01.11.2019
Luftultraschallempfänger

Luftultraschallempfänger, (a) das Modul mit dem zellulären Polypropylen, (b) die Vorspannung, (c) der Vorverstärker

Quelle: BAM, Fachbereich Akustische und elektromagnetische Verfahren

Für die luftgekoppelte Ultraschallprüfung ist die Empfindlichkeit der Ultraschallwandler besonders wichtig. Die größte Herausforderung bei der Konstruktion dieser Wandler ist die niedrige Transmission der akustischen Energie von der Luft zum Ultraschall-Empfänger. Deswegen werden marktübliche Ultraschallwandler mit so genannten Anpassschichten versehen, die aus einem weichen Material gebaut sind, das an das harte, piezoelektrische Material angeklebt wird. Um die Empfindlichkeit der Empfänger zu erhöhen und die Herstellung zu vereinfachen, wurden Empfänger mit weicheren Materialien gebaut, sodass die Herstellung von Anpassschichten unnötig wird. Geladenes zelluläres Polypropylen (PP) hat sich in dieser Hinsicht sehr gut erwiesen. Seine Polarisation hat den gleichen Effekt wie die Vorspannung bei einem Kondensatormikrophon. In diesem Beitrag zeigen wir, dass die Empfindlichkeit dieser Empfänger durch die Anwendung von externer Vorspannung weiter erhöht werden kann. Wir stellen den ersten Ultraschallempfänger aus zellulärem PP mit einem Modul zur Erzeugung der Vorspannung bis 2 kV vor. Diese Vorspannung erhöhte den Signal-Rausch-Abstand von PP-Empfängern um 15±1 dB, was ungefähr einer Verdreifachung der Empfindlichkeit entspricht. Messungen der empfangenen Signale und ihr Vergleich mit der angewendeten Vorspannung stellen eine neue Methode der Messung der internen Spannung von geladenen zellulären Polymeren (die Ferroelektrete genannt werden). Dieser Empfänger wurde mit einem PP-Sender kombiniert und für die zerstörungsfreie Prüfung von einem Rotorblatt-Segment von einem Windkraftwerk, sowie Prüfung vom verklebten Holz angewendet. Es wurden interne Strukturen dieser 4 cm dicken Probekörper abgebildet, die mit dem bloßen Auge nicht sichtbar sind.

Air-coupled ultrasonic ferroelectret receiver with additional bias voltage
Mate Gaal, Rui Caldeira, Jürgen Bartusch, Florian Schadow, Konrad Vössing, M. Kupnik
erschienen in IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control 2019, Vol. 66, Issue 10, Pages 1600-1605
BAM, Fachbereich Zerstörungsfreie Prüfmethoden für das Bauwesen und Fachbereich Akustische und elektromagnetische Verfahren