Analytische Chemie
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Entwicklung eines luftgekoppelten Ultraschall-Echo-Prüfverfahrens mittels fluidischer Anregung
(2020)
In vielen technischen Bereichen werden Ultraschallverfahren zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung (ZfP) eingesetzt um auf Basis der Signalstärke und der Laufzeit Einbauteile und Beschädigungen zu orten. Luftgekoppelter Ultraschall spielt bisher in kommerziellen Anwendungen vor Allem im Bauwesen eine untergeordnete Rolle, da die Differenz der akustischen Impedanzen von Luft und Festkörpern immense Verluste beim Übergang des Schallsignals hervorruft.
Im Rahmen des Promotionsvorhabens soll die Eignung eines neuartigen Anregungsprinzip untersucht werden, mit dem ein Großteil dieser Verluste vermieden werden soll. Anstelle eines Festkörpers soll mit Hilfe einer fluidischen Düse Druckluft zur Signalerzeugung eingesetzt werden. Die Impedanzverluste zwischen Aktuatormembran und Umgebungsluft entfallen daher.
Die gezielte Schallerzeugung durch einen pulsierenden Freistrahl ist weitgehend unerforscht. Es ist daher notwendig, den so erzeugten Schallpuls in der Interaktion mit dem transienten Strömungsfeld zu untersuchen. Das kompressible Medium Luft und die geringen räumlichen Dimensionen einer hochfrequenten Pulsdüse werfen darüber hinaus einige Herausforderungen hinsichtlich der eingesetzten Messtechnik auf. Hier sollen geeignete Verfahren weiterentwickelt und validiert werden, um die Eignung des fluidisch erzeugten Pulses zu überprüfen.
In diesem Vortrag werden erste Messungen an einem fluidischen Schalter mit denen an einem kommerziellen Luftultraschallprüfkopf verglichen.
Motivation:
• Air-coupled ultrasound (AC-US) enables faster measurements in non-destructive testing for civil engineering
• Current state of the art: piezo and capacitive transducers are mostly used for AC US
• Currently >99.9% sound intensity loss due to impedance mismatches
Innovation:
• Fluidic transducers generate US (30-60 kHz) by rapid switching of a supersonic jet
• Fluidic transducers rely on external components such as solenoid valves and tubing
--> How do repetition time and tube length influence the signal?
Entwicklung eines luftgekoppelten Ultraschall-Echo-Prüfverfahrens mittels fluidischer Anregung
(2019)
In vielen technischen Bereichen werden Ultraschallverfahren zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung eingesetzt. Dabei wird ein Schallpuls von einem Prüfkopf in ein Prüfobjekt eingebracht. Der Puls kann unter anderem durch Membranen 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 Differenz 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 dieser Düse wird eine selbsterhaltende Strömungsinstabilität erzeugt, die einen Schallpuls von bis zu 100 kHz hervorruft, sodass der Impedanzverlust in die Umgebungsluft entfällt. Da die charakteristische Frequenz eines fluidisch generierten Pulses maßgeblich von der Bauform der Düse und dem anliegenden Druck abhängt, lässt sich mittels einer geeigneten Strömungsregelung ein breiter Frequenzbereich zur Abtastung nutzen. 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 luftgekoppeltem Ultraschall bleibt in dem hier vorgeschlagenen Messystem lediglich die Grenzfläche von Luft zu Prüfkörper, sodass eine höhere Signalausbeute als bisher erwartet werden kann.
In ultrasonic testing, material and structural properties of a specimen can be derived from the time-of-flight (ToF). Using signal features, such as the first peak or envelope maximum, to calculate the ToF is error-prone in multipath arrangements or dispersive and attenuating materials, which is not the case for the signal onset. Borrowing from seismology, researchers used the Akaike information criterion (AIC) picker to automatically determine onset times. The most commonly used formulation, Maeda's AIC picker, is reassessed and found to be based on inappropriate assumptions for signals often used in ultrasonic testing and dependent on arbitrary parameters. Consequently, an onset picker for ultrasonic through-transmission measurements is proposed, based on a spectral entropy criterion (SEC) to model the signal using the AIC framework. This SEC picker takes into account the spectral properties of the ultrasonic signal and is virtually free of arbitrary parameters. Synthetic and experimental data are used to compare the performance of SEC and AIC pickers. It is shown that the accuracy of onset picking is improved for densely sampled data.
This data article presents characteristic acoustic and flow data of a fluidic ultrasonic transducer as well as acoustic data of a commercial piezoelectric ultrasonic transducer used in non-destructive testing for civil engineering. The flow data has been acquired using hot-wire anemometry and a Pitot tube. The three-dimensional acoustic data of both devices has been acquired using a calibrated microphone. The distribution of characteristic acoustic properties of both transducers are extracted and given in addition to the raw data. The data presented in the article will be a valuable source for reference and validation, both for developing fluidic and alternate ultrasound generation technologies. Furthermore, they will give additional insight into the acoustic-flow interaction phenomena of high speed switching devices. This article is accompanying the paper Experimental Analysis of the Acoustic Field of an Ultrasonic Pulse Induced by a Fluidic Switch (Bühling et al., 2021) published in The Journal of the Acoustical Society of America, where the data is interpreted in detail and the rationale for characteristic sound properties of the fluidic transducer are given.
While contact and immersion ultrasonic testing are established methods in non-destructive testing (NDT), generating high power air-coupled ultrasound remains a challenging task. Solutions often involve setups that are restricted to lab environments. When field measurements are required, such as in NDT for civil engineering, a handy, robust and safe transducer is needed. For this purpose, an ultrasonic transducer based on a fluidic switch has been developed. A sonic air flow inside the device is switched rapidly so that an ultrasonic signal is generated. Both theory and previous flow simulations suggest that the control flow pressure ramp has only little influence on the switching time of the device. This publication gives an overview over the operating principle of the fluidic ultrasonic transducer and investigates the influence of control tube length and pulsing repetition rate on the ultrasonic pressure amplitude. High repetition rates are found to reduce the signal amplitude, whereas long tubing has only little negative influence on the amplitude while improving signal quality.
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.
In the framework of non-destructive-testing advanced seismic imaging techniques have been applied to ultrasonic echo data in order to examine the integrity of an engineered test-barrier designed to be used for sealing an underground nuclear waste disposal site. Synthetic data as well as real multi-receiver ultrasonic data acquired at the test site were processed and imaged using Kirchhoff prestack depth migration reverse time migration (RTM). In general, both methods provide a good Image quality as demonstrated by various case studies, however deeper parts within the test barrier containing inclined reflectors were reconstructed more accurately by RTM. In particular, the image quality of a specific target reflector at a depth of 8 m in the test-barrier has been significantly improved compared to previous investigations using synthetic aperture Focusing technique, which justifies the considerable computing time of this method.