DACH - Jahrestagung 2004 Salzburg

ZfP in Forschung, Entwicklung und Anwendung

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Untersuchung der Leistungsmerkmale von Prüfköpfen für die Ankopplung über Luft

Wolfgang Hillger, DLR Braunschweig; Rudolf Henrich, Airbus GmbH, Bremen
Kontakt: Dr.-Ing. Wolfgang Hillger

1. Zusammenfassung

Die berührungslose Ultraschalltechnik mit Ankopplung über Luft bietet prinzipiell eine einfache Möglichkeit der Werkstoffprüfung ohne störende und im Betrieb hinderliche Koppelmittel. Jedoch ergeben sich durch die großen Impedanz-Unterschiede zwischen Gas (Luft als Koppelmittel) und den Festkörpern (Prüfköpfe, Bauteil) Amplitudenverluste allein durch die Transmissionskoeffizienten von bis zu 150 dB.

Zwischen einem üblichen piezoelektrischen Prüfkopf und der Luft treten über 90 dB Transmissionsverluste auf, die durch Anpass-Schichten erheblich reduzieren lassen. Daher kommt den Prüfköpfen eine große Bedeutung zu. Ein Vergleich der Prüfköpfe unterschiedlicher Hersteller war bisher nicht möglich, da diese nur mit dem dazugehörigen Prüfgerät des Herstellers arbeiten.

Im Rahmen des Forschungsverbundprojekts MaTech wurden deshalb Untersuchungen hierzu mit folgenden Ergebnissen durchgeführt.
Um eine hohe akustische Energie zu erhalten (Anpassung an Luft), liegt die relative Bandbreite häufig unter 10%. Daher ist ein Einkopfbetrieb nicht möglich, es werden getrennte Sende- und Empfangsprüfköpfe benutzt.

Die Mittenfrequenz kann stark von der Nennfrequenz abweichen (Beispiel: statt 400 nur 330 kHz). Die Empfindlichkeit sollte für singleshot-Technik >-50 dB sein, möglich sind heute -33 dB bei bis zu 40% Bandbreite.
Breitbandige, fokussierte Prüfköpfe ermöglichen eine bessere Randabbildung und hohe Impulsfolgefrequenzen. Sie liefern eine verbesserte Laufzeitmessung und Informationen über die frequenzabhängige Schallschwächung. Das Schallfeld zeigte vor allem bei fokussierten Exemplaren Nebenkeulen und teilweise Schielwinkel von einigen Grad.

Die Prüfköpfe sollten vor dem Einsatz einer eingehenden Prüfung bezüglich des Frequenzspektrums, der Empfindlichkeit und des Schallfeldes unterzogen werden.
Breitbandige Prüfköpfe lassen auch Chirp- oder codierte Signale als Sendeimpulse zu. Mit einer empfangsseitigen Korrelationstechnik lässt sich dann eine höhere Empfindlichkeit durch bessere Unterdrückung des elektronischen Rauschens erreichen. Entsprechende Untersuchungen wurden mit dem Demonstrators III durchgeführt [1].

Das Potential der luftgekoppelten Ultraschallprüftechnik in der Luft- und Raumfahrt liegt in der Prüfung von Sandwich-Bauteilen mit Schaum oder Wabenkernen. Hier kann die bisher durchgeführte Fertigungsprüfung mit Squirter-Technik in Durchschallung durch Luftankopplung ersetzt werden. Allerdings sollte je nach Bauteildicke und Kernmaterial die Prüffrequenz sorgfältig optimiert werden.

Am Ende des Projekts erhielten wir erste Exemplare von Prüfköpfen mit neuen Schwingermaterialien. Diese (ebenen) Prüfköpfe haben Mittenfrequenzen von 100 und 140 kHz und zeichneten sich durch relative Bandbreiten von 40% und Empfindlichkeiten von - 31 dB aus. Damit lassen sich beispielsweise bis zu 1 m Beton mit Luftkopplung durchschallen [2].

