Wissenschaftliche Artikel der BAM
Development of an Accurate and Robust Air-Coupled Ultrasonic Time-of-Flight Measurement Technique
(2022)
Ultrasonic time-of-flight (ToF) measurements enable the non-destructive characterization of material parameters as well as the reconstruction of scatterers inside a specimen. The time-consuming and potentially damaging procedure of applying a liquid couplant between specimen and transducer can be avoided by using air-coupled ultrasound. However, to obtain accurate ToF results, the waveform and travel time of the acoustic signal through the air, which are influenced by the ambient conditions, need to be considered. The placement of microphones as signal receivers is restricted to locations where they do not affect the sound field. This study presents a novel method for in-air ranging and ToF determination that is non-invasive and robust to changing ambient conditions or waveform variations. The in-air travel time was determined by utilizing the azimuthal directivity of a laser Doppler vibrometer operated in refracto-vibrometry (RV) mode. The time of entry of the acoustic signal was determined using the autocorrelation of the RV signal. The same signal was further used as a reference for determining the ToF through the specimen in transmission mode via cross-correlation. The derived signal processing procedure was verified in experiments on a polyamide specimen. Here, a ranging accuracy of <0.1 mm and a transmission ToF accuracy of 0.3μs were achieved. Thus, the proposed method enables fast and accurate non-invasive ToF measurements that do not require knowledge about transducer characteristics or ambient conditions.
Entwicklung eines luftgekoppelten Ultraschall-Echo-Prüfverfahrens mittels fluidischer Anregung
(2019)
In vielen technischen Bereichen werden Ultraschallverfahren zur zer-störungsfreien Werkstoffprüfung eingesetzt. Dabei wird ein Schallpuls von einem Prüfkopf in ein Prüfobjekt eingebracht. Der Puls kann unter anderem durch Membra-nen oder Piezoelemente erzeugt werden und wird in der Regel durch direkten Kontakt oder über ein Koppelmittel an das Objekt übertragen. Luftgekoppelter Ultraschall spielt in kommerziellen Anwendungen bisher eine untergeordnete Rolle, da die Dif-ferenz der akustischen Impedanzen von Luft und Festkörpern immense Verluste beim Übergang des Schallsignals hervorruft.
In diesem Beitrag soll ein neuartiges Anregungsprinzip vorgestellt werden, mit dem ein Großteil dieser Verluste vermieden wird. Anstelle eines Festkörpers soll mit Hilfe einer fluidischen Düse Druckluft zur Signalerzeugung eingesetzt werden. In die-ser Düse wird eine selbsterhaltende Strömungsinstabilität erzeugt, die einen Schall-puls von bis zu 100 kHz hervorruft, sodass der Impedanzverlust in die Umgebungsluft entfällt. Da die charakteristische Frequenz eines fluidisch generierten Pulses maßgeb-lich von der Bauform der Düse und dem anliegenden Druck abhängt, lässt sich mittels einer geeigneten Strömungsregelung ein breiter Frequenzbereich zur Abtastung nut-zen. Die so emittierten Pulse werden auf das Prüfobjekt gerichtet und die reflektierten Signale mit einem Laservibrometer an der Oberfläche des Objekts im Echo-Verfahren abgetastet. Von drei signalmindernden Materialübergängen bei gewöhnlichem luftge-koppeltem Ultraschall bleibt in dem hier vorgeschlagenen Messystem lediglich die Grenzfläche von Luft zu Prüfkörper, sodass eine höhere Signalausbeute als bisher er-wartet werden kann.