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Frequenzkonversion aufgrund nichtlinearer akustischer Phänomene: Grundlagen und Anwendung zur defektselektiven zerstörungsfreien Prüfung
(2006) Pfleiderer, Klaus; Busse, Gerhard (Prof. Dr. rer. nat. habil.)
Akustische Systeme zur zerstörungsfreien Prüfung (ZfP), wie sie heute üblicherweise zum Einsatz kommen, nutzen lineare Mechanismen beim Zusammentreffen von Welle und Defekt: Streuung und Änderungen der Objektresonanzen. Wenn ein Defekt Veränderungen der Bauteilantwort verursacht, können diese meistens nur im Vergleich mit einer intakten Probe ermittelt werden. Unter Umständen sind die defektbedingten Änderungen aber nicht auffällig genug, um sich gegen spektrale Veränderungen aufgrund von Masse- oder Geometrievariation abzuheben. Zusätzlich wird die Defekterkennung durch stehende Wellenfelder behindert, da ein Fehler in einem Schwingungsknoten keinen Einfluss auf diese Resonanzschwingung hat. Eine Alternative hierzu bietet die nicht-klassische nichtlineare Akustik. Sie wurde hauptsächlich im letzten Jahrzehnt entwickelt und baut auf den Erfahrungen aus der klassischen nichtlinearen Akustik auf. Letztere war über 200 Jahre lang überwiegend ein rein akademisches Forschungsfeld für Physiker und Mathematiker. Bei der klassischen Nichtlinearität kommt es aufgrund des nichtlinearen Materialverhaltens mit zunehmender Laufstrecke in einem nichtlinearen Medium zu einer stetig anwachsenden Wellenverzerrung und damit zur Ausbildung von Höherharmonischen. Im Gegensatz dazu basiert die neue nichtklassische Nichtlinearität auf akustisch angeregtem Rissufer-"Klappern". Dieses nichtlineare Verhalten von Kontaktstellen in Defekten (Ermüdungsbrüche, Delaminationen, Impacts, etc.) führt bei einer sinusförmigen Anregung des Prüfobjektes zu einer pulsartigen Veränderung der Kontaktsteifigkeit Dadurch wird die Prüfwelle verzerrt, und es erscheinen Höherharmonische der Anregungsfrequenz an Stellen mit nichtlinearer Inhomogenität oder Materialdefekten. Der erste Schwerpunkt dieser Abhandlung ist die Untersuchung Höherharmonischer der Anregungsfrequenz. Dazu wird detailliert auf die grundlegenden Mechanismen eingegangen: Klappern bei vertikal oder tangential zueinander bewegten Grenzflächen und Grenzflächenreibung. Die analytischen Ergebnisse und Unterscheidungsmerkmale sind in einer Übersicht zusammengestellt. Mit diesem Hilfsmittel wurden dann die experimentellen Daten, die aus Messungen mittels Laser-Doppler-Interferometer oder Luft-Ultraschall-Prüfköpfen stammen, bewertet. Ein Verfahren zur berührungslosen Modalanalyse ist die laserangeregte Vibrometrie unter Ausnutzung thermisch induzierter Ausdehnungen. In dieser Arbeit wurde dagegen durch die Modulation eines Lasers eine monofrequente Anregung verwirklicht. Dadurch besteht die Möglichkeit zur berührungsfreien Anregung und Detektion nichtlinearer Defektstellen durch den lokalen Nachweis von Höherharmonischen. Außerdem erfolgte nicht nur eine Messung der out-of-plane-Komponente einer nichtlinearen Defektantwort, sondern durch den Einsatz eines 3-D-Vibrometers wurden auch die dazugehörenden in-plane-Komponenten der Bauteilantwort ausgewertet. Es stellte sich heraus, dass letztere sehr empfindlich nichtlineares Materialverhalten anzeigen und somit der nichtlinearen Prüfung neue Möglichkeiten eröffnen. Nichtlineares Wellenmischen im Defektbereich bei multifrequenter Anregung ist der zweite Schwerpunkt dieser Arbeit. Die nichtlinearen Mischfrequenzen, die ebenfalls durch das Aufeinanderprallen von Rissufern entstehen, sind teilweise besser als Höherharmonische geeignet, um Defekte zu lokalisieren. Um die zugrunde liegenden Mechanismen zu verstehen, wurden analytische Modelle verschiedener Kombinationsmöglichkeiten entworfen und diese sodann messtechnisch anhand unterschiedlicher Beispielobjekte verifiziert. Die Gegenüberstellung der Kombinationsmöglichkeiten erschließt nichtlineares Wellenmischen für viele Anwendungen im Bereich der Material- und Strukturprüfung. Als dritter Schwerpunkt in der Reihe nichtlinearer Phänomene konnte nachgewiesen werden, dass ein Defektbereich eine nichtlineare parametrische Resonanz aufweisen kann. Die Untersuchungen mit nichtlinearen Defektresonanzen zeigen zwei für die ZfP interessante Eigenschaften: zum einen das Schwellwertverhalten der nichtlinearen Frequenzen und zum anderen die sehr hohe Zuverlässigkeit bei der Lokalisierung des Defektbereiches aufgrund großen Signal-Rauschabstandes. Durch Frequenzkonversionen treten hier Subharmonische und Frequenzpaare auf, die nichtlineare Fehler selektiv und bildgebend darstellen können. Die hier vorgestellten Ergebnisse zeigen durch die Ausnutzung des gesamten nicht-klassischen Antwortspektrums einen neuen Ansatz zur nichtlinearen zerstörungsfreien Prüfung. Die Eignung der vorgestellten nichtlinearen Frequenzkomponenten als Defektindikatoren wurde theoretisch analysiert und anhand von Experimenten an einer Auswahl von Materialien, primär aus dem Luft- und Raumfahrtbereich, überprüft. Mit diesem neuen Ansatz können Informationen über die Eigenschaften eines nichtlinearen Defektes gesammelt werden, um die Zuverlässigkeit und Qualität der akustischen zerstörungsfreien Prüfung zu erhöhen.