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In this paper, a method to determine the complex dispersion relations of axially symmetric guided waves in cylindrical structures is presented as an alternative to the currently established numerical procedures. The method is based on a spectral decomposition into eigenfunctions of the Laplace operator on the cross-section of the waveguide. This translates the calculation of real or complex wave numbers at a given frequency into solving an eigenvalue problem. Cylindrical rods and plates are treated as the asymptotic cases of cylindrical structures and used to generalize the method to the case of hollow cylinders. The presented method is superior to direct root-finding algorithms in the sense that no initial guess values are needed to determine the complex wave numbers and that neither starting at low frequencies nor subsequent mode tracking is required. The results obtained with this method are shown to be reasonably close to those calculated by other means and an estimate for the achievable accuracy is given.
In this work we experimentally verify the theoretical prediction of the recently published Energy Density Fluctuation Model (EDF-model) of thermo-acoustic sound generation. Particularly, we investigate experimentally the influence of thermal inertia of an electrically conductive film on the efficiency of thermal airborne ultrasound generation predicted by the EDF-model. Unlike widely used theories, the EDF-model predicts that the thermal inertia of the electrically conductive film is a frequency-dependent parameter. Its influence grows non-linearly with the increase of excitation frequency and reduces the efficiency of the ultrasound generation. Thus, this parameter is the major limiting factor for the efficient thermal airborne ultrasound generation in the MHz-range. To verify this theoretical prediction experimentally, five thermo-acoustic emitter samples consisting of Indium-Tin-Oxide (ITO) coatings of different thicknesses (from 65 nm to 1.44 lm) on quartz glass substrates were tested for airborne ultrasound generation in a frequency range from 10 kHz to 800 kHz. For the measurement of thermally generated sound pressures a laser Doppler vibrometer combined with a 12 lm thin polyethylene foil was used as the sound pressure detector. All tested thermo-acoustic emitter samples showed a resonance-free frequency response in the entire tested frequency range. The thermal inertia of the heat producing film acts as a low-pass filter and reduces the generated sound pressure with the increasing excitation frequency and the ITO film thickness. The difference of generated sound pressure levels for samples with 65 nm and 1.44 lm thickness is in the order of about 6 dB at 50 kHz and of about 12 dB at 500 kHz. A comparison of sound pressure levels measured experimentally and those predicted by the EDF-model shows for all tested emitter samples a relative error of less than ±6%. Thus, experimental results confirm the prediction of the EDF-model and show that the model can be applied for design and optimization of thermo-acoustic airborne ultrasound emitters.
Online-Strukturüberwachungssysteme sind eine Möglichkeit, den Anforderungen hinsichtlich Leichtbau und Zuverlässigkeit gleichzeitig gerecht zu werden. Die Integration solcher Systeme liefert aktuelle Informationen über die Integrität der sicherheitsrelevanten Struktur, wodurch sich Aussagen über notwendige Instandhaltungsarbeiten und möglicherweise über die zu erwartende Restlebensdauer ableiten lassen. Der zielgerichtete Einsatz der Überwachungssysteme ermöglicht es somit, die benötigten Sicherheitsfaktoren bei der Auslegung der Bauteile zu reduzieren und Wartungsintervalle zu verlängern. Dadurch können Kosten gesenkt werden, ohne die Zuverlässigkeit zu verringern. Im Rahmen einer Studie zur Machbarkeit eines Online-Überwachungssystems für Eisenbahn-Radsatzwellen wurde der Einsatz geführter Ultraschallwellen, die von Sensoren an einer Stirnseite der Wellen angeregt werden, demonstriert. Aufgrund der Bauteilgeometrie und der dispersiven, multimodalen Wellenausbreitung stellt die Interpretation der Echosignale eine wesentliche Herausforderung dar. Basierend auf dem a-priori-Wissen über die Wellenausbreitung wurden in der Studie klassifizierende Auswertealgorithmen entwickelt und erfolgreich an maßstabsgetreuen Labormodellen getestet.
Durch den Einsatz von faserverstärkten Kunststoffen und Multi-Material-Konstruktionen zur Gewichtsreduzierung erlangen Klebeverbindungen immer stärkere Bedeutung. Die Prüfung dieser Fügeverbindungen stellt neue Anforderungen an die zerstörungsfreie Prüfung. Hinzu kommt, dass die Zugänglichkeit häufig eingeschränkt und die Verwendung flüssiger Koppelmittel aufgrund konstruktiver oder fertigungstechnischer Gegebenheiten ausgeschlossen ist. Unter Berücksichtigung dieser Beschränkungen wurde ein Prüfverfahren entwickelt, das eine luftgekoppelte Anregung geführter Ultraschallwellen mit einer laserbasierten Detektion kombiniert. Nachdem das Prüfverfahren zunächst mit einer einfachen Signalauswertung im Zeitbereich getestet wurde, konnte in nachfolgenden Untersuchungen die örtliche Auflösung durch die Implementierung von Filteralgorithmen im Frequenz-Wellenzahl-Bereich und zusätzlich durch direktionale Filter erhöht werden. Das resultierende bildgebende Prüfverfahren wurde an realitätsnahen Klebeproben mit künstlichen Fehlern getestet. Die Zuverlässigkeit und Ortsauflösung des Verfahrens wurde im Vergleich mit herkömmlichen Prüfverfahren validiert. Mithilfe des Verfahrens können Poren, Einschlüsse und Bereiche mit ungenügender Verklebung detektiert werden.
In diesem Beitrag präsentieren wir innovative Methoden für die breitbandige und resonanzfreie Messung und Anregung von Ultraschall. Das Messverfahren verwendet eine Kunststofffolie und ein Laser-Vibrometer als breitbandigen und resonanzfreien Empfänger. Im Allgemeinen ermöglicht dieses Verfahren eine präzise Messung der Schallschnelle und des Schalldruckes in beliebigen, für das Laserlicht transparenten Flüssigkeiten und Gasen mit bekannter Dichte und Schallgeschwindigkeit. Das resonanzfreie Senden von Ultraschall basiert auf einem elektro-thermo-akustischen Wandlerprinzip und ermöglicht, im Gegensatz zu herkömmlichen Ultraschallwandlern, die Erzeugung von beliebig geformten akustischen Signalen ohne Resonanzen und ohne Nachschwingen.