-Komponenten der Schwingung berechnet. Die exakte Positionierung des Lasers aus verschiedenen Winkeln stellt durch die hohen Frequenzen und die damit verbundenen Wellenlängen im mm-Bereich die wesentliche Herausforderung bei der Umsetzung des Messverfahrens dar. Bereits kleine Abweichungen führen zu einem hohen Phasenversatz und somit zu nicht tolerierbaren Messfehlern. Unter Berücksichtigung schwer zu ermittelnder Geometrieinformationen wurde ein Verfahren entwickelt, mit dem eine ausreichende Positionierungsgenauigkeit gewährleistet werden kann.
Im Vortrag werden zunächst die Fehlereinflüsse analysiert und die Umsetzung des Messverfahrens detailliert vorgestellt. Es wird gezeigt, dass die Schwingungskomponenten bis zu einer Frequenz von 1 MHz mit ausreichender Genauigkeit bestimmt werden können. Zusätzlich wird der Einfluss verschiedener Möglichkeiten zur Erhöhung der Reflektivität der Oberfläche auf die Ergebnisse untersucht.
Aktuelle Entwicklungen der Wirbelstrom- und Ultraschallprüfung an verlegten Eisenbahnschienen
(2019)
Die kombinierte Schienenprüfung mit Wirbelstrom und Ultraschall ermöglicht eine ganzheitliche Detektion von Inhomogenitäten im Kopf und Steg der Schiene und gewährleistet das Auffinden sowohl von Volumen-als auch Oberflächeneffekten wie z. B. Head Checks. Für die verbesserte Detektion von Rollkontaktermüdung (rolling contact fatique, RCF) und den daraus resultierenden Schienenfehlern (Head-Checks, Squats, Riffel, …) wurde für die Wirbelstromprüfung der Prüfbereich auf die gesamte Rollkontaktfläche erweitert. Der Fokus liegt im Neudesign der Wirbelstrom-Prüfvorrichtung und der damit verbundenen normgerechten Auslegung der Konstruktion für die fahrzeugspezifischen Gegebenheiten. Ferner wurde die Anwendersoftware des kombinierten Prüfsystems vereinheitlicht. Um die wirtschaftliche Effektivität unsere Prüftechnik zu steigern, wird die Multiplex-Gerätetechnologie in die automatisierte Schienenprüfung eingeführt. Damit wird der freizuhaltende Einbauraum innerhalb der Fahrzeuge sowie Kabelwege deutlich reduziert. Durch den Übergang zu der Multiplextechnologie wurde weiterhin die Stromaufnahme um mehr als 50% reduziert.
Elektretwandler sind sensitive und immer verschleißresistentere Schallwandler, wodurch sie verbreitet Einsatz im Hör- und Ultraschallbereich finden. Geladene, zelluläre Polypropylen-Folien eignen sich besonders gut als Wandlermaterial aufgrund ihrer, verglichen mit Piezokompositen, hundertfach niedrigeren akustischen Impedanz bei gleichem piezoelektrischem Koeffizienten. Doch das winkel- und frequenzabhängige Verhalten der Wandler ist kaum untersucht und wenig quantifiziert. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass diese Folien eine schichtdickenabhängige Sensitivität zwischen 0.1 mV/Pa und 10 mV/Pa aufwiesen. Ein Maximum in der Sensitivität fand sich nahe ihrer mechanischen Resonanzfrequenz im Ultraschallbereich, aber auch im niederfrequenten Hörschallbereich.
Darüber hinaus konnte die Winkelabhängigkeit der Sensitivität charakterisiert werden. Die Analyse konnte dabei zeiteffizient mit einem breitbandig emittierenden, thermoakustischen Wandler umgesetzt werden, sodass pro Winkel eine Messung für die Berechnung der Übertragungsfunktion des Wandlers genügte. Quantifiziert wurden die Ergebnisse durch das einmalige Vermessen des Schallfeldes des Emitters mittels Laser-Doppler-Vibrometrie. Mit den erzielten Ergebnissen wurde zum einen das komplexe Sensitivitätsverhalten der Wandler untersucht, aber auch eine grundlegende Methodik aufgezeigt, wie Wandler quantitativ, multivariat charakterisiert werden können. Winkel- und frequenzaufgelöste Sensitivitäten erlauben zum einen die Analyse der Anwendbarkeit der Wandler für sämtliche Einsatzgebiete, zum anderen stehen so Rückschlüsse über die mechanische Dynamik von Elektretfolien in Aussicht, da deren Sensitivität direkt mit ihrem Elastizitätsmodul skaliert.
