Analytische Chemie
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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 Bildgebung oder Analyse von Materialien mittels luftgekoppelten Ultraschalls profitiert von einer hohen Geschwindigkeit, Flexibilität und Materialschonung des assoziierten Verfahrens. Die Luftankopplung hat jedoch den wesentlichen Nachteil, dass die auftretenden Impedanzsprünge an Grenzflächen zu enormen Verlusten in den Signalamplituden führen. Ultraschallwandler, die laut genug senden und sensitiv genug empfangen, um die geringen Signalamplituden noch auswerten zu können, sind somit zentraler Gegenstand der aktuellen Forschung und Entwicklung. Vielversprechende Wandlertypen sind piezokeramische Wandler, Elektretwandler, aber auch passive, breitbandige Ultraschallempfänger, wie optische Mikrophone. Die quantitative Charakterisierung der Sensitivitäten solcher Wandler wird oft vernachlässigt, da kein simples, universelles Verfahren zur Verfügung steht. In diesem Beitrag geht es um die Methodik der Charakterisierung von Luftultraschallwandlern mittels thermoakustischer Ultraschallsender. Thermoakustische Wandler erzeugen Ultraschall durch das schnelle heizen eines finiten Volumens an Luft vor dem Wandler. Die erhöhte interne Energie führt zu einer Druckänderung, welche sich als akustische Welle fortpflanzen kann. Da keine mechanische Volumenarbeit vom Wandler erbracht wird, funktioniert das Verfahren resonanzfrei.
Die Charakterisierung wird am Beispiel von Elektretwandlern durchgeführt. 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. Es wird gezeigt, dass diese Folien eine schichtdickenabhängige Sensitivität in Größenordnungen 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 gestaltet werden, da pro Winkel eine Messung für die Berechnung der Übertragungsfunktion des Wandlers genügte. Quantifiziert wurden die Ergebnisse durch das einmalige Vermessen des Emitters mittels Laser-Doppler-Vibrometrie (LDV). 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.
Bruchmechanische Untersuchungen werden zur Vorhersage der Lebensdauer und der Wartungszyklen benutzt. Dabei wird davon ausgegangen, dass auch Objekte ohne detektierte Anzeigen Materialfehler mit einer Reflektivität kleiner der Nachweisgrenze aufweisen können. Keine detektierte Anzeige bedeutet daher für Bauteilauslegung, dass sie eine konservative Annahme machen müssen: es wird angenommen, dass das Bauteil Materialfehler in Größe der Nachweisgrenze enthält. Dies macht die Nachweisgrenze zu dem die Lebensdauer limitierenden Faktor. Bei probabilistischen Methoden wird zusätzliches Wissen, wie Zuverlässigkeit und Fehlerauffindwahrscheinlichkeiten bei der zerstörungsfreien Prüfung mit in die Berechnung einbezogen, um zu konservative Annahmen zu vermeiden. Ziel ist es eine Model-Assisted-POD aufzubauen mit der die reale volumetrische Ultraschallprüfung großer Schmiedeteile nachgebildet werden kann. Die resultierende POD soll im Weiteren in bruchmechanischen Betrachtungen Verwendung finden. In vorangegangenen Arbeiten [Preißel2015] wurde dazu der Einfluss des Prüfrasters nach der DGZfP-Richtlinie US 07:2014 auf die Fehlerauffindwahrscheinlichkeit (parametrisch) simulativ betrachtet und die Simulationstechnik experimentell validiert. In diesem Paper werden die Ergebnisse von Preißel überprüft und um eine Prüfraster-Summen-POD, die das Szenario der realen Bauteilprüfung beschreibt, erweitert. Zudem wird eine experimentell validierte, simulative, nicht-parametrische POD für schrägliegende Defekte aufgebaut. Schließlich werden erste Untersuchungen zur Defektmorphologie vorgestellt. Diese Arbeit ist im Rahmen eines Studenten-Stipendiums der DGZfP entstanden.
Phased-Array-Technik und Bildgebung mit Ultraschallwellen sind nach langer Entwicklungszeit inzwischen auf dem Weg zu allgemeiner Verbreitung. Daher bietet sich an, die verschiedenen Techniken und deren Begriffe wie z.B. Phased-Array, SAFT, TFM, FMC und Sparse-Array zusammenfassend in Beziehung zu setzen.
