Везде

RAS PhysicsДефектоскопия Russian Journal of Nondestructive Testing

  • ISSN (Print) 0130-3082
  • ISSN (Online) 3034-4980

Selecting optimum air gap length in air-coupled ultrasonic through-transmission testing of products made of polymer materials

You can
PII
S30344980S0130308225050014-1
DOI
10.7868/S3034498025050014
Publication type
Article
Status
Published
Authors
Vladimir K. Kachanov
  • Affiliation: National Research University “Moscow Power Engineering Institute”
Igor V. Sokolov
  • Affiliation: National Research University “Moscow Power Engineering Institute”
Michal A. Karavaev
  • Affiliation: National Research University “Moscow Power Engineering Institute”
Volume/ Edition
Volume / Issue number 5
Pages
3-16
Abstract
In air-coupled ultrasonic non-destructive testing of a number of products (biological objects, products made of chemically active or explosive materials), the amplitude of the electrical signal applied to the transmitting piezoelectric transducer is limited and in some cases cannot exceed the value of the order of U ~ 10—15 V. In this case, the sensitivity of testing is significantly reduced and therefore all possible ways to increase it should be used. First of all, piezoelectric transducers with the highest possible electroacoustic conversion coefficient should be used. In addition, it is necessary to select such an air gap length da between the transmitting transducer and the test object, that ensures the maximum amplitude of the ultrasonic emission signal “at the input” of the product. And since the maximum amplitude of the ultrasonic signal emitted by the transducer is located in the near field of the transducer, it is necessary to select the value da corresponding to the length of the near field of the transmitting transducer in the air, provided that in this case there will be no re-reflections of the emission signals in the air gap. This in turn requires the use of short (broadband) ultrasonic signals and, consequently, the use of ultrasonic broadband piezoelectric transducers. The article shows that the parameters of the matching layers of the air-coupled ultrasonic piezoelectric transducer affect both the bandwidth of the transducer and the spatial characteristics of the transducer, including the position of the acoustic field maximum. It is shown that it is possible to determine the maximum of the ultrasonic broadband signal in the air in order to determine the optimal length of the air gap, at which the ultrasonic signal with maximum amplitude is emitted into the product, by analyzing the correlation distribution of the field of an air-coupled broadband transducer. The results of the experiments are presented, confirming the necessity of providing the optimal length of the air gap between the air-coupled ultrasonic transmitting transducer and the test object to increase the sensitivity of through-transmission testing of simulators of products made of explosive materials.
Keywords
ультразвуковой бесконтактный контроль изделий из взрывоопасных материалов протяженность воздушного промежутка низкочастотные широкополосные составные преобразователи
Date of publication
01.05.2025
Year of publication
2025
Number of purchasers
0
Views
118

