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This data article presents characteristic acoustic and flow data of a fluidic ultrasonic transducer as well as acoustic data of a commercial piezoelectric ultrasonic transducer used in non-destructive testing for civil engineering. The flow data has been acquired using hot-wire anemometry and a Pitot tube. The three-dimensional acoustic data of both devices has been acquired using a calibrated microphone. The distribution of characteristic acoustic properties of both transducers are extracted and given in addition to the raw data. The data presented in the article will be a valuable source for reference and validation, both for developing fluidic and alternate ultrasound generation technologies. Furthermore, they will give additional insight into the acoustic-flow interaction phenomena of high speed switching devices. This article is accompanying the paper Experimental Analysis of the Acoustic Field of an Ultrasonic Pulse Induced by a Fluidic Switch (Bühling et al., 2021) published in The Journal of the Acoustical Society of America, where the data is interpreted in detail and the rationale for characteristic sound properties of the fluidic transducer are given.
This study investigates the non-destructive detection of delaminations in concrete plates using non-contact laser ablation, instead of the conventional hammer excitation, as part of the impact echo method. We performed tests on five concrete specimens of different sizes, two of which contained artificial delaminations. A range of steel ball hammers was used as reference impulse sources, the responses of which were compared with wave excitation generated by a 7 ns pulsed 1064 nm Nd:YAG laser with 150 mJ pulse energy. Signals were recorded by surface-mounted accelerometers and two contactless methods: microphones and a laser Doppler vibrometer. The laser generates frequencies across a broad range of frequencies (0 to 150 kHz) but with much less energy than the hammers' narrower frequency spectra; the laser pulse energy transferred into the specimen is 0.07 mJ, corresponding to about 0.5 ‰ of the impulse source energy. Because of this, the thick intact plates' characteristic thickness stretch resonance frequency can be reliably detected by the hammer excitations but not when using laser excitation. However, the laser can excite low-frequency flexural vibration modes over a shallow delamination at 3 cm depth. The low-frequency flexural vibration results are verified by numerical natural frequency analysis.
Development of an Accurate and Robust Air-Coupled Ultrasonic Time-of-Flight Measurement Technique
(2022)
Ultrasonic time-of-flight (ToF) measurements enable the non-destructive characterization of material parameters as well as the reconstruction of scatterers inside a specimen. The time-consuming and potentially damaging procedure of applying a liquid couplant between specimen and transducer can be avoided by using air-coupled ultrasound. However, to obtain accurate ToF results, the waveform and travel time of the acoustic signal through the air, which are influenced by the ambient conditions, need to be considered. The placement of microphones as signal receivers is restricted to locations where they do not affect the sound field. This study presents a novel method for in-air ranging and ToF determination that is non-invasive and robust to changing ambient conditions or waveform variations. The in-air travel time was determined by utilizing the azimuthal directivity of a laser Doppler vibrometer operated in refracto-vibrometry (RV) mode. The time of entry of the acoustic signal was determined using the autocorrelation of the RV signal. The same signal was further used as a reference for determining the ToF through the specimen in transmission mode via cross-correlation. The derived signal processing procedure was verified in experiments on a polyamide specimen. Here, a ranging accuracy of <0.1 mm and a transmission ToF accuracy of 0.3μs were achieved. Thus, the proposed method enables fast and accurate non-invasive ToF measurements that do not require knowledge about transducer characteristics or ambient conditions.
Air-coupled ultrasonic (ACU) testing has proven to be a valuable method for increasing the speed in non-destructive ultrasonic testing and the investigation of sensitive specimens. A major obstacle to implementing ACU methods is the significant signal power loss at the air–specimen and transducer–air interfaces. The loss between transducer and air can be eliminated by using recently developed fluidic transducers. These transducers use pressurized air and a natural flow instability to generate high sound power signals. Due to this self-excited flow instability, the individual pulses are dissimilar in length, amplitude, and phase. These amplitude and angle modulated pulses offer the great opportunity to further increase the signal-to-noise ratio with pulse compression methods.
In practice, multi-input multi-output (MIMO) setups reduce the time required to scan the specimen surface, but demand high pulse discriminability. By applying envelope removal techniques to the individual pulses, the pulse discriminability is increased allowing only the remaining phase information to be targeted for analysis. Finally, semi-synthetic experiments are presented to verify the applicability of the envelope removal method and highlight the suitability of the fluidic transducer for MIMO setups.
Entwicklung eines luftgekoppelten Ultraschall-Echo-Prüfverfahrens mittels fluidischer Anregung
(2019)
In vielen technischen Bereichen werden Ultraschallverfahren zur zer-störungsfreien Werkstoffprüfung eingesetzt. Dabei wird ein Schallpuls von einem Prüfkopf in ein Prüfobjekt eingebracht. Der Puls kann unter anderem durch Membra-nen oder Piezoelemente erzeugt werden und wird in der Regel durch direkten Kontakt oder über ein Koppelmittel an das Objekt übertragen. Luftgekoppelter Ultraschall spielt in kommerziellen Anwendungen bisher eine untergeordnete Rolle, da die Dif-ferenz der akustischen Impedanzen von Luft und Festkörpern immense Verluste beim Übergang des Schallsignals hervorruft.
