3-D Scanning Acoustic Microscope for Investigation of Curved-Structured Smart Material Compounds - Wüst, Michael; Rupitsch, Stefan (Advanced Engineering Materials, 2018)

A matched model-based synthetic aperture focusing technique for acoustic microscopy - Wüst, Michael; Schwarz, Michael; Eisenhart, Johannes; Nierla, Michael; Rupitsch, Stefan (Ndt & E International, 2019)
This contribution deals with an advanced synthetic aperture focusing technique for acoustic microscopy, which enables an almost precise reconstruction of the reflectivity distribution of both fluid-like and solid specimen. The presented approach is designed for single-element ultrasonic immersion transducers as they are commonly used in scanning acoustic microscopes. In practice, the resulting images offer at least lateral and axial resolutions of a focused image, which was acquired by a transducer with double center frequency. Moreover, the results show very low side lobe levels and the approach reconstructs the shape of inner defects even in images with present multiple reflections. A comparison with the well-known delay-and-sum technique reveals that the introduced approach offers a significantly more precise reconstruction of the given reflectivity distribution, especially when a complex reflectivity distribution is investigated. The advanced synthetic aperture focusing technique is applied to a generic test samples and to a curved multi-layered compound specimen.
CRIS-Team Scopus Importer:2019-05-03
Keywords: 2010 MSC: 00–01; 99–00; Acoustic microscopy; Numerical simulation; Smart material compounds; Synthetic aperture focusing techniques; Ultrasonic imaging

A model-based synthetic aperture focusing technique for acoustic microscopy - Wüst, Michael; Nierla, Michael; Rupitsch, Stefan (Ultrasonics Symposium (IUS), 2016 IEEE International, 2016)
This contribution is concerned with a technique to precisely measure the physical dimensions of flaws in solid specimen by pulse-echo mode acoustic microscopy. We have implemented a synthetic aperture focusing technique (SAFT), which is based on a semi-numerical simulation approach (SIRFEM). In acoustic microscopy, one normally applies single-element transducers with center frequencies above 10MHz. Due to the very short wavelengths, numerical simulations demand a very fine discretized measurement setup. This would lead to extensive calculation costs. Therefore, we model the sound propagation in the fluid coupling medium between transducer surface and specimen analytically by the spatial impulse response (SIR) method. Only the mechanical wave propagation in the solid specimen is then simulated by a higher-order finite element method (FEM). This coupled SIRFEM method can be used to calculate the RF signal output (i.e., echo data) of ultrasonic transducers. The presented model-based SAFT algorithm is based on an optimized filter-kernel, which is generated by an adapted SIRFEM simulation.
Keywords: ultrasound; non-destructive evaluation; numerical simulation; synthetic aperture focusing techniques

Messsystem zur Ultraschallmikroskopie an gekrümmten Strukturen - Wüst, Michael; Eisenhart, Johannes; Rief, Annika; Rupitsch, Stefan (Technisches Messen, 2017)
Es wird ein Ultraschallmikroskop zur zerstörungsfreien Untersuchung gekrümmter Prüflinge vorgestellt. Kommerziell erhältliche Ultraschallmikroskope sind lediglich für die Untersuchung an ebenen Oberflächen konzipiert. Sie verfügen über ein Verfahrsystem aus zwei Linearachsen, das den Ultraschallprüfkopf während der Messung lateral über den Prüfling bewegt. Um bei Prüflingen mit gekrümmter Oberfläche eine optimale Bildqualität zu erzielen, muss der Prüfkopf so justiert werden, dass er an jedem Messpunkt orthogonal auf deren Oberfläche schallt. Im vorgestellten Messaufbau wurde dazu ein hochpräziser Roboter integriert, der über sechs Bewegungsfreiheitsgrade verfügt. Dadurch ist es möglich, neben der mäanderförmigen Abtastung durch den Ultraschallprüfkopf eine zusätzliche Winkelnachführung des Prüflings durchzuführen. In diesem Beitrag wird das entwickelte Ultraschallmikroskop in Aufbau und Funktion beschrieben. Die Auflösungsgrenzen im resultierenden Bild sowie die erreichbare Positioniergenauigkeit des Verfahrsystems werden beleuchtet. Zudem wird das Potential des Systems anhand einiger Messungen an exemplarischen Prüflingen aufgezeigt.
Keywords: Ultraschallmikroskopie; zerstörungsfreie Prüfung; Ultraschallbildgebung; gekrümmte Oberfläche