References

  1. 1. Вавилов В.П. Тепловой неразрушающий контроль: развитие традиционных направлений и новые тенденции (обзор) // Дефектоскопия. 2023. № 6. C. 38—58.
  2. 2. Кладов Д.Ю., Чулков А.О., Вавилов В.П., Стасевский В.И., Юркина В.А. Эффективность применения тепловизоров различного типа при активном тепловом контроле расслоений в неметаллах // Дефектоскопия. 2023. № 7. С. 25—32.
  3. 3. Шпильной В.Ю., Вавилов В.П., Дерусова Д.А., Дружинин Н.В., Ямановская А.Ю. Особенности проведения неразрушающего контроля полимерных и композиционных материалов с использованием бесконтактной ультразвуковой стимуляции и лазерного вибросканирования // Дефектоскопия. 2021. № 8. С. 14—23.
  4. 4. Дерусова Д.А., Вавилов В.П., Нехорошев В.О., Шпильной В.Ю., Дружинин Н.В. Особенности лазерно-виброметрического неразрушающего контроля полимерных композиционных материалов с использованием воздушно-связанных ультразвуковых преобразователей // Дефектоскопия. 2021. № 12. С. 26—38.
  5. 5. Essig W., Bernhardt Y., Döring D., Solodov I., Gautzsch T., Gaal M., Hufschläger D., Sommerhuber R., Marhenke T., Hasener J., Szewieczek A., Hillger W. Air-coupled Ultrasound — Emerging NDT Method // ZfP-Zeitung. 2021. V. 173. P. 32—43.
  6. 6. Asokkumar A., Jasiuniene E., Raišutis R., Kažys R. Comparison of ultrasonic non-contact air-coupled techniques for characterization of impact-type defects in pultruded GFRP composites // Materials. 2021. V. 14. Is. 5.
  7. 7. Quattrocchi1 A., Freni1 F., Montanini R. Air-coupled ultrasonic testing to estimate internal defects in composite panels used for boats and luxury yachts // International Journal on Interactive Design and Manufacturing. 2020. V. 14. P. 35—41.
  8. 8. Huber A. Air-coupled ultrasonic inspection of thermoplastic composite structures for aerospace vehicles / Proceedings of the 13th European Conference on Non-Destructive Testing. 2023.
  9. 9. Schönheits M., Huber A., Gänswürger P. Air-coupled ultrasonic inspection with adaptive lamb wave control / Proceedings of the 16th International Conference on Informatics in Control, Automation and Robotics. 2019. P. 430—438.
  10. 10. Szewieczek A., Hillger W., Bühling L., Ilse D. New developments and applications for air coupled ultrasonic imaging systems / Proceedings of the 10th International symposium on NDT in aerospace. 2018.
  11. 11. Качанов В.К., Соколов И.В., Караваев М.А. Разработка ультразвукового мозаичного широкополосного пьезоэлектрического преобразователя для бесконтактного контроля изделий из полимерных композиционных материалов // Измерительная техника. 2015. № 2. С. 61—64.
  12. 12. Panda R., Rajagopal P., Balasubramaniam K. Rapid guided wave inspection of complex stiffened composite structural components using non-contact air-coupled ultrasound // Composite Structures. 2018. V. 206. P. 247—260.
  13. 13. Gaal M., Caldeira R., Bartusch J., Schadow F., Vossing K., Kupnik M. Air-coupled ultrasonic ferroelectret receiver with additional bias voltage // IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 2019. V. 66. Is. 10. P. 1600—1605.
  14. 14. Grager J., Kotschate D., Gamper J., Gaal M., Pinkert K., Mooshofer H., Goldammer M., Grosse C. Advances in air-coupled ultrasonic testing combining an optical microphone with novel transmitter concepts / Proceedings of the 12th European conference on Non-Destructive Testing. 2018.
  15. 15. Schmid S., Dürrmeier F., Grosse C. Spatial and temporal deep learning in air-coupled ultrasonic testing for enabling NDE 4.0 // Journal of Nondestructive Evaluation. 2023. V. 42.
  16. 16. Качанов В.К., Соколов И.В., Караваев М.А., Минаев Д.В. Разработка методов и устройств ультразвукового бесконтактного теневого контроля крупногабаритных изделий из полимерных композиционных материалов // Дефектоскопия. 2023. № 1. С. 3—13.
  17. 17. Качанов В.К., Соколов И.В., Караваев М.А., Концов Р.В. Выбор оптимальных параметров ультразвукового теневого бесконтактного способа контроля изделий из полимерных композитных материалов // Дефектоскопия. 2020. № 10. С. 60—70.
  18. 18. Ультразвуковые преобразователи для неразрушающего контроля / Под общ. ред. И.Н. Ермолова. М.: Машиностроение, 1986. 280 с.
  19. 19. Крауткремер И., Крауткремер Г. Ультразвуковой контроль материалов. М.: Металлургия, 1991. 752 с.
  20. 20. Wang X., Gong X., Li C., Wu R., Chen Z., Wu H., Zhang D., Cao X. Low insertion loss air-coupled ultrasonic transducer with parallel laminated piezoelectric structure // AIP Advances. 2020. V. 10. Is. 10.
  21. 21. Chen J., Wang X., Yang X., Zhang L., Wu H. Application of air-coupled ultrasonic nondestructive testing in the measurement of elastic modulus of materials // Applied Sciences. 2021. V. 11.
  22. 22. Bodi A., Fuchs M., Steinhausen R., Jongmanns M. New technologies for air-coupled ultrasonic inspection / Proceedings of the 13th European conference on non-destructive testing. 2023.
  23. 23. Modeling Speaker Drivers in COMSOL Multiphysics. Supplement A: Equations. URL: https://www.comsol.com/support/learning-center/article/supplement-a-equations-76561/202 (дата обращения: 06.03.2025).
  24. 24. Аронов Б.С. Электромеханические преобразователи из пьезоэлектрической керамики. Л.: Энергоатомиздат, 1990. 272 с.
  25. 25. Рыбянец А.Н., Наседкин А.В., Щербинин С.А., Петрова Е.И., Швецова Н.А., Швецов И.А., Луговая М.А. Конечно-элементное моделирование низкочастотных биморфных преобразователей для диагностики и активации нефтяных скважин // Акустический журнал. 2017. Т. 63. № 6. С. 685—691.
  26. 26. Теплых А.А., Зайцев Б.Д., Шихабудинов А.М., Бородина И.А. Уточнение материальных констант пьезокерамики ЦТС-19 при помощи акустического резонатора в виде диска // Ученые записки физического факультета МГУ. 2017. №. 5.
  27. 27. COMSOL. Introduction to the Acoustics Module. URL: https://doc.comsol.com/5.6/doc/com.comsol.help.aco/IntroductionToAcousticsModule.pdf (дата обращения: 06.03.2025).
  28. 28. COMSOL. Acoustics Module User’s Guide. URL: https://doc.comsol.com/5.6/doc/com.comsol.help.aco/AcousticsModuleUsersGuide.pdf (дата обращения: 06.03.2025).
  29. 29. Вопилкин А.X. Расчет и проектирование широкополосных осесимметричных преобразователей переменной толщины // Дефектоскопия. 1987. № 4. С. 41—50.
  30. 30. Hutchins D.A., McIntosh J.S., Neild A., Billson D.R., Noble R.A. Radiated fields of capacitive micromachined ultrasonic transducers in air // The Journal of the Acoustical Society of America. 2003. V. 114. Is. 3. P. 1435—1449.
  31. 31. Schadow F., Gaal M., Bartusch J., Dohse E., Köppe E. Focusing air-coupled ultrasonic transducers based on ferroelectrets / Proceedings of the 19th World conference on non-destructive testing. 2016.
  32. 32. Neild A., Hutchins D.A., Robertson T.J., Davis L.A.J., Billson D.R. The radiated fields of focussing air-coupled ultrasonic phased arrays // Ultrasonics. 2005. V. 43. P. 183—195.
  33. 33. Качанов В.К., Соколов И.В., Конов М.М., Тимофеев Д.В., Синицын А.А. Пространственно-временные характеристики ультразвуковых широкополосных преобразователей // Дефектоскопия. 2010. № 10. С. 11—25.
QR
Translate

Indexing

Scopus

Scopus

Scopus

Crossref

Scopus

Higher Attestation Commission

At the Ministry of Education and Science of the Russian Federation

Scopus

Scientific Electronic Library