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This thesis proposes a design of experiment for testing and evaluation of the equipment and the methods used in manual mine clearance. The thesis is based on several metal detector trials and a trial of manual demining methods. The core of this dissertation comprises four metal detector trials performed in Germany and Croatian in 2003 and 2005. The purpose of these trials was to investigate the feasibility of the tests described in the CWA (Comité Européende Normalisation/CEN/Workshop Agreement) 14747:2003, the standard for testing metal detectors for humanitarian demining. The goals of the trials were: to find an appropriate design of experiment for testing metal detectors; to establish the use of ROC diagrams (Receiver Operating Characteristics) and POD curves (Probability of Detection) in the analysis of the experimental results; and to gain practical experience in organising and conducting metal detector trials. Apart of this thesis is devoted to a trial of manual demining methods performed in Mozambique in 2004. The main goal of that trial was to compare the speed of various manual demining methods, including the most common excavation methods. The outcome of this work is the proposals and recommendations for an update of the standard for testing metal detectors CWA 14747:2003. Maximum detection height measurements were performed as a part of the metal detector trial carried out in Croatiain2005. The results reveal a high variability of the maximum detection height. This high variability needs to be taken into account in all experiments. Apart of the variability is caused by the differences between the operators and by the setup of the metal detector. It is therefore recommended that two kinds of experiments with the maximum detection height as a response variable are defined in the next update of CWA 14747:2003. The first kind should include the setup, the soil and the operator as factors in the design of experiment. The in-soil measurements with the same detector should be performed with repeated setups and with several operators. The second kind of experiments should be experiments evaluating the influence of other predictor variables. In those experiments, it is recommended to perform one-factor or multiple-factor in-air measurements with the operators and the setup as a block. The main part of the metal detector trials described in this thesis was the detection reliability tests. Detection reliability tests as described in CWA14747:2003 come closest to representing the real field conditions in demining. They include many environmental influences and, most importantly, many of the human factor influences. However, each test design is a compromise between fully representative conditions and cost effectiveness. In this thesis, a fractional factorial design based on the Graeco-Latin square is proposed as a solution to the experimental problem. The results are reported in the form of ROC diagrams and POD curves. The crossover design enables each operator to work with fewer detector models with in a certain time. The variations of the design enabled an unbiased comparison of detectors in each soil and with each target model separately. It is recommended that the solutions proposed in this thesis be incorporated in the standard CWA14747:2003. It has been shown that maximum detection heights measurements provide the information about the best possible performance of a metal detector in are liability test.
Proposals for Performance Demonstration and Modular Reliability Assessment for Humanitarian Demining
(2003)
For safe and reliable demining it is necessary to determine the actual true performance of mine searching equipment in detecting mines. The subject to detect a hidden subject by penetrating physical interaction with the target is similar to that of non-destructive testing where it is looked for hidden cracks etc. in material via waves and rays. The non destructive testing profession is now about 100 years old and developed some procedures to check reliability of testing. Those principles like the performance demonstration where the successful detections are statistically evaluated against false calls rates and their implementation in an industrial standard (ASME section XI appendix VIII) are analysed. A first adoption to demining was accomplished in the prescription for blind trials in the CEN workshop agreement CEN BT 126
CWA07 for test and evaluation of metal detectors. A number of blind trials were accomplished within an ITEP project to learn about the necessary statistical layout of those trials to achieve true, reproducible and repeatable results to give guidance to selection and improvement of metal detectors. The special focus in these investigations was on the influence of the human factor due to the degree of experience of the operators and the infulence of uncooperative soil. The correlation of the results of the physical parameter measurement and the statistical results is analysed in a first attempt.
