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Plasma-Mikrohohlkathoden-Wandler bieten eine neuartige Methode für die luftgekoppelte zerstörungsfreie Prüfung (ZfP) mit der besonderen Fähigkeit, Ultraschallwellen über einen breiten Frequenzbereich anzuregen. Durch den Einsatz von ionisiertem Gas als Wellenerzeugungsmedium ermöglichen diese Wandler einen effizienten, berührungslosen Betrieb ohne die Notwendigkeit von Kopplungsmitteln.
Diese Vorstudie konzentriert sich auf die Charakterisierung des grundlegenden Verhaltens und der Leistung von Plasma-Mikrohohlkathoden-Wandlern als potenzielle Ultraschallwandler für ZfP-Anwendungen. In ersten Experimenten werden Laservibrometrie-, Thermosonden- und Kraftsondentechniken eingesetzt, um die Erzeugung, Ausbreitung und Erkennungsfähigkeit akustischer Wellen in einer Reihe von Materialien und Geometrien zu bewerten. Die ersten Ergebnisse zeigen, dass Plasmaschallwandler in der Lage sind, breitbandige Ultraschallwellen anzuregen, und lassen auf ihr Potenzial für die Materialcharakterisierung und Fehlererkennung schließen.
Obwohl sie sich noch in einem frühen Entwicklungsstadium befinden, sind Plasma-Mikrohohlkathoden-Wandler vielversprechend für die Weiterentwicklung der luftgekoppelten zerstörungsfreien Prüfung. Zukünftige Arbeiten werden sich mit der Optimierung des Wandlerdesigns befassen, um eine höhere Effizienz und die Integration in praktische Prüfsysteme zu erreichen. Diese Studie bietet eine Grundlage für das Verständnis der potenziellen Auswirkungen der Plasma-Mikrohohlkathodentechnologie und ihrer Rolle bei der Gestaltung der nächsten Generation von ZfP-Verfahren.
Plasma micro-hollow cathode (MHC) transducers offer a novel and promising approach for air-coupled non-destructive testing (NDT), with the distinct capability of generating ultrasonic waves across a broad frequency spectrum. Utilizing ionized gas as the wave-emitting medium, these transducers operate without requiring any physical contact or coupling medium, making them especially attractive for testing delicate or complex surfaces. Their compact design and plasma-driven mechanism allow for flexible deployment and potential miniaturization in various testing environments.
This preliminary study investigates the fundamental behavior and performance of MHC plasma transducers in the context of ultrasound-based NDT. A series of experiments were conducted using laser Doppler vibrometry and optical microphone techniques to evaluate the transducers’ ability to generate, propagate, and detect acoustic waves in different materials and geometries, including PMMA, CFRP composites, and 3D-printed PLA structures with artificial defects such as flat-bottom holes and cracks. Results reveal the ability of MHC transducers to emit high-frequency, broadband ultrasonic waves in air, suitable for detecting subsurface anomalies.
Although still in the early stages of development, MHC plasma transducers show potential for advancing air-coupled ultrasonic NDT. Future work will focus on optimizing transducer geometry and operating parameters to increase efficiency and signal-to-noise ratio. While conventional linear excitation remains the primary focus, this study also briefly explores the possibility of combining MHC transducers with nonlinear resonance-based methods, such as Local Defect Resonance (LDR), to improve defect sensitivity. Although the integration of MHCs with nonlinear techniques is still a challenging prospect, there is potential for enhanced defect detection, particularly for small or weakly bonded flaws. These methods could offer higher contrast and more precise localization of defects under resonance conditions. However, the implementation of such nonlinear methods would require further research and development. This study provides a foundation for exploring the broader capabilities of plasma-based ultrasound sources in material characterization and structural health monitoring, especially in lightweight, composite, or additively manufactured materials.
This study examines the feasibility of using Microhollow Cathode (MHC) plasma transducers as contactless, broadband sources for air-coupled ultrasonic nondestructive testing (NDT). To improve the detection of small or weakly bonded defects, the approach integrates Local Defect Resonance (LDR), which amplifies flaw responses at their natural vibrational frequencies.
Die akustische Emission von Plasma mithilfe von Mikrohohlkathoden (MHC) stellt einen neuen Ansatz für die luftgekoppelte zerstörungsfreie Prüfung (ZfP) dar. Die entstehende Coronaentladung erzeugt breitbandige Ultraschallwellen in der Luft, die ohne flüssiges Koppelmedium auf das Prüfkörpermaterial übertragen werden können. Dadurch wird der Einsatz von Ultraschall auch bei empfindlichen oder komplex geformten Bauteilen ermöglicht. Ein wesentlicher Vorteil plasmainduzierter Luftultraschallwellen gegenüber konventionellen Luftwandlern liegt in ihrer außergewöhnlich hohen Bandbreite, die eine flexible Anpassung an verschiedene Prüfaufgaben erlaubt. In dieser Arbeit werden erste experimentelle Untersuchungen zum Einsatz von MHC-Wandlern in der luftgekoppelten Ultraschallprüfung vorgestellt. Mithilfe von Laser-Doppler-Vibrometrie wurde die Schallerzeugung und -ausbreitung in Luft sowie in Prüfkörpern aus Polymethylmethacrylat (PMMA) und 3D-gedrucktem Polylactid (PLA) untersucht. In die Probekörper wurden gezielt künstliche Fehlstellen in Form von Flachbodenbohrungen integriert, um das Detektionspotenzial der Wandler zu evaluieren. Mit MHC-Wandlern im Frequenzbereich überwiegend zwischen 10 und 150 kHz konnten Resonanzschwingungen der Flachbodenbohrungen bei Frequenzen von 6 bis 23 kHz angeregt und detektiert werden. Die Ergebnisse bestätigen das Potenzial von MHC-Wandlern als breitbandige Quellen für die luftgekoppelte Ultraschallprüfung.
