DACH - Jahrestagung 2004 Salzburg

ZfP in Forschung, Entwicklung und Anwendung

Start > Beiträge > Vorträge > Ultraschallgerätetechnik 1: Print

Charakterisierung von Ultraschallprüfköpfen durch Kombination von optischer Interferometrie und Modellierungsverfahren

Ashraf Koka, Martin Spies, Sven Kurzenhäuser, Walter Arnold Fraunhofer-Institut Zerstörungsfreie Prüfverfahren IZFP, Saarbrücken
Kontakt: Sven Kurzenhäuser

Einleitung

In diesem Beitrag wird ein neuartiges Verfahren zur effektiven Charakterisierung von Ultraschallprüfköpfen vorgestellt. Mit einem optischen Interferometer wird das Schwingungsprofil der Schallaustrittsfläche eines Ultraschallprüfkopfes absolut nach Amplitude und Phase gemessen. Ausgehend von diesem komplexwertigen Datenfeld werden dann mit einem semianalytischen Modellierungsverfahren - der Generalisierten Punktquellensynthese - die Schallfeldeigenschaften des Prüfkopfes berechnet. Der besondere Vorteil dieses hybriden Verfahrens besteht darin, dass die Schallfeldstrukturen nicht nur in beliebigen Flächen oder entlang beliebiger Linien, sondern auch in verschiedenen Medien auf der Basis eines einzigen Datensatzes bestimmt werden können. Gegenüber herkömmlichen Schallfeldvermessungsmethoden bedeutet dies eine enorme Reduzierung des Messaufwands.

Das hybride Verfahren wurde auf kommerzielle Prüfköpfe angewendet. Die derart an der Unterseite von Vorlaufkörpern ermittelten Schallfeldstrukturen wurden mit den entsprechenden, interferometrisch vermessenen Strukturen verglichen. Aus diesem Vergleich werden Aussagen über Leistungsvermögen und Leistungsgrenzen des Hybridverfahrens abgeleitet und zukünftige Entwicklungsmöglichkeiten diskutiert. Der wesentliche Vorteil des Verfahrens besteht darin, daß durch die einmalige interferometrische Charakterisierung der Schallaustrittsfläche eines Prüfkopfes dessen Abstrahlverhalten in unterschiedlichen Materialien simuliert und der experimentelle Aufwand erheblich reduziert werden kann.

Messaufbau zur Erstellung eines interferometrischen C-Bildes

Zur interometrischen Aufnahme der Schwingungsprofile wird die Schwingungsunterseite der Prüfköpfe zunächst verspiegelt. Bei genügend hohem Lichtsammelvermögen des Interferometers kann dieser Schritt entfallen. Die Prüfköpfe werden dann entweder hinter einem einseitig verspiegelten Vorlaufkörper eingespannt oder frei schwingend ohne Vorlaufstrecke vermessen. Die Anregung erfolgt mit Hilfe eines RF-Generators mit einer schmalbandigen Tonträgerschwingung von 8 Zyklen bei einer Frequenz von 2 MHz. Die in den Prüfling einkoppelnde, quasimonochromatische Ultraschallwelle durchläuft den Vorlaufkörper und bewirkt an der freien äußeren, verspiegelten Begrenzungsfläche die zu bestimmende Auslenkung. Diese wird mittels eines Laser-Interferometers detektiert. Das Kernstück der Messapparatur bildet ein Heterodyn-Interferometer, dessen 3-dB Bandweite 10 MHz beträgt; weitere Details sind in [1] zu finden. Der prinzipielle Messaufbau ist in Abb. 1 dargestellt.


Abb 1: Prinzipieller Messaufbau Zur Aufnahme der Ultraschallauslenkungen mittels Heterodyn-Interferometer.

Das gemessene Zeitsignal wird mit Hilfe eines Digitaloszilloskops aufgenommen. Mittels schneller Fouriertransformation (FFT) wird das detektierte Signal in sein Frequenzspektrum zerlegt. Amplituden und Phasen der Anregungsfrequenz und deren höheren Harmonischen werden bestimmt. Die Ermittlung und Darstellung der Ultraschalldaten erfolgt mit Hilfe eines rechnergesteuerten Labview-Programms.

