Phased-Array-Prüfköpfe für die koppelmittelfreie Ultraschallprüfung

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1 DGZfP-Jahrestagung 2018 More info about this article: Phased-Array-Prüfköpfe für die koppelmittelfreie Ultraschallprüfung Andreas MÜCK 1, Stefan SCHEUNEMANN 2 1 SONOTEC Ultraschallsensorik Halle GmbH, Halle (Saale) 2 Forschungszentrum Ultraschall ggmbh, Halle (Saale) Kontakt a.mueck@sonotec.de Kurzfassung. Die kontaktfreie Prüfung mittels luftgekoppeltem Ultraschall hat insbesondere aufgrund der Anwendung neuartiger Kompositmaterialien in den vergangenen Jahren enorm an Bedeutung gewonnen. Dem wesentlichen Vorteil des Verzichts auf ein Koppelmittel wie Wasser steht der Nachteil der hohen Verluste bei der Schallübertragung durch die Luft gegenüber. Diese erschweren eine Interpretation der Testergebnisse. Aus diesem Grund sind Verbesserungen des Prüfsystems und der einzelnen Komponenten notwendig. Ein vielversprechender Ansatz ist die Anwendung der Phased-Array-Technik in der koppelmittelfreien Prüfung. Durch den Einsatz mehrkanaliger Ultraschallprüfköpfe und -geräte ist es möglich, das Schallfeld an die jeweilige Anwendung anzupassen und dadurch den Prüfprozess zu verbessern. Diese Technik wird seit mehreren Jahrzehnten bereits erfolgreich in der Medizin und industriellen Materialprüfung angewandt. Dennoch sind bisher nur wenige Systeme für die koppelmittelfreie Prüfung verfügbar. Ein Grund dafür ist, dass sich der Aufbau von Luftschallprüfköpfen stark vom Aufbau von Kontakttechnik- oder Tauchtechnikprüfköpfen unterscheidet. Das erfordert eine Adaption des Phased- Array-Konzepts an das Design von Luftschallprüfköpfen. Im Vortrag werden neu entwickelte Phased-Array-Prüfköpfe für die koppelmittelfreie Ultraschallprüfung vorgestellt. Die Eigenschaften der Prüfköpfe, bezogen auf die Ultraschallerzeugung, wurden ausführlich untersucht und entsprechende Ergebnisse vorgestellt. Techniken wie die elektronische Fokussierung des Schallstrahls können auf dieser Basis angewandt und die Leistungsfähigkeit mit herkömmlichen einkanaligen Prüfköpfen verglichen werden. Abschließend werden die Möglichkeiten der neuen Prüfsysteme anhand von Anwendungsbeispielen demonstriert. Einführung Die kontaktfreie Prüfung mittels luftgekoppeltem Ultraschall hat insbesondere aufgrund der Anwendung neuartiger Kompositmaterialien in den vergangenen Jahren enorm an Bedeutung gewonnen. Dem wesentlichen Vorteil des Verzichts auf ein Koppelmittel wie Wasser steht der Nachteil der hohen Verluste bei der Schallübertragung durch die Luft gegenüber. Diese erschweren eine Interpretation der Testergebnisse. Aus diesem Grund sind Verbesserungen des Prüfsystems und der einzelnen Komponenten notwendig. Im vorliegenden Beitrag wird der neu entwickelte Phased-Array-Prüfkopf SONOSCAN CF400 3E für die koppelmittelfreie Ultraschallprüfung vorgestellt. Die Eigenschaften der Prüfköpfe, bezogen auf die Ultraschallerzeugung, wurden ausführlich Lizenz: 1

2 untersucht. Aus den Ergebnissen lassen sich Aussagen für Verbesserungen in der Anwendung ableiten. 1. Phased-Array-Prüfköpfe 1.1 Anforderungen Aufgrund der niedrigen Schallgeschwindigkeit und der starken Zunahme der Schalldämpfung in Luft bei hohen Frequenzen verwendet man üblicherweise Ultraschallprüfköpfe im Bereich von 50 khz 500 khz. Mit niedrigen Frequenzen wird bei schwer durchschallbaren Prüfobjekten gearbeitet. Hohe Frequenzen kommen bei hohen Anforderungen an das Auflösungsvermögen zum Einsatz. So beträgt die Wellenlänge bei 500 khz in Luft nur 0,7 mm. Bedingt durch den großen Unterschied in der akustischen Impedanz von Luft und Festkörpern wird nur ein sehr kleiner Teil der aufgewandten Energie in das Prüfobjekt übertragen und gelangt von dort zum Empfänger. Für einen hohen Signal-Rausch-Abstand sind deshalb Prüfköpfe mit einer hohen Empfindlichkeit notwendig. Üblicherweise kommen deshalb schmalbandige Prüfköpfe zum Einsatz, deren abgestrahlte Energie möglichst in einem kleinen Bereich gebündelt wird. Ein homogenes Schallfeld ohne störende Nebenkeulen ermöglicht eine klare Auflösung von Fehlstellen und eine zuverlässige Prüfaussage. Ebenfalls zu berücksichtigen sind Anforderungen, die sich aus der Prüfumgebung ableiten. Häufig erfordert eine eingeschränkte Zugänglichkeit zum Prüfobjekt kleine Abmessungen der Prüfköpfe oder einen geringen Abstand zur Oberfläche. 1.2 Aufbau Der prinzipielle Aufbau eines Ultraschallprüfkopfs für die koppelmittelfreie Prüfung ist in Abbildung 1 dargestellt. Er entspricht der Konstruktion eines konventionellen Prüfkopfs für die Kontakt- oder Tauchtechnikprüfung. Abbildung 1. Aufbau eines Ultraschallprüfkopfs 2

