Modellierung und Visualisierung der Anregung als Hilfsmittel zur Wandleroptimierung

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1 Seminar des Fachausschussess Ultraschallprüfung Vortrag 12 Modellierung und Visualisierung der EMUS- Anregung als Hilfsmittel zur Wandleroptimierung Gerhard KOPP, Herbert WILLEMS NDT Systems & Services GmbH & Co. KG Friedrich-List-Str.1, Stutensee Kurzfassung Elektromagnetisch angeregter Ultraschall (EMUS) besitzt im Gegensatz zu herkömmlich über piezoelektrische Prüfköpfe angeregtem Ultraschall den Vorteil, daß die Schallerzeugung direkt an der Oberfläche des Prüfobjekts erfolgt und kein Koppelmittel benötigt wird. Dies ermöglicht z.b. die Ultraschallprüfung in Gaspipelines sowie das Arbeiten bei hohen oder tiefen Temperaturen. Weiterhin bietet die Ultraschallanregung mittels EMUS-Wandlern die Möglichkeit, vielfältige Wellentypen (freie und geführte Wellen) anzuregen. Erkauft werden diese Vorteile durch einen geringen Wirkungsgrad und Dynamikbereich im Vergleich zur piezoelektrischen Anregung. Durch die Anregung verschiedener Wellentypen entstehen zum Teil komplexe Schallfelder mit einer unter Umständen geringen Modenreinheit, was die Interpretation der Meßergebnisse erschwert. Weiterhin ist die Anwendung auf leitfähige bzw. ferromagnetische Werkstoffe beschränkt. Eine Möglichkeit zum besseren Verständnis der Wirkungsweise der EMUS- Das in dieser Wandlung bietet die Modellierung mit geeigneten numerischen Verfahren. Arbeit vorgestellte Modelll beinhaltet die verschiedenen Mechanismen der EMUS- in Verbindung Anregung (Lorentzkraft, magnetische Kraft und magnetostriktive Anregung) mit einem Finite-Differenzen-Verfahren zur Berechnung der elastodynamischen Wellenausbreitung im Prüfobjekt. Das Modell erlaubt die Berechnung der Ultraschallanregung für vielfältige Wandlergeometrien und Magnetfeldanordnungen in 2D und 3D. Die Visualisierung der Modellierungsergebnisse kann wahlweisee als Gittermodell erfolgen, in welchem die Schallauslenkung der Gitterpunkte direkt dargestellt wird. Alternativ kann die Schallausbreitung auch als Konturplot dargestelltt werden. Hierbei besteht die Möglichkeit, den longitudinalen und transversalen Anteil des Wellenfeldes getrennt voneinander zu betrachten. Dies ist insbesondere nützlich bei der Darstellung von Schallfeldern, welche im Falle der EMUS-Anregung einen hohen Grad an Komplexität erreichen können. Die vorliegende Arbeit verdeutlicht dieses anhand verschiedener Beispiele für die EMUS-Anregung mit unterschiedlichen Wandlergeometrien. Außerdem werden Beispiele zum Vergleich der Modellierungsergebnisse mit experimentellen Ergebnissen vorgestellt. Lizenz: 1

2 Modellierung und Visualisierung der EMUS-Anregung als Hilfsmittel zur Wandleroptimierung Gerhard Kopp, Herbert Willems Seminar des FA Ultraschallprüfung November 2013 Berlin Modellierung und Visualisierung der EMUS- Anregung als Hilfsmittel zur Wandleroptimierung Übersicht Beschreibung des Finite-Differenzen-Modells Grundlagen der elektromagnetischen Ultraschallanregung Visualisierung der EMUS-Anregung am Beispiel verschiedener Prüfkopfgeometrien Zusammenfassung Copyright 2013,. 2

3 Ultraschallmodellierung Beschreibung des Modells Finite-Differenzen-Verfahren * O( x 2 ) 2D- oder 3D-Berechnungen Randbedingungen: normal- und schubspannungsfrei (z.b. Grenzfläche Stahl / Luft) offen (reflexionsfrei auslaufende Wellen) periodisch, spiegelsymmetrisch (Nutzung von Symmetrieeigenschaften) Anregung / Empfang: piezoelektrisch EMUS * siehe z.b. Th.-R. Heinrich, Die Lösung der elastischen Bewegungsgleichung als Modellfall der Schallemission, TU Berlin, 2009 Copyright 2013,. EMUS Elektromagnetische Ultraschall (EMUS) -Technik Vorteile der EMUS Anregung + kein Koppelmittel nötig (Prüfung in Gasatmosphären / Vakuum) + Prüfung bei erhöhten oder tiefen Temperaturen + Anregung vielfältiger Wellentypen (freie und geführte Wellen) Nachteile der EMUS Anregung - hohe Sendeleistung und rauscharme Vorverstärker nötig - beschränkt auf leitfähige bzw. ferromagnetische Werkstoffe - teilweise komplexe Schallfelder Copyright 2013,. 3