Because the demining process is always connected with a danger for human beings, it is necessary to make sure the proper functioning of mine searching equipment in detecting mines. Detecting a hidden target by penetrating physical interaction of rays or waves is similar to non-destructive testing. The non-destructive testing profession developed procedures to check the reliability of testing. These procedures, like the performance demonstration where the successful detections are statistically evaluated against false call rates and their implementation in an industrial standard (ASME section XI appendix VIII) are used as a template. A first adoption to demining was accomplished in the prescription for blind trials in the CEN workshop agreement CWA 14747: 2003 for test and evaluation of metal detectors. Within an ITEP project a number of blind trials were carried out to learn about the necessary statistical basis of those trials to achieve true, reproducible and repeatable results to give guidance for the selection and improvement of metal detectors. The special focus in this first investigation was on the influence of the human factor due to the different degree of experience of the operators and the influence of the soil.
Polypropylene based ferroelectret films exhibit a strong electromechanical activity and provide a promising solution for the air coupled ultrasonic (ACUS) transducers. Ultrasonic transmission between two air coupled ferroelectret transducers in dependence on the amplitude and polarity of the high voltage exciting pulse revealed a strongly non-linear electromechanical response of the ferroelectret transmitter which provides an increase in the transmitter efficiency. The authors present a simple model describing both promotion and competition of the piezoelectric and electrostriction contributions, as well as increase in the transducer constant under high voltage excitation. Enlargement of the inverse transducer constant of the polypropylene ferroelectret film by a factor of 4 was demonstrated. The non-linear properties of the polypropylene ferroelectrets result in a strong increase in their ACUS figure of merit under the high voltage excitation, which exceeds the results of their technological optimisation. Consequently, enhancement of the ACUS system transmission by 12 dB and signal to noise ratio by 32 dB was achieved.
Die übergeordnete Zielsetzung unserer Untersuchung bestand darin,
am Beispiel von Prüfungen mit Ultraschall eine belastbare Aussage zum Einfluss der Arbeitsbedingungen des Prüfers auf die Qualität der Ergebnisse von zerstörungsfreien Prüfungen zu ermitteln und Möglichkeiten zur Minimierung ungünstiger Einflussfaktoren aufzuzeigen.
Der Schwerpunkt der Untersuchung wurde auf die manuelle Ultraschallprüfung gelegt und der Faktor 'Zeitdruck' (in drei Stufen variiert) als die zu variierende physische Einflussgröße gewählt. Die Variation des Faktors Zeitdruck wurde gemäß dem Prozessmodell von der Erhebung psychologischer Faktoren, die das Individuum und die Organisation beschreiben, begleitet.
Die Ultraschallprüfungen erfolgten mit zehn Prüfern am Großbehälter und an Vergleichskörpern mit eingebrachten Testfehlern (Nuten, Risse). Die ausgewählten Fehler waren typisch für Prüfaufgaben, die bei wiederkehrenden Ultraschallprüfungen in Kernkraftwerken von den Prüfern zu lösen sind. Die Prüfaufgabe bestand darin, die in den vorgegebenen Prüfabschnitten vorhandenen Reflektoren aufzufinden und deren Amplituden, Ortskoordinaten und Längenerstreckungen zu ermitteln. Als Bewertungsmaßstab für die Qualität der Prüfaussage und für den Einfluss des menschlichen Faktors diente die Präzision der gemessenen Werte. Die Ergebnisse zeigen einen hohen Einfluss des menschlichen Faktors auf das Prüfergebnis und eine Einwirkung des Zeitdrucks besonders auf die Präzision der Messwerte. Hierbei war die Wirkung des individuell wahrgenommenen Zeitdrucks zusammen mit der psychischen Arbeitsbeanspruchung signifikant. Es wurde unter anderem herausgearbeitet, dass durch eine gute Vorbereitung auf die Prüfung, z.B. durch die sorgfältige Einweisung und ein vorgeschaltetes Fertigkeitstraining an Vergleichskörpern, die Zuverlässigkeit der Prüfergebnisse verbessert werden kann.
Insgesamt hatte der Faktor 'Organisation' neben der 'Erfahrung' einen hohen Einfluss auf das Leistungsvermögen der Prüfer.
