Das Parallel-Seismik-Verfahren dient vor allem der nachträglichen Längenmessung von Fundamentpfählen oder ähnlichen Elementen zur Gründung von Bauwerken. Eine solche Messung wird beispielsweise notwendig, wenn ein Gebäude verstärkt, erhöht oder anders als bisher genutzt werden soll, aber keine Unterlagen mehr über die Fundamente vorhanden sind. Das Messprinzip des schon seit einigen Jahrzehnten bekannten Verfahrens ist relativ einfach: Auf dem Pfahlkopf wird meist durch Hammerschlag eine Stoßwelle erzeugt, die durch den Pfahl nach unten läuft. Dabei wird Energie in den Boden abgegeben. Die abgestrahlten Wellen werden von Sensoren in einem parallel zum Pfahl hergestellten Bohrloch registriert. Aus den Laufzeiten lassen sich die materialspezifischen Wellengeschwindigkeiten im Pfahl und im Boden sowie die Pfahllänge ermitteln. Bisher wurde meist ein sehr einfaches Verfahren zur Datenauswertung verwendet, das die Länge der Pfähle systematisch überschätzt. In der vorliegenden Dissertation wurden die mathematisch-physikalischen Grundlagen beleuchtet und durch Computersimulation die Wellenausbreitung in Pfahl und Boden genau untersucht. Weitere Simulationen klärten den Einfluss verschiedener Mess- und Strukturparameter, beispielsweise den Einfluss von Bodenschichtung oder Fehlstellen im Pfahl. So konnte geklärt werden, in welchen Fällen mit dem Parallel-Seismik-Verfahren gute Ergebnisse erzielt werden können (z. B. bei Fundamenten in Sand oder Ton) und wo es an seine Grenzen stößt (z. B. bei Gründung im Fels). Auf Basis dieser Ergebnisse entstand ein neuer mathematischer Formalismus zur Auswertung der Laufzeiten. In Verbindung mit einem Verfahren zur Dateninversion, d. h. der automatischen Anpassung der Unbekannten in den Gleichungen an die Messergebnisse, lassen sich sehr viel genauere Werte für die Pfahllänge ermitteln als mit allen bisher publizierten Verfahren. Zudem kann man nun auch mit relativ großen Abständen zwischen Bohrloch und Pfahl (2 - 3 m) arbeiten. Die Methode wurde an simulierten Daten ausführlich getestet. Die Messmethode und das neue Auswerteverfahren wurden in einer Reihe praktischer Anwendungen getestet – und dies fast immer erfolgreich. Nur in einem Fall komplizierter Fundamentgeometrie bei gleichzeitig sehr hoher Anforderung an die Genauigkeit war schon nach Simulationen klar, dass hier ein Einsatz nicht sinnvoll ist. Dafür zeigte es sich, dass auch die Länge von Pfahlwänden und Spundwänden ermittelt werden kann. Die Parallel-Seismik-Methode funktioniert als einziges verfügbares Verfahren zur Fundamentlängenermittlung zugleich in den meisten Bodenarten sowie an metallischen und nichtmetallischen Fundamenten und kommt ohne Kalibrierung aus. Sie ist nun sehr viel breiter einsetzbar und liefert sehr viel genauere Ergebnisse. Die Simulationen zeigten noch Potential für Erweiterungen, zum Beispiel durch den Einsatz spezieller Sensoren, die zusätzliche Wellentypen empfangen und unterscheiden können. / The Parallel Seismic (PS) method is used for determination of the unknown or undocumented depth/length of unknown foundations, mostly piles. Parallel Seismic is an established but rather not commonly used geophysical technique, which has been developed several decades ago. Currently, this method is standardized in France and included in the method catalog of the US FHWA. The principle behind PS is quite simple: an impulse is generated on top of the pile by a hammer stroke, generating elastic waves (mainly compressional) traveling downward through the pile. Due to the high impedance contrast between pile and soil, the main part of the energy remains in the pile, but some is transmitted as guided waves into the surrounding soil. After reaching the pile toe, transmitted/diffracted waves of nearly spherical front are generated. These waves are recorded by sensors (hydrophones or geophones) in a nearby borehole. From the first arrival times registered at the sensors, the apparent wave velocity is calculated, which is different above the pile toe (pile velocity) and below (soil velocity). In the conventional data analysis, the pile length is estimated based on the intersection of the two travel time branches, leading to a systematic overestimation of the length of the pile. This thesis provides a systematic treatise of the mathematical and physical foundations of wave propagation in piles and soil. Extensive numerical simulations and parametric studies have been carried out to