Analytische Chemie
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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review of the latest advances in research on air-coupled transducers for non-destructive testing, including previously unpublished results.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.
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.
Magneto resistance sensors like GMR (giant magneto resistance) or TMR (tunnel magneto resistance) are widely used in industrial applications, examples are position measurement and read heads of hard disk drives. However, in case of non-destructive testing (NDT) applications these sensors, although their properties are outstanding like high spatial resolution, high field sensitivity, low cost and low energy consumption, never reached a technical transfer to an application beyond sci-entific scope.
This paper deals with benefits of GMR/TMR sensors in terms of high spatial resolution testing for different NDT applica-tions. The first example demonstrates the preeminent advantages of MR-elements compared with conventional coils used in eddy current testing (ET). The probe comprises one-wire excitation with an array of MR elements. This led to a better spatial resolution in terms of neighboring defects.
The second section concentrates on MFL-testing (magnetic flux leakage) with active field excitation during and before test-ing. The latter illustrated the capability of highly resolved crack detection of a crossed notch. This example is best suited to show the ability of tiny magnetic field sensors for magnetic material characterization of a sample surface. Another example is based on characterization of samples after tensile test. Here, no external field is applied. The magnetization is only changed due to external load and magnetostriction leading to a field signature which GMR sensors can resolve. This gives access to internal changes of the magnetization state of the sample under test.
The use of composite pressure vessels instead of conventional vessels made of steel or aluminum grew strongly over the last decade. The reason for this trend is the tremendous weight saving in case of composite vessels. However, the long-time behavior is not fully understood for filling and discharging cycles and creep strength and their influence on the CFRP coating (carbon fiber reinforced plastics) and the internal liner (steel, aluminum, or plastics). The CFRP ensures the pressure resistance while the inner liner is used as container for liquid or gas. To overcome the missing knowledge of ageing BAM started an internal project to investigate degradation of these material systems. Therefore, applicable testing methods like eddy current testing are needed. Normally, high-frequency eddy current testing (HF-ET, f > 10 MHz) is deployed for CFRP due to its low conductivity of the fiber, which is in the order of 0.01 MS/s, and the capacitive coupling between the fibers. Nevertheless, in some cases conventional ET can be applied. We show a concise summary of studies on the application of conventional ET of composite pressure vessels.
Due to the multi-physical appearance of gas discharges the possibilities of interaction with their surrounding environment are very wide. Some of the most common applications are the surface or material modification and acting as an ion source for mass spectroscopy applications. Since atmosphere plasma generates a massive amount of thermal energy caused by collisions in the sheath, this temperature alternation is also able to produce acoustic waves in the ambient gas volume (as lightning and thunder), which is called thermoacoustic effect.
This talk presents an overview of the experimental acoustic analysis of surface dielectric barrier and micro hollow cathode discharges. Regarding other methods of acoustic excitation, the thermoacoustic approach benefits of its massless working principle and the proper impedance matching. In addition to the characterisation, possible applications (e.g. plasma acoustic loudspeaker or transducer for air-coupled ultrasonic testing) concerning these discharge types are presented.
Zur Messung von Konzentrationen in Flüssigkeiten können akustische Sensoren genutzt werden. Ziel der vorliegend Arbeit ist es einen Sensor zu entwerfen der sehr hohe Messgenauigkeiten erzielen kann. Der Sensor besteht aus einem rechteckigen Rohr, welches auf einem Halbraum angebracht ist. Die Konzentrationsbestimmung erfolgt anhand des Resonanzverhaltens der Struktur, wodurch eine hohe Messgenauigkeit erreicht werden kann. Um den Sensors zu verwirklichen, muss eine Optimierung der Geometrie mit vielen Iterationsschritten durchlaufen werden. Da keine analytische Beschreibung des akustischen Verhaltens vorliegt, wird eine effiziente Simulationsmethode benötigt. Die Scaled Boundary Finite Element Method (SBFEM) für prismatische Strukturen erscheint für die Simulation geeignet, da Teile der Geometrie ohne neue Vernetzung geändert werden können. Für die Berechnung des Sensors wird ein Modell der akustischen Fluid-Struktur Interaktion benötigt, das bisher nicht vorhanden ist.