Modellbasierte Fokussierungstechnik mit synthetischer Apertur zur Ultraschallmikroskopie für fluide Medien und Festkörper - Wüst, Michael; Schwarz, Michael; Eisenhart, Johannes (Schallfeldbasierte Messverfahren - vom Transducer bis zur praktischen Anwendung, 2017)
Die Ultraschallmikroskopie ist ein gebräuchliches Verfahren für die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung. Sie findet beispielsweise in der Halbleitertechnologie zur Visualisierung von Fehlstellen Anwendung. Konventionelle Ultraschallmikroskope verfügen aufgrund der erforderlichen hohen Schallfrequenzen (10 bis einige 100 MHz) lediglich über einen Einzelwandler-Prüfkopf mit fokussierender Linse, der mechanisch über den zu untersuchenden Prüfling geführt wird. Der Betrieb erfolgt üblicherweise im Puls-Echo-Modus. Die emittierte Schallkeule wird durch eine sphärisch fokussierende Linse auf ein Fokusgebiet gebündelt. In diesem Tiefenbereich kann somit ein Bild mit einem hohen lateralen Ortsauflösungsvermögen gewonnen werden. Aufgrund der mit dem Abstand zum Fokus zunehmenden lateralen Breite des Schallfeldes wird ein punktförmiger Reflektor von mehreren Messpositionen aus detektiert. Außerhalb des Fokusgebietes ergeben sich je nach Messposition verschiedene Laufzeitunterschiede zwischen der Position der Prüfkopf-Oberfläche und dem Reflektorpunkt. In der Folge werden solche Targets als eine hyperbelförmige Sichel abgebildet. Da die Information über die tatsächliche Reflektivitätsverteilung im untersuchten Messgebiet aber prinzipiell in den erfassten Zeitrohdaten enthalten ist, kann diese durch synthetische Aperturfokussierungstechniken (SAFT) rekonstruiert werden. Ein gängiges SAFT-Verfahren ist die Fokussierung mit dem Delay-and-Sum-Algorithmus (DAS). DAS führt für jeden Bildpunkt eine Laufzeitkorrektur der Signale unterschiedlicher Messpositionen durch und summiert die korrigierten A-Linien kohärent auf. Dazu wird die Schallkeule rein strahlenakustisch betrachtet und für die Laufzeitverschiebung der Fokus als punktförmige Quelle interpretiert. Dieses Verfahren ist auch als Prinzip der virtuellen Quelle bekannt und sowohl für Fluide als auch für Festkörper anwendbar. Das hier vorgestellte Fokussierungsverfahren verfolgt einen modellbasierten Ansatz. Dieser basiert auf einem semi-numerischen Simulationsmodell der Messkette vom Aussenden des Schallpulses bis zum Empfang der Echosignale. Dabei wird die Schallausbreitung im Koppelmedium (Wasser) zwischen dem Prüfkopf und der Probe analytisch berechnet und ggf. die Schallausbreitung in einem angrenzenden Festkörper numerisch simuliert. Somit ist der präzise räumliche und zeitliche Verlauf des emittierten Schallpulses bestimmbar. Aus der genauen Kenntnis der Schallausbreitung während der Messung kann ein angepasster Filterkern generiert werden, welcher der Punkt-Bild-Funktion des Messsystems entspricht. Das Potenzial der modellbasierten SAFT wird anhand verschiedener Reflektoren sowohl in Wasser als auch in Festkörperproben demonstriert und den Ergebnissen der DAS-basierten SAFT gegenüber gestellt. Es lässt sich zeigen, dass sowohl das laterale als auch das axiale Ortsauflösungsvermögen signifikant gesteigert werden können.
Keywords: Ultraschallmikroskopie; zerstörungsfreie Prüfung; Synthetische Aperturfokussierungstechnik

