Phased-Array basiertes Structural Health Monitoring zur Delaminationserkennung bei Mehrschichtsystemen

Alexander Backer; Klaus Stefan Drese

doi:10.1515/teme-2024-0111

Article

Phased-Array basiertes Structural Health Monitoring zur Delaminationserkennung bei Mehrschichtsystemen

Alexander Backer
Alexander Backer erhielt 2019 seinen Bachelor in Technische Physik und 2020 seinen Master in Simulation und Test an der Hochschule für angewandte Wissenschaften Coburg. Seit 2019 ist er Wissenschaftlicher Mitarbeiter im Institut für Sensor- und Aktortechnik (ISAT) in Coburg und arbeitet dort in der Forschung und Entwicklung. Sein Arbeitsschwerpunkt ist die simulative und experimentelle Entwicklung von piezoelektrischen Sensoren. Im Rahmen seiner Promotion befasst er sich seit 2023 mit der Entwicklung eines auf geführten akustischen Wellen basierenden Sensors zur Durchflussmessung von Flüssigwasserstoff sowie anderer kryogener Flüssigkeiten und Energieträger.
and Klaus Stefan Drese
Klaus Stefan Drese leitet seit 2016 das Institut für Sensor- und Aktortechnik (ISAT) der Hochschule für angewandte Wissenschaften Coburg. Er leitet auch den Forschungsschwerpunkt „Sensorik und Analytik“ und ist Teil des Promotionszentrum „Analytics4Health“. Er studierte Physik an der Julius-Maximilians-Universität in Würzburg und an der State University of New York in Stony Brook. Er promovierte in theoretischer Physik auf dem Gebiet der zeitabhängigen Quantenmechanik an der Phillips Universität in Marburg. Er kam 1998 in die Simulationsgruppe des IMM, wurde Anfang 2004 Leiter der Abteilung Fluidik und Simulation und war von 2004 bis 2016 wissenschaftlicher Direktor. Seine Forschungsschwerpunkte liegen in den Bereichen Mikrofluidik, Sensorik, Simulation und Oberflächenakustik mit Anwendungen von Industriesensoren bis hin zu medizinischen Point of Care Tests.

Published/Copyright: April 8, 2025

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From the journal tm - Technisches Messen Volume 92 Issue 6

Zusammenfassung

Geführte Akustische Wellen (GAW) haben sich im Themengebiet des Structural Health Monitoring (SHM) etabliert. Neben ihren Vorteilen bei der Überwachung von Objekten und Detektion von Fehlstellen, gibt es jedoch auch einige Herausforderungen. Zu diesen zählt die dispersive Natur der häufig eingesetzten Lambwellen. Dispersion führt zu Signalverzerrung und reduziert dadurch die räumliche Auflösung und erschwert die Erkennung von schwach reflektierenden Fehlstellen. In diesem Beitrag wird der Einsatz eines Phased-Array-Systems zur Delaminationserkennung bei einem Mehrschichtsystem demonstriert, bei dem dispersive Lambwellen zum Einsatz kommen. Durch das Kompensieren der Dispersionseffekte kann die Sign Coherence Factor (SCF) Erweiterung des Total Focusing Method (TFM) Algorithmus eingesetzt und so auch schwach reflektierende Fehlstellen erkannt werden. Des Weiteren wird auf das Entstehen von Modenüberlagerungen bei Mehrschichtsystemen eingegangen, die bei der Auswahl der Arbeitsfrequenz und Sendesignallänge des Phased-Array-Systems berücksichtigt werden müssen.

