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- Air coupled ultrasonics (1)
- Characterization of ultrasonic measurement systems (1)
- Charakterisierung von Ultraschallmesssystemen (1)
- Energy density fluctuation (1)
- GMR-sensors arrays (1)
- Matrix arrays (1)
- Resonance-free ultrasound emitter (1)
- Thermal inertia (1)
- Thermal sound generation (1)
- Thermo acoustical transducers (1)
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.
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.
In unserem Beitrag präsentieren wir ein verallgemeinertes physikalisches Modell der thermischen Schallerzeugung. Im Gegensatz zur existierenden analytischen Näherungen erlaubt es eine exakte analytische Vorhersage des thermisch generierten Schalldrucks in Fluiden und Festkörpern, berücksichtigt die akustischen Nahefeld- und Schallschwächungseffekte und ist anwendbar für beliebige thermische Energiequellen, wie stromdurchflossene elektrische Leiter aber auch chemische Reaktionen, Plasmabrennen oder Laseranregung. Zur Verifikation des Modells vergleichen wir die analytischen Ergebnisse mit experimentellen Schalldruckmessungen an thermo-akustischen Emittern in Luft in einem Frequenzband von 4 kHz bis 1 MHz. Zusätzlich wurde die Effizienz der Wandler mit der von konventionellen piezoelektrischen Luftultraschallwandlern verglichen. Da die Schallerzeugung ohne mechanisch bewegliche Komponenten auskommt, arbeiten die thermo-akustischen Emitter resonanzfrei. Somit ist es möglich, beliebig geformte Schallsignale exakt und frei von Nachschwingen zu erzeugen. Thermo-akustische Schallemitter haben damit das Potenzial für eine breite Anwendung in der angewandten Akustik als leistungsfähige und resonanzfreie Schallsender mit einer Bandbreite bis in den Subgigahertz-Bereich.
NDT is a multidisciplinary research area fusing the disciplines of natural Science and engineering. Particularly in the early development stages of a new testing method, feasibility investigations focus on the fundamental physical interaction between the sensing mechanism and specimen. Research activities during subsequent phases of modular prototype development, technical System Integration and Validation primarily attempt to solve the practical engineering and real-life aspects of a testing method. We show several examples of new methods in different stages of development and highlight the potential for further industrial use. The first section deals with Steel surfaces of lightweight components which are
inspected with pm-sized magneto resistive sensor arrays. This quantitative magnetic stray field approach combines high spatial resolution and very high sensitivity, enabling the user to detect even very small micro-defects. Tuming to CFRP components we also show new developments in airbome ultrasonic testing. Here we use ferroelectret foils to reduce the acoustical mismatch between transducer and air, which enhances the signal-to-noise ratio. A further example illuminates the use of metallic nano layers as a broadband thermo acoustical emitter. Their use provides both high sound pressures and very broadband Signal characteristics. When it comes to CFRP components and other anisotropic and highly Scattering materials, ultrasonic matrix arrays in conjunction with many angles of incidences per transducer position can help to enhance the statistics of a testing problem. In the field of conventional water-coupled UT testing we also show the use of matrix array transducers
providing a tomographic-like 3D-image of impact damage in CFRP samples.