Die Projektergebnisse wurden im Abschlussbericht des Forschungsvorhabens SR2514 dargestellt, es wurden drei Empfehlungen zur Vorbereitung und Einweisung der Prüfer, zur Stärkung der Verantwortung der Prüfaufsicht und zum 4-Augen-Prinzip formuliert. Die Empfehlungen wurden in der KTA- Regel 3201.4 'Komponenten des Primärkreises von Leichtwasserreaktoren; Teil 4: Wiederkehrende Prüfungen und Betriebsüberwachung (RÄE Fassung 2010-11)', umgesetzt.
This paper gives an introduction to the field of human factors with the focus on their influence on the reliability of NDT in the nuclear energy production (in-service inspections) and final storage of highly radioactive nuclear waste. A set of methodological tools has been developed in the scope of three projects, namely: 1) a theoretical model describing potential human factors influencing manual ultrasonic inspection performance during inservice inspections in nuclear power plants; 2) a method for identifying potential human errors during acquisition and evaluation of data gathered with mechanized ultrasonic, radiographic and eddy-current systems, as well as visual testing with a remote camera (Failure Modes and Effects Analysis, FMEA); and 3) use of eye tracking methodology to optimize existing procedures and practices. The experimental results have shown that time pressure, mental workload and experience influence the quality of the inspection performance. Noticeable were influences from the organization of the working schedule, communication, procedures, supervision and demonstration task. Implementing human redundancy in critical tasks, such as defect identification, as well as using an automated aid (software) to help operators in decision making about the existence and size of defects, could lead to other kinds of problems, namely social loafing (excerpting less effort when working on tasks collectively as compared to working alone) and automation bias (uncritical reliance on the proper function of an automated system without recognizing its limitations and the possibilities of automation failure) that might affect the reliability of NDT in an undesired manner.
Ferroelectrets are promising materials for air-coupled ultrasonic transducers. A transducer made of polarized cellular polypropylene, including its electronic interface, was developed and compared with conventional air-coupled probes. Test pieces of fiber-reinforced polymer containing impact flaws and flat-bottom holes were inspected in transmission. The ferroelectret transducers achieved a considerably higher signal-to-noise ratio. The impacts were clearly visible with all transducers, but less noisy with ferroelectret transducers. The flat-bottom holes were better detectable than with a conventional probe with about the same focus size.
Für die luftgekoppelte Ultraschall-Prüfung wird der Prototyp eines neuartigen Prüfkopfes vorgestellt. Statt eines piezokeramischen Ultraschall-Wandlers mit einer λ/4-Anpassschicht wird eine Ferroelektret-Folie aus schaumförmigem Polypropylen eingesetzt. Durch die außerordentlich geringe akustische Impedanz der Folie reduzieren sich die Reflexionsverluste an den Grenzschichten zur Luft so stark, dass bei diesem Prüfkopf auf eine λ/4-Anpassschicht verzichtet werden kann. Außerdem ist die Folie hochspannungsfest. Sie konnte mit Spannungen von mehr als 3500 V angesteuert werden und erlaubte eine Vorspannung am Ultraschall-Wandler des Empfangsprüfkopfes von 2000 V. Mithilfe der hohen Anregungsspannung stieg die Amplitude des akustischen Prüfimpulses auf das 11,2-Fache. Die Empfindlichkeit des Empfängers erhöhte sich durch die Vorspannung weiter um den Faktor 4,3. Insgesamt steigt die Amplitude am Empfänger also auf das 48-Fache, bei gleichbleibendem Rauschpegel. Ein abschließender Vergleich mit kommerziellen Luftultraschall-Prüfköpfen belegt die Überlegenheit der Folien-Prüfköpfe. Damit rückt der Einsatz einer vollwertigen Impuls-Echo-Technik auch bei der luftgekoppelten Ultraschallprüfung deutlich näher.