Zur Aufnahme des Schwingungsprofils in C-Bild-Messtechnik werden Schallwandler und Vorlaufkörper jeweils entlang zweier, zueinander senkrecht stehender Achsen vor dem Laser-Interferometer verfahren. Dabei wird die Normalkomponente des Teilchenverschiebungsvektors vom optischen System erfasst. Bei den durchgeführten Messungen wurde der Prüfling schrittweise um 100 µm verfahren, die Aufnahme der Daten erfolgte dann bei ruhendem Prüfling (eine Messung erfolgt im Sekundentakt). Die Schallfeldverteilung wird zweidimensional gegen die Verfahrachsen sowohl für die Grundschwingung als auch für die höheren Harmonischen und deren Phasen aufgenommen (die Amplituden der höheren harmonischen Anteile waren bei den untersuchten Prüfköpfen sehr gering, so dass im Folgenden nur die Daten für die Anregungsfrequenz in die Betrachtungen eingehen). Das laterale Auflösungsvermögen des Interferometers beträgt 10 µm, die Wiederholgenauigkeit der mit Schrittmotoren angetriebenen Scanner beträgt ca. 1 µm.

Abbildung 2 zeigt das für einen Longitudinalwellen-Senkrechtprüfkopf (Frequenz 2 MHz, Durchmesser 12,7 mm) ermittelte Schwingungsprofil an Luft, Amplitude und Phase sind in separaten Datenfiles abgelegt. Die Messungen wurden außerdem an der Unterseite von verschiedenen Vorlaufkörpern wiederholt, an deren Oberseite der Prüfkopf angekoppelt wurde.

Abb 2: Schwingungsmuster eines 2 MHz-Senkrechtprüfkopfes (Durchmesser 12,7 mm) nach Betrag und Phase an Luft. Sowohl Amplitude als auch Phase sind in Absolutwerten angegeben (in [nm] bzw. Grad).

Angewandtes Modellierungsverfahren

Die Schallfeldberechnung erfolgt mittels Generalisierter Punktquellensynthese (GPSS), die in [2, 3] detailliert beschrieben wurde. Den physikalischen Hintergrund dieser Methode bildet das Huygenssche Prinzip: Jeder Punkt einer Wellenfront ist Startpunkt einer Elementarwelle, die neue Wellenfront entsteht durch Überlagerung aller Elementarwellen. Dies gilt natürlich auch für Inhomogenitäten, insbesondere für Grenzflächen zwischen mehreren Medien und für Streukörper im Innern des Materials. Die Ausbreitungsfunktion einer Elementarwelle im isotropen Fall wird durch die entsprechende Greensche Funktion als das Fernfeld einer Punktquelle beschrieben. Die Beiträge aller Punktquellen werden mit den jeweiligen Punktrichtwirkungen multipliziert und aufsummiert. In anisotropen Medien müssen die Richtungsabhängigkeit der Wellengeschwindigkeiten und die entsprechenden Punktrichtwirkungen beachtet werden. Damit kann jedes von einem Prüfkopf (oder einem Streukörper) erzeugte Teilchenverschiebungsfeld mit Hilfe einer äquidistanten Verteilung von Punktquellen innerhalb der Prüfkopfapertur bestimmt werden. Die Startpunkte Huygensscher Elementarwellen müssen dabei 'dicht' gelegt werden, d.h. das Abtasttheorem muss erfüllt sein. Dementsprechend muss der Abstand zweier benachbarter Punkte geringer als die Hälfte der Wellenlänge sein.

Prinzipielle Verfahrensweise

Abbildung 3 zeigt die Vorgehensweise bei der Schallfeldberechung auf Basis des interferometrisch vermessenen Prüfkopf-Schwingungsprofils. Die mit ausreichend geringem Punktabstand (in unserem Fall 100 µm) vermessene Amplituden- und Phasenverteilung dient als Eingangsgröße für die Generalisierte Punktquellensynthese, mittels derer die vom Prüfkopf angeregte Ultraschallausbreitung simuliert wird. Das Abstrahlverhalten des untersuchten Prüfkopfes kann auf verschiedene Art und Weise charakterisiert werden: anhand der Schallfeldes in zwei oder drei Dimensionen, als C-Bild an der Unterseite eines Vorlaufkörpers oder auch in Form von A-Bildern. Dabei kann das Ausbreitungsmedium im Prinzip beliebig gewählt werden.


Abb 3: Prinzipielle Verfahrensweise bei der Schallfeldberechnung aus dem gemessenen Schwingungsprofil.

Ergebnisse - Validierung des Verfahrens

Senkrechtprüfkopf auf einem Glas-Vorlaufkörper
Das vom vermessenen Prüfkopf in Glas erzeugte, simulierte Schallfeld ist in Abbildung 4 dreidimensional dargestellt. Durch Anwendung geeigneter, kommerziell verfügbarer Visualisierungssoftware kann der berechnete Datensatz beliebig gedreht, geschnitten und hinsichtlich der dargestellten Amplitudenwerte manipuliert werden. Damit ist eine umfassende Charakterisierung der Schallfeldeigenschaften eines Prüfkopfes möglich, ohne dass eine experimentelle Schallfeldvermessung durchgeführt werden muss.