investigate the nature of the wave-field and influence of measurement and structural parameters. The results revealed the range of applicability of Parallel Seismic, but also some limitations, e. g. in the case of rock socketed foundations or piles containing flaws. A new mathematical algorithm for data interpretation was developed based on the simulation results, which takes into account the soil layers and the borehole inclination. This novel data interpretation scheme was used in combination with different data inversion methods. A comparison of the results showed that the commonly used Levenberg-Marquardt type least squares approach gives sufficiently accurate estimations in most common scenarios. The VFSA (very fast simulated annealing) method offers some advantages (e. g. avoiding local minima under certain conditions) but is much more time consuming. The new interpretation method was successfully validated using several sets of simulated data. It proved to be not only more accurate than all other available methods, but also to extend the maximum allowable pile-borehole distance to 2 – 3 m. Besides the numerical study, several field investigations have been carried out for the purpose of this study and also in the framework of real world projects. The foundation types included secant pile walls and sheet piles. The method performed successfully in all cases but one: a highly accurate determination of the connection of a T-shaped footing. In this particular case, the inapplicability of the method was concluded after some preliminary simulations, thus avoiding unnecessary costs to the client. Performing simulations prior to the actual testing is recommended in dealing with all non-standard cases. Today, Parallel Seismic is the only method applicable on metallic and non metallic foundations which can be used without calibration. It has the largest range of all borehole methods.

Das Ziel der Arbeit bestand darin, die aus der Literatur bekannten Zusammenhänge zwischen Korrosionsaktivität von Stahl im Beton und einer galvanostatischen Pulsmessung, welche unter Laborbedingungen gute Ergebnisse liefern, auf Messungen an realen Bauwerken anzuwenden. Dazu wurden zunächst Untersuchungen an 13 Jahre alten Prüfkörpern durchgeführt und ausgewertet. Die abgeleiteten Zusammenhänge konnten anschließend an realen Bauteilen verifiziert werden. Somit stellt die galvanostatische Pulsmessung eine hilfreiche zerstörungsfreie Prüfmethode zur Interpretation des Korrosionszustandes dar. Die neuen Erkenntnisse lassen eine bessere Einschätzung des Korrosionsverhaltens in Stahlbetonbauwerken zu, als es die Potentialmessung erlaubt.

Ein großer Vorteil von Kunststoffbauteilen ist neben funktionellen Vorzügen die Kosten- und Gewichtsreduzierung durch integrale Gestaltungsmöglichkeiten. Es können Geometrien umgesetzt werden, die mit metallischen Werkstoffen nur unter hohem Aufwand realisierbar sind. Insbesondere im Bereich der Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) gibt es hohen Forschungsbedarf hinsichtlich Reduzierung von Herstellungskosten, Erhöhung der Langlebigkeit aber auch der Reparaturfähigkeit. Die Erkennung von Defekten ist dabei eine grundlegende Voraussetzung. Für einen FKV-Serieneinsatz im Automobilbau gibt es jedoch kein bekanntes und ausreichendes Prüfkonzept der Schadenserkennung für die geforderten Stückzahlen. Die aus der Luft- und Raumfahrt bekannten Methoden lassen sich aufgrund ihres hohen apparativen Aufwandes und der eingeschränkten Tauglichkeit bezüglich geometrisch komplexer Bauteile nicht unmittelbar übernehmen. Es bestehen andere Anforderungen an ein Prüfkonzept für FKV-Bauteile im Automobilbau. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zerstörungsfreie Prüfmethoden hinsichtlich ihrer Eignung zur Detektion nicht sichtbarer Schäden systematisch untersucht und bewertet. Der Fokus lag dabei auf Bauteilen aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen des Automobils, die sowohl eine flächige als auch eine mehrfach gekrümmte Bauteilstruktur mit nicht-homogenen Wanddicken aufweisen können. In Abhängigkeit von der Art der Schädigung, etwa Einschlüsse, Zwischenfaserrisse oder Delaminationen wurden die unterschiedlichen Verfahren vergleichend in Hinblick auf Detektionssicherheit, -grenzen und Einschränkungen durch gegebene geometrische sowie werkstoffliche Bauteilausführungen bewertet und ein Konzept für eine fertigungsbegleitende Qualitätssicherung entwickelt.

