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When dealing in ultrasonic testing with inhomogeneous and anisotropic material structure such as
diverse types of components made from austenitic or nickel based cast, which are currently used
for modern power plant concepts, data interpretation is quite difficult. For better understanding of
the complex interaction between the sound field and the component under test, the mathematical
modeling of sound propagation in solids is a substantial task to increase the probability of
detection of relevant defects.
First we present a mathematical approach for modeling the three dimensional transient
particle displacement as a function of time in each point in a half space excited by an impulsive
point load at the surface. The transient ultrasonic field of a rectangular array element is calculated
with this approach by a point source synthesis. Based on this solution we model the wave
propagation of a phased array transducer by time delayed superposition of the wave field of the
transducer elements.
Next we use an electrodynamic technique to visualize the grazing sound field at the surface
of a test block radiated by a phased array probe. By detecting the grazing beam at the samples
surface with a small electrodynamic probe, we measured the particle displacement as a function of
time. It allows for measuring the displacement in all three spatial directions. This comprises the
detection of the horizontal and vertical particle displacement with respect to the surface and thus
also the detection of longitudinal and shear waves is possible.
The calculated and measured wave fields will be compared for different delay laws in
isotropic and transversely isotropic media. The results support the theoretical activities to model
the wave propagation and to find optimal testing parameters for different components and
configurations.
When dealing in ultrasonic testing with inhomogeneous material structure
data interpretation can be rather difficult. This is especially the case when using
anisotropic dissimilar welds made from austenitic steel or nickel based alloys, which are
currently used for modern power plant concepts. For better understanding of the
complex interaction between the sound field and the component under test, the
visualization of sound propagation in solids is a substantial task to increase the
probability of detection of relevant defects. However, there exist only a small number of
appropriate techniques published today, such as scanning laser interferometer,
piezoelectric and optical approaches in case of transparent solids. In this work we
present an electrodynamic technique providing a simple use and a high signal to noise
ratio. By detecting the grazing beam with an electrodynamic probe with a size smaller
than 10 mm, we measured the particle displacement as a function of time with a spatial
resolution in the order of 1 mm. Adapting the electrodynamic probe and its coil
alignment allows for measuring the displacement components in all three dimensions.
This comprises the detection of the horizontal and vertical particle displacement with
respect to the surface and thus also the transformation from longitudinal waves into
transversal waves and vice versa is possible. A SNR of higher than 36 dB could be
achieved within ferromagnetic and high conductive chrome steel when using a
transversal wave generated by an angled beam transducer. We report on measurements
of the sound field in complex weld joints. One example shows a 10 mm thick narrowgap
weld joining a nickel alloy with a chrome steel yielding a substantial anisotropy of
the weld structure. The test system enables us to visualize the wave propagation within
the weld and indicates the reflection scenario and the energy losses due to both the
anisotropic structure and material defects.
Die Modellierung von Schallausbreitungsvorgängen ist eine
notwendige Grundlage für die Optimierung von Prüfparametern bei der
zerstörungsfreien Prüfung mit Ultraschall. Das gilt insbesondere bei der Anwendung
der Gruppenstrahlertechnik. Außerdem besteht vielfach der Wunsch, die komplexen
physikalischen Effekte bei der Schallausbreitung in Festkörpern anschaulich
darzustellen.
Als Modell dient eine vollständige mathematische Beschreibung einer
Punktquelle an der Oberfläche eines isotropen Halbraumes bei impulsförmiger
Anregung. Ein Ansatz für die Erweiterung auf transversalisotrope Medien ist
vorhanden. Die Berechnung der Schallfelder von ausgedehnten Schwingern und
Schwingersystemen, wie bei einem Gruppenstrahler-Prüfkopf, erfolgt durch
Überlagerung der Felder mehrerer Punktquellen mit der so genannten Punktquellensynthese.
Zur Verifizierung der Modellrechnungen wird ein Verfahren zur Schallfeldmessung
verwendet, das sich durch seine einfache Handhabung und einen hohen
Signal-Rausch-Abstand auszeichnet. Dabei wird das streifende Schallfeld an der
Oberfläche von Festkörpern mit einer elektrodynamischen Sonde als Amplituden-
Zeit-Funktion der parallel zur Oberfläche orientierten Teilchenverschiebung
aufgezeichnet. Durch entsprechende Aufbereitung der Messdaten kann so der
zeitliche Verlauf der Wellenfronten sichtbar gemacht werden.
