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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.
Ultrasonic measurement technology has become indispensable in NDT. In order to reduce measurement time and extend the application to other materials, contactless ultrasound is the subject of many different research groups. Department 8 has been researching successfully in this field for years. A novel approach is based on so-called fluidic devices. These devices can be used to perform binary logic operations with the help of natural flow instabilities. Hence the abbreviated name, Fluidic (FLUID+LogIC). Only a pressure reservoir of the used fluid is required as energy supply. This enables the production of very robust actuators that generate ultrasonic signals in an extremely energy efficient way.
The presentation includes the research results of the ZIM innovation project OsciCheck. The original idea will be presented and its application on different building materials is validated. Beyond this, the possible application areas are much larger and a detailed outlook is given to discuss the future potential of fluidic ultrasonic actuators.
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.
Ultrasonic measurement technology has become indispensable in NDT-CE. Air-coupled ultrasonic (ACU) measurement techniques promise to reduce measurement time. However, the signal quality suffers from large specific impedance mismatch at the transducer-air and air-specimen interface. Additionally, large pressure amplitudes are necessary for the penetration depth required in NDT-CE applications.
To address the specific requirements of ultrasonic testing in NDT-CE, a robust ACU transducer was developed, that generates ultrasound by quickly switching a pressurized air flow. The simple design of the fluidic transducer makes the device maintenance free and resilient against harsh environmental conditions. Since the signal is generated by aeroacoustics, there is no specific impedance mismatch between the transducer and the surrounding air. The ultrasonic signal exhibits frequencies in the 30-60 kHz range and is therefore well suited to penetrate heterogenous materials such as concrete. This contribution gives an introduction in the working principle and signal characteristics of the fluidic transducer. A detailed outlook is given to discuss the future potential of fluidic ultrasonic actuators.
In ultrasonic testing, the time of flight (ToF) of a signal can be used to infer material and structural properties of a test item. In dispersive media, extracting the bulk wave velocity from a received signal is challenging as the waveform changes along its path of propagation. When using signal features such as the first peak or the envelope maximum, the calculated velocity changes with the propagation distance. This does not occur when picking the signal onset. Borrowing from seismology, researchers used the Akaike information criterion (AIC) picker to automatically obtain onset times. In addition to being dependent on arbitrarily set parameters, the AIC picker assumes no prior knowledge of the spectral properties of the signal. This is unnecessary in ultrasonic through-transmission testing, where the signal spectrum is known to differ significantly from noise. In this contribution, a novel parameter-free onset picker is proposed, that is based on a spectral entropy criterion (SEC) to model the signal using the AIC framework. Synthetic and experimental data are used to compare the performance of SEC and AIC pickers, showing an improved accuracy for densely sampled data.