Air-coupled ultrasound inspection as a new non-destructive testing tool for quality assurance

Abstract

Conventional ultrasound inspection has been a standard non-destructive testing method for a long time. In most cases, though, a liquid coupling medium, such as water or gel, is required because of the huge impedance mismatch at a solid-air boundary. The physical contact with a liquid medium is a drawback because it prevents ultrasound inspection of many important materials. Modern industry, however, has a growing need for new, improved and remote non-destructive testing techniques for the inspection of new kinds of materials. This thesis describes the use, advantages, limitations, and applications of a commercially available remote air-coupled ultrasound testing system that has been implemented in an accredited non-destructive testing laboratory (EN ISO/IEC 17025: 2000). One of the objectives of the study, therefore, is to discover whether air-coupled ultrasound conforms to standards of modern quality assurance by comparing requirements of modern standards with the possibilities of this new advanced technique. The results are also compared with other non-destructive methods to discover if air-coupled ultrasound testing can compete with current techniques. First, the possibilities of linear air-coupled ultrasound inspection in through-transmission mode are investigated. In this case the equipment is used in its standard mode and ultrasound images (A-, B-, C-scan images) are performed. Second, the measuring technique is further developed to operate in the non-linear mode. This latter method uses the non-linear behaviour of defects for fast and selective imaging. Therefore, the excitation of a sample by injection of a sinusoidal wave using external or internal sources produces higher harmonics at the damaged area. By using these harmonics, defect-selective imaging is performed in which only the defect itself appears. In the case of non-linear air-coupled ultrasound, the sample is excited at frequencies that have the centre frequency of the air-coupled narrow band receiver as an overtone. When the receiver scans across the sample, it responds selectively to the higher harmonics. In this study, high performance materials, components, and processes that are close to actual applications and that are difficult or impossible to measure with water are inspected. Results of air-coupled ultrasound imaging performed on fibre-reinforced plastics, water sensitive materials (e.g. C/C-SiC ceramic or wood), and smart structures are presented in order to reveal delaminations, impacts, and growth of internal defects. Further measurements of monitoring the curing process of epoxy resin and of the manufacturing process of the new high temperature resistant C/C-SiC ceramic are presented. In addition, results are shown in which the actuator in shape-adaptive structures is used as transmitter and the receiver of the air-coupled system is used to record the signals. Thus it is possible to detect defect areas of the piezo actuators. Analysing the results and by comparing them with other non-destructive testing methods demonstrates that air-coupled ultrasound inspection is a promising new technique that is suitable for modern quality assurance and one that can compete with other non-destructive testing methods.

Herkömmliche Ultraschalluntersuchung ist seit langer Zeit eine Standardmethode der zerstörungsfreien Prüfung. In den meisten Fällen wird aufgrund des großen Impedanzunterschiedes an einer Festkörper/Luft Grenzschicht ein flüssiges Koppelmedium (beispielsweise Wasser oder Koppelgel) benötigt. Dieser direkte Kontakt ist jedoch ein Nachteil, da er Ultraschallmessungen an vielen wichtigen Materialien unmöglich macht. Zur Untersuchung neuartiger Werkstoffe hat die heutige Industrie jedoch ein wachsendes Bedürfnis für neue, weiterentwickelte und berührungslose zerstörungsfreie Prüfverfahren. Diese Arbeit beschreibt den Einsatz, die Vorteile, die Grenzen und die Anwendungen eines kommerziell erhältlichen luftgekoppelten Ultraschallsystems, welches in ein akkreditiertes Prüflabor (EN ISO/IEC 17025: 2000) eingebunden worden ist. Eine der Zielsetzungen dieser Arbeit ist deshalb herauszufinden, ob luftgekoppelter Ultraschall die Standards der modernen Qualitätssicherung erfüllt. Die geschieht durch den Vergleich der Forderungen heutiger Standards mit den Möglichkeiten dieser neuen fortschrittlichen Technik. Die Ergebnisse werden gleichfalls mit weiteren zerstörungsfreien Methoden verglichen, um zu beurteilen, ob luftgekoppelter Ultraschall mit gegenwärtigen Verfahren konkurrieren kann. Zuerst werden die Möglichkeiten des linearen luftgekoppelten Ultraschalls in Transmissionskonfiguration untersucht. Dabei wird die Messeinrichtung in ihrem Standardmodus verwendet und Ultraschallbilder (A-, B-, C-Bilder) aufgezeichnet. Dann wird die Messtechnik weiterentwickelt, um sie im nichtlinearen Modus zu betreiben. Diese letztere Methode verwendet das nichtlineare Verhalten von Fehlstellen für eine schnelle und selektive Darstellung von Defekten. Eine sinusförmige Anregung (externe oder interne Anregungsquelle) erzeugt höhere Harmonische in den geschädigten Bereichen. Die Verwendung dieser Harmonischen ermöglicht eine defekt-selektive Darstellung, in der nur die Fehlstellen selbst abgebildet werden. Im Fall des nichtlinearen luftgekoppelten Ultraschalls wird die Probe mit Frequenzen angeregt, die die Mittelfrequenz eines luftgekoppelten schmalbandigen Empfangsprüfkopfs als Oberton haben. Beim Abrastern der Probe reagiert der Prüfkopf selektiv auf die höheren Harmonischen. In dieser Arbeit werden Hochleistungswerkstoffe, Bauteile und Prozesse untersucht, die nah an praktischen Anwendungen sind und die schwer oder überhaupt nicht mit Wasser untersucht werden können. Es werden Ergebnisse von luftgekoppelten Ultraschall präsentiert, die an faserverstärkten Kunststoffen, wasserempfindlichen Werkstoffen (beispielsweise C/C-SiC Keramik oder Holz) und an formadaptiven Strukturen durchgeführt wurden, um Delaminationen, Impactschäden und das Wachstum innerer Fehlstellen zu erfassen. Darüber hinaus werden Messungen dargestellt, bei denen der Aushärtevorgang von Epoxidharz und der Produktionsprozess der neuen hochtemperaturbeständigen C/C-SiC Keramik überwacht wird. Weiterhin werden Ergebnisse gezeigt, bei denen der Aktor einer adaptiven Struktur als Sender verwendet wird und die Signale mit dem Empfänger der Luftultraschallanlage aufzeichnet werden. Auf diese Weise ist es möglich, fehlerhafte Bereiche eines Piezoaktors zu finden. Durch die Betrachtung der Ergebnisse und deren Vergleich mit weiteren zerstörungsfreien Testmethoden wird gezeigt, dass luftgekoppelter Ultraschall eine vielversprechende neue Technik ist, die für moderne Qualitätssicherung geeignet ist und die mit anderen zerstörungsfreien Methoden konkurrieren kann.