4 Mechanismen der EMUS-Anregung Lorentz-Anregung siehe z.b. M. Hirao and H. Ogi. EMATs for science and industry: noncontacting ultrasonic measurements. Kluwer Academic Publishers, Boston, Copyright 2013,. Mechanismen der EMUS-Anregung Lorentz-Anregung j' z y x B 0 Copyright 2013,. 4

5 Mechanismen der EMUS-Anregung Magnetische Anregung H HF x z y f M = µ 0 Μ H HF N SM 0 Skintiefe H HF siehe z.b. M. Hirao and H. Ogi. EMATs for science and industry: noncontacting ultrasonic measurements. Kluwer Academic Publishers, Boston, Copyright 2013,. Mechanismen der EMUS-Anregung Magnetische Anregung H HF x z y Copyright 2013,. 5

6 Mechanismen der EMUS-Anregung Lorentz- und Magnetische Anregung H HF x z y Copyright 2013,. Mechanismen der EMUS-Anregung Magnetostriktive Anregung Copyright 2013,. 6

7 Mechanismen der EMUS-Anregung Magnetostriktive Anregung 8 6 magnetostriktive Dehnung ε [µm/m] 4 Arbeitspunkt 2 ε H magnetische Feldstärke H[A/cm] Siehe z.b. R. Koch, Entwicklung und Erprobung eines Moduls zur Ausnutzung der dynamischen Magnetostriktion als eine Messgrösse zur Charakterisierung von Struktur- und Spannungszuständen im Rahmen des 3MA-Ansatzes, Saarbrücken, 1989 Copyright 2013,. Mechanismen der EMUS-Anregung Magnetostriktive Anregung, j j' z y x Copyright 2013,. 7

8 Mechanismen der EMUS-Anregung Magnetostriktive Anregung, j S N S N S N S N f S N S N S N S N -f H HF M. Hirao and H. Ogi. EMATs for science and industry: noncontacting ultrasonic measurements. Kluwer Academic Publishers, Boston, Copyright 2013,. Mechanismen der EMUS-Anregung Magnetostriktive Anregung, j j' z y x Copyright 2013,. 8

9 EMUS-Normalprüfkopf, Lorentz-Anregung Aufbau Magnet HF-Spule HF-Spule aktiver Bereich linear polarisierte Transversalwelle Copyright 2013,. EMUS-Normalprüfkopf, Lorentz-Anregung Ultraschallanregung, 12 mm Wanddicke Senkrecht zum Strom und zur Oberfläche Parallel zum Strom, senkrecht zur Oberfläche Copyright 2013,. 9

10 EMUS-Normalprüfkopf, Lorentz-Anregung Schallfeld in zwei Ebenen senkrecht zur Oberfläche HF-Spule HF-Spule 20 mm Copyright 2013,. EMUS-Normalprüfkopf, magnetostr. Anregung Aufbau HF-Spule magnetischer Rückschluß HF-Spule Magnete Copyright 2013,. 10

11 EMUS-Normalprüfkopf, magnetostr. Anregung Aufbau HF-Spule linear polarisierte Transversalwelle Copyright 2013,. EMUS-Normalprüfkopf, magnetostr. Anregung Kombinationssensor für die Inspektion von Gaspipelines 4 mm Wirbelstrom Sendespule 10 mm Empfangsspule Copyright 2013,. 11

12 EMUS-Normalprüfkopf, magnetostr. Anregung Ultraschallanregung, 12 mm Wanddicke Axiale Richtung senkrecht zur Oberfläche Umfangsrichtung senkrecht zur Oberfläche Copyright 2013,. EMUS-Normalprüfkopf, magnetostr. Anregung Ultraschallanregung, 12 mm Wanddicke Axiale Richtung senkrecht zur Oberfläche Umfangsrichtung senkrecht zur Oberfläche Copyright 2013,. 12

13 EMUS-Normalprüfkopf, magnetostr. Anregung Schallfeld in zwei Ebenen senkrecht zur Oberfläche HF-Spule HF-Spule 20 mm Copyright 2013,. EMUS-Normalprüfkopf, magnetostr. Anregung Schallfeld in zwei Ebenen senkrecht zur Oberfläche HF-Spule HF-Spule 20 mm Copyright 2013,. 13