Modellgestützte Ultraschallmikroskopie zur dimensionellen Erfassung von Fehlstellen in Festkörpern - Wüst, Michael; Nierla, Michael; Rupitsch, Stefan (Fortschritte der Akustik, 2015)
Synthetische Aperturfokussierungstechniken (SAFT) werden bei ultraschallbasierten bildgebenden Messverfahren zur Verbesserung der Ortsauflösung im Bild eingesetzt. Zumeist berücksichtigen übliche SAFT-Algorithmen aber nicht den inneren Aufbau des untersuchten Prüflings. Im Folgenden wird ein Verfahren zur Ultraschallmikroskopie vorgestellt, das einen angepassten SAFT-Algorithmus zur Bildrekonstruktion nutzt. Das Verfahren wird zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung herangezogen. Es dient der Detektion und dimensionellen Erfassung von Fehlstellen innerhalb des Prüflings (z. B. Delaminationen in heterogenen Werkstoffverbunden). Dabei ist die Soll-Geometrie des untersuchten Prüflings a priori bekannt. Unter Nutzung dieser Vorkenntnisse können die Messsignale simuliert werden, die bei einer fehlerfreien Geometrie resultieren würden. Aus den erzeugten Daten wird ein räumlicher Filterkern modelliert, der die Grundlage des SAFT- Algorithmus bildet. Die Simulation mittels Finiter-Elemente- Methode (FEM) ist allerdings außerordentlich rechenintensiv und daher nicht praktikabel. Eine Reduzierung des Aufwands kann aber erreicht werden, indem eine analytische Berechnung des transienten Schallfeldes im Koppelmedium (Wasser) zwischen Ultraschall-Prüfkopf und Prüfling erfolgt. Hierfür kann die sogenannte ortsabhängige Impulsantwort (engl. ”Spatial Impulse Response”, kurz SIR) herangezogen werden. Für die Simulation der Schallausbreitung im Prüfling wird die FEM mit Ansatzfunktionen höherer Ordnung implementiert. Dieses hybride Simulationsverfahren wird als ”SIRFEM” bezeichnet. Das dadurch verbesserte Ortsauflösungsvermögen wird anhand erster Ergebnisse am Beispiel geometrisch simpler Prüflinge aufgezeigt.
Keywords: Ultraschall; Mikroskopie; zerstörungsfreie Prüfung

Non-destructive Characterization of Fiber-reinforced Thermoplastic Components with Embedded Piezoceramic Modules - Winkler, Anja; Wüst, Michael; Rupitsch, Stefan; Modler, Niels (SMART 2017, 2017)
The contribution presents a manufacturing technology for the integration of piezoceramic modules into fiber-reinforced thermoplastic parts ready for series production. In regard to the assessment of the integration quality and the damage of the piezoceramic modules nondestructive testing methods like computed tomography and ultrasonic microscopy were used. In the case of acoustic microscopy, a novel 3D-scanning measuring system is introduced, which enables the scanning of curved surface structures. Commercial acoustic microscopes are only designed for investigations of plane surfaces. In order to achieve sufficient results in the image, the ultrasonic transducer axis has to be orientated orthogonally to the specimen surface for every scan position [12]. For this purpose, a 6DoF hexapod robot system is used to perform a matched angle adjustment. Acoustic microscopy is suitable for high-density materials and provides 3D data of the investigated area. The results show that a precise detection of cracks in the piezoceramic layers, trapped air between the fiber-reinforced composite and the piezoceramic modules as well as the localization of conductive paths and electrodes are possible and the ultrasound imaging data show a good accordance to those of the computed tomography.
Keywords: Piezoceramic Module; Smart Structures; Ultrasonic Testing; Computed Tomography; Fiber-Reinforced Polymer

System for spatially resolved sound field measurements - Horn, Peter; Metzger, Jochen; Wüst, Michael; Lerch, Reinhard (Technisches Messen, 2014)
The sound field around a noise emitting device gives information about the position of sound sources and their contribution to the overall emitted noise. Therefore, a measurement system was developed that allows for the fast determination of the sound field. Thereby, the microphone's position is detected and the measured pressure signal is linked with a position in space. The microphone is attached to a handheld marker which is equipped with ultrasonic transmitters. By measuring the time of flight of the ultrasonic signal between the marker and the receiver's position in the room, the microphone's position is determined. Measurements showing the analysis of structural vibration and sound fields around different machinery are presented.
Keywords: Sound field; measurement system; indoor positioning system

Towards a model-based high-resolution ultrasonic measurement system for non-destructive testing - Wüst, Michael; Nierla, Michael; Rupitsch, Stefan (5th Scientific Symposium Proceedings, 2015)
This paper is concerned with a technique to measure the geometric dimensions of flaws in a multi-layered structure by using an ultrasonic system for non-destructive testing (NDT). In order to achieve appropriate spatial resolution, an acoustic microscope working with a synthetic aperture focusing technique (SAFT) has to be established. However, standard SAFT algorithms are not matched with the individual geometry of the solid specimen perfectly. Therefore, a custom spatial filter kernel needs to be generated instead. For this purpose, we apply a semi-numerical approach, the so-called SIRFEM. Thereby, sound propagation in fluid coupling media is modeled by using the spatial impulse response (SIR). Against that mechanical waves within the solid specimen are simulated by a higher-order finite element method (FEM). We utilize SAFT with the custom spatial filter kernel to investigate a homogeneous sample containing a flaw as well as to a multi-layered one. An estimation of the obtained spatial resolution will be given and the imaging results will be compared with those of the standard B-mode.
Keywords: ultrasound; acoustic microscopy; nondestructive evaluation; numerical simulation; SIRFEM

