Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1490
Main Title: Einsatzpotenzial von laufzeitgesteuerten Ultraschall-Gruppenstrahlern an Betonbauteilen
Translated Title: The potential of the application of ultrasonic phased array at concrete elements
Author(s): Mielentz, Frank
Advisor(s): Orglmeister, Reinhold
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät IV - Elektrotechnik und Informatik
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Die Ultraschallprüfung als klassisches Verfahren der zerstörungsfreien Prüfung findet zunehmend auch im Bauwesen Anwendung. Der dafür anwendbare Frequenzbereich ist aufgrund von Streuungen an den Gesteinskörnern und Luftporen auf etwa 200 kHz begrenzt. Da man aus praktischen Gründen auf kleine Prüfkopfgrößen beschränkt ist, führen die niedrigen Prüffrequenzen zu einem für die Ultraschallprüfung ungünstig kleinen Verhältnis des Prüfkopfdurchmessers zur Wellenlänge. Die Folge ist ein fast ungerichtetes Abstrahlungsverhalten für Longitudinalwellen. Außerdem kommt es zusätzlich zu einer erheblichen Abstrahlung von Transversal- und Oberflächenwellen, die eine Ultraschallprüfung mit der Impuls-Echo-Methode erschweren. Um das Abstrahlungsverhalten zu verbessern, kann man mehrere Prüfköpfe zu Strahlergruppen zusammenschalten oder mit geringerem Aufwand an Gerätetechnik und Prüfköpfen nach dem Prinzip der synthetischen Apertur entsprechende Strahlergruppen durch sequentielle Abtastung einer „Apertur“-Fläche mit einem Prüfkopf nachbilden. Im Rahmen der Arbeit werden Konzepte für den Einsatz der Ultraschallprüfung mit Strahlergruppen an Betonbauteilen vorgestellt und der Einfluss der Betoneigenschaften auf die Ultraschallausbreitung bei der Anwendung dieser Techniken untersucht. Um den Einfluss der Schwingerform und -größe der Prüfköpfe auf das Schallfeld theoretisch zu untersuchen, wurde ein Rechenprogramm auf Grundlage der Punktquellensynthese entwickelt, das bei der Berechnung die Annahme beliebiger Schwingergeometrien und -anordnungen zulässt. Für die experimentellen Untersuchungen wurde ein laufzeitgesteuerter Gruppenstrahler für den Niederfrequenzbereich, bestehend aus zehn einzelnen Prüfköpfen, aufgebaut, mit dem das Schallbündel im Betonbauteil geschwenkt und/oder fokussiert werden kann. Um die Ausbildung der Schallfelder des zeitlich gesteuerten Gruppenstrahlers und deren Steuerbarkeit unter den Bedingungen des inhomogenen Werkstoffes Beton auch experimentell zu überprüfen, wurden zunächst sowohl Schallfeldprofile als auch Schallschnelleverteilungen im Schallbündelquerschnitt mit und ohne Fokussierung des Schallbündels gemessen. Die Messungen erfolgten an Betontestkörpern mit 8 mm und 16 mm Größtkorn mittels eines scannenden Laservibrometers in Durchschallung. Eine besonders anschauliche Methode, die Funktionsweise des Gruppenstrahlers zu demonstrieren, ist die Visualisierung der Wellenausbreitung. Dabei wird das Schallfeld an einer Schnittfläche des Schallbündels, die möglichst parallel und nahe zur Bündelachse liegt, abgetastet. Hierzu kann die Seitenfläche eines Testblockes dienen, auf die das Schallbündel fast streifend auftrifft. Mit Hilfe eines entsprechenden Auswerteverfahrens kann die Schallwellenausbreitung dargestellt werden. Als Ergebnis liegt ein Konzept zur Anwendung der Gruppenstrahlertechnik auch für Ultraschalluntersuchungen an Betonbauteilen vor. Durch die gegebenen Möglichkeiten einer elektronischen Schallfeldsteuerung erhält man Abbildungen des Prüfobjektinneren für die verbesserte Fehlerdetektion und -interpretation, die bisher nur mit einem aufwändigen mechanischen Abtastsystem und mit nachträglicher Rekonstruktionsrechnung möglich waren. Da der Sendebetrieb des Gruppenstrahlers die Steuerung realer Schallfelder gestattet, kann man deren Ausbildung im Beton überprüfen, was die Vorbereitung von Prüfungen sehr vereinfacht und die Zuverlässigkeitsbeurteilung verbessert.
Ultrasonic testing is a classical non-destructive testing method, which is increasingly applied in civil engineering. For ultrasonic testing at concrete the frequency range is restricted to frequencies below 200 kHz. This range is determined by the materials aggregate size, which causes sound scattering. For practical reasons probes with small dimensions (and diameters) are used for the measurements but the low frequencies lead to a disadvantageous small ratio between the diameter of the probe and the wavelength of the signals. As a consequence the radiation of the longitudinal waves is almost non-directional. Additionally a significant emission of transversal and surface waves is taking place, an effect, which interferes with the ultrasonic echo testing. To improve the radiation performance, several probes can be arranged and operated in arrays of transducer elements. Another possibility is to carry out measurements with a single probe, which scans the surface area sequentially following the principle of synthetic aperture technique. In the frame of this work concepts are introduced for the application of ultrasonic testing with phased arrays (time-controlled transducer) at concrete elements. The influence of concrete properties (air-pores and concrete aggregate size) on the wave propagation has been investigated for this technique. For theoretical investigation of the influence of shape and dimension of the transducer on the sound field software has been developed, which is based on point source synthesis. This program enables calculations taking into account any geometry and set up of the transducers. For the experimental investigations a low frequency ultrasonic phased array consisting of ten single probes has been set up, allowing the deflection and focussing of the sound beam within the test specimen during the measurement. Therefore it is possible to check the formation and controllability of the sound fields even under the conditions and restrictions of the inhomogeneous material concrete. To achieve this, sound field profiles as well as the distribution of sound particle velocity are measured in the transverse section of the sound beam with and without focusing it. The measurements were carried out at concrete test specimen (8 mm and 16 mm maximum aggregate size) using a scanning laser-vibrometer in through transmission technique. A particularly demonstrative method to show the functionality of the phased array is the visualization of the wave propagation by scanning the sound field at an intersecting plane of the sound beam. The intersection has to be located close to and preferably parallel to the acoustic axis. This can be the lateral surface of a test block, which is hit by the sound beam in grazing direction. With a suitable analysis procedure adapted to the measurement instrumentation the sound wave propagation can be displayed. A concept for the application of the phased array technique for ultrasonic testing of concrete elements is available. The electronic control of the sound beam provides the possibility of imaging the inner structure of the test object. This leads to improved failure detection and interpretation, something that was until now only possible using complex mechanical scanning systems and subsequent reconstruction calculations. The controllability of real sound fields through the phased array allows the supervision of the sound field development in concrete elements. This facilitates the preparation of investigations and enhances the reliability assessment of the investigations.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-14555
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1787
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1490
Exam Date: 8-Nov-2006
Issue Date: 20-Dec-2006
Date Available: 20-Dec-2006
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Beton
Impuls-Echo-Methode
Ultraschallprüfung
Zeitlich gesteuerter Gruppenstrahler
Zerstörungsfreie Prüfung
Concrete
Non-destructive testing
Phased array
Pulse-echo-method
Ultrasonic testing
Usage rights: Terms of German Copyright Law
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