Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1358
Main Title: Theoretische und experimentelle Überprüfung von Berechnungsgrundlagen zur Schallfeldsteuerung für die Ultraschallprüfung
Translated Title: Theoretical and experimental verification of calculation fundamentals for sound field steering in ultrasonic testing
Author(s): Rehfeldt, Thomas
Advisor(s): Wüstenberg, Hermann
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Die vorliegende Arbeit berichtet über Versuche, mit Näherungsalgorithmen den Zusammenhang zwischen dem konstruktiven Aufbau von Ultraschallsensoren mit piezoelektrischen Schwingern und den sich im Prüfmedium ergebenden Schalldruckverteilungen zu beschreiben. Die Näherungen sollen eine schnelle Abschätzung und Optimierung der wichtigsten Daten von Prüfköpfen für die Ultraschallprüfung ermöglichen. Mit Hilfe dieser Algorithmen können dann für ein meist durch die Fehlertiefenlage und die Bauteilkrümmung definiertes Prüfproblem die optimalen konstruktiven Prüfkopfdaten (Schwingerabmessung, Einschallwinkel, Fokussierung und Frequenz) ohne aufwendige Modellrechnungen berechnet werden. Obwohl die untersuchten Algorithmen gelegentlich in der Praxis angewendet wurden, sind diese nie systematisch hinsichtlich ihrer Gültigkeitsgrenzen untersucht worden. Dies war zum einen dadurch begründet, dass diese immer nur für spezielle Prüfprobleme entwickelt und verifiziert wurden und zum anderen darin, dass erst heute die messtechnischen und numeri-schen Werkzeuge für eine allgemeinere Untersuchung zur Verfügung stehen. Die Verifizierung der Näherungen erfolgte sowohl durch Messungen als auch mithilfe von ausreichend validierten Modellrechnungen. Bei einachsig gekrümmten Grenzflächen und Schrägeinschallung ergibt sich die Schwingerabmessung aus der Anwendung der Näherungsalgorithmen in einer Ebenen senkrecht und einer zweiten Ebene parallel zur Bauteilkrümmung. Die für sphärisch gekrümmte Kreiskolbenschwinger gültigen Näherungen sind nur für rotationssymmetrische Schallfelder gültig, was auch durch die messtechnische Überprüfung bestätigt wurde. Tritt nun eine Abweichung von der Rotationssymmetrie des Schallfeldes aufgrund einer rechteckigen Schwingergeometrie, einer gekrümmten Bauteiloberfläche oder durch Schrägeinschallung auf, so muss dies bei der Übertragung von Formeln für den klassischen Kreiskolbenschwinger beachtet werden und durch eine entsprechende Krümmung des Schwingers bzw. durch die Verwendung einer Zylinderlinse kompensiert werden. Diese Kompensation lässt sich auch durch Anwendung eines zylindrisch gekrümmten linearen Gruppenstrahlerprüfkopfes erreichen. Durch die Übertragung des Nahfeldlängen-Begriffs auf die rechteckige Schwingergeometrie und die anderen Quellen von Asymmetrie im Schallfeld gelingt es, die Anwendbarkeit von Näherungsalgorithmen auf fast alle wichtigen Prüfkopftypen auszudehnen. In der vorliegenden Arbeit wurden dazu zwei Ansätze untersucht: Im ersten Ansatz wurde die Nahfeldlänge der Kreiskolbenmembran durch eine mittlere Nahfeldlänge für die Rechteckmembran ersetzt. Im zweiten Ansatz wird entsprechend der Seitenlängen des Rechteckschwingers in den beiden Ebenen (senkrecht bzw. parallel zur Bauteilkrümmung) mit unterschiedlichen Nahfeldlängen gerechnet. Beide Ansätze liefern unterschiedlich gute Übereinstimmung zwischen den aufgrund der Näherungsalgorithmen berechneten und den gemessenen relativen Echoamplituden entlang der Schallbündelachse. Der Ansatz mit zwei Nahfeldlängen für beide Schwingerabmessungen liefert bei größeren Abweichungen von der quadratischen Schwingerform genauere Ergebnisse als der Ansatz unter Berücksichtigung einer mittleren Nahfeldlänge. Das gilt auch für bis zu 60° schräg eingekoppelte Ultraschallwellen. Dabei stimmen die Näherungsalgorithmen bei Anwendung auf Winkelprüfköpfe mit Plexiglaskeil für Transversalwellen wegen des geringeren Brechungsindex besser mit dem Ergebnis von numerischen Modellrechnungen überein als bei Verwendung von Longitudinalwellen. Die durch die Modifikation der Nahfeldlänge auf rechteckige Schwingergeometrien entstandenen Näherungsalgorithmen lassen sich innerhalb eines allgemeinem Berechnungsschemas unter Einbeziehung von numerischen Modellrechnungen auch für eine exakte Prüfkopfoptimierung durch Iteration heranziehen. Bei der Ermittlung der konstruktiven Prüfkopfdaten mit Hilfe dieses Schemas lassen sich zeitaufwendige numerische Berechnungsschritte durch Anwendung der untersuchten Näherungsalgorithmen minimieren, wodurch eine effektive Optimierung von Prüfköpfen möglich wird.