3 Die einzelnen Komponenten sind an die Anwendung in Luft angepasst. Insbesondere wird für die Anpassschicht ein Material mit niedriger akustischer Impedanz verwendet. Einen wesentlichen Einfluss auf die Eigenschaften hat der Piezoschwinger. Für den vorgestellten Phased-Array-Prüfkopf wurde ein Piezokomposit verwendet, dessen Elektrode als Annular Array mit 3 Elementen ausgeführt wurde (siehe Abbildung 2). Für eine optimale Anpassung an die Elektronik sind die Elemente flächengleich und verfügen dadurch über eine annähernd gleiche elektrische Kapazität. Abbildung 2. Piezoschwinger des SONOSCAN CF400 3E Die Prüfköpfe vom Typ SONOSCAN CF400 3E besitzen eine Nennfrequenz von 400 khz bei einem Durchmesser des Piezoschwingers von 20 mm. Die elektrische Schnittstelle zu den einzelnen Elementen sind über drei Microdot-SMB-Buchsen ausgeführt. 1.3 Schallfeldmessung Die wesentliche Eigenschaft eines Prüfkopfes ist das Schallfeld, das heißt die räumliche Verteilung des beim Aussenden eines Ultraschallimpulses erzeugten Schalldrucks. Im Gegensatz zur konventionellen Ultraschall-Gerätetechnik gibt es für die Charakterisierung von Luftschallsystemen noch keine Standards. Aufgrund der beim Luftultraschall verwendeten Technik, schmalbandige Prüfköpfe und Sendebursts und daraus resultierende lange Nachschwingzeiten, ist eine Vermessung des Schallfelds mit Hilfe eines Reflektors nicht zielführend. Stattdessen wird ein Mikrofon zur Ermittlung eines Schalldruck-äquivalenten Signals genutzt. Die Anregung der Prüfköpfe erfolgt mit Hilfe einer Elektronik, die einen Sendeburst von 5 Rechteck-Impulsen bei einer Spannung von 100 V erzeugt. 3

4 2. Ergebnisse 2.1 Axiale Schallfelder Als Referenz wurde das Schallfeld eines konventionellen fokussierenden Prüfkopfs mit gleicher Nennfrequenz und gleichem Schwingerdurchmesser vermessen (siehe Abbildung 3). Der Scanbereich reich von 0 mm bis 100 mm in Ausbreitungsrichtung. Lateral ist ein Bereich von 20 mm dargestellt. Abbildung 3. Schallfeld eines konventionellen Prüfkopfs vom Typ SONOSCAN CF400 Deutlich zu erkennen ist der klar abgegrenzte Fokusbereich mit einem Fokusabstand von ca. 35 mm. Aufgrund von Nebenkeulen, die ebenfalls in der Abbildung erkennbar sind, wird als Arbeitspunkt des Prüfkopfs typischerweise ein größerer Abstand von 50 mm verwendet. Der Durchmesser des Schallbündels beträgt dort 3,6 mm. Im Vergleich dazu ist in Abbildung 4 das Schallfeld des Phased-Array-Prüfkopfs SONOSCAN CF400 3E dargestellt. Alle Elemente werden gleichphasig angeregt, wodurch man die Charakteristik eines planaren, unfokussierten Prüfkopfs erhält. Abbildung 4. Schallfeld eines Phased-Array-Prüfkopfs vom Typ SONOSCAN CF400 3E bei gleichphasiger Anregung Die Schallenergie verteilt sich auf einen viel größeren Bereich. Im Vergleich zum konventionellen fokussierenden Prüfkopf liegt der maximal erreichbare Schalldruck bei lediglich dem halben Wert. Im Abstand von 70 mm beträgt der Schallbündeldurchmesser 9,8 mm. Die gleiche Messung wurde durchgeführt mit einer zeitversetzten Anregung der Elemente (siehe Abbildung 5). Als geeignete Werte haben sich Verzögerungszeiten von 900 ns bzw ns für den mittleren Ring und das innere Element gegenüber dem äußeren Ring herausgestellt. Durch die elektronische Fokussierung konnte ein Schalldruck vergleichbar der konventionellen Referenz erreicht werden. Der optimale Arbeitspunkt liegt bei ca. 20 mm. Der Schallfelddurchmesser beträgt in diesem Abstand 3,2 mm. 4