Ein großer Vorteil von Kunststoffbauteilen ist neben funktionellen Vorzügen die Kosten- und Gewichtsreduzierung durch integrale Gestaltungsmöglichkeiten. Es können Geometrien umgesetzt werden, die mit metallischen Werkstoffen nur unter hohem Aufwand realisierbar sind. Insbesondere im Bereich der Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) gibt es hohen Forschungsbedarf hinsichtlich Reduzierung von Herstellungskosten, Erhöhung der Langlebigkeit aber auch der Reparaturfähigkeit. Die Erkennung von Defekten ist dabei eine grundlegende Voraussetzung. Für einen FKV-Serieneinsatz im Automobilbau gibt es jedoch kein bekanntes und ausreichendes Prüfkonzept der Schadenserkennung für die geforderten Stückzahlen. Die aus der Luft- und Raumfahrt bekannten Methoden lassen sich aufgrund ihres hohen apparativen Aufwandes und der eingeschränkten Tauglichkeit bezüglich geometrisch komplexer Bauteile nicht unmittelbar übernehmen. Es bestehen andere Anforderungen an ein Prüfkonzept für FKV-Bauteile im Automobilbau. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zerstörungsfreie Prüfmethoden hinsichtlich ihrer Eignung zur Detektion nicht sichtbarer Schäden systematisch untersucht und bewertet. Der Fokus lag dabei auf Bauteilen aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen des Automobils, die sowohl eine flächige als auch eine mehrfach gekrümmte Bauteilstruktur mit nicht-homogenen Wanddicken aufweisen können. In Abhängigkeit von der Art der Schädigung, etwa Einschlüsse, Zwischenfaserrisse oder Delaminationen wurden die unterschiedlichen Verfahren vergleichend in Hinblick auf Detektionssicherheit, -grenzen und Einschränkungen durch gegebene geometrische sowie werkstoffliche Bauteilausführungen bewertet und ein Konzept für eine fertigungsbegleitende Qualitätssicherung entwickelt.

Bei der Assemblierung von Lithium-Ionen-Batterien ist ein zentraler Arbeitsschritt die Herstellung der elektrischen Verbindung von einzelnen Lithium-Ionen-Zellen in Reihen- und/oder Parallelschaltung. Dazu kommen in der Regel Überlappschweißverbindungen aus Blechen mit Dicken von unter 2 mm zum Einsatz. Typischerweise werden Eisen-, Aluminium- und Kupferwerkstoffe genutzt. Dieser Produktionsschritt ist wegen der Wichtigkeit für die gesamte Batteriefunktion in seiner Qualität zu überwachen. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein dafür geeignetes Verfahren identifiziert. Es wurden Ultraschallprüfverfahren, Durchstrahlungsverfahren, die Messung des elektrischen Widerstands sowie thermografische Verfahren auf ihre Eignung zur Prüfung derartiger Überlappschweißverbindungen hin untersucht. Dabei zeigte sich, dass die nach dem Stand der Technik verfügbaren Verfahren im betrachteten Anwendungsfall wegen unzureichender Zugänglichkeit, mangelnder Fähigkeit der Fehlerdetektion oder wirtschaftlicher Gründe häufig nur eingeschränkt einsetzbar sind. Demzufolge war ein neues Verfahren zur Prüfung der Schweißnähte zur elektrischen Verbindung von Zellen zu entwickeln. Als Ansatz wurde die optisch angeregte Thermografie gewählt. Diese konnte erfolgreich eingesetzt werden, wenn ein Laser zur Anregung sowie eine Photonendetektorkamera zur Detektion genutzt wurde. Durch die Anwendung der Lockin-Thermografie konnten Rauscheinflüsse auf die Messung minimiert werden. Es konnte gezeigt werden, dass Lockin-Messungen auch dann ausgewertet können, wenn das gemessene Temperatursignal neben einer harmonischen Schwingung und Rauschen einen stetigen Temperaturtrend aufweist. Die Anwendung von im Rahmen der Arbeit entwickelten Abschirmelementen, die für die Anregungsstrahlung transparent und die von der genutzten Kamera erfassten Strahlung undurchlässig sind, erlaubte die Prüfung metallischer Schweißverbindung in der Nähe von hochabsorptiven Flächen. Unter Nutzung eines neu entwickelten Auswertealgorithmus, der auf