Abstract

Guided Acoustic Waves (GAW) are well established in the field of Structural Health Monitoring (SHM). However, in addition to their advantages in monitoring objects and detecting defects, there are also several challenges. These include the dispersive nature of the commonly used Lamb waves. Dispersion leads to signal distortion that reduces spatial resolution and makes it difficult to detect weakly reflecting defects. This paper demonstrates the use of a phased array system for delamination detection in a multilayer system using dispersive Lamb waves. By compensating for the dispersion effects, the Sign Coherence Factor (SCF) extension of the Total Focusing Method (TFM) algorithm can be used to detect even weakly reflective defects. Furthermore, the occurrence of mode superposition in multilayer systems is discussed, which must be taken into account when selecting the operating frequency and transmit signal length of the phased array system.

Schlagwörter: Geführte Akustische Wellen; Structural Health Monitoring; Total Focusing Method; Sign Coherence Factor; Dispersionskompensation; Delaminationserkennung

Keywords: guided acoustic waves; structural health monitoring; total focusing method; sign coherence factor; dispersion compensation; delamination detection

Korrespondenzautor: Alexander Backer, Institut für Sensor- und Aktortechnik (ISAT), Hochschule für angewandte Wissenschaften Coburg, Am Hofbräuhaus 1b, 96450 Coburg, Deutschland, E-mail: alexander.backer@hs-coburg.de

Funding source: Bundesministerium fÃ¼r Wirtschaft und Energie

Award Identifier / Grant number: 03SX440E

Über die Autoren

Alexander Backer

Alexander Backer erhielt 2019 seinen Bachelor in Technische Physik und 2020 seinen Master in Simulation und Test an der Hochschule für angewandte Wissenschaften Coburg. Seit 2019 ist er Wissenschaftlicher Mitarbeiter im Institut für Sensor- und Aktortechnik (ISAT) in Coburg und arbeitet dort in der Forschung und Entwicklung. Sein Arbeitsschwerpunkt ist die simulative und experimentelle Entwicklung von piezoelektrischen Sensoren. Im Rahmen seiner Promotion befasst er sich seit 2023 mit der Entwicklung eines auf geführten akustischen Wellen basierenden Sensors zur Durchflussmessung von Flüssigwasserstoff sowie anderer kryogener Flüssigkeiten und Energieträger.

Klaus Stefan Drese

Klaus Stefan Drese leitet seit 2016 das Institut für Sensor- und Aktortechnik (ISAT) der Hochschule für angewandte Wissenschaften Coburg. Er leitet auch den Forschungsschwerpunkt „Sensorik und Analytik“ und ist Teil des Promotionszentrum „Analytics4Health“. Er studierte Physik an der Julius-Maximilians-Universität in Würzburg und an der State University of New York in Stony Brook. Er promovierte in theoretischer Physik auf dem Gebiet der zeitabhängigen Quantenmechanik an der Phillips Universität in Marburg. Er kam 1998 in die Simulationsgruppe des IMM, wurde Anfang 2004 Leiter der Abteilung Fluidik und Simulation und war von 2004 bis 2016 wissenschaftlicher Direktor. Seine Forschungsschwerpunkte liegen in den Bereichen Mikrofluidik, Sensorik, Simulation und Oberflächenakustik mit Anwendungen von Industriesensoren bis hin zu medizinischen Point of Care Tests.

Acknowledgments

Ein besonderer Dank geht an Frank Ritter und Steffen Köhler für die Entwicklung und Fertigung der Phased-Array-Elektronik.

Research ethics: Not applicable.
Informed consent: Not applicable.
Author contributions: All authors have accepted responsibility for the entire content of this manuscript and approved its submission.
Use of Large Language Models, AI and Machine Learning Tools: None declared.
Conflict of interest: The authors state no conflict of interest.
Research funding: Das diesem Bericht zugrundeliegende Vorhaben wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie unter dem Förderkennzeichen 03SX440E gefördert. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt beim Autor. http://dx.doi.org/10.13039/501100006360
Data availability: Die Rohdaten sind auf Anfrage beim korrespondierenden Autor erhältlich.

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Erhalten: 2024-11-28

Angenommen: 2025-03-07

Online erschienen: 2025-04-08

Erschienen im Druck: 2025-06-26

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