Die Bildgebung oder Analyse von Materialien mittels luftgekoppelten Ultraschalls profitiert von einer hohen Geschwindigkeit, Flexibilität und Materialschonung des assoziierten Verfahrens. Die Luftankopplung hat jedoch den wesentlichen Nachteil, dass die auftretenden Impedanzsprünge an Grenzflächen zu enormen Verlusten in den Signalamplituden führen. Ultraschallwandler, die laut genug senden und sensitiv genug empfangen, um die geringen Signalamplituden noch auswerten zu können, sind somit zentraler Gegenstand der aktuellen Forschung und Entwicklung. Vielversprechende Wandlertypen sind piezokeramische Wandler, Elektretwandler, aber auch passive, breitbandige Ultraschallempfänger, wie optische Mikrophone. Die quantitative Charakterisierung der Sensitivitäten solcher Wandler wird oft vernachlässigt, da kein simples, universelles Verfahren zur Verfügung steht. In diesem Beitrag geht es um die Methodik der Charakterisierung von Luftultraschallwandlern mittels thermoakustischer Ultraschallsender. Thermoakustische Wandler erzeugen Ultraschall durch das schnelle heizen eines finiten Volumens an Luft vor dem Wandler. Die erhöhte interne Energie führt zu einer Druckänderung, welche sich als akustische Welle fortpflanzen kann. Da keine mechanische Volumenarbeit vom Wandler erbracht wird, funktioniert das Verfahren resonanzfrei.
Die Charakterisierung wird am Beispiel von Elektretwandlern durchgeführt. Elektretwandler sind sensitive und immer verschleißresistentere Schallwandler, wodurch sie verbreitet Einsatz im Hör- und Ultraschallbereich finden. Geladene, zelluläre Polypropylen-Folien eignen sich besonders gut als Wandlermaterial aufgrund ihrer, verglichen mit Piezokompositen, hundertfach niedrigeren akustischen Impedanz bei gleichem piezoelektrischem Koeffizienten. Doch das winkel- und frequenzabhängige Verhalten der Wandler ist kaum untersucht und wenig quantifiziert. Es wird gezeigt, dass diese Folien eine schichtdickenabhängige Sensitivität in Größenordnungen zwischen 0.1 mV/Pa und 10 mV/Pa aufwiesen. Ein Maximum in der Sensitivität fand sich nahe ihrer mechanischen Resonanzfrequenz im Ultraschallbereich, aber auch im niederfrequenten Hörschallbereich. Darüber hinaus konnte die Winkelabhängigkeit der Sensitivität charakterisiert werden. Die Analyse konnte dabei zeiteffizient gestaltet werden, da pro Winkel eine Messung für die Berechnung der Übertragungsfunktion des Wandlers genügte. Quantifiziert wurden die Ergebnisse durch das einmalige Vermessen des Emitters mittels Laser-Doppler-Vibrometrie (LDV). Mit den erzielten Ergebnissen wurde zum einen das komplexe Sensitivitätsverhalten der Wandler untersucht, aber auch eine grundlegende Methodik aufgezeigt, wie Wandler quantitativ, multivariat charakterisiert werden können. Winkel- und frequenzaufgelöste Sensitivitäten erlauben zum einen die Analyse der Anwendbarkeit der Wandler für sämtliche Einsatzgebiete, zum anderen stehen so Rückschlüsse über die mechanische Dynamik von Elektretfolien in Aussicht, da deren Sensitivität direkt mit ihrem Elastizitätsmodul skaliert.
Bruchmechanische Untersuchungen werden zur Vorhersage der Lebensdauer und der Wartungszyklen benutzt. Dabei wird davon ausgegangen, dass auch Objekte ohne detektierte Anzeigen Materialfehler mit einer Reflektivität kleiner der Nachweisgrenze aufweisen können. Keine detektierte Anzeige bedeutet daher für Bauteilauslegung, dass sie eine konservative Annahme machen müssen: es wird angenommen, dass das Bauteil Materialfehler in Größe der Nachweisgrenze enthält. Dies macht die Nachweisgrenze zu dem die Lebensdauer limitierenden Faktor. Bei probabilistischen Methoden wird zusätzliches Wissen, wie Zuverlässigkeit und Fehlerauffindwahrscheinlichkeiten bei der zerstörungsfreien Prüfung mit in die Berechnung einbezogen, um zu konservative Annahmen zu vermeiden. Ziel ist es eine Model-Assisted-POD aufzubauen mit der die reale volumetrische Ultraschallprüfung großer Schmiedeteile nachgebildet werden kann. Die resultierende POD soll im Weiteren in bruchmechanischen Betrachtungen Verwendung finden. In vorangegangenen Arbeiten [Preißel2015] wurde dazu der Einfluss des Prüfrasters nach der DGZfP-Richtlinie US 07:2014 auf die Fehlerauffindwahrscheinlichkeit (parametrisch) simulativ betrachtet und die Simulationstechnik experimentell validiert. In diesem Paper werden die Ergebnisse von Preißel überprüft und um eine Prüfraster-Summen-POD, die das Szenario der realen Bauteilprüfung beschreibt, erweitert. Zudem wird eine experimentell validierte, simulative, nicht-parametrische POD für schrägliegende Defekte aufgebaut. Schließlich werden erste Untersuchungen zur Defektmorphologie vorgestellt. Diese Arbeit ist im Rahmen eines Studenten-Stipendiums der DGZfP entstanden.