die Kompensation des Effekts lateraler Wärmeflüsse im untersuchten Bauteil zielt, konnte die Ergebnisqualität der Thermografie hinsichtlich einer besseren optischen Korrelation der Ergebnisbilder zu Referenzprüfungen sowie einer verringerten Messunsicherheit der angebundenen Fläche verbessert werden. Insgesamt zeigte sich das Verfahren in seiner weiterentwickelten Form als für die Prüfung tauglich.:1 Einleitung 1.1 Motivation und Ziel 1.2 Einführung in die Arbeit 2 Stand der Technik 2.1 Lithium-Ionen-Batterien für Elektrofahrzeuge 2.1.1 Lithium-Ionen-Batterien im Vergleich zu anderen Energiespeichern in der Elektromobilität 2.1.2 Aufbau und Funktion von Lithium-Ionen-Batterien 2.2 Fertigungstechnik der Kontaktierung von Lithium-Ionen-Zellen 2.2.1 Kontaktierung von Lithium-Ionen-Zellen 2.2.2 Schweißverfahren zur Kontaktierung von Lithium-Ionen-Zellen 2.3 Schweißnahtanforderungen und -fehler 2.4 Zerstörungsfreie Prüfung von Kontaktierverbindungen 2.4.1 Qualitätssicherung von Kontaktierverbindungen 2.4.2 Anforderungen an zerstörungsfreie Prüfverfahren 2.4.3 Ultraschallprüfung 2.4.4 Durchstrahlungsprüfung 2.4.5 Messung des elektrischen Widerstands 2.4.6 Oberflächenprüfung 2.4.7 Infrarotthermografie 3 Vorauswahl eines geeigneten Verfahrens der zerstörungsfreien Prüfung 3.1 Untersuchte Verfahren 3.2 Ultraschallverfahren 3.3 Durchstrahlungsverfahren 3.4 Messung des elektrischen Widerstands 3.5 Infrarotthermografie 3.6 Verfahrensauswahl 4 Anwendung der optisch angeregten Thermografie zur Schweißnahtprüfung 4.1 Herausforderungen bei der Messung von Kontaktierschweißverbindungen von Lithium-Ionen-Batterien 4.2 Narzisseffekt und Perspektivenkorrektur 4.3 Techniken der optischen Anregung 4.4 Signalaufbereitung durch Lockin-Verfahren 4.4.1 Lockin-Thermografie 4.4.2 Lockin-Thermografie im Nicht-Gleichgewichtszustand 5 Unterdrückung des Einflusses von Reflexionen bei der thermografischen Prüfung von Kontaktierverbindungen 5.1 Hintergrund 5.2 Lösungsansatz 5.3 Werkstoffauswahl 5.4 Erprobung 6 Kompensation des Einflusses lateraler Wärmeströme 6.1 Mehrdimensionaler Wärmefluss 6.2 Simulation des Einflusses lateraler Wärmeströme 6.2.1 Simulationsmodell 6.2.2 Simulationsresultate 6.3 Entwicklung eines Kompensationsalgorithmus 6.3.1 Ansatz 6.3.2 Ergebnis 6.3.3 Sensitivitätsanalyse 6.3.4 Fazit der simulativen Untersuchung des Kompensationsalgorithmus 6.4 Umsetzung und Verifikation des Kompensationsalgorithmus 6.4.1 Untersuchte Proben 6.4.2 Emissionsgradmessung 6.4.3 Ergebnisqualität 6.4.4 Grenzen des Algorithmus 7 Zusammenfassung 8 Ausblick / The electrical connection of a multitude of lithium-ion cells is of high importance for producing lithium-ion batteries. These connections are usually carried out with lap welds of steel, aluminium and copper sheets with a thickness of less than 2 mm. Due to its importance the electrical connection should be subject to non-destructive evaluation. Therefore, a suitable method was identified to evaluate the electrical connection. Technologies based on ultrasonic, radiographic and thermographic evaluation as well as measurement of electrical resistance have been studied regarding their potential to non-destructively test aforementioned lap welds. It was found that in the studied case state of the art technologies are limited by restraints regarding accessibility, cycle time and detectability of ctitical flaws. Therefore, a new technique for non-destructive testing of lap welds between cell connections, had to be be defined. Optically excited thermography was considered a promising approach. Optically excited thermography was applied successfully using a laser as excitation source and a photon detector camera to record infrared radiation. The application of the lock-in principle allowed significant noise reduction. It was shown that the evaluation of temperature sequences