Die Präsentation behandelt die Implementierung des Fluidmodells in die SBFEM und deren Validierung. Für die Validierung werden die Ergebnisse mit analytischen Beispielen ohne Fluid-Struktur Kopplung und mit Comsol-Ergebnissen der Dispersionskurven mit Wasser gefüllter Rohre verglichen.
Schließlich wird das neuartige Verfahren für die Modellierung der Sensorgeometrie angewendet. An einer einfachen Geometrie wird das Sensorprinzip zur Bestimmung der Salzkonzentration demonstriert.
The Scaled Boundary Finite Element Method (SBFEM) for prismatic structures is an efficient method for the simulation of acoustic behavior. Hence a further development of the method is of great interest. The wave propagation can be calculated for isotropic and anisotropic materials in solids. As for many applications the acoustic behavior in fluids and the behavior in case of fluid-structure interaction (FSI) is subject of research, the implementation of a fluid model in SBFEM for prismatic structures is needed. In case of FSI the coupling between fluid and solid domains can be performed without additional effort when describing both domains in the same variables. Hence a displacement-based fluid description is used. As the discretized formulation leads to spurious modes, a penalty method to suppress the unphysical behavior is chosen. To validate the derived model a comparison with analytical solutions of purely fluid domains is made. As to verify that in case of FSI the model shows the right behavior, dispersion curves of water-filled pipes are calculated and compared to results obtained with Comsol.
Die Untersuchung von Ultraschallausbreitung in periodischen Strukturen ist aktuell von großem Interesse für eine zielgerichtete Beeinflussung der Schallausbreitung. Die bekanntesten Vertreter periodischer Strukturen sind die sogenannten phononischen Kristalle. Als phononischen Kristall bezeichnet man eine periodische Struktur bestehend aus einer Matrix, in die Störungen aus einem zweiten Material eingebracht worden ist. Dabei unterscheiden sich Matrixmaterial und das eingebrachte Material sehr stark in ihren akustischen Eigenschaften. Ein phononischer Kristall erzeugt Bandlücken, in denen die Schalltransmission durch den Kristall vollständig unterbunden ist. Außerhalb der Bandlücken hingegen findet eine ungehinderte Schallausbreitung statt. Diese speziellen Eigenschaften können beispielsweise dazu genutzt werden, frequenzselektive Wellenleiter zu konzipieren oder Schallfelder zu fokussieren. Die Kristallstrukturen können anhand der Anzahl der Dimensionen, in welchen eine Schallausbreitung unterbunden wird, unterteilt werden. So verhindert ein eindimensionaler Kristall nur die Schallausbreitung in eine Raumrichtung, wohingegen ein zwei- oder dreidimensionaler Kristall die Schallausbreitung in mehreren Raumrichtungen unterbindet. Für technische Anwendungen sind aufgrund ihrer einfachen Fertigung insbesondere ein- und zweidimensionale Strukturen von Interesse.
In den vorgestellten Arbeiten werden ein- und zweidimensionale Kristalle theoretisch und experimentell untersucht. Für den eindimensionalen Fall wurde eine entartete Form des phonischen Kristalls gewählt, wobei ein Vollzylinder mit periodischer Querschnittsänderung betrachtet wurde. Ziel ist es dabei, die Schallausbreitung in axialer Richtung zu verhindern. Inspiriert wurde diese Anordnung durch die in [1] vorgestellte Tubular-Bell-Geometrie und dient als Vorarbeit für die Entwicklung eines Sensorsystems. Im Falle des zweidimensionalen Kristalls wird die Schallausbreitung in einer Platte mit regelmäßigen Bohrungen untersucht. Hier soll keine Schallausbreitung in der Ebene stattfinden.
Als Voruntersuchungen werden zunächst Berechnungen mit Hilfe der Finiten Elementen Methode (FEM) und der Scaled Boundary Finite Element Method (SBFEM) durchgeführt. Für die Berechnung der Dispersionskurven der Strukturen wurde COMSOL Multiphysics genutzt. Die hierbei gewonnenen Erkenntnisse liefern eine Vorhersage der Übertragungseigenschaften der Strukturen. Zur Simulation der Schallausbreitung in der eindimensionalen Struktur wird ein effizienter, achsensymmetrischer Ansatz der SBFEM verwendet. Hierbei entsteht ein numerisches Modell mit einer sehr geringen Anzahl an Freiheitsgraden. Diese effiziente Beschreibung ermöglicht eine zielgerichtete Optimierung der Geometrie der Struktur in Hinblick auf die geforderten akustischen Eigenschaften.