2. Einleitung

Alle konventionellen Ultraschallverfahren benötigen ein Koppelmittel. Die Ankopplung über Luft vermeidet die Nachteile der üblicherweise erforderlichen akustischen Ankopplung wie Koppelpaste, eindringendes Koppelmittel, Schwierigkeiten einer reproduzierbaren Ankopplung bei großen Bauteilen. Wegen des ungünstigen akustischen Impedanzverhältnisses der Grenzfläche Festkörper/Luft treten Schalldruckabnahmen von über 160 dB (!) auf [3-6]. Deshalb sind spezielle Prüfköpfe mit akustischer Anpassung an Luft [7, 8] und leistungsfähige sende- und Empfangstechniken erforderlich [9].
Es werden für die Ankopplung an Luft von unterschiedlichen Herstellern spezielle Prüfköpfe angeboten. Ein unmittelbarer Vergleich war jedoch bisher nicht möglich, da diese immer nur mit dem jeweiligen System des Herstellers zusammen arbeiten.

Deshalb wurden im Rahmen des BMBF Förderprogramms MaTech "Charakterisierung von CFK- Strukturen mit zerstörungsfreien Prüfverfahren" Grundlagenuntersuchungen mit dem Ziel durchgeführt, die Prüfköpfe für Ankopplung über Luft unterschiedlicher Hersteller zu vermessen und zu vergleichen. Ferner sollen die Prüfköpfe für Untersuchungen an unterschiedlichen Testkörpern eingesetzt und damit die Leistungsfähigkeit der berührungslosen Prüftechnik in Bezug auf die Anzeige innen liegender Fehlstellen für Sandwich- und monolithische Bauteile ermittelt werden.

3. Messung der Parameter

Zur Messung der Parameter wurde das modular aufgebaute Ultraschallprüfsystem HFUS 2400 AirTech eingesetzt. Für jeden Prüfkopf musste empfangsseitig eine spezielle Anpassung in Form von Vorverstärker und Bandpassfilter aufgebaut werden. Um Überlastungen zu vermeiden, betrug die maximale Sendespannung 400 Vss.

Es wurden Prüfkopfpaare von drei verschiedenen Herstellern untersucht. Gemessen bzw. ermittelt wurden: der Übertragungsbereich, die optimale Anregung, die Empfindlichkeit, die Impedanz und das Schallfeld.

Zunächst wurde der Übertragungsbereich (bzw. das Frequenzspektrum) ermittelt. Dafür wurde das zu untersuchende Prüfkopfpaar in Durchschallungsanordnung (mit getrennten Sende- und Empfangsprüfkopf, jedoch ohne Testkörper) untersucht. Zur Anregung diente der RC-Entladungsimpuls der Sender- / Empfänger-Karte Hill-SCAN 3040. Der Abstand des Prüfkopfpaares war auf maximales Empfangssignal justiert. Aus dem Empfangsimpuls wurde mit Hilfe einer Fast-Fourier-Transformation (FFT) das Spektrum berechnet.

Aus dem Übertragungsverhalten des jeweiligen Prüfkopfpaares konnte anschließend die optimale Anregung für Ultraschallprüfungen ermittelt werden. Hierfür wurde ein Burst-Signal mit der jeweiligen Mittenfrequenz des Prüfkopfpaares verwendet. Die Anzahl der Burst wurde solange erhöht, bis sich die Impulslänge des Empfangssignals nicht veränderte. Abschließend wurde noch einmal ein Feinabgleich der Mittenfrequenz durchgeführt.

Mit dem optimierten Sendeimpuls wurde die Empfindlichkeit der Prüfkopfpaare gemessen. Hierfür befanden sich die Prüfköpfe im Fokusabstand gegenüber (größt mögliche Amplitude) ohne Testkörper in der Luftstrecke. Aus dem Verhältnis der Empfangsspannung Ue und der Sendespannung Us kann die Empfindlichkeit berechnet werden:

Empfindlichkeit: E= 20 log (Ue / Us)

