Browsing by Author "Döring, Daniel"

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Luftgekoppelter Ultraschall und geführte Wellen für die Anwendung in der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung
(2011) Döring, Daniel; Busse, Gerhard (Prof. Dr. rer. nat. habil.)
Die Werkstoffprüfung mit elastischen Wellen (Ultraschallprüfung und Schwingungsanalyse) ist eines der wichtigsten Verfahren der zerstörungsfreien Prüfung. Für Anregung und Detektion kommen in den meisten Fällen piezokeramische Wandler im direkten Kontakt oder mit Flüssigkeitskopplung zum Einsatz. Dies ist bei vielen Werkstoffen unerwünscht oder unmöglich: poröse Materialien (Faserkeramiken, Beton) nehmen Feuchtigkeit auf und verändern ihre Eigenschaften, andere (Holz, frische Lack- oder Klebeschichten) werden durch die Koppelmittel schlichtweg zerstört. Bisherige Methoden der berührungslosen Ultraschallprüfung sind entweder extrem aufwändig (z. B. Laser-UT) oder auf bestimmte Werkstoffgruppen eingeschränkt (z. B. ist für den Einsatz von elektro-magneto-akustische Wandlern (EMAT) Leitfähigkeit des Werkstoffs notwendig). Eine Alternative ist die Luftultraschallprüfung, bei der die Raumluft als Koppler zum Einsatz kommt. Da sie keine besonderen Werkstoffeigenschaften voraussetzt, ist sie besonders für moderne Hochleistungswerkstoffe und ihre empfindlichen Produktionsvorstufen geeignet. In dieser Arbeit wird besonders die Wechselwirkung zwischen Luftultraschall und geführten Ultraschallmoden (Lambwellen in dünnen Platten sowie Rayleighwellen in der Randschicht massiver Körper) untersucht. Die Einkopplung des Luftultraschalls in diese ist erheblich effizienter als die Verwendung der Ultraschall-Bulkwellen und erlaubt vollkommen neue ZfP-Anwendungen. Die Schrägdurchschallung mit Lambwellen ("focused slanted transmission mode", FSTM) verbessert das Signal-Rausch-Verhältnis erheblich und ermöglicht bei vielen Werkstoffen erstmals eine sinnvolle Luftultraschallprüfung. Geführte Moden laufen parallel zur Probenoberfläche und lassen sich auch in größerer Entfernung von der Einkoppelstelle nachweisen. Auf dieser Basis ist eine berührungslose Ultraschall-ZfP bei nur einseitiger Zugänglichkeit (Sender und Empfänger auf derselben Probenseite) realisierbar, der "focused slanted reflection mode", FSRM. Verändert man die Laufstrecke der Welle durch Verschieben des Empfängers in Ausbreitungsrichtung und verfolgt dabei die Signalverzögerung, so lässt sich die Phasengeschwindigkeit der untersuchten Wellenmode präzise messen. Dieses "differential time of flight"-Verfahren (DTOF) wurde mit einer schrittmotorgetriebenen Linearachse vollständig automatisiert und für Untersuchungen an einer Vielzahl von Werkstoffen eingesetzt. Über richtungsabhängige Geschwindigkeiten ist dabei die elastische Anisotropie charakterisierbar (z. B. Faserverbundwerkstoffe, Holz). Ist die Geschwindigkeit von Rayleigwellen von der Frequenz abhängig, so ist dies ein Indikator für tiefenabhängige Werkstoffeigenschaften (z. B. Oberflächenhärtung). Zuletzt konnten Schallfelder in Luft über den akusto-optischen Effekt mithilfe eines scannenden Laservibrometers direkt sichtbar gemacht werden. Mit der neu entwickelten aeroakustische Vibrometrie wurden Prüfkopfschallfelder, das "leaky wave'"-Phänomen, klassische Nichtlinearität in Luft und Ultraschallabstrahlung ("nonlinear air-coupled emission", NACE) von lokalen nichtklassischen Defektnichtlinearitäten untersucht.