Anhand der Simulationsergebnisse werden Testkörper für beide Strukturen gefertigt und deren Übertragungsverhalten im Vergleich mit den numerischen Ergebnissen experimentell überprüft.
[1] – Lucklum R., Zubtsov M., Pennec Y. – Tubular Bell – Ein neuartiger Ultraschall-Rohrsensor, 3. Workshop des Fachausschusses der DEGA e.V., Messtechnische Anwendung von Ultraschall 20.06-22.06.2016, Kloster Drübeck
Zur Messung von Konzentrationen in Flüssigkeiten können akustische Sensoren genutzt werden. Ziel der vorliegend Arbeit ist es einen Sensor zu entwerfen der sehr hohe Messgenauigkeiten erzielen kann. Der Sensor besteht aus einem rechteckigen Rohr, welches auf einem Halbraum angebracht ist. Die Konzentrationsbestimmung erfolgt anhand des Resonanzverhaltens der Struktur, wodurch eine hohe Messgenauigkeit erreicht werden kann. Um den Sensors zu verwirklichen, muss eine Optimierung der Geometrie mit vielen Iterationsschritten durchlaufen werden. Da keine analytische Beschreibung des akustischen Verhaltens vorliegt, wird eine effiziente Simulationsmethode benötigt. Die Scaled Boundary Finite Element Method (SBFEM) für prismatische Strukturen erscheint für die Simulation geeignet, da Teile der Geometrie ohne neue Vernetzung geändert werden können. Für die Berechnung des Sensors wird ein Modell der akustischen Fluid-Struktur Interaktion benötigt, das bisher nicht vorhanden ist.
Die Präsentation behandelt die Implementierung des Fluidmodells in die SBFEM und deren Validierung. Für die Validierung werden die Ergebnisse mit analytischen Beispielen ohne Fluid-Struktur Kopplung und mit Comsol-Ergebnissen der Dispersionskurven mit Wasser gefüllter Rohre verglichen.
Schließlich wird das neuartige Verfahren für die Modellierung der Sensorgeometrie angewendet. An einer einfachen Geometrie wird das Sensorprinzip zur Bestimmung der Salzkonzentration demonstriert.
Austenitic stainless steel welds as well as dissimilar metal welds with nickel alloy filler material, used in safety relevant parts of nuclear power plants, still challenge the ultrasonic inspection. The weld material forms large oriented grains which lead on the one hand to high sound scattering and on the other hand – to inhomogeneity and to the acoustic anisotropy of the weld structure. The ultrasonic wave fronts propagate not linearly, as in ferritic weld joints, but along the curves, which depend on the specific grain structure of the weld. Due the influence of these phenomena, it is difficult to analyze the inspection results and to classify the ultrasonic indications, which could be both from the weld geometry and from the material defects. A correct flaw sizing is not possible.
In an ongoing research project, different techniques to improve the reliability of ultrasonic testing at these kinds of welds are investigated. In a first step (in the previous research project) two ultrasonic inspection techniques were developed and validated on plane test specimens with artificial and realistic flaws. In the ongoing project, these techniques are applied to circumferential pipe welds with longitudinal and transverse flaws.
The technique developed at the Federal Institute for Materials Research and Testing (BAM) in Germany uses a combination of ray tracing and synthetic aperture focusing technique (SAFT). To investigate the unknown grain structure, the velocity distribution of weld-transmitting ultrasound waves is measured and used to model the weld by ray tracing.
The second technique, developed at the Fraunhofer Institute for Nondestructive Testing (IZFP) in Germany, uses Sampling Phased Array (Full Matrix Capture) combined with the reverse phase matching (RPM) and the gradient elastic constant descent algorithm (GECDM). This inspection method is able to estimate the elastic constants of the columnar grains in the weld and offers an improvement of the reliability of ultrasonic testing through the correction of the sound field distortion. The unknown inhomogeneity and anisotropy are investigated using a reference indication and the special optimization algorithm.
Both reconstruction techniques give quantitative inspection results and allow the defect sizing. They have been compared to conventional ultrasonic testing with techniques, which are state of the art for components in nuclear power plants. The improvement will be quantified by the comparison of the probability of detection (POD) of each technique.