Luftgekoppelter Ultraschall und geführte Wellen für die Anwendung in der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung

Abstract

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.

Material evaluation with elastic waves (ultrasonic testing and vibration/eigenmode analysis) is one of the most important fields of non-destructive testing (NDT). For excitation and detection of elastic waves, typically piezo-electric transducers in direct contact or with a liquid couplant are used. However, this is not applicable to a number of materials: porous substances (ceramic fibre-composites, concrete) absorb water and change their elastic properties, other materials (wood, fresh layers of paint or glue) are destroyed by the contact with a liquid. Current non-contact ultrasonic methods are either extremely elaborate and expensive (e. g. LASER-UT) or limited to certain classes of materials (e. g. conductivity required for EMAT, electro-magneto-acoustic transducers). The proposed alternative is air-coupled ultrasound (ACU) which uses ambient air at normal pressure as couplant. ACU does not require any specific material properties and thus it is especially suited for testing of modern high-performance materials and their sensitive pre-production stages. This thesis investigates the interaction of ACU and guided ultrasonic modes (Lamb waves in thin plates and Rayleigh waves in the surface layer of bulky specimen). Coupling air-ultrasound into guided waves is significantly more efficient than its use with ultrasonic bulk waves and allows for novel non-destructive testing applications. The "focused slanted transmission mode" (FSTM) with Lamb waves improves considerably the signal-to-noise ratio and opens up the field of ACU testing for a range of new materials which could previously not be tested. Results of ACU imaging in conventional NTM ("normal transmission mode") and in FSTM are presented and compared. Guided waves propagate parallel to the surface and can be detected at extended distances from the point of excitation. This is the basis for the implementation of a single-sided non-contact ultrasonic testing and imaging setup in a pitch-catch configuration: "focused slanted reflection mode", FSRM. The length of the guided wave propagation path can be changed by moving the receiver parallel to the specimen surface. Recording the signal delay as a function of increased propagation path enables precise measurements of guided wave phase velocities. This "differential time of flight" (DTOF) method was fully automated using a linear scan axis driven by a stepping motor. The Matlab-based data processing software includes the ACU phase recovery using FFT and calculation of the wave velocity. The DTOF was applied to a varied set of materials and testing problems: A direction-dependant velocity indicates elastic anisotropy (e. g. fibre-composites, wood); a change in Rayleigh wave velocity with frequency (dispersion) reveals depth-dependent material properties like surface hardening. Acoustic fields in air can be imaged via the acousto-optic effect using a scanning laser vibrometer. The recently developed method is named "aero-acoustic vibrometry" and was applied to visualize and quantify air-coupled ultrasound transducer fields, the study of the "leaky wave" phenomenon, investigation of classical nonlinearity in air, and the "nonlinear air-coupled emission" (NACE) of localized non-classical defect nonlinearities.