The total reliability of a mine searching system is driven by the triple of intrinsic
capability, which describes the physical-technical basis capability, the application and
environmental factors and the human factors. Some of them can be determined in
laboratory measurements but the human factor and a part of environment conditions
and their interaction with the device need to be treated statistically. That is why the
test & evaluation procedure described in CEN CWA 14747:2003, includes in addition
to parameter tests of metal detectors also the reliability or blind field tests under local
conditions with local personnel. A series of three big field trials had been
accomplished in the ITEP-project 2.1.1.2 Reliability Model for Test & Evaluation of
Metal Detectors to specify the optimum conditions for reliable trial results with
affordable effort. For each set of specific working conditions, characterized in terms
of a combination of one mine type in one soil with one detector handled by local
personnel, the searching system will show up a working performance in mine
detection rates as a function of mine depth and show up a certain overall false call
rate. During the ITEP-trials in Benkovac and Oberjettenberg the authors learnt to
determine this function separately for each mine type in each soil, which is especially
important for low metal mines in uncooperative soil which will be illustrated for the
mine PMA2 in different types of soil. The question of representativeness for field
conditions on the one hand and necessary statistical set up for the possibility to
distinguish between individual detector performances is still under discussion.
The detection of defects in aircraft components or parts of a power plant or mines in the ground is connected with the task to distinguish between signals caused be the item searched for and noisy signals from other sources. The reliability of the system is the better the better the system is in detecting the wanted signal and avoiding false alarms caused by noise. It is usual to measure the reliability of diagnostic systems in terms of ROC-curves (Re-ceiver Operating Characteristics) and POD-curves (Probability of Detec-tion). The ROC curves describe the POD versus Probability of False Alarm with growing system sensitivity along the curve. POD curves describe the Probability of Detection for a fixed sensitivity for a variation of item sizes or depths. Reliability of the whole system is always a composition of the physics
and technique, application influences and the human factors. For the scien-tific understanding and possibilities of improvement, decomposition accord-ing to a modular model is helpful. The authors present their experiences with the reliability evaluation of metal detectors for humanitarian demining and an NDT system of mechanized ultrasonic phased array testing of copper welds. The special concern in demining is the influence of soil types, detec-tors and the experiences of human beings.
ITEP project 2.1.1.2 - Final report - Reliability model for test and evaluation of metal detectors
(2004)
Metal detectors used in demining have been tested within the frame of the International Test and
Evaluation Programme project ITEP 2.1.1.2. Detection reliability tests were performed in accordance
with the CEN workshop agreement describing specifications for test and evaluation (CWA 14747:2003). Results of these tests are aimed to verify and should help to optimise the proposed testing
procedures.
Trial design for testing and evaluation of metal detectors used in humanitarian landmine clearance
(2006)
Statistical design of experiments applied to tests of metal detectors used for mine detection
(2006)
Statistical design of experiments applied to tests of metal detectors used for mine detection
(2006)
Trial Design for Testing and Evaluation of Metal Detectors Used in Humanitarian Landmine Clearance
(2006)
NDT is a multidisciplinary research area fusing the disciplines of natural Science and engineering. Particularly in the early development stages of a new testing method, feasibility investigations focus on the fundamental physical interaction between the sensing mechanism and specimen. Research activities during subsequent phases of modular prototype development, technical System Integration and Validation primarily attempt to solve the practical engineering and real-life aspects of a testing method. We show several examples of new methods in different stages of development and highlight the potential for further industrial use. The first section deals with Steel surfaces of lightweight components which are
inspected with pm-sized magneto resistive sensor arrays. This quantitative magnetic stray field approach combines high spatial resolution and very high sensitivity, enabling the user to detect even very small micro-defects. Tuming to CFRP components we also show new developments in airbome ultrasonic testing. Here we use ferroelectret foils to reduce the acoustical mismatch between transducer and air, which enhances the signal-to-noise ratio. A further example illuminates the use of metallic nano layers as a broadband thermo acoustical emitter. Their use provides both high sound pressures and very broadband Signal characteristics. When it comes to CFRP components and other anisotropic and highly Scattering materials, ultrasonic matrix arrays in conjunction with many angles of incidences per transducer position can help to enhance the statistics of a testing problem. In the field of conventional water-coupled UT testing we also show the use of matrix array transducers
providing a tomographic-like 3D-image of impact damage in CFRP samples.
