Ferroelektret-Prüfköpfe für die zerstörungsfreie Prüfung mit Luftultraschall

Joachim Döring; Jürgen Bartusch; Mate Gaal; Marc Kreutzbruck; Anton Erhard; Viktor Bovtun

doi:10.3139/120.110418

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Ferroelektret-Prüfköpfe für die zerstörungsfreie Prüfung mit Luftultraschall

Joachim Döring , Jürgen Bartusch , Mate Gaal , Marc Kreutzbruck , Anton Erhard and Viktor Bovtun

Published/Copyright: May 26, 2013

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From the journal Materials Testing Volume 55 Issue 2

Kurzfassung

Für die luftgekoppelte Ultraschall-Prüfung wird der Prototyp eines neuartigen Prüfkopfes vorgestellt. Statt eines piezokeramischen Ultraschall-Wandlers mit einer λ/4-Anpassschicht wird eine Ferroelektret-Folie aus schaumförmigem Polypropylen eingesetzt. Durch die außerordentlich geringe akustische Impedanz der Folie reduzieren sich die Reflexionsverluste an den Grenzschichten zur Luft so stark, dass bei diesem Prüfkopf auf eine λ/4-Anpassschicht verzichtet werden kann. Außerdem ist die Folie hochspannungsfest. Sie konnte mit Spannungen von mehr als 3500 V angesteuert werden und erlaubte eine Vorspannung am Ultraschall-Wandler des Empfangsprüfkopfes von 2000 V. Mithilfe der hohen Anregungsspannung stieg die Amplitude des akustischen Prüfimpulses auf das 11,2-Fache. Die Empfindlichkeit des Empfängers erhöhte sich durch die Vorspannung weiter um den Faktor 4,3. Insgesamt steigt die Amplitude am Empfänger also auf das 48-Fache, bei gleichbleibendem Rauschpegel. Ein abschließender Vergleich mit kommerziellen Luftultraschall-Prüfköpfen belegt die Überlegenheit der Folien-Prüfköpfe. Damit rückt der Einsatz einer vollwertigen Impuls-Echo-Technik auch bei der luftgekoppelten Ultraschallprüfung deutlich näher.

Abstract

This paper presents a prototype of a novel probe for air-coupled ultrasonic testing. Instead of piezoceramic transducer with a matching layer, we used a ferroelectret film made of cellular polypropylene. The exceptionally low specific acoustic impedance of this material reduces reflection losses at the interface between the transducer and the air to such an extent that matching layers become redundant. Cellular polypropylene has a sufficient dielectric strength to stand exciting pulses of 3500 V at the transmitter and a bias voltage of 2000 V at the receiver. High voltage excitation raised the amplitude of the acoustic signal 11.2-fold. Furthermore, the sensitivity of the receiver rose by a factor 4.3 due to bias voltage. In total, this made a 48-fold rise of the signal height at the receiver, noise remaining constant. A comparison with commercially available air-coupled probes proved the advantages of cellular polypropylene probes. This new technology brings us one more step closer to satisfactory pulse-echo measurements in air-coupled non-destructive testing.

Dr. rer. nat. Joachim Döring, Jahrgang 1947, studierte Physik in Berlin. Nach fünfjähriger Tätigkeit in der Entwicklung von mikroakustischen Bauelementen wechselte er an das Institut für Elektronenphysik an der Akademie der Wissenschaften. Seit 1992 ist er wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM). Bis 2004 beschäftigte er sich mit akustischen Methoden zur Materialcharakterisierung. Danach wurde die zerstörungsfreie Prüfung mit luftgekoppeltem Ultraschall zum Schwerpunkt seiner Arbeiten.

Dipl.-Ing. Jürgen Bartusch, geboren 1955, studierte Informationstechnik an der TU Dresden. Von 1980 bis 1992 war er wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Akademie der Wissenschaften. Schwerpunkt war die Entwicklung von Messgeräten, insbesondere für die Untersuchung mikroakustischer Bauelemente. Seit 1992 beschäftigt er sich an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), Berlin, mit der Entwicklung von Hard- und Software zur Gebiet der zerstörungsfreien Prüfung mit luftgekoppeltem Ultraschall.

Dr. Mate Gaal, Jahrgang 1974, wurde in Kroatien geboren. Sein Studium der theoretischen Physik schloss er an der Universität Zagreb ab. Seit 2003 angestellt an der BAM, arbeitete er zunächst an der Prüfung von Metalldetektoren und anderen Geräten für die Minenräumung, was zu seiner Promotion geführt hat. Seit 2008 beschäftigt er sich mit Ultraschallprüfung, insbesondere mit Luftultraschall. Derzeit leitet er ein Vorhaben zur Entwicklung eines Array-Prüfkopfes aus zellulärem Polypropylen.

Dr.-Ing. Anton Erhard geboren 1950 studierte an der Technischen Universität Berlin Werkstoffwissenschaften mit dem Schwerpunkt Metallphysik. Seit 1976 ist er Mitarbeiter der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) in Berlin. Seine wissenschaftlichen Arbeiten wurden durch zwei Preise honoriert, 1984 durch den Berthold Preis der Deutschen Gesellschaft für zerstörungsfreie Prüfung und 1985 durch den Achievement Award der American Society for Nondestructive Testing. Im Jahr 2006 übernahm er in der BAM die Leitung der Abteilung 3 „Gefahrgutumschließungen“.

Dr. rer. nat. habil. Viktor Bovtun, Jahrgang 1954, erhielt 1986 den Ph.D. und habilitierte sich 1993 an der Nationalen Technischen Universität der Ukraine, am „Kiev Polytechnic Institute“. Von 1977 an arbeitete er dort in der Abteilung für Mikroelektronik und wurde Associate Professor. Seit 1998 ist V. Bovtun Senior Researcher an der Tschechischen Akademie der Wissenschaften in Prag im Institut für Physik. Seine Forschungen betreffen vor allem die breitbandige dielektrische Spektroskopie von ferro- und piezoelektrischen Substanzen.

Literatur

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Online erschienen: 2013-05-26

Erschienen im Druck: 2013-02-01

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