Analytische Chemie
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Air-coupled ultrasound has been applied increasingly as a non-destructive testing method for lightweight construction in recent years. It is particularly appropriate for composite materials being used in automotive and aviation industry. Air-coupled ultrasound transducers mostly consist of piezoelectric materials and matching layers. However, their fabrication is challenging and their signal-to-noise ratio often not sufficient for many testing requirements. To enhance the efficiency, air-coupled ultrasound transducers made of cellular polypropylene have been developed. Because of its small density and sound velocity, this piezoelectric ferroelectret matches the small acoustic impedance of air much better than matching layers applied in conventional transducers. In our contribution, we present two different methods of spherical focusing of ferroelectret transducers for the further enhancement of their performance in NDT applications. Measurements on carbon-fiber-reinforced polymer (CFRP) samples and on metal adhesive joints performed with commercially available focused air-coupled ultrasound transducers are compared to measurements executed with self-developed focused ferroelectret transducers.
Novel air-coupled ultrasonic transducer combining the thermoacoustic with the piezoelectric effect
(2016)
In recent years, there has been an increasing industrial demand for one-sided inspection of various structures by means of air-coupled ultrasonic technique. Lightweight structures based on carbon-fibre-reinforced polymers may have very complex shapes, making air-coupled transmission difficult or even impossible. The inspection of concrete structures is another example where one-sided inspection is required.
To address these challenges a new type of transducer for air-coupled pulse-echo inspection was developed, which unites two principles: thermoacoustic emission and piezoelectric reception. The thermoacoustic emitter is a titanium electrode with a thickness of several tens of nanometer. This electrode was deposited onto charged cellular polypropylene, which serves as a piezoelectric receiver. The thermoacoustic transmission is based on a transformation of the thermal energy of an electrically heated electrode into the acoustic energy of an ultrasonic wave. Thermoacoustic emitters provide resonance-free behaviour and thus extremely broadband pulses. Charged cellular polypropylene is piezoelectric due to the polarization of its cells and it is well matched to air, with a Young modulus in the order of magnitude of MPa. In this contribution we present some pulse-echo measurements with the first prototypes of the combined thermoacoustic-piezoelectric transducer.
Airborne ultrasonic inspection is performed in through transmission, where the test piece (e.g. adhesive joint or polymer-based composite plate) is placed between the transmitter and the receiver. However, many structures with difficult shapes allow only one-sided inspection. The strong reflection of the signal from the surface overshadows the signals from the inside, so that broadband pulses are required. Thermoacoustic transmission, where the thermal energy of an electrically heated electrode is transformed into the acoustic energy of an ultrasonic wave, opens the possibility to excite broadband pulses and thus to inspect objects with one-sided access.
We present various thermoacoustic transducers consisting of an electrically conductive film on a solid substrate. The first type of transducer is a transmitter with an indium-tin-oxide electrode on a glass substrate combined with a laser Doppler vibrometer as a receiver. The second type of transducer combines thermoacoustic transmission and piezoelectric reception, having a titanium electrode as a transmitter deposited onto charged cellular polypropylene serving as a piezoelectric receiver.
Using a focusing thermoacoustic transmitter and a separate cellular polypropylene receiver, a through-transmission inspection of a 4 mm thick CFRP test piece with inserts as small as 1 mm was performed. The same emitter and a laser vibrometer as a receiver were used for a one-sided inspection of a Plexiglas block with a cross hole at 15 mm depth. A twin probe consisting of a thermoacoustic transmitter on a cellular polypropylene receiver was applied to a profile measurement on a step wedge with flat bottom holes. The smallest detected diameter of a flat bottom hole was 1 mm. Sound pressure level above 140dB was achieved with each of these transmitters. Thermoacoustic transmitters enable a step towards one-sided air-coupled ultrasonic inspection.
Non-destructive testing (NDT) helps to find material defects without having an influence on the material itself. It is applied as a method of quality control, for online structural health monitoring, and for inspection of safety related components. Due to the ability of automation and a simple test setup ultrasonic testing is one major NDT technique next to several existing options. Whereas contact technique allows the use of higher frequencies of some MHz and phased array focusing, air-coupled ultrasonic testing (ACUT) shows different advantages. Most significant for ACUT is the absence of any coupling fluid and an economical test procedure respective time and costs. Both contact technique and ACUT have been improved and enhanced during the past years. One important enhancement is the development of airborne transducers based on ferroelectrets, like charged cellular polypropylene (cpp), which makes the application of any matching layers being mandatory in conventional piezoelectric transducers unnecessary. In this contribution we show ultrasonic inspection results of specimens made of carbon- and glass-fibre-reinforced plastic. These specimens include defects represented by drill holes and artificial delaminations of various size and depth. We compare inspection results achieved by using contact technique to those achieved by ACUT. For ACUT, conventional piezoelectric transducers and transducers based on cpp were used, both focused as well as non-focused types. Contact inspections were performed with a multi-channel matrix array probe. Once the inspection data is recorded it can be analysed in order to detect and evaluate defects in the specimen. We present different analysing strategies and compare these regarding detection rate and sizing of defects.
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.
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.