The paper will give an overview of new methodology for evaluating the
reliability of NDE systems accurately, reliably and efficiently in accordance with the
specific requirements of industrial application. After a review of the substantive
issues from the previous workshops, the go forward guidance from these
interactions is considered.
At the beginning of the reliability analysis, the actual safety demands have to
be defined in order to fit the investigation to the level of risk when the component
would fail. Next, all the essential influencing parameters need to be documented and
transferred to an appropriate design of experiments (DOE) to determine the
reliability in terms of a qualitative assessment for lower risk or in terms of a
quantitative probability of detection (POD) or ROC (Receiver Operating
Characteristics) curves for higher safety demands. A new paradigm is offered to
consider the POD or reliability of the system as a function of the configuration of
input variables and use it for optimisation rather than for a final judgement. An
advantage for the end user is also to sample all single PODs to an integral 'Volume
POD' of a part.
Among the influencing parameters, the human factor is the most important one.
A systematic psychological approach shall help to find out where the bottlenecks are
but most importantly to provide best possible working conditions for the human
inspectors.
Es werden die Fortschritte bei der Bewertung der Zuverlässigkeit von ZfP-Systemen in den vergangenen 10 Jahren vorgestellt. Der modulare Ansatz bzw. die systematische Auflistung aller wesentlichen Einflussfaktoren stehen am Anfang jeder Bewertung, die jeweils spezifisch für einen industriellen bzw. Feldeinsatz angelegt wird. Weiterhin legt die zu Grunde liegende Sicherheitsanforderung fest, ob ein exaktes quantitatives statistisches Ergebnis z. B. für die Fehlergröße, die mit hoher Sicherheit detektiert wird angestrebt wird oder ob man sich mit einer qualitativen Abschätzung zufrieden geben kann. Moderne Werkzeuge wie das 'Design of Experiments' (Statistische Versuchsplanung), die Volumen-POD für ein Bauteil als ganzes oder auch die systematische psychologische Betrachtung des menschlichen Faktors unterstützen die Treffsicherheit der Untersuchung für den gewünschten Einsatzfall. Die Ergebnisse der ZfP-Prüfungen können immer nur so gut sein, wie der Mensch mit den Bedingungen zurechtkommt. Weiterhin kann die POD im Zusammenhang mit den Prozessparametern als helfendes Optimierungswerkzeug eingesetzt werden und nicht als endgültige Be(Ver)urteilung. Es werden Beispiele aus Bereichen der Energieerzeugung und Endlagerung präsentiert.
The human factors approach relies on understanding the properties of
human capability and limitations under various conditions and the application of that
knowledge in designing and developing safe systems. Following the principles of
MTO (Man Technology Organization) approach, emphasis should be given to the
way people interact with technical as well as organizational systems.
A model describing human factor influences in relation to the performance shaping
factors and their effect on the manual ultrasonic inspection performance had been
built and a part of it empirically tested. The experimental task involved repeated
inspection of 18 flaws according to the standard procedure under no, middle and
high time pressure. Stress coping strategies, mental workload of the task, stress
reaction and organizational factors have been measured. The results have shown that
time pressure, mental workload and experience influence the quality of the
inspection performance. Organizational factors and their influence on the inspection
results were rated as important by the operators. However, further research is
necessary into the effects of stress.
Electromechanical response of polypropylene ferroelectret transducers under application of high-voltage pulses was measured by laser Doppler vibrometry and compared with results of ultrasonic through-air transmission between two ferroelectret transducers. The electromechanical response was completely explained by piezoelectric and electrostrictive effects. The electrostrictive effect dominates at high voltages and provides significant enlargement of the transducer constant, up to factor of 2.5. The induced strain of 1.7% was achieved at – 2000 V. The nonlinear ultrasonic transmission was shown to be well described by the piezoelectric and electrostrictive response of transmitter, except in the range of high negative exciting voltages where some limitation of the transmitted signal was observed. This limitation seems not to be a fundamental one and does not abolish the advantages of high-voltage excitation of polypropylene ferroelectret transducers.