4. Ergebnisse

4.1 Schmalbandige Prüfköpfe

Tab. 1 stellt die ermittelten Daten der schmalbandigen Prüfköpfe dar.
Der Prüfkopf 400/40 hat nur eine maximale Frequenz von 330 kHz, obwohl er als 400 kHz-Prüfkopf angegeben ist. Die Empfindlichkeit von -46 dB ist im Vergleich zu den anderen schmalbandigen Prüfköpfen als gut zu bezeichnen. Durch die Fokussierung wird ein Schallbündeldurchmesser von 4 mm erreicht. Der Einsatz liegt bei der Prüfung von Sandwich-Bauteilen aus Nomex-Waben und monolithischen Bauteilen bis 7 mm Dicke

Der Prüfkopf 250/50 zeichnet sich durch kleine Schallbündeldurchmesser von ≤ 4 mm aus. Die gemessene Empfindlichkeit liegt bei - 50 dB. Die Nebenkeulen (ab -8 dB) im Schallfeld beeinträchtigen die Dynamik in C-Scans von Sandwich-Bauteilen.

Der Prüfkopf 153/416 kann mit zwei unterschiedlichen Frequenzen betrieben werden: auf 153 und 416 kHz, wobei sich Empfindlichkeiten von - 46 dB und - 58 dB ergeben. Durch die Fokussierung werden Schallbündel von 7 und 2 mm erreicht. Die beiden Frequenzen (Bild 1) erfordern unterschiedliche Sendeimpulse und Filter im Empfangsver-stärker. Denkbar wäre eine Prüfung mit zwei Frequenzen in einem Scan-Vorgang. Der Einsatz des Prüfkopfes liegt sowohl bei Sandwichbauteilen mit Schaum und mit Nomex-Waben als auch bei monolithischen Bauteilen mit einer Dicke bis zu 50 mm.

Typ/ Hersteller 400 / 40 250/50 153/416
Schwingerdurchmesser 25 mm 32 mm 40 mm
Max. bei Frequenz [kHz] 330 254 153 416
Bandbreite (-6 dB) [kHz] 324-337 246 - 263 148 - 162 403 - 423
Df [kHz] 13 17 14, 20
Rel. Bandbreite 3,4% 6,7% 9,1 % 4,8 %
Impedanz bei 320kHz: 1350Ω 169Ω 330 220
Optimale Anregung T = 1,56 µs, n=15 T= 2,04 µs, n=15 T = 3,26
µs, n = 15
T = 1,24
µs, n = 15
Ue (Empfänger) 0,970 Vss 0,596 Vss 1,0 Vss 0,26 Vss
Empfindlichkeit: -46 dB -50,5 dB - 46 dB - 57,7 dB
Fokusabstand 32,5 mm 46 mm 42,5 mm 45 mm
Schallbündeldurchmesser 4 mm 4,0 mm 7 mm 2 mm
Tab 1: Schmalbandige Prüfköpfe


Bild 1: Impuls und Frequenzspektrum des Prüfkopfes 153/416 kHz

Bei CFK-Sandwichbauteilen mit Nomex-Waben können Frequenzen bis zu etwa 500 kHz eingesetzt werden. Wegen der Plattenwellenresonanzen in den Waben sind die Anzeigen in den C-Bildern sehr frequenzabhängig. Die Impactanzeige mit größtem Amplitudeneinbruch von bis zu -28 dB erfolgte mit 153 kHz (Bild 2, links), wobei allerdings keine Abbildung der Wabenstruktur festzustellen ist. Bei höheren Frequenzen erzeugen die Waben regelmäßige Strukturen mit Amplitudenänderungen von 12 bis 20 dB (Bild 2, rechts). Wird die Frequenz zu hoch, so sinkt z.B. die Anzeige von Fehlstellen, die durch Impacts erzeugt wurden, auf 6 dB ab (Bild 3, rechts) .


Bild 2:
C-Bilder und Echodynamiken des Testkörpers 1333/17 aufgenommen mit 153 kHz (links) und 250 kHz (rechts)

Bild 3:
C-Bilder und Echodynamiken des Testkörpers 1333/17 aufgenommen mit 320 kHz (links) und 403 kHz (rechts)

4.2 Breitbandige Prüfköpfe

Die Prüfköpfe 200 kHz/50 mm und 500 kHz/50 mm (Tab.2) weisen zwar für luftgekoppelte Prüfköpfe relativ hohe Bandbreiten von mehr als 30 % auf, waren jedoch aufgrund ihrer Empfindlichkeiten von kleiner als - 78 dB nicht für die Prüfung von CFK-Bauteilen einsetzbar. Außerdem zeigt das Schallfeld einen sehr unsymmetrischen Verlauf (mit Nebenkeulen).

