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Im Forschungsvorhaben PALUP werden luftgekoppelte Phased-Array-Sender und -Empfänger entwickelt. Die Wandler basieren auf geladenen zellulären Polymeren, auch Ferroelektrete genannt, die piezoelektrische Eigenschaften und eine sehr geringe spezifische akustische Impedanz aufweisen, womit sie sich für den Bau von luftgekoppelten Ultraschallwandlern sehr gut eignen.
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.
Die physikalische Komplexität der Gasentladungen führt zu vielen Möglichkeiten für die Interaktion der Entladung mit ihrer Umgebung. Zu den typischen Anwendungen zählen Modifikationen der Materialoberflächen und Erzeugung von Ionen für Massenspektroskopie. Atmosphärendruckplasma generiert eine große Menge thermischer Energie wegen der Kollisionen in der Plasmarandschicht. Eine rasche Temperaturänderung kann in dem umgebenden Gas eine akustische Welle erzeugen, wie beim Blitz und Donner, was als thermoakustischer Effekt bekannt ist. Außerdem kann auch die Bewegung der Ladungsträger im elektrischen Feld, bekannt als ionischer Wind, eine akustische Welle erzeugen.
In diesem Beitrag werden Versuche mit akustischer Emission von Plasma bei dielektrischer Oberflächenentladung und bei Mikrohohlkathoden dargestellt. Es werden auch mögliche Anwendungen für Plasmadiagnostik, sowie für den Bau von Schallwandlern für den Hör- und Ultraschallbereich präsentiert. Verglichen mit anderen Methoden der Schallerzeugung, hat die thermoakustische Anregung den Vorteil, dass sie auch ohne eine schwingende Masse auskommt, womit eine große Bandbreite erreicht wird, sowie den Vorteil einer guten Anpassung der akustischen Impedanz.
Um den sicheren Betrieb von Windkraftanlagen zu gewährleisten, werden Rotorblätter nach der Fertigung und nach Reparatur mit verschiedenen zerstörungsfreien Verfahren auf Schaden untersucht. Bei der Fertigung von Blattschalen, die in einer Sandwich-Schalenbauweise gefertigt werden, entstehen Imperfektionen, die unter Belastung zu großen Rissen führen können. Zur Prüfung von Blattschalen wird unter anderem Ultraschallprüfung in Kontakttechnik eingesetzt. Um den Wartungsaufwand von Ultraschallanlagen zu reduzieren und um manche Kompositstrukturen vor Koppelmittel zu schützen, wird die Anwendung von Luftultraschall erforscht. Insbesondere große Fortschritte gibt es im Bereich der Entwicklung neuer Wandler.
In diesem Beitrag berichten wir über die Luftultraschallprüfung von Schalen für Rotorblätter. Es wurden typische Sandwichschalenstrukturen hergestellt und mit einem eigenentwickelten Schalenprüfstand unter simulierter Betriebsbeanspruchung belastet. Die in den Schalenprüfkörpern entstandenen Schäden wurden außerhalb des Prüfstandes mit Luftultraschall in Durchschallung untersucht. Es wurden fokussierende Wandler auf Basis von Ferroelektreten entwickelt und für diese Prüfungen eingesetzt. Mit zusätzlicher elektrischer Vorspannung konnte die Empfindlichkeit der Empfänger deutlich erhöht werden. Die nach dem Lastwechsel entstandenen Schäden in den Rotorblattschalen waren eindeutig zu detektieren.
Der immer steigende Bedarf nach Prüfungsverfahren von Verbundwerkstoffen eröffnet die Möglichkeit von Prüfverfahren mittels luftgekoppelten Ultraschalls. Die Steigerung der Empfindlichkeit der Luftultraschall-Wandler erhöht deren Einsatzbereich. Die größte Herausforderung des Verfahrens stellt die Impedanzanpassung an die Luft dar. Ende der 1990er Jahre entdeckte man in Ferroelektreten (geladenen zellulären Polymeren) das Potential zur Lösung dieser Problematik. Geladenes zelluläres Polypropylen, mit einer geringen akustischen Impedanz als bei den meist verwendeten piezoelektrischen Materialien, bietet eine deutlich bessere Anpassung an die Luft. Sein piezoelektrisches Verhalten mit einem piezoelektrischen Koeffizient d33 von 200-800 pm/V ähnelt dem von piezoelektrischen Keramiken. Grund für dieses Verhalten sind die polarisierten Zellen, die eine permanente Ladung erzeugen. Die permanente Ladung erzeugt ein starkes elektrisches Feld in der Folie.
Eine auf die Oberfläche einwirkende Kraft staucht die Zellen, wodurch sich die eingeschlossenen Ladungsträger im Verhältnis zueinander bewegen. Durch diese Potential- Verschiebung entsteht eine Ladung auf der Oberfläche. Mit angelegter Vorspannung kann die Empfindlichkeit des Wandlers kontrolliert werden, indem die vorgegebene Polarisierung temporär unterstützt oder reduziert wird. In diesem Beitrag ist die Entwicklung eines Ultraschallempfängers aus geladenem zellulärem Polypropylen mit Anwendung der Vorspannung dargestellt. Eine Verbesserung des Signal-Rausch-Abstands bei der Durchschallung eines Testkörpers um 12-15 dB wurde erreicht.