Applications of air-coupled ultrasonic phased arrays in non destructive evaluation

The evaluation of products and materials for quality assurance, troubleshooting and research is an important aspect in many industries. Consequently, non destructive evaluation (NDE) is a highly valuable technology as the specimen isn’t altered in any way. One of the most commonly used techniques is ultrasonic testing. While it covers a wide range of applications, in most of them a direct contact of the measurement system with the specimen is required. This not only limits its applications, but also increases the effort required for each test. In ultrasonic testing of sheet materials, waves are coupled into the specimen under predefined angles. Consequently, for each coupling angle a different fixture or an adaption of the mechanical setup is required. By reducing or removing the required adjustment to the specimen, faster and more robust measurement systems can be developed. In this thesis two approaches for NDE using ultrasonic phased arrays (UPAs) are presented and evaluated. First, a novel approach on completely contact-less NDE with electronically adjustable coupling angle is investigated. An ultrasonic pitch-catch type measurement setup for the inspection of sheet materials with dimensions of up to 500 mm by 2500 mm is developed. The feasible distance between UPA and specimen is at least 100 mm Using this setup the applicability of the UPA for NDE applications is evaluated by electronically adjusting the steering angle to the optimum coupling angle of the specimen with a precision of under 0.1° . The Lamb waves excited in this matter are then utilized in order to detect and localize defects as well as measuring stress inside the specimen. The localization of defects with dimensions down to 1.6 mm in distances of up to 800 mm is accurate down to 2.4 mm in the worst case. The experimental data is complemented by an analytical approach for determining the time of flight (TOF) and a numerical model. The numerical simulation allows for a precise prediction of the wave propagation including the influence of defects in the material configuration and external stress applied to the specimen. In all applications, a good agreement between simulation model and experimental data is achieved. Second, a setup is developed in order to take Schlieren images of leaky Lamb waves at 40 kHz in air using only consumer grade optical hardware. The leaky Lamb waves radiating from a plate excited by the UPA. A precise timing and triggering of the light source in conjunction with digital image processing allows the visualization of leaky Lamb wave in air for the first time. The sensitivity of the developed setup is below sound pressure levels (SPLs) of 101.6 dB. Therefore, qualitative imaging of the sound pressure field caused by leaky Lamb waves and the beamforming characteristic of the UPA is possible. In addition, the measurement results are complemented by a numerical model and, thus, the simulation data is validated by the measurements. This way, the sound pressure fields generated around two different steel sheet specimens are evaluated using both measurement and simulation. In addition, the presented approach for controlling the light source allows for momentary Schlieren images at different time steps of the wave progression. In conclusion, this work highlights the benefits of the use of UPAs in NDE, as it allows for flexible coupling angle adjustment and enables fully contact-less inspection of a large variety of materials. Furthermore, the presented Schlieren setup allows for qualitative inspection of different ultrasonic wave phenomena not limited to the NDE application.

Die Untersuchung von Produkten und Materialien zur Qualitätssicherung, Fehlersuche und Forschung ist ein wichtiger Aspekt in vielen Branchen. Folglich ist die Materialprüfung eine sehr wertvolle Technologie, da die Proben und Produkte in keinster Weise verändert werden. Eine der am häufigsten verwendeten Techniken ist die Ultraschallprüfung. Sie deckt zwar ein breites Spektrum von Anwendungen ab, doch ist bei den meisten davon ein direkter Kontakt des Messsystems mit dem Prüfling erforderlich. Dies schränkt nicht nur die Anwendungsmöglichkeiten ein, sondern erhöht auch den für jede Prüfung erforderlichen Aufwand. Bei der Ultraschallprüfung von Plattenwerkstoffen werden die Schallwellen unter vordefinierten Winkeln in die Probe eingekoppelt. Folglich ist für jeden Einkopplungswinkel eine andere Halterung oder eine Anpassung des mechanischen Aufbaus erforderlich. Durch die Reduzierung oder Beseitigung der erforderlichen Anpassung an die Probe können schnellere und robustere Messsysteme entwickelt werden. In dieser Arbeit werden zwei Ansätze für zerstörungsfrei Materialprüfung (ZfP) mit Ultraschall Phased Arrays (UPAs) vorgestellt und bewertet. Zunächst wird ein neuartiger Ansatz für eine vollständig berührungslose ZfP mit elektronisch einstellbarem Kopplungswinkel untersucht. Es wird ein Pitch-Catch Ultraschall- Messaufbau für die Prüfung von Plattenmaterialien mit Abmessungen von bis zu 500 mm mal 2500 mm entwickelt. Dabei ist ein Abstand zwischen Messsystem und Probe von midestens 100 mm erreichbar. Mit diesem Aufbau wird die Anwendbarkeit des UPA für die ZfP mit elektronischer Einstellung des Schallabstrahlwinkels auf den optimalen Kopplungswinkel der Probe Untersucht. Die Genauigkeit der Winkelauflösung erreicht dabei weniger als 0.1°. Dadurch in der Probe angeregten Lamb-Wellen werden dann zur Erkennung und Lokalisierung von Defekten und zur Messung von Spannungen im Inneren der Probe verwendet. Die Lokalisierung von Defekten mit Abmessungen von bis zu 1.6 mm in Entfernungen von bis zu 800 mm ist im ungünstigsten Fall bis auf 2.4 mm genau. Die experimentellen Daten werden durch einen analytischen Ansatz zur Bestimmung der Wellenlaufzeit (TOF) und ein numerisches Modell ergänzt. Die numerische Simulation ermöglicht eine genaue Vorhersage der Wellenausbreitung einschließlich des Einflusses von Defekten in der Materialkonfiguration und auf die Probe einwirkende externe Spannungen. Bei allen Anwendungen wird eine gute Übereinstimmung zwischen Simulationsmodell und experimentellen Daten erzielt. Zusätzlich wird ein Aufbau entwickelt, mit dem Schlierenbilder von leaky-Lamb-Wellen bei 40 kHz in Luft aufgenommen werden können, wobei nur kommerzielle Kameras und Spiegel verwendet werden. Die leaky-Lamb-Wellen werden von einem durch das UPA angeregtem Blech abgestrahlt. Eine präzise zeitliche Ansteuerung der Lichtquelle in Verbindung mit digitaler Bildverarbeitung ermöglicht erstmals die Visualisierung von leaky-Lamb-Wellen in Luft. Die Empfindlichkeit des entwickelten Aufbaus liegt unter 101.6 dB. Damit ist eine qualitative Abbildung des durch leaky-Lamb-Wellen verursachten Schalldruckfeldes und der Abstrahlcharakteristik des UPA möglich. Darüber hinaus werden die Messergebnisse durch ein numerisches Modell ergänzt und somit die Simulationsdaten durch die Messungen validiert. Auf diese Weise werden die Schalldruckfelder, die um zwei verschiedene Stahlblechproben entstehen, sowohl durch Messung als auch durch Simulation untersucht. Darüber hinaus ermöglicht der vorgestellte Ansatz zur Steuerung der Lichtquelle Schlierenbilder zu verschiedenen Zeitschritten des Wellenverlaufs aufzunehmen. Zusammenfassend unterstreicht diese Arbeit die Vorteile der Verwendung von UPAs in der zerstörungsfreien Materialprüfung, da sie eine flexible Einstellung des Einkopplungswinkels und eine vollständig berührungslose Inspektion einer großen Vielfalt von Materialien ermöglicht. Darüber hinaus ermöglicht der vorgestellte Schlierenaufbau die qualitative Prüfung verschiedener Ultraschallwellenphänomene, die nicht auf die ZfP-Anwendung beschränkt sind.