Ultraschallmikroskop zur zerstörungsfreien Untersuchung an gekrümmten Bauteilen - Wüst, Michael; Eisenhart, Johannes; Rief, Annika; Rupitsch, Stefan (Fortschritte in der Akustik - DAGA 2017, 2017)
Die Ultraschallmikroskopie ist ein etabliertes Messprinzip der bildgebenden zerstörungsfreien Werkstoffprüfung. Sie findet dort Anwendung, wo das Auftreten von Materialinhomogenitäten (z.B. Risse und Delaminationen) zu Einschränkungen der Funktionalität des zu prüfenden Bauteils führen kann. Konventionelle Ultraschallmikroskope arbeiten mit einem hochfrequenten Einzelwandler-Prüfkopf, der meanderförmig mittels zweier Linearachsen entlang der Oberfläche des Prüflings verfahren wird. An gekrümmten Bauteilen können dabei lediglich an den Positionen reflektierte Echos empfangen werden, an denen die Schallkeule nahezu orthogonal auf die Oberfläche des Prüflings trifft. Ist dies nicht der Fall, laufen die reflektierten Echos aufgrund der Brechungen an Materialgrenzschichten nicht zum Prüfkopf zurück. Es kommt folglich zu Abschattungen im Bild. Daher ist es erforderlich, den Prüfling entsprechend so nachzuführen, dass der auftreffende Schall möglichst orthogonal einfällt. Zur präzisen Winkelnachführung wird dem konventionellen Aufbau ein Hexapod-Robotersystem hinzugefügt. Dieses bietet den Vorteil außerordentlich hoher Positioniergenauigkeiten, weist aber einen für seine Abmessungen vergleichsweise kleinen möglichen Bewegungsraum auf, weswegen die beiden Linearachsen in der Lateralebene weiterhin erforderlich sind. Um die Kontur des Prüflings zu ermitteln, wird vorab eine Kalibrierung des gesamten Verfahrsystems durchgeführt. Dadurch sind die Messpositionen und die dafür erforderlichen Stellwinkel bekannt. In diesem Beitrag werden das Kalibrierverfahren sowie Aufbau und Funktion des Messsystems vorgestellt.

Untersuchung der aeroakustischen Schallentstehung an einem generischen Heckklappenspaltmodell - Winter, Philipp; Weiß, Manuel; Wüst, Michael; Schimmelpfennig, Stefan; Lerch, Reinhard (Fortschritte der Akustik 41 - DAGA 2015, 2015)
Überströmte Funktionsspalte von PKW-Karosserien können als wichtige Ursache strömungsmechanisch induzierten Schalls einen großen Einfluss auf den Schalldruckpegel im Innenraum ausüben. Besonders bedeutend ist der Funktionsspalt zwischen Fahrzeugdach und Heckklappe, der mit dem darunterliegenden Hohlraumvolumen einen Helmholtz-Resonator bildet. Der Schalldruckpegel im Resonanzvolumen des Heckklappenresonators wird ab Windgeschwindigkeiten von 140 km/h maßgeblich von der Form der stromaufwärtsliegenden Spaltkante beeinflusst [Schimmelpfennig, AIA-DAGA 2013, Meran]. So verursacht der fertigungsbedingte Biegeradius dieser Spaltkante bei einer Windgeschwindigkeit von 180 km/h rund 5 dB höhere Schalldruckpegel im Resonanzvolumen als eine scharfe, aufmodellierte Kante. Im Rahmen dieser Arbeit werden die strömungsmechanischen Zusammenhänge mithilfe eines generischen Heckklappenresonatormodells untersucht. Hierfür wird die Strömung im Spaltöffnungsbereich des Modells mit einem Hitzdraht ortsaufgelöst abgetastet. Die Schalldruckschwankungen innerhalb des Resonanzvolumens werden zeitsynchron zum Hitzdrahtsignal mit einem Mikrofon erfasst. Im Gegensatz zu selbsterhaltenden Anregungszuständen mit aktivem Rückkoppelmechanismus (self-sustaining oscillations) werden Anregungszustände ohne aktiven Rückkoppelmechanismus betrachtet. Die Messergebnisse in den Spaltöffnungsbereichen bei einer scharfen und einer abgerundeten vorderen Spaltkante werden hinsichtlich ihrer statistischen und frequenzaufgelösten Schwankungsgrößen verglichen. Hierbei zeigt sich ein signifikanter Einfluss der Form der vorderen Spaltkante. Neben der Analyse der Hitzdrahtmessungen werden Kohärenzanalysen zwischen Mikrofon- und Hitzdrahtsignal vorgestellt, um das Zusammenwirken von Strömung in der Spaltöffnung und Schalldruck im Resonanzvolumen näher zu beleuchten.
Keywords: Aeroakustik; aeroacoustics