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Airborne ultrasonic testing of lightweight, structured composite materials enables fast and contact-free non-destructive testing in aerospace and avoids material degradation due to contact with a coupling liquid. Established resonant air-coupled transducers consist of piezocomposite materials and several matching layers or more advanced materials like charged cellular polypropylene. The relaxation time and the specific frequency of such mechanical ultrasound emitters limit the spectrum of applications for each device. A short pulse length is key for reliable defect detection and each component at test can be best characterized at material- and geometry-specific frequencies. Here we show that focused thermoacoustic transducers are suited for testing lightweight, structured composite plates. Since the ultrasound is generated in air, these transducers show no resonance behavior and emit a broadband acoustic spectrum between 1.2 kHz and 1 MHz. Composite specimens of 3 mm to 9 mm thickness made of polylactide with a honeycomb structure were tested. Flat bottom holes were introduced to quantify the spatial resolution of the imaging method inside the strongly anisotropic specimen. As no broadband receivers are available yet, cellular polypropylene transducers were used as receivers, which limits the bandwidth of the method towards the bandwidth of the receiver. Nevertheless, we demonstrate the competitiveness of the thermoacoustic transducer compared to mechanical emitters at their respective resonance frequencies. Because a thermoacoustic transmitter features a nearly ideal pulse width, a single transmitter can be coupled with receivers with different resonance frequencies. With the development of broadband ultrasound receivers, air-coupled ultrasound spectroscopy will likely be possible in the near future. The analyzed transducer holds the potential to speed up testing during production and maintenance in aerospace and automotives. Its combination with a broadband receiver could also expand the application field of air-coupled ultrasonic testing from a qualitative error detection towards a quantitative, spatially resolved analysis of mechanical material properties.
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. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass diese Folien eine schichtdickenabhängige Sensitivität 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 mit einem breitbandig emittierenden, thermoakustischen Wandler umgesetzt werden, sodass pro Winkel eine Messung für die Berechnung der Übertragungsfunktion des Wandlers genügte. Quantifiziert wurden die Ergebnisse durch das einmalige Vermessen des Schallfeldes des Emitters mittels Laser-Doppler-Vibrometrie. 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.