8 Zerstörungsfreie Prüfung
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Zur Simulation des Schallfeldes von beliebig geformten konventionellen Schallquellen existieren viele Ansätze (EFIT, GPSS). Sie alle basieren auf der Annahme eines monochromatischen akustischen Signals, was meist eine gültige Annäherung darstellt. Allerdings sind bei thermoakustischen Quellen aufgrund ihrer Funktionsweise und der hohen Bandbreite viele der existierenden Ansätze nicht direkt anwendbar und können Beobachtungen bei der Vermessung von thermoakustischen Wandlern nicht vollständig abbilden und erklären.
In diesem Beitrag wurde die bekannte Methode der generalisierten Punktquellensynthese (GPSS) für die Berechnung von Schallfeldern von thermoakustischen Schallquellen angewendet. Dabei gehen zahlreiche Parameter wie die Dicke und Geometrie der leitfähigen Schicht, Krümmung des Substrats, sowie die Signalform der Anregung in die Simulation ein. Neu an dem präsentierten Ansatz ist die Abweichung von der üblichen monochromatischen Annäherung und die Berücksichtigung der großen Bandbreite von thermoakustischen Wandlern. Für die Validierung der Simulationen wurden Schallfelder von Quellen mit bekannter Anregung und Geometrie breitbandig durch ein optisches Mikrofon vermessen.
Seit Jahren stellt die luftgekoppelte Ultraschallprüfung eine etablierte Alternative zur konventionellen Prüfung von Leichtbaukomponenten aus den Bereichen Luft- und Raumfahrt sowie Automotive dar. Im Gegenteil zur flüssigkeitsgekoppelten Prüfung in Kontakt oder im Tauchbecken ist sie weniger invasiv und bietet daher zeitliche und finanzielle Anreize.
Normalerweise wird die luftgekoppelte Prüfung mit Einzelelementschwingern in Durchschallung realisiert, wohingegen die Gruppenstrahlertechnik bereits Industriestandard im Bereich der Kontakttechnik darstellt. Die damit verbundenen Vorteile wie die aktive Fokussierung oder, die gezielte Manipulation des Einschallwinkels zur Anregung von geführten Wellen, finden im Bereich der luftgekoppelten Prüfung dabei noch wenig Anwendung.
Im Rahmen dieses Beitrags stellen wir die ersten Zwischenergebnisse des geförderten Projektes „PALUP – Phased- Array-Technik für Luftultraschall-Prüfungen“ vor. Ziel des Projektes ist die Entwicklung von Mehrelementschwingern auf Basis von zellulären Kunststoffen, die Entwicklung einer dedizierten Pulserstufe im Kilovoltbereich, sowie die nötige rauscharme messtechnische Auswertung jedes Einzelelements.
Zur Simulation des Schallfeldes von beliebig geformten konventionellen Schallquellen existieren viele Ansätze (EFIT, GPSS). Sie alle basieren auf der Annahme eines monochromatischen akustischen Signals, was meist eine gültige Annäherung darstellt. Allerdings sind bei thermoakustischen Quellen aufgrund ihrer Funktionsweise und der hohen Bandbreite viele der existierenden Ansätze nicht direkt anwendbar und können Beobachtungen bei der Vermessung von thermoakustischen Wandlern nicht vollständig abbilden und erklären.
In diesem Beitrag wurde die bekannte Methode der generalisierten Punktquellensynthese (GPSS) für die Berechnung von Schallfeldern von thermoakustischen Schallquellen angewendet. Dabei gehen zahlreiche Parameter wie die Dicke und Geometrie der leitfähigen Schicht, Krümmung des Substrats, sowie die Signalform der Anregung in die Simulation ein. Neu an dem präsentierten Ansatz ist die Abweichung von der üblichen monochromatischen Annäherung und die Berücksichtigung der großen Bandbreite von thermoakustischen Wandlern. Für die Validierung der Simulationen wurden Schallfelder von Quellen mit bekannter Anregung und Geometrie breitbandig durch ein optisches Mikrofon vermessen.
Seit Jahren stellt die luftgekoppelte Ultraschallprüfung eine etablierte Alternative zur konventionellen Prüfung von Leichtbaukomponenten aus den Bereichen Luft- und Raumfahrt sowie Automotive dar. Im Gegenteil zur flüssigkeitsgekoppelten Prüfung in Kontakt oder im Tauchbecken ist sie weniger invasiv und bietet daher zeitliche und finanzielle Anreize.
Normalerweise wird die luftgekoppelte Prüfung mit Einzelelementschwingern in Durchschallung realisiert, wohingegen die Gruppenstrahlertechnik bereits Industriestandard im Bereich der Kontakttechnik darstellt. Die damit verbundenen Vorteile wie die aktive Fokussierung oder, die gezielte Manipulation des Einschallwinkels zur Anregung von geführten Wellen, finden im Bereich der luftgekoppelten Prüfung dabei noch wenig Anwendung.
