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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
(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.
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.
Air-coupled ultrasonic testing is widely used in the industry for the non-destructive testing of compound materials. It provides a fast and efficient way to inspect large concrete civil infrastructures for damage that might lead to catastrophic failure. Due to the large penetration depths required for concrete structures, the use of traditional piezoelectric transducer requires high power electric systems. In this study, a novel fluidic transducer based on a bistable fluidic amplifier is investigated. Previous experiments have shown that the switching action of the device produces a high-power broadband ultrasonic signal. This study will provide further insight into the switching behaviour of the fluidic switch. Therefore, parametric CFD simulations based on compressible supersonic RANS simulations were performed, varying the inlet pressure and velocity profiles for the control flow. Switching times are analyzed with different methods, and it was found that These are mostly independent of the slope of the velocity profile at the control port. Furthermore, it was found that an inversely proportional relationship exists between flow velocity in the throat and the switching time. The results agree with the theoretical background established by experimental studies that can be found in the literature.
Motivation:
• Air-coupled ultrasound (AC-US) enables faster measurements in non-destructive testing for civil engineering
• Current state of the art: piezo and capacitive transducers are mostly used for AC US
• Currently >99.9% sound intensity loss due to impedance mismatches
Innovation:
• Fluidic transducers generate US (30-60 kHz) by rapid switching of a supersonic jet
• Fluidic transducers rely on external components such as solenoid valves and tubing
--> How do repetition time and tube length influence the signal?
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.
While contact and immersion ultrasonic testing are established methods in non-destructive testing (NDT), generating high power air-coupled ultrasound remains a challenging task. Solutions often involve setups that are restricted to lab environments. When field measurements are required, such as in NDT for civil engineering, a handy, robust and safe transducer is needed. For this purpose, an ultrasonic transducer based on a fluidic switch has been developed. A sonic air flow inside the device is switched rapidly so that an ultrasonic signal is generated. Both theory and previous flow simulations suggest that the control flow pressure ramp has only little influence on the switching time of the device. This publication gives an overview over the operating principle of the fluidic ultrasonic transducer and investigates the influence of control tube length and pulsing repetition rate on the ultrasonic pressure amplitude. High repetition rates are found to reduce the signal amplitude, whereas long tubing has only little negative influence on the amplitude while improving signal quality.
The dataset presented contains ultrasonic data recorded in pulse echo mode. The investigated specimen is made of the isotropic homogeneous material polyamide and has a drill hole of constant diameter running parallel to the surface, which was scanned in a point grid using an automatic scanner system. At each measuring position, a pitch-catch measurement was performed using a sampling rate of 2 MHz. The probes used are arrays consisting of a spatially separated receiving and in-phase transmitting unit. The transmitting and receiving sides each consist of 12 point-shaped single probes. These dry-point contact (DPC) probes operate according to the piezoelectric principle at nominal frequencies of 55 kHz (shear waves) and 100 kHz (longitudinal waves), respectively, and do not require a coupling medium. The measurements are performed with longitudinal (100 kHz) and transverse (55 kHz) waves with different geometric orientations of the probe on the measurement surface. The data presented in the article provide a valid source for evaluating reconstruction algorithms for imaging in the low-frequency ultrasound range.