using the lock-in algorithm does not depend on a temperature signal that shows strict harmonic behaviour but could also be applied when the raw temperature sequence incorporated a trend. The application of newly developed radiation shields, which are transparent to the wavelengths of the excitation signal, but opaque to the wavelengths of infrared detection, allowed thermographic testing of metal surfaces in proximity to highly absorbing surfaces. A new algorithm was developed for evaluating thermographic sequences aimed at reducing the impact of lateral thermal flux. It was proven to increase the quality of thermographic results in terms of visual correlation to reference technologies and measurement uncertainty of the joined area. Overall, the improved technology was found to be feasible for non-destructive testing of lap welds in lithium-ion batteries.:1 Einleitung 1.1 Motivation und Ziel 1.2 Einführung in die Arbeit 2 Stand der Technik 2.1 Lithium-Ionen-Batterien für Elektrofahrzeuge 2.1.1 Lithium-Ionen-Batterien im Vergleich zu anderen Energiespeichern in der Elektromobilität 2.1.2 Aufbau und Funktion von Lithium-Ionen-Batterien 2.2 Fertigungstechnik der Kontaktierung von Lithium-Ionen-Zellen 2.2.1 Kontaktierung von Lithium-Ionen-Zellen 2.2.2 Schweißverfahren zur Kontaktierung von Lithium-Ionen-Zellen 2.3 Schweißnahtanforderungen und -fehler 2.4 Zerstörungsfreie Prüfung von Kontaktierverbindungen 2.4.1 Qualitätssicherung von Kontaktierverbindungen 2.4.2 Anforderungen an zerstörungsfreie Prüfverfahren 2.4.3 Ultraschallprüfung 2.4.4 Durchstrahlungsprüfung 2.4.5 Messung des elektrischen Widerstands 2.4.6 Oberflächenprüfung 2.4.7 Infrarotthermografie 3 Vorauswahl eines geeigneten Verfahrens der zerstörungsfreien Prüfung 3.1 Untersuchte Verfahren 3.2 Ultraschallverfahren 3.3 Durchstrahlungsverfahren 3.4 Messung des elektrischen Widerstands 3.5 Infrarotthermografie 3.6 Verfahrensauswahl 4 Anwendung der optisch angeregten Thermografie zur Schweißnahtprüfung 4.1 Herausforderungen bei der Messung von Kontaktierschweißverbindungen von Lithium-Ionen-Batterien 4.2 Narzisseffekt und Perspektivenkorrektur 4.3 Techniken der optischen Anregung 4.4 Signalaufbereitung durch Lockin-Verfahren 4.4.1 Lockin-Thermografie 4.4.2 Lockin-Thermografie im Nicht-Gleichgewichtszustand 5 Unterdrückung des Einflusses von Reflexionen bei der thermografischen Prüfung von Kontaktierverbindungen 5.1 Hintergrund 5.2 Lösungsansatz 5.3 Werkstoffauswahl 5.4 Erprobung 6 Kompensation des Einflusses lateraler Wärmeströme 6.1 Mehrdimensionaler Wärmefluss 6.2 Simulation des Einflusses lateraler Wärmeströme 6.2.1 Simulationsmodell 6.2.2 Simulationsresultate 6.3 Entwicklung eines Kompensationsalgorithmus 6.3.1 Ansatz 6.3.2 Ergebnis 6.3.3 Sensitivitätsanalyse 6.3.4 Fazit der simulativen Untersuchung des Kompensationsalgorithmus 6.4 Umsetzung und Verifikation des Kompensationsalgorithmus 6.4.1 Untersuchte Proben 6.4.2 Emissionsgradmessung 6.4.3 Ergebnisqualität 6.4.4 Grenzen des Algorithmus 7 Zusammenfassung 8 Ausblick

Strukturüberwachung und Condition Monitoring spielen in vielen Gebieten der Technik eine große Rolle. Zur Überwachung von Leichtbaustrukturen aus faserverstärkten Kunststoffen bietet sich hierfür besonders die Körperschall-Analyse an. Am Markt etabliert sind hierfür piezoelektrische Signalaufnehmer. Diese Arbeit stellt eine kostengünstige Alternative in Form von mikromechanischen Körperschall-Sensoren vor. Eine Besonderheit stellt hierbei das Prinzip des mechanischen Bandpasses dar. Es wird die Elektronik- und Gehäuseentwicklung sowie die experimentelle Untersuchung dargelegt. / Structural health monitoring is of vital importance in many technical fields. For monitoring of lightweight structures made from fiber reinforced plastics especially acoustic emission testing is used. Commercially available transducers utilize the piezoelectric effect. This thesis introduces a cost efficient alternative in form of micromechanical sensors, in particular sensors using the principle of a mechanical bandpass. The design of electronics and the packaging as well as experimental investigations are provided.