14 EMUS-Normalprüfkopf, magnetostr. Anregung Schallfeld in zwei Ebenen senkrecht zur Oberfläche HF-Spule HF-Spule 20 mm Copyright 2013,. EMUS-Normalprüfkopf, magnetostr. Anregung Tiefensequenz des Schallfelds Copyright 2013,. 14

15 EMUS-Normalprüfkopf, magnetostr. Anregung Tiefensequenz des Schallfelds Copyright 2013,. EMUS-Normalprüfkopf, magnetostr. Anregung Tiefensequenz des Schallfelds Copyright 2013,. 15

16 EMUS-Normalprüfkopf, magnetostr. Anregung Vergleich des gemessenen Schallfeldes mit dem Modell Messung Transversalanteil, in Feldrichtung* Messung Longitudinalanteil, in Feldrichtung* 2000 Modell Transversalanteil, in Feldrichtung 2000 Modell Longitudinalanteil, in Feldrichtung Ultraschallamplitude [w.e.] Ultraschallamplitude [w.e.] Verschiebung [mm] Verschiebung [mm] * F. Niese, EMUS Wanddickensensor für die Pipeline-Inspektion mit integrierter Wirbelstrom- und Streuflussprüfung, IZFP Saarbrücken, 2010 Copyright 2013,. EMUS-Normalprüfkopf, magnetostr. Anregung Ultraschallanregung, 10 mm Wand, hoher Sendestrom Axiale Richtung senkrecht zur Oberfläche Umfangsrichtung senkrecht zur Oberfläche Copyright 2013,. 16

17 Mechanismen der EMUS-Anregung Anregung von Oberwellen über die Lorentzkraft schwacher Sendestrom starker Sendestrom f L = j' x B 0 j sin(ωt) f L = j' x B ~ j 2 sin(ωt) 2 = j 2 (1-cos(2ωt)) / 2 siehe z.b. R. Ribichini, Modelling of Electromagnetic Acoustic Transducers, Imperial College London, 2011 Copyright 2013,. Mechanismen der EMUS-Anregung Anregung von Oberwellen über Magnetostriktion schwacher Sendestrom starker Sendestrom siehe z.b. R. Koch, Entwicklung und Erprobung eines Moduls zur Ausnutzung der dynamischen Magnetostriktion als eine Messgrösse zur Charakterisierung von Struktur- und Spannungszuständen im Rahmen des 3MA-Ansatzes, Saarbrücken, 1989 Copyright 2013,. 17

18 EMUS-Winkelprüfkopf für SH-Wellen Aufbau SH0-Welle Magnetpole Mäanderspule Copyright 2013,. EMUS-Winkelprüfkopf für SH-Wellen Aufbau eines optimierten Prüfkopfes SH0-Welle Unter 45 angestellte Magnetpole H. Ogi, E. Goda and M. Hirao, Increase of Efficiency of Magnetostriction SH-Wave Electromagnetic Acoustic Transducer by Angeled Bias Field: Piezomagnetic Theory and Measurements, Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 42 (2003) pp Copyright 2013,. 18

19 EMUS-Winkelprüfkopf für SH-Wellen Ultraschallanregung mittels Magnetostriktion Querschnitt (8 mm Wanddicke) Copyright 2013,. EMUS-Winkelprüfkopf für SH-Wellen Ultraschallanregung mittels Magnetostriktion Querschnitt (8 mm Wanddicke) Copyright 2013,. 19

20 EMUS-Winkelprüfkopf für SH-Wellen SH-Wellenamplitude in Abhängigkeit von Messungen* Modellergebnisse Amplitude [w.e.] [10 4 A/m] * H. Ogi, E. Goda and M. Hirao, Increase of Efficiency of Magnetostriction SH-Wave Electromagnetic Acoustic Transducer by Angeled Bias Field: Piezomagnetic Theory and Measurements, Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 42 (2003) pp Copyright 2013,. Modellierung und Visualisierung der EMUS- Anregung als Hilfsmittel zur Wandleroptimierung Zusammenfassung Modell zur Berechnung der EMUS-Anregung und Schallausbreitung im Prüfobjekt Visualisierung der Schallausbreitung als Gittermodell Visualisierung der Schallausbreitung als Konturplot, separate Darstellung des Longitudinal- und Transversalanteils Berechnung und Darstellung von Schallfeldern Vergleich der Modellergebnisse mit Messungen Copyright 2013,. 20