Obwohl die Empfindlichkeit des Prüfkopfes 1MHz/50 nur -73 dB beträgt, konnte er für die Prüfung von monolithischen CFK-Bauteilen eingesetzt werden. Aufgrund des kurzen Impulses von <15 µs Dauer lassen sich Impulsfolgefrequenzen bis zu 1700 Hz einsetzen, wodurch hohe Scan-Geschwindigkeiten möglich werden ( 425 mm/s bei 0,25 mm Raster).


Bild 4: Nachweis der Porosität in einem CFK-Laminat

Der 2,1 mm dicke Testkörper CG 021 M15 enthält künstlich eingebrachte Mehrtiefenporositäten mit 2,2 bis 2,8 Vol.-%. Das mit einer Mittenfrequenz von 641 kHz aufgenommene C-Bild (Bild 4) stellt die Porengebiete durch eine 3 dB höhere Amplitude dar. Wegen der geänderten Impulsform wurden die Frequenzspektren der Durchschallungsimpulse in ungestörten Bereichen und in Porenbereichen berechnet. Das Maximum im Frequenzspektrum ohne Porosität liegt bei 720 kHz (Bild 5, links). Dies entspricht einer λ/2-Resonanz für die Longitudinalwelle bei einer Dicke von 2,25 mm. Im Porenbereich geht das Maximum auf 660 kHz zurück (Bild5, rechts), gleichzeitig verringert sich die Bandbreite (-6dB) von 214 kHz auf 140 kHz. Das Maximum würde auf eine Plattendicke von 2,5 mm deuten, was jedoch nicht der Fall ist. Hier können wieder andere Wellenmoden beteiligt sein.


Bild 5: Frequenzspektren im ungestörten (links) und im Bereich künstlicher Porosität (rechts)

200 kHz/50 500 kHz/50 1 MHz/50
Schwingerdurchmesser 19 mm 19 mm 19 mm
Max. Frequenz [kHz] 169 500 632
Bandbreite (-6 dB) [kHz] 138-200 438-591 569-729
Df [kHz] 62 153 150
rel. Bandbreite 36 % 30% 23%
Impedanz bei 173 kHz: 607 Ω 865 Ω 238 Ω
Optimale Anregung T = 2,9
µs, n = 4
T = 0,98
µs, n = 2
T = 620
ns, n = 1
U (Empfänger) 3,2 mVss 20,7 mVss Ue= 42,6 mV
Empfindlichkeit: -86 dB -78,5 dB -73 dB
Fokusabstand 37,5 mm 57,5 mm 61,5 mm
Schallbündeldurchmesser 5 mm 3 mm 5,5 mm
Tab 2: Breitbandige Prüfköpfe

4.3 Impuls-Echo-Technik

Der breitbandige und fokussierte Prüfkopf 1MHz/50 sollte aufgrund seiner Bezeichnung eine Mittenfrequenz von 1 MHz haben, gemessen wurde ein Frequenzbereich von 569 - 729 kHz. Durch die Bandbreite von 150 kHz beträgt die Impulslänge nur etwa 10 µs, wodurch gute Randabbildungen der Testkörper und hohe Impulsfolgefrequenzen (bis 1700 Hz!) möglich werden. Der Einsatzbereich des Prüfkopfes liegt vor allem in der Materialcharakterisierung von monolithischen CFK-Bauteilen, wobei die Dicke bis zu etwa 5 mm betragen kann.