All diesen Techniken liegt dieselbe Idee zu Grunde, nämlich durch gezielte Überlagerung von Ultraschallsignalen den gewünschten Effekt zu erreichen. Die verschiedenen Techniken werden kurz charakterisiert und neben den Unterschieden wird beschreiben, auf welche Weise bei all diesen Techniken das Phänomen der konstruktiven Interferenz jeweils genutzt wird.
Lamb waves are widely used for monitoring the health of structures made of laminated materials (metals, composites). Piezoelectric ultrasonic transducers transmit and receive acoustic guided waves that interact with the elastic properties and the defects of the material under test. In recent years, DINFO developed piezopolymer Interdigital Transducers (IDTs) proven to be suitable to build SHM systems for aerospace applications. Their base material is a Cr/Au-coated PVDF-TrFE copolymer sheet, having a thickness of 100μm and a
metallization of 0.1μm on both sides.
IDTs are attractive for SHM systems for their capability to select specific Lamb wave modes when designed with appropriate electrode pattern. For a reliable application, it is crucial to characterize the in-plane and out-of-plane displacement of the transducer and to correlate the ultrasonic propagating signal with the Lamb waves dispersion curves in laminates. For example, for a 2 mm aluminum plate A0 mode has dominant out-of-plane displacement, whereas S0 mode has dominant in-plane displacement at the plate's surface.
In collaboration with BAM the characterization of free vibrational modes using a 3D laser doppler vibrometer was performed. The analysis in the frequency domain was performed using the following parameters: a chirp excitation with frequencies 50-500 kHz and 0.5-1 MHz with 195 Hz and 390 Hz frequency resolution respectively at 100 Vpp for a total of 90 averaged measurements per point. Also propagating modes were characterized by bonding the IDT on a 2 mm aluminum plate and analyzing the in-plane and the out-of-plane components. A0-mode was successfully excited having the main lobe aligned with the main axis of the IDT, confirming the dominant presence of this propagating mode.
The results could be used as a basis for design and optimization of the IDTs in terms of directivity and mode selection, and to facilitate interpretation of the ultrasonic guided waves propagating in laminated structures.
In der Zerstörungsfreien Prüfung und der Zustandsüberwachung sind geführte Wellen von großem Interesse, um Fehlstellen zu finden und zu charakterisieren. Die Interaktion der Wellen mit den Fehlstellen kann dabei aufgrund ihrer Komplexität häufig nicht analytisch beschrieben werden. Dies macht numerische Programme neben Experimenten unabdingbar. Aufgrund der kleinen Wellenlänge im Verhältnis zur Bauteilgröße ist jedoch eine effiziente Simulation noch immer Teil der aktiven Forschung.
Um die Effizienz der Simulationsalgorithmen zu steigern, ist es möglich, analytische Annahmen in die Finite Elemente Methode (FEM) zu integrieren. Beispiele für solche Methoden sind die Scaled Boundary Finite Element Method als ein semi-analytisches Verfahren und eXtended Finite Element Method. Diese beiden Möglichkeiten erlauben es, die Wechselwirkungen effizient zu simulieren.
In diesem Beitrag werden verschiedene Wechselwirkungen und Auswertungsmöglichkeiten von geführten Wellen mit Fehlstellen vorgestellt. Hierbei liegt der Fokus auf linearen und nicht-linearen Effekten. Zunächst wird auf Modenkonversion eingegangen und der Frage nachgegangen, ob diese ausreicht, um einen Riss zu charakterisieren. Diese Untersuchungen motivieren dann ein inverses Verfahren, mit dem einige Parameter eines simulierten Risses in einer Folge von Simulationen wieder rekonstruiert werden. Ein zweiter Teil beschäftigt sich mit nicht-linearen Risseffekten. Diese Risseffekte erzeugen im allgemeinen höhere harmonische Wellen. Hier werden Ergebnisse und Filtermethoden zur Auswertung vorgestellt.
The Spectral Element Method (SEM) has been proven to be an efficient numerical method for solving the wave equation in linear elastic bodies. This efficiency is reduced if a stress singularity is present in the body. For example, re-entrant corners, material interfaces, fixed boundaries, and especially crack tips can cause stress singularities. To preserve the efficiency of the SEM, special solution strategies are required. There are many approaches which consider stress singularities, but comparisons are rare for dynamic problems. Finding an efficient model is an important step for many applications. In particular, applications for structural health monitoring and non-destructive evaluation rely on accurate and efficient crack models.
