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Einfluss hoher Temperaturen und Drücke auf die Ultraschalleigenschaften eines Komposit-Prüfkopfes
(2004)
Dielectric and electromechanical properties of the cellular polypropylene ferroelectret films (EMFIT), combining strong piezoelectric response with a low density and softness, evidence their high potential for the air-coupled ultrasonic applications. The disadvantage of the low coupling factor is compensated by the extremely low acoustic impedance, which provides excellent matching to air and promises efficient sound transmission through the airtransducer interface. The influence of the electrodes on the electromechanical properties was investigated. Electron beam evaporation technology was adapted to the EMFIT films, and films with both-sided Au and Al electrodes were prepared without reducing or suppressing of the electromechanical properties. Finally, prototype transducers based on the EMFIT films were developed. In spite of the simple construction and absence of matching layers, high sensitivity of the EMFIT transducers was proved in the air-coupled ultrasonic experiment. Amplitude and delay time scanned images of the polyethylene step wedge with holes, obtained in both pulse-echo and transmission modes, demonstrate that non-contact ultrasonic imaging and testing with EMFIT transducers is possible.
Analysis of the dielectric and electromechanical properties of the cellular polypropylene ferroelectret films (EMFIT) evidences their high potential for the application in the air-coupled ultrasonic transducers. Simple prototype transducers, based on the EMFIT films, were developed and their high sensitivity was proved in the air-coupled ultrasonic experiment. Amplitude and delay time scanned images of the polyethylene step wedge with holes, obtained in both pulse-echo and transmission modes, demonstrate that non-contact ultrasonic imaging with EMFIT transducers is possible.
Im Labor für Ultraschallverfahren der BAM wurde ein Gerätesystem zum Betrieb von
linearen Strahlergruppen entwickelt, aufgebaut und erprobt. Es besteht aus einer
Geräteeinheit mit 64 Sende- und 64 Empfangskanälen, einem Steuerrechner mit
integriertem Transientenrekorder und wurde mit einem Linienarray mit 32 Elementen
und einer Frequenz von 17 MHz erprobt. Das Schallbündel einer Gruppe von 8 Elementen
kann per elektronischem Versatz über den Gesamtschwinger bewegt und
dabei gleichzeitig geschwenkt und fokussiert werden. Dabei konnten Wanddicke'n
von 0,5 mm sowie eine Anordnung von Flachbodenbohrungen mit 0,7 mm Durchmesser
mit großer Genauigkeit nachgewiesen werden. Mögliche Anwendungen sind
die Prüfung von Punktschweißverbindungen, die Korrosionsprüfung, die Prüfung von
Flugzeugkomponenten, die Schweißnahtprüfung.
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.
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.