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- 8 Zerstörungsfreie Prüfung (17) (entfernen)
Air-coupled ultrasound (ACU) is increasingly used for automated and contactless inspection of large-scale composite structures as well as for non-destructive testing (NDT) of water-sensitive or porous materials. The major challenge to overcome using ACU in NDT is the enormous loss of ultrasonic energy at each solid-air interface caused by the high acoustic impedance mismatch. Resonant low-frequency piezoceramic transducers are specially designed to achieve high sound pressure levels. For an expanded use of this technique, however, the spatial resolution needs to be increased.
Recent studies of our collaborative research group demonstrated the successful application of a resonance-free, highly sensitive receiver that uses a Fabry-Pérot etalon instead of piezoceramic materials or membranes. However, to reach the full potential of this broadband small-aperture optical microphone, novel transmitter concepts have to be developed and evaluated for advanced NDT applications.
Different types of transmitter were tested in combination with the optical microphone acting as receiver and they were compared to conventional piezoceramic transducers in through-transmission mode. Monolithic carbon fiber-reinforced plastics (CFRP) and CFRP sandwich structures containing different defect types were inspected. Presented results are processed as C-scan images and further evaluated for spatial resolution, signal-to-noise ratio and sensitivity of each measurement setup. Novel transmitter concepts, such as ferroelectret and thermoacoustic emitters, show promising findings with a considerably improved time and spatial resolution for ACU-NDT.
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.
Common air-coupled transducers for non-destructive testing consist of a piezocomposite material and several matching layers. Better acoustical matching to air is achieved by transducers based on charged cellular polypropylene (PP). This material has about hundred times lower acoustic impedance than any piezocomposite, having about the same piezoelectric coefficient. The piezoelectric properties of cellular PP are caused by the polarization of air cells. Alternatively, a ferroelectret receiver can be understood as a capacitive microphone with internal polarization creating permanent internal voltage. The sensitivity of the receiver can be increased by applying additional bias voltage. We present an ultrasonic receiver based on cellular PP including a high-voltage module providing bias voltage up to 2 kV. The application of bias voltage increased the signal by 12 to 15 dB with only 1 dB increase of the noise.
This receiver was combined with a cellular PP transmitter in through transmission to inspect several test specimens consisting of glass-fiber-reinforced polymer face sheets and a porous closed-cell PVC core. These test specimens were inspected before and after load. Fatigue cracks in the porous PVC core and some fatigue damage in the face sheets were detected. These test specimens were originally developed to emulate a rotor blade segment of a wind power plant. Similar composite materials are used in lightweight aircrafts for the general aviation. The other inspected test specimen was a composite consisted of glass-fiber-reinforced polymer face sheets and a wooden core. The structure of the wooden core could be detected only with cellular PP transducers, while commercial air-coupled transducers lacked the necessary sensitivity. Measured on a 4-mm thick carbon-fiber-reinforced polymer plate, cellular PP transducers with additional bias voltage achieved a 32 dB higher signal-to-noise ratio than commercial air-coupled transducers.
Air-coupled ultrasonic testing (ACUT) has experienced rapid growth within the last years. It is especially well suited to inspection of lightweight structures consisting of composite materials and adhesive joints. Uniform coupling and easy maintenance are its advantages compared to contact technique. However, the impedance mismatch between the transducer and air poses a major challenge to the development of ACUT transducers. Commercially available air-coupled transducers consist of a piezocomposite material and matching layers. Their fabrication is difficult in handling and their signal-to-noise ratio sometimes not sufficient for various testing requirements. However, there are several innovative approaches using other materials and other physical principles to transmit and receive an ultrasonic pulse. We present a review of the latest advances in research on air-coupled transducers for non-destructive testing, including previously unpublished results. We recognize two major directions as most promising: ferroelectrets and thermoacoustic transducers. Ferroelectrets are charged cellular polymers exhibiting piezoelectric properties. Their small acoustic impedance is matched to air better than matching layers applied in conventional air-coupled transducers. Applying bias voltage to a ferroelectret receiver is the latest development in this field, which increased the received signal by 12 to 15 dB. Thermoacoustic transducers use heat to initiate an ultrasonic wave, acting as transmitters. The working principle is known from nature as thunder and lightning: thermal energy of an electrically heated material, which can also be air, is converted into acoustic energy. Some thermoacoustic transmitters consist of a conductive layer with a thickness in the nanometer range deposited on a solid substrate. Another possibility is to use an electric spark. For the first time, measurements of the sound field of an electric spark up to 500 kHz were performed. Thermoacoustic transducers enable excitation of extremely broadband pulses while producing high pressure levels, which opens new possibilities for advanced signal processing.