Im Rahmen dieses Beitrags stellen wir die ersten Zwischenergebnisse des geförderten Projektes „PALUP – Phased- Array-Technik für Luftultraschall-Prüfungen“ vor. Ziel des Projektes ist die Entwicklung von Mehrelementschwingern auf Basis von zellulären Kunststoffen, die Entwicklung einer dedizierten Pulserstufe im Kilovoltbereich, sowie die nötige rauscharme messtechnische Auswertung jedes Einzelelements.
Zur Charakterisierung von Ultraschallwandlern finden unterschiedliche Methoden und Verfahren Anwendung. Während sich die ISO 22232:2021 verstärkt auf die Charakterisierung von Kontakt- und Tauchtechnikprüfköpfen konzentriert, wird über eine einheitliche Charakterisierung von luftgekoppelten Wandlern noch diskutiert. Durch die unterschiedlichen Herangehensweisen beinhalten Prüfkopf-Datenblätter oft unterschiedliche Prüfkopfparameter und Schallfeldgrößen, was einen direkten Vergleich und eine Applikation im Feld erschwert. So werden bspw. Wandler nach ISO 22232:2021 standardmäßig im Impuls-Echo-Betrieb charakterisiert. Allerdings ist dies nicht auf die in den letzten Jahren entwickelten luftgekoppelten Wandlertechnologien übertragbar, die nur als Sender oder als Empfänger einsetzbar sind. Daher arbeiten aktuell Hersteller, Forschungseinrichtungen und Anwender gemeinsam im Rahmen des Unterausschusses „Luftgekoppelte Ultraschallprüfung“ der DGZfP an der Erstellung einer Richtlinie. Diese Richtlinie stellt dabei den Anspruch dar, die bestehende Normung um die luftgekoppelte Prüfung zu erweitern und somit die Vereinheitlichung der Charakterisierung dieser Wandler zu erleichtern.
In diesem Beitrag werden daher verschiedene Methoden der Schallfeldvermessung vorgestellt, untereinander verglichen und ihre Grenzen beschrieben. Abschließend wird auf die besonders herausfordernde Charakterisierung von und mit breitbandigen luftgekoppelten Sendern und Empfängern eingegangen.
Während in einem konventionellen Ultraschallprüfkopf ein Kunststoffdämpfungskörper mit Kleber oder Öl an einen Piezoschwinger angekoppelt ist, werden als Hochtemperaturlösung feinporöse sintermetallische Dämpfungsmaterialien mit einer Flüssigglasankopplung eingesetzt. Um dabei das Sintermetall vor dem korrosiven Angriff der Glasschmelze zu schützten, wird am Dämpfungskörper gegenwärtig Gold- oder Platinfolie zeit- und kostenaufwendig appliziert.
In der aktuellen Arbeit wurde eine Methode zum Korrosionsschutz der sintermetallischen Oberfläche aus rostfreiem Stahl mittels Laser-Pulverauftragschweißen entwickelt. Im Laufe einer Schweißparameterstudie auf dem Substratmaterial aus massivem rostfreiem Stahl wurde die Eignung unterschiedlicher Auftragsmaterialien auf Nickel- und Kobaltbasis untersucht. Dabei wurde zunächst der Einfluss verschiedener Schweißparameter wie Laserleistung, Vorschubgeschwindigkeit und Pulvermenge auf die Auftragsqualität (Nahtform, Vermischungsgrad, Porosität) metallografisch bewertet. Anschließend wurden die aufgetragenen Schichten hinsichtlich ihrer Korrosionsbeständigkeit getestet. Der Kontakt mit einer flüssigen Glasmischung bei 500 °C hat bei keiner der beschichteten Proben sichtbare Korrosionswirkung gezeigt. Als Resultat der Schweißparameterstudie haben sich besonders die nickelbasierten Pulver als gut geeignete Materialien für den Prozess gezeigt. Die identifizierten Schweißparameter wurden im nächsten Schritt erfolgreich an das sintermetallische Substrat angepasst.
Mit dem steigenden Einsatz der luftgekoppelten Ultraschallprüfung steigt auch der Bedarf an verlässlichen Methoden der Charakterisierung der eingesetzten Technik. Mehrere unterschiedliche Verfahren zur Charakterisierung von luftgekoppelten Wandlern und der entsprechenden Gerätetechnik werden verwendet. Prüfkopf-Datenblätter verschiedener Hersteller beinhalten unterschiedliche Prüfkopfparameter, wobei oft eigene Verfahren für die Charakterisierung dieser Prüfköpfe verwendet werden. Diese Vielfalt der Parameter und Verfahren erschwert den potenziellen Kunden den Vergleich zwischen den Prüfköpfen unterschiedlicher Hersteller. Daraus ergibt sich der Bedarf, die Verfahren zur Charakterisierung von luftgekoppelten Ultraschallwandlern zu standardisieren.
