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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.
Die physikalische Komplexität der Gasentladungen führt zu vielen Möglichkeiten für die Interaktion der Entladung mit ihrer Umgebung. Zu den typischen Anwendungen zählen Modifikationen der Materialoberflächen und Erzeugung von Ionen für Massenspektroskopie. Atmosphärendruckplasma generiert eine große Menge thermischer Energie wegen der Kollisionen in der Plasmarandschicht. Eine rasche Temperaturänderung kann in dem umgebenden Gas eine akustische Welle erzeugen, wie beim Blitz und Donner, was als thermoakustischer Effekt bekannt ist. Außerdem kann auch die Bewegung der Ladungsträger im elektrischen Feld, bekannt als ionischer Wind, eine akustische Welle erzeugen.
In diesem Beitrag werden Versuche mit akustischer Emission von Plasma bei dielektrischer Oberflächenentladung und bei Mikrohohlkathoden dargestellt. Es werden auch mögliche Anwendungen für Plasmadiagnostik, sowie für den Bau von Schallwandlern für den Hör- und Ultraschallbereich präsentiert. Verglichen mit anderen Methoden der Schallerzeugung, hat die thermoakustische Anregung den Vorteil, dass sie auch ohne eine schwingende Masse auskommt, womit eine große Bandbreite erreicht wird, sowie den Vorteil einer guten Anpassung der akustischen Impedanz.
Der Umfang der durch Impacts in Faserverbundmaterialien erzeugten Schäden ist abhängig von der Energie des Impacts, von der Zusammensetzung und dem Aufbau der Faserverbundwerkstoffe und von der Geometrie der Bauteile und hier im Wesentlichen von der Dicke des Bauteils. Der zerstörungsfreie Nachweis dieser Schädigungen kann sowohl mit Ultraschallverfahren als auch mit Verfahren der aktiven Thermografie erfolgen. Ein Vergleich der Nachweisempfindlichkeiten dieser Verfahren für die unterschiedlichen Schädigungen wird in diesem Beitrag in Abhängigkeit vom verwendeten Faserverbundwerkstoff (CFK und GFK), der Dicke des Materials und von der Impactenergie durchgeführt. Ergänzt werden die im Anschluss an die Schädigung eingesetzten ZfP-Verfahren mit zeitlich hochaufgelösten Thermografiemessungen, die bereits während des Impacts aufgenommen wurden.
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. 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.
In diesem Beitrag präsentieren wir innovative Methoden für die breitbandige und resonanzfreie Messung und Anregung von Ultraschall. Das Messverfahren verwendet eine Kunststofffolie und ein Laser-Vibrometer als breitbandigen und resonanzfreien Empfänger. Im Allgemeinen ermöglicht dieses Verfahren eine präzise Messung der Schallschnelle und des Schalldruckes in beliebigen, für das Laserlicht transparenten Flüssigkeiten und Gasen mit bekannter Dichte und Schallgeschwindigkeit. Das resonanzfreie Senden von Ultraschall basiert auf einem elektro-thermo-akustischen Wandlerprinzip und ermöglicht, im Gegensatz zu herkömmlichen Ultraschallwandlern, die Erzeugung von beliebig geformten akustischen Signalen ohne Resonanzen und ohne Nachschwingen.