Die zerstörungsfreie Ultraschallprüfung von akustisch anisotropen Werkstoffen stellt auch heute noch eine Herausforderung dar. Die Gefügestruktur in solchen Materialien beeinflusst die Wellenausbreitung derart, dass es zum einen zu starken Streuungen durch die großflächigen Korngrenzen und zum anderen, aufgrund der akustischen Anisotropie, zu einer Richtungsabhängigkeit der Schallgeschwindigkeiten kommt. In den vergangenen Jahren wurden bereits Lösungsansätze zur mathematischen Modellierung der Schallausbreitung in anisotropen Materialien vorgestellt. Diese basieren in der Regel auf FEM- bzw. FIT- Algorithmen, die durch die Diskretisierung des gesamten Volumens einen hohen Rechenaufwand erfordern und in der täglichen Prüfpraxis aufgrund ihrer Komplexität bei der Parametrierung nur bedingt einsetzbar sind. Aus diesem Grund wird hier ein Ansatz zur Schallfeldberechnung gewählt, der auf die praktische Anwendung von Gruppenstrahler-Prüfköpfen zugeschnitten ist. Während sich andere Verfahren auf einzelne Wellenanteile und monofrequente Lösungen beschränken, um den Rechenaufwand zu reduzieren, können mit diesem Ansatz die reale Signalform des Prüfkopfes sowie alle auftretenden Wellenanteile in homogenen transversalisotropen Medien berücksichtigt werden. Durch entsprechende Optimierungen im Berechnungsalgorithmus lässt sich das gesamte vierdimensionale Schallfeld eines Gruppenstrahler-Prüfkopfes im Halbraum in kürzester Zeit berechnen. Die analytische Lösung der Wellengleichung für den Halbraum in Form einer Greenschen Funktion wird dabei in eine Gleichung umgeformt, die hier als vierdimensionale Punktrichtwirkung bezeichnet wird. Dieser Modellansatz ermöglicht es, die Parameter eines Gruppenstrahlersystems in der praktischen Anwendung zu überprüfen und durch iterative Rechnungen zu optimieren. Mit Hilfe einer einfach zu handhabenden Visualisierungstechnik ist es möglich diesen Modellansatz mit realen Schallfeldmessungen zu vergleichen. Dazu werden mit elektrodynamischen Sonden die einzelnen Komponenten des dreidimensionalen Vektors der Teilchenverschiebung an der Oberfläche von Festkörpern abgetastet. Die an den Messpunkten ermittelten Zeitfunktionen des Verschiebungsvektors werden dann dem berechneten Zeitverlauf der Wellenausbreitung gegenübergestellt. Die berechneten und gemessenen Schallfelder stimmen in der Phasenlage und im Amplitudenverlauf gut überein. Die Ergebnisse zeigen, dass mit dem verwendeten Rechenmodell alle in der Realität auftretenden Wellenanteile vollständig berücksichtigt werden und dreidimensionale Problemstellungen aus der Praxis mit diesem Modell korrekt berechnet werden können. / The non-destructive ultrasonic testing of acoustic anisotropic materials is an important challenge. The texture of these materials causes a strong scattering of the sound wave by the extensive grain boundaries and a direction dependent sound velocity by the acoustic anisotropy. Several approaches for the modelling of the sound propagation in anisotropic materials were presented in the last years. These approaches are normally based on FEM or FIT algorithms using a discretisation of the complete volume. Their calculation needs extensive time and a very complex parameterisation. Thus these algorithms are not suitable in practice of ultrasonic testing. In this work an approach is presented that is optimised for the application of phased array transducers. The new approach considers the real frequency spectrum of the transducer as well as all occurring wave modes in homogeneous transversely isotropic