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Discrete Laser-Ultrasonic Spectroscopy using Guided Waves

Projektinformation:

  • Projekttitel: Discrete Laser-Ultrasonic Spectroscopy using Guided Waves
  • Akronym: DISCUSS
  • Laufzeit: 36 Monate (Start 01.01.2021)
  • Fördergeber: FWF Stand-Alone Projekt

Wissenschaftlicher Hintergrund:

Die gleichzeitige Messung der Dicke und der Schallgeschwindigkeiten einer Struktur mit Ultraschall ist eine wissenschaftliche Herausforderung. Wir arbeiten dafür an einer Lösung basierend auf Strukturwellen (Guided Waves). Durch die Entwicklung dieser Methode können praktische Anwendungen, von der Qualitätskontrolle in Walzwerken bis zur Charakterisierung von mikroskopischen Schichten, realisiert werden. Unser Ansatz ist es, diskrete Frequenzen im Antwortspektrum z.B. einer Platte mit Laser-Ultraschall (LUS) anzuregen. Hier wollen wir eine innovative Kombination aus Zero-Group-Velocity (ZGV) Resonanzen und Oberflächenwellen ausnutzen. In diesem Zusammenhang werden wir auch den Einfluss von Mikrostrukturen auf ZGV Moden in realen Proben untersuchen.

Unser Ziel ist es:

⇒ optische Methoden so zu formen, dass sie gezielt in eine örtliche Frequenz der Oberflächenwelle und gleichzeitig in ZGV Resonanzen koppelt
⇒ die dadurch auftretenden Peaks im Antwortspektrum mit hoher Genauigkeit den entsprechenden Moden zuzuordnen und ihrer Frequenz korrekt zu ermitteln
⇒ diesen Frequenzen die lokale Dicke und die lokalen Schallgeschwindigkeiten von einfachen Platten und komplexeren Wellenleitern zu bestimmen
⇒ diese Methode mit einer single-shot Messung zu realisieren
⇒ die lokalen Eigenschaften einer Platte mit variierender Dicke und elastischen Eigenschaften räumlich aufzulösen
⇒ das Verhältnis von akustischer Wellenlänge zu Korngröße zu bestimmen, welches in diesem Zusammenhang erlaubt ein mikroskopisch polykristallines Material als effektiv isotrop zu behandeln und
⇒ eine statistische Methode zu entwickeln, die es erlaubt außerhalb dieses Bereichs, z.B. mit gemittelten Größen zu arbeiten

Methoden:

⇒ Finite-Element-Simulationen der thermo-elastischen Anregung und der Wellenausbreitung in homogenen und polykristallinen Materialien
⇒ Semi-analytische finite Elemente Berechnung von Dispersionskurven
⇒ LUS Experimente, mit speziellen Anregungsmustern

Abbildung 1: Die Kombination von ZGV-Frequenzen und der Frequenz einer SAW, die bei einer festen Wellenzahl erzeugt wird, ermöglicht die Bestimmung der Dicke und der Schallgeschwindigkeiten einer Platte.

Innovation:

Wir kombinieren zwei im Wesentlichen unterschiedliche Wege, um auf bestimmte Punkte innerhalb der Dispersionskurven einer Probe zuzugreifen: Resonanzpunkte der Geschwindigkeit der Nullgruppe und eine schmalbandige SAW-Quelle (siehe Abbildung 1). Die resultierenden Frequenzspitzen ermöglichen eine lokale und schnelle Charakterisierung von Platten und komplexeren Wellenleitern. Wir glauben, dass der Einfluss der Mikrostruktur üblicher polykristalliner Materialien auf die SAW- und ZGV-Modi eine Einschränkung der Methode darstellt, die wir als Impuls zur Quantifizierung mithilfe von Simulationen und Experimenten verwenden.

 

 

 

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