Phased-Array-Prüfköpfe für luftgekoppelte Ultraschallprüfung auf Basis von zellulären Kunststoffen
(2023)
Luftgekoppelte Ultraschallprüfung setzt sich immer häufiger gegen die konventionelle Ultraschallprüfung von Leichtbaukomponenten durch, und zwar in vielen Industriezweigen von der Holzindustrie bis zur Luftfahrt. Während die Phased-Array-Technik mittlerweile zu dem industriellen Standard im Bereich der Prüfung mit Ankopplung gehört, wird luftgekoppelte Ultraschallprüfung meist mit zwei Wandlern in Durchschallung durchgeführt. Deswegen werden Vorteile der Phased-Array-Technik wie beispielsweise elektronische Fokussierung oder Schwenkung des Einschallwinkels für luftgekoppelte Prüfung selten genutzt.
In diesem Beitrag werden die laufenden Arbeiten an der Entwicklung eines neuen Phased-Array-Geräts vorgestellt, mit dem Schwerpunkt an der Charakterisierung der Prüfköpfe und ihrer Schallfelder. Das Gerät besteht aus einem linearen Phased-Array-Prüfkopf, einer Sende- und einer Empfangseinheit. Die Hauptinnovation unserer Arbeit ist die Anwendung von zellulären Kunststoffen für den Bau eines Arrays, wobei der Sender mit Hochspannung von ca. 1500 V angeregt wird. Geladene zelluläre Polymere werden auch Ferroelektrete oder Piezoelektrete genannt. Sie weisen ein sehr niedriges Elastizitätsmodul und dadurch eine niedrige akustische Impedanz auf, so dass auf den Einbau von Anpassschichten verzichtet werden kann.
Eine sehr niedrige mechanische Kreuzkopplung bei Ferroelektreten ermöglicht eine unabhängige Anregung einzelner Elemente, was bei Piezokompositen deutlich schwieriger wäre. Die Entwicklung der Array-Prüfköpfe wurde durch Berechnungen des Schallfeldes unterstützt, die auf Punktquellensynthese basieren. Die beabsichtigte Anwendung von Phased-Array-Prüfköpfen und des Prüfsystems sind die Durchschallung mit Fokussierung, elektronischer Scan und die Schwenkung des Einschallwinkels zur Anregung von geführten Wellen, angewandt an carbonfaserverstärkten Kunststoffen und ähnlichen Materialien. Die Anwendung von geführten Wellen bietet die Perspektive, Bauteile mit einseitiger Zugänglichkeit zu prüfen.
Zur Charakterisierung von luftgekoppelten Ultraschallwandlern werden mehrere verschiedene Methoden und Verfahren angewendet. Durch die unterschiedlichen Herangehensweisen werden oft unterschiedliche Prüfkopfpara-meter und Schallfeldgrößen ermittelt, was einen direkten Vergleich von Datenblättern erschwert. Für die Charakterisierung von Kontakt- und Tauchtechnikprüfköpfen hat sich ISO 22232-2:2021 bereits etabliert, allerdings ist diese Norm nicht auf die luftgekoppelten Wandlertechnologien direkt übertragbar. Daher erkannten Hersteller, Forschungseinrichtungen und Anwender den Bedarf an einer Richtlinie zur einheitlichen Charakterisierung von luftgekoppelten Wandlern. Gemeinsam arbeiten sie aktuell im Rahmen des Unterausschusses „Luftgekoppelte Ultraschallprüfung“ der DGZfP an der Erstellung einer solcher Richtlinie mit dem Anspruch, die bestehende Normung um die luftgekoppelte Prüfung zu erweitern und somit die Vereinheitlichung der Charakterisierung dieser Wandler zu erleichtern.
In diesem Beitrag wird ein Überblick über den geplanten Inhalt der Richtlinie und über die Methoden zur akustischen Charakterisierung von luftgekoppelten Ultraschallwandlern gegeben. Insbesondere werden verschiedene Methoden der Ermittlung von wichtigen Wandlerparametern wie z.B. Empfindlichkeit, Mittenfrequenz, Bandbreite, Fokusgröße und Fokusabstand dargestellt und verglichen.
Air-coupled ultrasound sensors have advantages over contact ultrasound sensors when a sample should not become contaminated or influenced by the couplant or the measurement has to be a fast and automated inline process. Thereby, air-coupled transducers must emit high-energy pulses due to the low air-to-solid power transmission ratios (10−3 to 10−8). Currently used resonant transducers trade bandwidth—a prerequisite for material parameter analysis—against pulse energy. Here we show that a combination of a non-resonant ultrasound emitter and a non-resonant detector enables the generation and detection of pulses that are both high in amplitude (130 dB) and bandwidth (2 µs pulse width). We further show an initial application: the detection of reflections inside of a carbon fiber reinforced plastic plate with thicknesses between 1.7 mm and 10 mm. As the sensors work contact-free, the time of flight and the period of the in-plate reflections are independent parameters. Hence, a variation of ultrasound velocity is distinguishable from a variation of plate thickness and both properties are determined simultaneously. The sensor combination is likely to find numerous industrial applications necessitating high automation capacity and opens possibilities for air-coupled, single-side ultrasonic inspection.