Vorrangig diese Überlegungen bewegten Hersteller von luftgekoppelten Ultraschallwandlern, Forschungseinrichtungen und Anwender sich zu vernetzen und im Rahmen des Fachausschusses „Ultraschall“ den Unterausschuss „Luftgekoppelte Ultraschallprüfung“ zu gründen. Als erstes Ziel hat sich der Unterausschuss die Erarbeitung einer Richtlinie zur Charakterisierung von luftgekoppelten Ultraschallwandlern gesetzt.
Dieser Beitrag ist ein Überblick über viele Methoden zur Charakterisierung von luftgekoppelten Ultraschallwandlern, mit dem Schwerpunkt auf der akustischen Charakterisierung. Zu den wichtigsten Wandlerparametern gehören Empfindlichkeit, Mittenfrequenz, Bandbreite, Fokusgröße und Fokusabstand. Verschiedene Methoden der Schallfeldvermessung werden untereinander verglichen. Diese Überlegungen bieten den Ausgangspunkt für spätere Arbeit an einer Richtlinie zur Charakterisierung von luftgekoppelten Ultraschallwandlern.
Luftultraschall
(2020)
Die Bildgebung oder Analyse von Materialien mittels luftgekoppelten Ultraschalls profitiert von einer hohen Geschwindigkeit, Flexibilität und Materialschonung des assoziierten Verfahrens. Die Luftankopplung hat jedoch den wesentlichen Nachteil, dass die auftretenden Impedanzsprünge an Grenzflächen zu enormen Verlusten in den Signalamplituden führen. Ultraschallwandler, die laut genug senden und sensitiv genug empfangen, um die geringen Signalamplituden noch auswerten zu können, sind somit zentraler Gegenstand der aktuellen Forschung und Entwicklung. Vielversprechende Wandlertypen sind piezokeramische Wandler, Elektretwandler, aber auch passive, breitbandige Ultraschallempfänger, wie optische Mikrophone. Die quantitative Charakterisierung der Sensitivitäten solcher Wandler wird oft vernachlässigt, da kein simples, universelles Verfahren zur Verfügung steht. In diesem Beitrag geht es um die Methodik der Charakterisierung von Luftultraschallwandlern mittels thermoakustischer Ultraschallsender. Thermoakustische Wandler erzeugen Ultraschall durch das schnelle heizen eines finiten Volumens an Luft vor dem Wandler. Die erhöhte interne Energie führt zu einer Druckänderung, welche sich als akustische Welle fortpflanzen kann. Da keine mechanische Volumenarbeit vom Wandler erbracht wird, funktioniert das Verfahren resonanzfrei.
Die Charakterisierung wird am Beispiel von Elektretwandlern durchgeführt. Elektretwandler sind sensitive und immer verschleißresistentere Schallwandler, wodurch sie verbreitet Einsatz im Hör- und Ultraschallbereich finden. Geladene, zelluläre Polypropylen-Folien eignen sich besonders gut als Wandlermaterial aufgrund ihrer, verglichen mit Piezokompositen, hundertfach niedrigeren akustischen Impedanz bei gleichem piezoelektrischem Koeffizienten. Doch das winkel- und frequenzabhängige Verhalten der Wandler ist kaum untersucht und wenig quantifiziert. Es wird gezeigt, dass diese Folien eine schichtdickenabhängige Sensitivität in Größenordnungen zwischen 0.1 mV/Pa und 10 mV/Pa aufwiesen. Ein Maximum in der Sensitivität fand sich nahe ihrer mechanischen Resonanzfrequenz im Ultraschallbereich, aber auch im niederfrequenten Hörschallbereich. Darüber hinaus konnte die Winkelabhängigkeit der Sensitivität charakterisiert werden. Die Analyse konnte dabei zeiteffizient gestaltet werden, da pro Winkel eine Messung für die Berechnung der Übertragungsfunktion des Wandlers genügte. Quantifiziert wurden die Ergebnisse durch das einmalige Vermessen des Emitters mittels Laser-Doppler-Vibrometrie (LDV). Mit den erzielten Ergebnissen wurde zum einen das komplexe Sensitivitätsverhalten der Wandler untersucht, aber auch eine grundlegende Methodik aufgezeigt, wie Wandler quantitativ, multivariat charakterisiert werden können. Winkel- und frequenzaufgelöste Sensitivitäten erlauben zum einen die Analyse der Anwendbarkeit der Wandler für sämtliche Einsatzgebiete, zum anderen stehen so Rückschlüsse über die mechanische Dynamik von Elektretfolien in Aussicht, da deren Sensitivität direkt mit ihrem Elastizitätsmodul skaliert.