The human factors approach relies on understanding the properties of human capability and limitations under various conditions and the application of that knowledge in designing and developing safe systems. Following the principles of the MTO (Man Technology Organisation) approach, emphasis should be given to the way people interact with technical as well as organisational systems.
A model describing human factor influences in relation to the performance shaping factors and their effect on manual ultrasonic inspection performance had been built and a part of it empirically tested. The experimental task involved repeated inspection of 18 defects according to the standard procedure under no, middle and high time pressure. Stress coping strategies, the mental workload of the task, stress reaction and organisational factors have been measured. The results have shown that time pressure, mental workload and experience influence the quality of the inspection performance. Organisational factors and their influence on the inspection results were rated as important by the operators. However, further research is necessary into the effects of stress.
Charakterisierung der Wandler für Luftultraschallprüfung aus zellulärem Polypropylen-Ferroelektret
(2011)
In den letzten Jahren stieg die Anfrage für zerstörungsfreie Prüfung (ZIP) mit Luftultraschall deutlich. Die klassische ZfP mit Ultraschall nutzt Flüssigkeiten als Koppelmittel zwischen dem Wandler und dem Prüfkörper. Für die Prüfung von Gegenständen mit empfindlicher Oberfläche, die das Koppelmittel beschädigen oder verunreinigen kann, ist deswegen Luftultraschall besser geeignet. Eine mögliche Anwendung ist beispielsweise der Nachweis von Delaminationen in glas- und kohlefaserverstärkten Verbundwerkstoffen sowie Sandwichbauteilen, die in der Luftfahrt- und der Automobilindustrie eingesetzt werden.
The extremely low acoustic impedance of polypropylene ferroelectret combined with its piezoelectric properties makes this material suitable for construction of aircoupled ultrasonic transducers for non-destructive testing. For the fabrication of transducers with a stable quality, the reproducibility of their key parameters is of interest.
The reproducibility was evaluated by means of (i) impedance spectroscopy and (ii) pulse-echo measurements. (i) Impedance spectroscopy was applied to identify the resonance frequency, the coupling factor and the acoustic impedance of several nominally identical transducers. (ii) Pulse-echo measurements yielded the signal form of these transducers.
The variation of the signal amplitude measured with pulseecho technique was about 10 dB. A part of this variation Comes from the deposition of transducer electrodes and another part from local variations of ferroelectret properties. The variation of the signal amplitude was caused by the observed variation of the coupling factor, which was also about 10 dB. The variation of the acoustic impedance was only about 1 dB, thus having no effect on the variation of the signal amplitude.
These results indicate that the variability can be reduced by improving the control of electrode deposition and by optimizing the production technology affecting the reproducibility of material properties.
Air-coupled ferroelectret ultrasonic transducers applied to testing of fiber-reinforced polymers
(2013)
Zur Simulation des Schallfeldes von beliebig geformten konventionellen Schallquellen existieren viele Ansätze (EFIT, GPSS). Sie alle basieren auf der Annahme eines monochromatischen akustischen Signals, was meist eine gültige Annäherung darstellt. Allerdings sind bei thermoakustischen Quellen aufgrund ihrer Funktionsweise und der hohen Bandbreite viele der existierenden Ansätze nicht direkt anwendbar und können Beobachtungen bei der Vermessung von thermoakustischen Wandlern nicht vollständig abbilden und erklären.
In diesem Beitrag wurde die bekannte Methode der generalisierten Punktquellensynthese (GPSS) für die Berechnung von Schallfeldern von thermoakustischen Schallquellen angewendet. Dabei gehen zahlreiche Parameter wie die Dicke und Geometrie der leitfähigen Schicht, Krümmung des Substrats, sowie die Signalform der Anregung in die Simulation ein. Neu an dem präsentierten Ansatz ist die Abweichung von der üblichen monochromatischen Annäherung und die Berücksichtigung der großen Bandbreite von thermoakustischen Wandlern. Für die Validierung der Simulationen wurden Schallfelder von Quellen mit bekannter Anregung und Geometrie breitbandig durch ein optisches Mikrofon vermessen.