An mehreren Beispielen werden gerechnete Simulationsergebnisse mit
gemessenen Schallfeldverläufen von Gruppenstrahler-Prüfköpfen in Festkörpern
verglichen. Daran kann zum einen gezeigt werden, dass die eingesetzte Methode zur
Messung und Visualisierung von Schallfeldern an der Oberfläche von Festkörpern
sehr anschauliche Darstellungen der Ultraschallausbreitung ermöglicht. Zum
anderen ist erkennbar, dass mit dem hier verwendeten Punktquellenmodell der
Verlauf von Schallfeldern mit qualitativ guter Übereinstimmung zu den Messdaten
berechnet werden kann.
When dealing in ultrasonic testing with
inhomogeneous material structure data interpretation can be
rather difficult. This is especially the case when using anisotropic
dissimilar welds made from austenitic steel or nickel based alloys,
which are currently used for modern power plant concepts. In
this work we present an electrodynamic technique to visualize
sound waves with frequencies up to 3 MHz in steel components
providing a simple use and a high signal-to-noise ratio. By
detecting the grazing beam with an electrodynamic probe, we
measured the particle displacement as a function of time with a
spatial resolution in the order of 1 mm. Adapting the
electrodynamic probe and its coil alignment allows for measuring
the displacement components in all three dimensions. This
comprises the detection of the horizontal and vertical particle
displacement with respect to the surface and thus also the
transformation from longitudinal waves into transversal waves
and vice versa. We report on measurements of the sound field in
a complex narrow-gap weld, joining a nickel alloy with a chrome
steel with a substantial anisotropy of the weld structure. The test
system enables us to visualize the wave propagation within the
weld and indicates the reflection scenario and the energy losses
due to both the anisotropic structure and material defects.
The visualization of sound propagation in solids is vital for transducer adaptation and
better understanding of complex test samples and their wave propagation modeling. In this work we
present an electrodynamic technique detecting the grazing sound beam with a 10 mm-sized electrodynamic
probe. The particle displacement along the samples surface was then measured as a function
of time and position. Adapting the electrodynamic probe and its coil alignment allows for measuring
the displacement components in all three dimensions. Thus horizontal and vertical particle
displacement with respect to the surface can be detected. A SNR of up to 40 dB could be achieved
within ferromagnetic and high conductive chrome steel when using a shear wave generated by an
angle beam probe. When dealing with nonconductive materials such as PMMA we obtained a reduced
SNR of 12 dB. We report on measurements of the sound field in complex weld joints. One example
shows a narrow gap weld joining a nickel alloy with a chrome steel. The weld of the 80 mm-thick test
block shows a distinct anisotropic texture. The system enables us to visualize the wave propagation
within the weld and indicates the reflection and scattering scenario and the energy losses due to both
the anisotropic structure and material defects.
In der jüngeren Vergangenheit wurden verschiedene Verfahren
vorgestellt, um Schallfeldverläufe in Festkörpern messtechnisch zu erfassen und in
anschaulicher Form darzustellen. Hier soll ein Verfahren mit elektrodynamischen
Sonden vorgestellt werden, das sich durch einfache Handhabung und einen hohen
Signal-Rausch-Abstand auszeichnet. Es ermöglicht, das streifende Schallfeld an der
Oberfläche von Festkörpern aus beliebigem Material als Amplituden-Zeit-Funktion
abzutasten, wobei die Teilchenauslenkungen in allen drei Raumrichtungen erfasst
werden können.
Am Beispiel einer anisotropen Engspaltschweißnaht zwischen Chromstahl und einer
Nickellegierung (Alloy617) wird die Leistungsfähigkeit dieses Verfahrens
demonstriert. Die Messmethode erlaubt es, die Wellenausbreitung durch die
Schweißnaht sichtbar zu machen und das Reflexions- und Streuverhalten an den
anisotropen Strukturen sowie an eingebrachten Testfehlern zu zeigen. Ziel dieser
Entwicklung ist es, die Schallausbreitung in Festkörpern, insbesondere in solchen
mit akustisch anisotropen Eigenschaften, besser zu verstehen, die vorhandenen
Modellvorstellungen zu verifizieren und die Prüfmethoden zu optimieren bzw.
weiterzuentwickeln.