This thesis describes the correlation between the design of ultrasonic probes for NDT (non destructive testing) purposes with piezoelectric crystals and the resulting sound field distribution by means of approximation algorithms and their verification. The approximations result in a fast estimation and optimization of the most important probe data for ultrasonic testing. This enables the calculation of optimal design data for the probe (crystal size, incidence angle, focus and frequency) without complex modeling. These algorithms can be applied to a given inspection problem defined by the position and kind of expected defects in the material of the test object and its geometry e.g. its curvature at the coupling surfaces. Although the investigated algorithms have been used before, they have never systematically been verified concerning their validity limits. On the one hand this is due to an individual development and application under mostly specific short term conditions. On the other hand modern experimental and numerical tools for an overall verification of the algorithms had not been available at the time of their first application. In the frame of this thesis the algorithms have been verified experimentally by comparing approximation calculations with measurements and theoretically by comparing approximation calculations with validated numerical models. The crystal size of an ultrasonic probe used for uniaxial curvature surfaces and inclined incidence of the sound waves can be determined by applying the approximation algorithms to two planes, one plane with perpendicular and another with parallel orientation to the curvature of the test object. The classical approximations for spherically curved circular crystals can only be applied to sound fields with rotational symmetry. This has also been confirmed experimentally. However, the sound field distribution can deviate from the case of rotational symmetry by the influence of a rectangular crystal geometry, of curved surfaces and of inclined incidence of the sound wave. These sound field deviation can be compensated by curving the crystal or using a cylindrical lens. This compensation can especially also be achieved with the help of a cylindrical curved linear phased array probe. It is possible to expand the approximation algorithms to the design of the most commonly used ultrasonic probes by transferring the near field length concept of circular crystals to the rectangular crystal geometry and other sources of rotational asymmetry in the sound field. Therefore two approaches have been investigated in this study: (i) substituting the near field length estimation of a circular crystal by an average near field length of a rectangular crystal and (ii) using different near field length estimations for each plane (perpendicular and parallel to the curvature) according to the length of the crystal in each plane. Both estimations show different agreements between the approximated and the measured relative echo amplitudes along the sound beam axis. The estimation with two near field lengths showed better results than the one with an average near field length for crystal geometries with an important deviation from the quadratic geometry. This is also true for sound waves with an incidence angle of up to 60°. For angle beam probes with wedges made of PMMA (Plexiglas) the approximation algorithms give better agreement with the numerical modeling in the case of shear waves than in that of pressure waves. This is due to the smaller refraction index of shear waves. The described approximation algorithms can be used iteratively applying numerical calculation models with stepwise modified parameters like e.g. the crystal sizes, the curvature of lenses etc. The time needed for the iterative calculation steps is minimized by the use of starting values derived with the help of the approximation algorithms. This makes the probe optimization much more efficient.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-12798
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1655
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1358
Exam Date: 18-Nov-2005
Issue Date: 26-May-2006
Date Available: 26-May-2006
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Fokussierung
Gruppenstrahlertechnik
Näherungsalgorithmen
Prüfkopfoptimierung
Schallfeldberechnung
Approximation algorithms
Focusing
Phased array technique
Probe optimization
Sound field calculations
Usage rights: Terms of German Copyright Law
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