media, whereas other approaches are limited to solutions for single wave modes and single frequencies to reduce the calculation effort. The appropriate optimisations of the mathematical algorithm allow the fast calculation of the complete four-dimensional transient wave field of a phased array transducer in the half-space. The Green’s functions are derived by an analytical solution of the elastodynamic wave equation for the half-space. These functions will be transformed into an equation which will be referred to in this work as four-dimensional directivity pattern. This approach allows the verification of the parameters of a phased array system and their optimisation by iterative calculations in the practical application. To get accurate results in these calculations, the experimental verification of the applied mathematical model for the wave propagation is an essential task. The technique presented in this work applies electrodynamic probes, which provides a simple use. The probes can detect the particle displacement at a solid surface in all three spatial directions. The measured time-functions of the wave field will be compared with the calculated time-functions. They show a good accordance in the phase and the amplitude. This confirms that the applied mathematical model considers completely all in practice occurring wave modes. The results further show that three-dimensional problems in practice can be calculated correctly with this model.

Die dielektrischen Eigenschaften, also die Interaktion mit elektrischen Feldern, sind ein wichtiger Qualitätsparameter der Matrix in Faserverbundmaterialien und allgemein in Harzen. Sie werden bisher mit Hilfe von kapazitiven Verfahren oder Hochfrequenzverfahren wie z. B. der Mikrowellentechnik gemessen. Allerdings können beide Verfahren nicht an elektrisch leitfähigen Materialien wie Kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) eingesetzt werden und auch bei der Anwendung der Methoden an Kunststoffen oder elektrisch isolierenden Faserverbundmaterialien gibt es Nachteile. So benötigt die kapazitive Messtechnik meist eine spezielle Probenpräparation für quantitative Messungen und erreicht eine vergleichsweise schlechte Ortsauflösung beim Permittivitätsmapping. Die vorliegende Arbeit widmet sich daher der Untersuchung einer alternativen, in diesem Kontext neuen Methode zur Charakterisierung dielektrischer Eigenschaften: Die Hochfrequenzwirbelstrommesstechnik, welche bisher zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit und magnetischen Permeabilität genutzt wird, wird theoretisch und praktisch hinsichtlich ihres Anwendungspotentials zur Permittivitätsmessung an Epoxidharzen und Faserverbundwerkstoffen diskutiert. Dabei werden zuerst Grundlagen wie Anwendungsfelder für die Nutzung dielektrischer Eigenschaften von Harzen und Verbundwerkstoffen zur Qualitätssicherung bzw. gängige Messverfahren erläutert. Anschließend wird theoretisch gezeigt, warum dielektrische Eigenschaften auf das Hochfrequenzwirbelstrom (HFWS)-Signal wirken. Dabei werden sowohl die Maxwell-Gleichungen genutzt, als auch Finite Elemente (FE)-Simulationen. Der Schwerpunkt der Forschungsarbeit liegt dann auf der experimentellen Untersuchung der Permittivitätsmessung mittels HFWS. Es werden verschiedene Anwendungsfälle betrachtet: von zeitlich kontinuierlichen Permittitivitätsänderungen (am Beispiel der Aushärtung von Epoxidharzen), über lokale Permittivitätsabweichungen (in Folge von Defekten, Textureigenschaften oder thermischen Überlasten) bis hin zu quantitativen Permittivitätsmessungen (zur Materialcharakterisierung bzw. Alterungsuntersuchung). Dabei kann gezeigt werden, dass es möglich ist, die Permittivität von Faserverbundwerkstoffen und Epoxidharzen mittels HFWS zu charakterisieren, selbst wenn das zu prüfende Material elektrisch nicht leitfähig ist.