Seit Jahren stellt die luftgekoppelte Ultraschallprüfung eine etablierte Alternative zur konventionellen Prüfung von Leichtbaukomponenten aus den Bereichen Luft- und Raumfahrt sowie Automotive dar. Im Gegenteil zur flüssigkeitsgekoppelten Prüfung in Kontakt oder im Tauchbecken ist sie weniger invasiv und bietet daher zeitliche und finanzielle Anreize.
Normalerweise wird die luftgekoppelte Prüfung mit Einzelelementschwingern in Durchschallung realisiert, wohingegen die Gruppenstrahlertechnik bereits Industriestandard im Bereich der Kontakttechnik darstellt. Die damit verbundenen Vorteile wie die aktive Fokussierung oder, die gezielte Manipulation des Einschallwinkels zur Anregung von geführten Wellen, finden im Bereich der luftgekoppelten Prüfung dabei noch wenig Anwendung.
Im Rahmen dieses Beitrags stellen wir die ersten Zwischenergebnisse des geförderten Projektes „PALUP – Phased- Array-Technik für Luftultraschall-Prüfungen“ vor. Ziel des Projektes ist die Entwicklung von Mehrelementschwingern auf Basis von zellulären Kunststoffen, die Entwicklung einer dedizierten Pulserstufe im Kilovoltbereich, sowie die nötige rauscharme messtechnische Auswertung jedes Einzelelements.
Seit Jahren stellt die luftgekoppelte Ultraschallprüfung eine etablierte Alternative zur konventionellen Prüfung von Leichtbaukomponenten aus den Bereichen Luft- und Raumfahrt sowie Automotive dar. Im Gegenteil zur flüssigkeitsgekoppelten Prüfung in Kontakt oder im Tauchbecken ist sie weniger invasiv und bietet daher zeitliche und finanzielle Anreize.
Normalerweise wird die luftgekoppelte Prüfung mit Einzelelementschwingern in Durchschallung realisiert, wohingegen die Gruppenstrahlertechnik bereits Industriestandard im Bereich der Kontakttechnik darstellt. Die damit verbundenen Vorteile wie die aktive Fokussierung oder, die gezielte Manipulation des Einschallwinkels zur Anregung von geführten Wellen, finden im Bereich der luftgekoppelten Prüfung dabei noch wenig Anwendung.
Im Rahmen dieses Beitrags stellen wir die ersten Zwischenergebnisse des geförderten Projektes „PALUP – Phased- Array-Technik für Luftultraschall-Prüfungen“ vor. Ziel des Projektes ist die Entwicklung von Mehrelementschwingern auf Basis von zellulären Kunststoffen, die Entwicklung einer dedizierten Pulserstufe im Kilovoltbereich, sowie die nötige rauscharme messtechnische Auswertung jedes Einzelelements.
Zur Simulation des Schallfeldes von beliebig geformten konventionellen Schallquellen existieren viele Ansätze (EFIT, GPSS). Sie alle basieren auf der Annahme eines monochromatischen akustischen Signals, was meist eine gültige Annäherung darstellt. Allerdings sind bei thermoakustischen Quellen aufgrund ihrer Funktionsweise und der hohen Bandbreite viele der existierenden Ansätze nicht direkt anwendbar und können Beobachtungen bei der Vermessung von thermoakustischen Wandlern nicht vollständig abbilden und erklären.
