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Organisationseinheit der BAM
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. Its applicability to measurements in concrete is verified. A detailed outlook is given to discuss the future potential of fluidic ultrasonic actuators.
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.
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.
The majority of ultrasonic devices used for non-destructive testing in civil engineering require contact with the surface of the concrete (specimen), which significantly increases the time required for the measurement. This makes it impractical for extensive investigation of large-scale structures such as bridge decks, foundations, or tunnels.
In a pioneering approach, fluidic oscillators are used as contact free ultrasonic sources to overcome the aforementioned limitations. These robust and cost-effective actuators require only pressurised air and are ideally suited for harsh environments. At a constant supply pressure, they generate a continuous mono-frequent actuation signal. Further, varying the supply pressure via a fast pressure regulator was found to generate a frequency modulated signal which enabled time-of-flight measurement with an added advantage of increased signal to noise ratio. To demonstrate the feasibility of this novel idea of non-contact ultrasound, the results of the initial tests are presented.