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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.
Leichtbaustrukturen aus Verbundwerkstoffen stellen einen immer größeren Anteil im Flugzeug- und Automobilbau dar. Hiermit steigt die Nachfrage nach zuverlässigen, zerstörungsfreien Prüfmethoden, welche an solche Strukturen angepasst sind. Besonders Luftultraschall (LUS) eignet sich für diese Aufgabe, da hier kein Koppelmedium benötigt wird. Derzeit wird für diese Methode jedoch oft ein beidseitiger Bauteilzugang für eine Prüfung in Durchschallung vorausgesetzt. Handelsübliche Prüfköpfe für Luftultraschallanwendungen nutzen zudem meist Anpassschichten um den Impedanzunterschied zwischen Schwinger und Luft zu reduzieren. Sowohl Signal-Rausch-Abstand als auch die Bandbreite der resultieren-den Prüfköpfe ist für viele Anwendungen jedoch nicht ausreichend. Durch den Einsatz von Ferroelektreten wie zellulärem Polypropylen (zPP) kann hingegen vollständig auf Anpassschichten verzichtet werden. Hierbei handelt es sich um polarisierte, zelluläre Polymerschichten mit sehr geringer Dichte, Steifigkeit und Schallgeschwindigkeit.
In diesem Beitrag stellen wir drei verschiedene Sende-Empfangs-Prüfköpfe vor, welche auf zellulärem Polypropylen basieren. Anhand von Schallfeld, Signal-Rausch-Abstand und Sendepegel werden diese Prüfköpfe charakterisiert. Die Ergebnisse werden mit den Ergebnissen von Referenzprüfköpfen ohne Sende-Empfangs-Charakteristik verglichen. Bei den Referenzprüfköpfen werden sowohl handelsübliche LUS-Prüfköpfe, sowie bisher entwickelte Prüfköpfe aus zellulärem Polypropylen berücksichtigt.
Luftultraschall wird immer häufiger für die Prüfung von anisotropen Faserverbunden eingesetzt. Meistens wir in Durchschallung geprüft, aber bei der einseitigen Zugänglichkeit muss eine Art Tandemtechnik mit Anregung von geführten Wellen angewendet werden. Bei beiden Techniken ist der Signal-Rausch-Abstand wegen der niedrigen akustischen Impedanz der Luft deutlich kleiner als bei einer typischen Prüfung in Kontakttechnik. Bei der Tandemtechnik wird das Signal zusätzlich durch eine größere Divergenz und Dämpfung geschwächt. Deshalb ist es wichtig, die Anregung, Ausbreitung und Detektion von geführten Wellen in Faserverbunden zu verstehen. In diesem Beitrag wird ein Finite-Elemente-Modell für die Simulation von luftgekoppelter Anregung und Ausbreitung von geführten Wellen in Faserverbunden vorgestellt und mit Messungen verglichen. Insbesondere wurde die Wellenausbreitung und Modenkonversion in der Nähe von Schäden in mehreren Parameterstudien untersucht.
Im EMRP-Projekt VITCEA werden komplementäre ZFP-Verfahren zur Prüfung von Faserverbundwerkstoffen weiterentwickelt und validiert. In diesem Beitrag werden Ergebnisse verschiedener Techniken der aktiven Thermografie und des Ultraschalls vorgestellt. Die Nachweisempfindlichkeiten bezüglich künstlicher und natürlicher Fehler mit unterschiedlichen lateralen Ausdehnungen und in verschiedenen Tiefen werden miteinander verglichen.
Luftgekoppelte Ultraschallwandler werden für die bildgebende Prüfung von Klebeverbindungen und Verbundwerkstoffen eingesetzt. Nach dem heutigen Stand der Technik wird die Prüfung in Durchschallung durchgeführt, d.h. der Prüfling befindet sich zwischen dem Sender und dem Empfänger. Allerdings erlauben komplexere Strukturen wie z.B. Teile einer PKW-Karosserie, nur einen einseitigen Zugang. Für die Prüfung solcher Bauteile sind Wandler von hoher Bandbreite von Vorteil. Thermoakustische Wechselwirkung, wobei thermische Energie einer elektrisch geheizten Elektrode in akustische umgewandelt wird, öffnet die Möglichkeit, extrem breitbandige Pulse zu erzeugen.
In unserem Beitrag werden verschiedene thermoakustische Sender vorgestellt. Die meisten bestehen aus einer elektrisch leitenden Schicht auf einem festen Substrat. Der erste Typ ist ein Sender mit einer Elektrode aus Indium-Zinn-Oxid auf Glas-Substrat kombiniert mit einem Laser-Doppler-Vibrometer als Empfänger. Diese Kombination ermöglicht extrem breitbandige Signale. Der zweite Typ kombiniert thermoakustische Emission mit piezoelektrischem Empfang. Dieser Typ besteht aus einer Titan-Elektrode auf geladenem zellulärem Polypropylen, das als piezoelektrischer Empfänger dient. Zelluläres Polypropylen ist mit einem Elastizitätsmodul von ca. 1 MPa bei 250 kHz an die Luft sehr gut angepasst. Der dritte Wandlertyp ist ein Wandler mit elektrostatischen Gasentladung unter Atmosphärendruck.
Mit dem fokussierenden thermoakustischen Sender (Typ 1) und einem Polypropylen-Empfänger ist eine Durchschallung einer 4 mm dicken Platte aus carbonfaserverstärktem Kunststoff gelungen. Künstliche Delaminationen mit der Größe 1 mm wurden detektiert. Derselbe Sender kombiniert mit einem Laser-Doppler-Vibrometer als Empfänger wurden für die Prüfung von einem Testkörper aus PMMA mit einseitigem Zugang eingesetzt. Der Wandler bestehend aus einem thermoakustischen Sender auf einem Polypropylen-Empfänger (Typ 2) wurde für die Profilvermessung eines Stufenkeils eingesetzt. Dabei wurden Flachbodenbohrungen mit einem Durchmesser 1 mm abgebildet. Mit diesen beiden Sendern wurde ein Schalldruckpegel über 140dB im Fokus gemessen. Der Wandler mit der Funkenentladung (Typ 3) wurde für die Charakterisierung von Luftultraschallwandlern eingesetzt. Auf Basis dieses Entladungstyps wurde ein Schalldruckpegel über 160dB an einem Abstand von 150 mm gemessen, was deutlich über dem Schallpegel aller bekannten Luftultraschall-Wandler liegt. Die größte Bandbreite von deutlich über 100% der Mittenfrequenz wurde mit dem Wandler Typ 1 erreicht. So große Bandbreiten ermöglichen neue Anwendungen für Luftultraschallwandler, insbesondere wenn kombiniert mit Signalverarbeitungsalgorithmen.
In diesem Vortrag wurde eine Übersicht über die aktuelle Forschung im Gebiet des Luftultraschalls gegeben. Insbesondere wurden Luftultraschall-Wandler vorgestellt, die nicht wie marktübliche Wandler auf Basis von Piezokeramik gebaut werden, sondern auf anderen Prinzipien basieren. Ferroelektret-Wandler und thermoakustische Wandler werden vorgestellt, sowie Wandler, die auf einer Kombination von diesen zwei Prinzipien basieren.