In diesem Beitrag wurde die bekannte Methode der generalisierten Punktquellensynthese (GPSS) für die Berechnung von Schallfeldern von thermoakustischen Schallquellen angewendet. Dabei gehen zahlreiche Parameter wie die Dicke und Geometrie der leitfähigen Schicht, Krümmung des Substrats, sowie die Signalform der Anregung in die Simulation ein. Neu an dem präsentierten Ansatz ist die Abweichung von der üblichen monochromatischen Annäherung und die Berücksichtigung der großen Bandbreite von thermoakustischen Wandlern. Für die Validierung der Simulationen wurden Schallfelder von Quellen mit bekannter Anregung und Geometrie breitbandig durch ein optisches Mikrofon vermessen.
Zur Charakterisierung von luftgekoppelten Ultraschallwandlern werden mehrere verschiedene Methoden und Verfahren angewendet. Durch die unterschiedlichen Herangehensweisen werden oft unterschiedliche Prüfkopfpara-meter und Schallfeldgrößen ermittelt, was einen direkten Vergleich von Datenblättern erschwert. Für die Charakterisierung von Kontakt- und Tauchtechnikprüfköpfen hat sich ISO 22232-2:2021 bereits etabliert, allerdings ist diese Norm nicht auf die luftgekoppelten Wandlertechnologien direkt übertragbar. Daher erkannten Hersteller, Forschungseinrichtungen und Anwender den Bedarf an einer Richtlinie zur einheitlichen Charakterisierung von luftgekoppelten Wandlern. Gemeinsam arbeiten sie aktuell im Rahmen des Unterausschusses „Luftgekoppelte Ultraschallprüfung“ der DGZfP an der Erstellung einer solcher Richtlinie mit dem Anspruch, die bestehende Normung um die luftgekoppelte Prüfung zu erweitern und somit die Vereinheitlichung der Charakterisierung dieser Wandler zu erleichtern.
In diesem Beitrag wird ein Überblick über den geplanten Inhalt der Richtlinie und über die Methoden zur akustischen Charakterisierung von luftgekoppelten Ultraschallwandlern gegeben. Insbesondere werden verschiedene Methoden der Ermittlung von wichtigen Wandlerparametern wie z.B. Empfindlichkeit, Mittenfrequenz, Bandbreite, Fokusgröße und Fokusabstand dargestellt und verglichen.
This guideline was drafted following and complementing the norm ISO 22232-2:2020(E) to include air-coupled ultrasonic transducers. This document specifies the characteristics of probes used for non-destructive air-coupled ultrasonic testing with center frequencies above 20 kHz, with focusing or without focusing means.
Zur Charakterisierung von luftgekoppelten Ultraschallwandlern werden mehrere verschiedene Methoden und Verfahren angewendet. Durch die unterschiedlichen Herangehensweisen werden oft unterschiedliche Prüfkopfpara-meter und Schallfeldgrößen ermittelt, was einen direkten Vergleich von Datenblättern erschwert. Für die Charakterisierung von Kontakt- und Tauchtechnikprüfköpfen hat sich ISO 22232-2:2021 bereits etabliert, allerdings ist diese Norm nicht auf die luftgekoppelten Wandlertechnologien direkt übertragbar. Daher erkannten Hersteller, Forschungseinrichtungen und Anwender den Bedarf an einer Richtlinie zur einheitlichen Charakterisierung von luftgekoppelten Wandlern. Gemeinsam arbeiten sie aktuell im Rahmen des Unterausschusses „Luftgekoppelte Ultraschallprüfung“ der DGZfP an der Erstellung einer solcher Richtlinie mit dem Anspruch, die bestehende Normung um die luftgekoppelte Prüfung zu erweitern und somit die Vereinheitlichung der Charakterisierung dieser Wandler zu erleichtern.
In diesem Beitrag wird ein Überblick über den geplanten Inhalt der Richtlinie und über die Methoden zur akustischen Charakterisierung von luftgekoppelten Ultraschallwandlern gegeben. Insbesondere werden verschiedene Methoden der Ermittlung von wichtigen Wandlerparametern wie z.B. Empfindlichkeit, Mittenfrequenz, Bandbreite, Fokusgröße und Fokusabstand dargestellt und verglichen.