Im Rahmen des Europäischen Projektes RAAI* wird speziell für längsgebohrte Eisenbahnradsatzwellen von Hochgeschwindigkeitszügen eine Phased Array Technik angepasst, mit dem Ziel einer nahezu 100%igen Rissprüfung (Tiefe 2-3 mm) ohne die Demontage der Wellen und einer Prüfzeitreduzierung von 75%.
Die Technik arbeitet mit einem Phased Array, bei dem die Schwingerelemente auf einem Kegelstumpf angeordnet sind. Für die Abtastung in Umfangsrichtung erlaubt das Phased Array die schnelle Rotation und zusätzlich das Fokussieren und Schwenken des Schallbündels. In Richtung der Achse wird das Prüfkopfsystem mechanisch bewegt.
In vorangegangenen Projekten ist das Prinzip dieser Prüftechnik entwickelt und die Tauglichkeit gezeigt worden. Die jetzigen Arbeiten haben insbesondere die Optimierung der Sensortechnik an die o.g. Aufgabe zum Ziel. Wegen der ungewöhnlichen Geometrie des Arrays sind umfangreiche Simulationsrechnungen nötig, um die Auswirkung von zahlreichen Parametern auf die Schallfeldform und letztlich auf die Empfindlichkeit und die Ortsauflösung zu untersuchen und die Konstruktionsdaten zu bestimmen.
Zur Validierung der Prüftechnik werden Tests an typischen Eisenbahnradsatz-wellen durchgeführt. Der Einsatz von unterstützenden Signalverarbeitungsalgorith-men bei der Auswertung der Prüfergebnisse zur sichereren Fehlererkennung ist u.a. wegen des möglichen geringen Messpunktabstandes für diese Prüftechnik besonders vielversprechend. Der Stand der Entwicklung wird gezeigt.
Entwicklung eines luftgekoppelten Ultraschall-Echo-Prüfverfahrens mittels fluidischer Anregung
(2020)
In vielen technischen Bereichen werden Ultraschallverfahren zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung (ZfP) eingesetzt um auf Basis der Signalstärke und der Laufzeit Einbauteile und Beschädigungen zu orten. Luftgekoppelter Ultraschall spielt bisher in kommerziellen Anwendungen vor Allem im Bauwesen eine untergeordnete Rolle, da die Differenz der akustischen Impedanzen von Luft und Festkörpern immense Verluste beim Übergang des Schallsignals hervorruft.
Im Rahmen des Promotionsvorhabens soll die Eignung eines neuartigen Anregungsprinzip untersucht werden, mit dem ein Großteil dieser Verluste vermieden werden soll. Anstelle eines Festkörpers soll mit Hilfe einer fluidischen Düse Druckluft zur Signalerzeugung eingesetzt werden. Die Impedanzverluste zwischen Aktuatormembran und Umgebungsluft entfallen daher.
Die gezielte Schallerzeugung durch einen pulsierenden Freistrahl ist weitgehend unerforscht. Es ist daher notwendig, den so erzeugten Schallpuls in der Interaktion mit dem transienten Strömungsfeld zu untersuchen. Das kompressible Medium Luft und die geringen räumlichen Dimensionen einer hochfrequenten Pulsdüse werfen darüber hinaus einige Herausforderungen hinsichtlich der eingesetzten Messtechnik auf. Hier sollen geeignete Verfahren weiterentwickelt und validiert werden, um die Eignung des fluidisch erzeugten Pulses zu überprüfen.
In diesem Vortrag werden erste Messungen an einem fluidischen Schalter mit denen an einem kommerziellen Luftultraschallprüfkopf verglichen.