Abb 4: Dreidimensionales, simuliertes Schallfeld des Long-Senkretcht-Prüfkopfes(2 MHz,Durchmesser 12,7mm)in einem Glaskörper der Abmessungen 80 x 40 x 40 mm3

Zur Validierung der Berechnungsmethode wurden die ebenfalls interferometrisch vermessenen Schwingungsprofile an der Vorlaufkörperunterseite herangezogen. Abbildung 5 zeigt das berechnete Schwingungsmuster im Vergleich zum experimentellen Ergebnis, das an einem Glasvorlaufkörper der Dicke 12,6 mm ermittelt wurde. Die Übereinstimmung ist hervorragend, wie auch das in Abbildung 7 dargestellte Profil, das durch das absolute Maximum der Amplitude verläuft, belegt.

Senkrechtprüfkopf auf einem Polystyrol-Vorlaufkörper
Betrachtet man dieselbe Situation für einen Vorlaufkörper aus Polystyrol (Dicke 12,5 mm), so ergeben sich einige Unterschiede zwischen dem berechneten und dem gemessenen Ergebnis. Die Unterseite befindet sich bei einer Frequenz von 2 MHz noch im Nahfeldbereich, entsprechende Strukturen erkennt man im simulierten Ergebnis, während dies in der gemessenen Amplitudenverteilung nicht zu erkennen ist (Abbn. 6 und 7). Die Ursache hierfür liegt in der größeren Dämpfung des Ultraschalls in Polystyrol im Vergleich zu Glas, die dazu führt, dass das Schallfeldmaximum näher am Prüfkopf liegt. Nichtsdestoweniger zeigt der Vergleich des durch das Amplitudenmaximum verlaufenden Schallfeldprofils wiederum eine gute Übereinstimmung zwischen Simulation und Experiment, die sich durch Berücksichtigung der Dämpfung in der Berechnung noch verbessern lässt.

Abb 5: Vergleich des interferometrisch vermessenen und des berechneten Schwingungsprofils an der Unterseite des Glas-Vorlaufkörpers (in logarithmischer Darstellung). Abb 6: Vergleich des interferometrisch vermessenen und des berechneten Schwingungsmusters an der Unterseite des Polystyrol-Vorlaufkörpers (in logarithmischer Darstellung).


Abb 7: Gemessene und berechnete, durch das Maximum des Schwingungsmusters verlaufende Schallfeldprofile für den Glas- (links) und den Polystyrol-Vorlaufkörper (rechts) in logarithmischer Darstellung.

Fazit

Das vorgestellte Verfahren eignet sich zur effektiven Charakterisierung von Ultraschallprüfköpfen. Mit einem optischen Interferometer wird das Schwingungsprofil der Schallaustrittsfläche des Prüfkopfes absolut nach Amplitude und Phase gemessen. Damit können dann die Schallfeldstrukturen des Prüfkopfes in unterschiedlichen Materialien simuliert und dadurch experimentelle Aufwand erheblich reduziert werden. Die derzeit noch notwendige Verspiegelung des Prüfkopfes entfällt beim Einsatz optischer Interferometer mit entsprechend hohem Lichtsammelvermögen. Eine Reduktion der Messzeit bis in den Bereich von wenigen Minuten ist ebenfalls möglich. Durch eine Erweiterung des Simulationsverfahrens können die Ultraschalldämpfung sowie breitbandige Anregung berücksichtigt werden [4]. Besonders interessant für zukünftige Anwendungen sind die Charakterisierung von Winkelprüfköpfen und der Einsatz des vorgestellten Verfahrens im Hinblick auf eine Bewertung der Qualität von Ultraschallsensoren bei ihrer Entwicklung und Produktion.

Literatur

  1. M. Paul, Berührungsloser Nachweis von Ultraschall mittels Interferometrie und kapazitiven Aufnehmer, Diplomarbeit Fachbereich Physik, Universität des Saarlandes und Fraunhofer-IZFP-Bericht Nr. 870117-TW, 1986
  2. M. Spies: Transducer Modeling in General Transversely Isotropic Media Via Point-Source-Synthesis. Theory, J. Nondestr. Eval., 13 (1994) 85-99
  3. M. Spies, Semi-Analytical Elastic Wave-Field Modeling Applied to Arbitrarily Oriented Orthotropic Media, J. Acoust. Soc. Am., 110 (2001) 68-79
  4. M. Spies, Modeling Transient Radiation of Ultrasonic Transducers in Anisotropic Materials Including Wave Attenuation, in: Review of Progress in Quantitative NDE (2001), Vol. 21, Melville, New York, American Institute of Physics (AIP Conference Proceedings 509), 807-814 (2002)

STARTHerausgeber: DGfZPProgrammierung: NDT.net