In this contribution, we present several models to capture singularities in combination with the SEM. The theory behind the models are shortly summarized and we show results for different benchmark problems in two dimensions. The first model deploys a new class of singular elements. For these singular elements, the crack tip approximation is computed based on the static Scaled Boundary Finite Element Method (SBFEM). The second model uses the continued‐fraction‐based SBFEM, while the third model uses an hp-refinement near the singularity. The models are compared among each other and evaluated in terms of their respective efficiency and accuracy.
In this contribution, we present three models to capture singularities in combination with the Spectral Element Method. The first model, the continued-fraction-based Scaled Boundary Finite Element Method, the second model, a new approach based on enrichment with static modes, and the third model, which uses an hp-refinement near the singularity, are compared among each other and evaluated in terms of their respective efficiency and accuracy.
Bestimmung der Rissgeometrie bei der zerstörungsfreien Ultraschallprüfung mit geführten Wellen
(2019)
In der zerstörungsfreien Prüfung werden in zunehmendem Maße geführte Ultraschallwellen zur Lokalisation von Fehlstellen genutzt. Geführte Ultraschallwellen zeichnen sich dadurch aus, dass sie große Distanzen innerhalb des zu prüfenden Bauteiles zurücklegen können. Das Ultraschallwellenfeld setzt sich dabei aus verschieden Moden zusammen. Etablierte Prüfverfahren mit geführten Wellen ermitteln häufig nur die Position der Fehlstelle, wobei die Laufzeiten der reflektierten Signale ausgewertet wird. Modenumwandlung bleibt dabei zumeist unberücksichtigt.
Die Charakterisierung der Fehlstelle, zum Beispiel hinsichtlich der Länge eines Risses, ist dagegen herausfordernd. Aussagekräftige Zusammenhänge zwischen der Dimension oder Geometrie der Fehlstelle und ihrer Interaktion mit der Ultraschallwelle zu finden, ist Teil aktueller Forschung. Insbesondere eine Betrachtung der Moden höherer Ordnung und deren Amplitudenverhältnisse kann beim Aufspüren dieser Zusammenhänge hilfreich sein.
Im Beitrag werden zunächst die Zusammenhänge zwischen den beiden fundamentalen Moden in einer isotropen Platte und der Länge eines Risses untersucht. Aus den Ergebnissen wird ein inverses Verfahren motiviert. Ein Algorithmus wird vorgestellt, der die Risslänge im Modell solange variiert, bis er die modalen Zusammenhänge einer Vorgabe oder einer Messung rekonstruiert. Die eingesetzte Scaled Boundary Finite Element Method ermöglicht dabei eine sehr kurze Rechenzeit in jeden Optimierungsschritt. Zusätzlich ermöglicht die Methode eine Auswertung der modalen Zusammenhänge ohne Postprocessing, was die Rechenzeiten weiter verkürzt.
Composite pressure vessels for transporting dangerous goods and for hydrogen and natural gas vehicles consist of a load-bearing composite and a gas-tight, metallic or polymeric barrier layer (liner). To investigate the aging behavior of such composite pressure vessels, BAM carried out the interdisciplinary project COD-AGE. The aim of the project was the development of methods and models for the description and determination of the aging behavior of carbon fiber composites using the example of pressure vessels in order to better predict aging and safe working life. One focus of this project was the provision of suitable NDT methods. These included both test-related tests and the possible development of test equipment for later practical use.
In the lecture, test results of the age-related eddy current test on composite pressure vessels are presented.
In aging tests, pressure vessels made of an approximately 4 mm thick aluminum liner and approx. 8 mm thick CFRP layer were examined. Typical application of such pressure vessels are respiratory protective devices of the fire department. The pressure vessels were tested using conventional eddy current technology from the outer and inner side as well as with high-frequency eddy current technology. Both damage to the metallic liner and structures of the CFRP could be detected. A particular mechanical challenge was the inspection of the inside of the liners, since a cylindrical surface with an inside diameter of 150 mm has to be tested with an access of only 15 mm diameter.