5 Abbildung 5. Schallfeld eines Phased-Array-Prüfkopfs vom Typ SONOSCAN CF400 3E bei phasenversetzter Anregung 2.2 Axiale Schallfelder Zum Erreichen detaillierter Scan-Resultate werden Prüfköpfe benötigt, deren Schallbündel im Arbeitspunkt einen möglichst kleinen Durchmesser bei homogener Verteilung des Schalldrucks aufweisen. Zum Vergleich wurden deshalb die Schallbündelquerschnitte des konventionellen Prüfkopfs und des Phased-Array-Prüfkopfs im Abstand von 20 mm und 50 mm aufgenommen (siehe Abbildung 6). Abbildung 6. Querschnitt des Schallfelds verschiedener Prüfköpfe in unterschiedlichem Abstand SONOSCAN CF400 SONOSCAN CF400 3E D = 20 mm D = 50 mm Deutlich erkennbar sind die Nahfeld-Interferenzen im Schallfeld des einkanaligen, konventionellen Prüfkopfs SONOSCAN CF400 im Abstand von 20 mm. Am Ende des Fokusbereichs, im Abstand von 50 mm, verschwinden diese und die Schallenergie wird in einem Punkt gebündelt. Im Vergleich dazu erreicht man mit der elektronischen Fokussierung des SONOSCAN CF400 3E ein vergleichbares Ergebnis bereits im Abstand von 50 mm. 5

6 3. Anwendungsbeispiel 3.1 Prüfobjekt Als Referenz wird eine Platte aus PMMA eingesetzt. In diese sind Bohrungen und Nuten unterschiedlicher Größe eingefräst. Die Rückseite wurde anschließend mit einer zweiten Platte verklebt, so dass die Oberflächen geschlossen sind. 3.2 Messergebnisse Die Prüfplatte wurde in Durchschallung untersucht. Auf der Vorderseite befand sich in unterschiedlichem Abstand der Sendeprüfkopf. Auf der Rückseite wurde der Empfangsprüfkopf vom gleichen Typ wie der Sender angebracht. Die Ergebnisse sind in den Abbildungen 7 bis 9 dargestellt. Abbildung 7. Scan-Darstellung der Referenz-Prüfplatte unter Verwendung des SONOSCAN CF 400 im Abstand von 20 mm. Bei der Verwendung des konventionellen Prüfkopfs im Abstand von 20 mm sind die Nuten schlecht aufgelöst und lassen sich kaum voneinander trennen. Die kleinste Bohrung in der linken unteren Ecke ist ebenfalls nur schlecht auflösbar. Aufgrund der Resultate der Schallfeldmessung war das erwartet worden. Abbildung 8. Scan-Darstellung der Referenz-Prüfplatte unter Verwendung des SONOSCAN CF 400 im Abstand von 50 mm. 6

7 Wird der Abstand des Prüfkopf Prüfobjekt auf 50 mm vergrößert, ist eine deutlich bessere Auflösung erzielbar. Die Nuten werden klar voneinander getrennt dargestellt. Die Bohrungen sind im Wesentlichen erkennbar. Abbildung 9. Scan-Darstellung der Referenz-Prüfplatte unter Verwendung des SONOSCAN CF 400 3E im Abstand von 20 mm. Mit dem Phased-Array-Prüfkopf kann die gleiche Darstellungsqualität bereits bei einem Abstand von 20 mm zum Prüfobjekt erzielt werden. Die Auflösung ist noch einmal etwas besser, insbesondere wird die kleinste Bohrung in der linken unteren Ecke deutlicher dargestellt. 3. Fazit Es konnte ein Phased-Array-Prüfkopf für die koppelmittelfreie Ultraschallprüfung aufgebaut werden. Im Vergleich zu konventionellen fokussierenden Prüfköpfen können damit bei gleicher Empfindlichkeit ein kleinerer Schallbündelquerschnitt und schwächer ausgeprägte Nebenkeulen erreicht werden. Ein wesentlicher Vorteil besteht in der Möglichkeit eines deutlich kürzeren Fokusabstands. Damit können Prüfaufgaben bearbeitet werden, die eine geringe Entfernung des Prüfkopfs zum Prüfobjekt erfordern. Anhand von Messungen an einem Referenz-Prüfobjekt konnten die Vorteile dargestellt werden. 7