Um die Impuls-Echo-Technik zu erproben, wurde der breitbandige Prüfkopf 1MHZ/50 an die als Sender und Empfänger benutzte PC-Karte HILL-Scan 3010 angeschlossen. Im Abstand von 50 mm befand sich eine Aluminiumplatte. Bild 6.1 stellt das Empfangssignal dar. Nach der Anregung treten im Zeitbereich bis zu etwa 250 µs Signale aus dem Prüfkopf auf. Erst danach können Reflexionen empfangen werden. Bei 320 µs wird das Oberflächenecho einer Aluminiumplatte empfangen. Dieses ist in Bild 6.b vergrößert dargestellt. Außerdem wurde das Frequenzspektrum dieses Echos mittels FFT berechnet. Es ergab sich eine -6 dB-Bandbreite von 432 - 1094 kHz.
Dieser eingeschränkte Echo-Betrieb kann für eine exakte Justierung und auch zur Abstandsmessung der Prüfköpfe im Durchschallungsbetrieb nützlich sein. Hierbei werden beide Prüfkopfe abwechselnd in Echotechnik betrieben und jeweils der aktive Prüfkopf so justiert, dass ein optimales Eintrittsecho des Bauteils empfangen wird. Damit wird bei beiden Prüfköpfen eine senkrechte Ausrichtung zum Testkörper sichergestellt. Allerdings erlaubte nur der Prüfkopf 1MHz/50 diesen Betrieb. Alle anderen untersuchten Prüfköpfe haben ein viel zu langes Ausschwingen bzw. eine viel zu kleine Empfindlichkeit.


Bild 6: A-Bild und Frequenzspektrum im Impuls-Echo-Betrieb

Rückwandecho und Fehlerecho eines Testkörpers sind jedoch bei Ankopplung mit Luft wegen des hohen Impedanzunterschiedes und der zu großen Impulslänge der Prüfköpfe nicht auflösbar. Auswertbar ist bisher nur das Eintrittsecho eines Testkörpers in genügend großen Abstand zum Prüfkopf.

5. Danksagung

Die Autoren bedanken sich bei BMBF für die finanzielle Unterstützung und bei allen Partnern und Unterauftragnehmern für die angenehme Zusammenarbeit.

6. Literatur:

  1. W. Hillger, M. Ahrholdt, H. Rohling, R. Henrich : Non-Contact Ultrasonic Imaging Techniques for Composite Components, 16th World Conference on NDT, 30.08.-03.09. 2004, Montréal, Canada, Conf. Proc. on CD, in preparation
  2. W. Hillger: Imaging of Defects in Concrete Components with Non-Contact Ultrasonic Testing, 16th World Conference on NDT, 30.08.-03.09. 2004, Montréal, Canada, Conf. Proc.on CD in preparation
  3. Grandia, W.A.; Fortunko, S.M.:NDE Appplications of Air-Coupled Ultrasonic Transducers, 1995 IEEE International Ultrasonic Symposium Seattle, Washington, Conf. Proc.,1995, S. 697-709.
  4. Bhardwaj, M. C. : High transduction piezoelectric transducers and introduction of Non-Contact analysis, www.ndt.net/article/v05n01/bhardwaj/bhardwaj.htm
  5. Hillger, W., Gebhardt, W.; Dietz, M.; May, B. : Ultraschallprüfungen berührungslos mit Ankopplung über Luft- Illusion oder schon bald Realität?, DGZfP- Jahrestagung 1998, Berichtsband 63.1, S. 241-249.
  6. W. Hillger, R. Meier, R. Henrich: Inspection of CFRP components by ultrasonic imaging with air coupling, Insight, Vol 46 No3, March 2004, pp 147-150.
  7. Gebhardt, W.; Hillger, W.; Kreier, P.: Airborne Ultrasonic Probes: Design, Fabrication, Application, 7. ECNDT, Kopenhagen, 26-29 Mai, 1998
  8. Gebhardt, W.: Einsatz von luftgekoppelten Ultraschall-Leistungswandlern in der ZfP, DGZfP-Jahrestagung 1999, Celle, 10.-12. Mai 1999, Berichtsband 68, Band 1, pp. 55-62.
  9. W. Hillger, L. Bühlung und D. Ilse: USPC 4000 AirTech - ein neues, bildgebendes Ultraschallprüfsystem für Ankopplung über Luft, DACH -Jahrestagung 2004, Zerstörungsfreie Materialprüfung, ZFP in Forschung, Entwicklung und Anwendung, Salzburg, 17. -19. Mai 2004, Conf. Proc. on CD, in preparation

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