In diesem Beitrag soll ein neuartiges Anregungsprinzip vorgestellt werden, mit dem ein Großteil dieser Verluste vermieden wird. Anstelle eines Festkörpers soll mit Hilfe einer fluidischen Düse Druckluft zur Signalerzeugung eingesetzt werden. In die-ser Düse wird eine selbsterhaltende Strömungsinstabilität erzeugt, die einen Schall-puls von bis zu 100 kHz hervorruft, sodass der Impedanzverlust in die Umgebungsluft entfällt. Da die charakteristische Frequenz eines fluidisch generierten Pulses maßgeb-lich von der Bauform der Düse und dem anliegenden Druck abhängt, lässt sich mittels einer geeigneten Strömungsregelung ein breiter Frequenzbereich zur Abtastung nut-zen. Die so emittierten Pulse werden auf das Prüfobjekt gerichtet und die reflektierten Signale mit einem Laservibrometer an der Oberfläche des Objekts im Echo-Verfahren abgetastet. Von drei signalmindernden Materialübergängen bei gewöhnlichem luftge-koppeltem Ultraschall bleibt in dem hier vorgeschlagenen Messystem lediglich die Grenzfläche von Luft zu Prüfkörper, sodass eine höhere Signalausbeute als bisher er-wartet werden kann.
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.
Entwicklung eines luftgekoppelten Ultraschall-Echo-Prüfverfahrens mittels fluidischer Anregung
(2019)
In vielen technischen Bereichen werden Ultraschallverfahren zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung eingesetzt. Dabei wird ein Schallpuls von einem Prüfkopf in ein Prüfobjekt eingebracht. Der Puls kann unter anderem durch Membranen oder Piezoelemente erzeugt werden und wird in der Regel durch direkten Kontakt oder über ein Koppelmittel an das Objekt übertragen. Luftgekoppelter Ultraschall spielt in kommerziellen Anwendungen bisher eine untergeordnete Rolle, da die Differenz der akustischen Impedanzen von Luft und Festkörpern immense Verluste beim Übergang des Schallsignals hervorruft.
In diesem Beitrag soll ein neuartiges Anregungsprinzip vorgestellt werden, mit dem ein Großteil dieser Verluste vermieden wird. Anstelle eines Festkörpers soll mit Hilfe einer fluidischen Düse Druckluft zur Signalerzeugung eingesetzt werden. In dieser Düse wird eine selbsterhaltende Strömungsinstabilität erzeugt, die einen Schallpuls von bis zu 100 kHz hervorruft, sodass der Impedanzverlust in die Umgebungsluft entfällt. Da die charakteristische Frequenz eines fluidisch generierten Pulses maßgeblich von der Bauform der Düse und dem anliegenden Druck abhängt, lässt sich mittels einer geeigneten Strömungsregelung ein breiter Frequenzbereich zur Abtastung nutzen. Die so emittierten Pulse werden auf das Prüfobjekt gerichtet und die reflektierten Signale mit einem Laservibrometer an der Oberfläche des Objekts im Echo-Verfahren abgetastet. Von drei signalmindernden Materialübergängen bei gewöhnlichem luftgekoppeltem Ultraschall bleibt in dem hier vorgeschlagenen Messystem lediglich die Grenzfläche von Luft zu Prüfkörper, sodass eine höhere Signalausbeute als bisher erwartet werden kann.
Experimental analysis of the acoustic field of an ultrasonic pulse induced by a fluidic switch
(2021)
Ultrasonic inspection is a common tool for non-destructive testing in civil engineering (NDT-CE). Currently, transducers are coupled directly to the specimen surface, which makes the inspection time-consuming. Air-coupled ultrasound (ACU) transducers are more time-efficient but need a high pressure amplitude as the impedance mismatch between the air and the concrete is high and large penetration depth is needed for the inspection. Current approaches aim at eliminating the impedance mismatch between the transducer and the air to gain amplitude; however, they hardly fulfill the NDT-CE requirements. In this study, an alternative approach for ultrasound generation is presented: the signal is generated by a fluidic switch that rapidly injects a mass flow into the ambience. The acoustic field, the flow field, and their interaction are investigated. It is shown that the signal has dominant frequencies in the range of 35–60 kHz, and the amplitude is comparable to that of a commercial ACU transducer.
AbstractAir‐coupled ultrasonic testing (ACU) is a pioneering technique in non‐destructive testing (NDT). While contact testing and fluid immersion testing are standard methods in many applications, the adoption of ACU is progressing slowly, especially in the low ultrasonic frequency range. A main reason for this development is the difficulty of generating high amplitude ultrasonic bursts with equipment that is robust enough to be applied outside a laboratory environment. This paper presents the fluidic ultrasonic transducer as a solution to this challenge. This novel aeroacoustic source uses the flow instability of a sonic jet in a bistable fluidic switch to generate ultrasonic bursts up to 60 kHz with a mean peak pressure of 320 Pa. The robust design allows operation in adverse environments, independent of the operating fluid. Non‐contact through‐transmission experiments are conducted on four materials and compared with the results of conventional transducers. For the first time, it is shown that the novel fluidic ultrasonic transducer provides a suitable acoustic signal for NDT tasks and has potential of furthering the implementation of ACU in industrial applications.This article is protected by copyright. All rights reserved