Die zerstörungsfreie Ultraschallprüfung von akustisch anisotropen Werkstoffen stellt auch heute noch eine Herausforderung dar. Die Gefügestruktur in solchen Materialien beeinflusst die Wellenausbreitung derart, dass es zum einen zu starken Streuungen durch die großflächigen Korngrenzen und zum anderen, aufgrund der akustischen Anisotropie, zu einer Richtungsabhängigkeit der Schallgeschwindigkeiten kommt. In den vergangenen Jahren wurden bereits Lösungsansätze zur mathematischen Modellierung der Schallausbreitung in anisotropen Materialien vorgestellt. Diese basieren in der Regel auf FEM- bzw. FIT- Algorithmen, die durch die Diskretisierung des gesamten Volumens einen hohen Rechenaufwand erfordern und in der täglichen Prüfpraxis aufgrund ihrer Komplexität bei der Parametrierung nur bedingt einsetzbar sind. Aus diesem Grund wird hier ein Ansatz zur Schallfeldberechnung gewählt, der auf die praktische Anwendung von Gruppenstrahler-Prüfköpfen zugeschnitten ist. Während sich andere Verfahren auf einzelne Wellenanteile und monofrequente Lösungen beschränken, um den Rechenaufwand zu reduzieren, können mit diesem Ansatz die reale Signalform des Prüfkopfes sowie alle auftretenden Wellenanteile in homogenen transversalisotropen Medien berücksichtigt werden. Durch entsprechende Optimierungen im Berechnungsalgorithmus lässt sich das gesamte vierdimensionale Schallfeld eines Gruppenstrahler-Prüfkopfes im Halbraum in kürzester Zeit berechnen. Die analytische Lösung der Wellengleichung für den Halbraum in Form einer Greenschen Funktion wird dabei in eine Gleichung umgeformt, die hier als vierdimensionale Punktrichtwirkung bezeichnet wird. Dieser Modellansatz ermöglicht es, die Parameter eines Gruppenstrahlersystems in der praktischen Anwendung zu überprüfen und durch iterative Rechnungen zu optimieren. Mit Hilfe einer einfach zu handhabenden Visualisierungstechnik ist es möglich diesen Modellansatz mit realen Schallfeldmessungen zu vergleichen. Dazu werden mit elektrodynamischen Sonden die einzelnen Komponenten des dreidimensionalen Vektors der Teilchenverschiebung an der Oberfläche von Festkörpern abgetastet. Die an den Messpunkten ermittelten Zeitfunktionen des Verschiebungsvektors werden dann dem berechneten Zeitverlauf der Wellenausbreitung gegenübergestellt. Die berechneten und gemessenen Schallfelder stimmen in der Phasenlage und im Amplitudenverlauf gut überein. Die Ergebnisse zeigen, dass mit dem verwendeten Rechenmodell alle in der Realität auftretenden Wellenanteile vollständig berücksichtigt werden und dreidimensionale Problemstellungen aus der Praxis mit diesem Modell korrekt berechnet werden können. / The non-destructive ultrasonic testing of acoustic anisotropic materials is an important challenge. The texture of these materials causes a strong scattering of the sound wave by the extensive grain boundaries and a direction dependent sound velocity by the acoustic anisotropy. Several approaches for the modelling of the sound propagation in anisotropic materials were presented in the last years. These approaches are normally based on FEM or FIT algorithms using a discretisation of the complete volume. Their calculation needs extensive time and a very complex parameterisation. Thus these algorithms are not suitable in practice of ultrasonic testing. In this work an approach is presented that is optimised for the application of phased array transducers. The new approach considers the real frequency spectrum of the transducer as well as all occurring wave modes in homogeneous transversely isotropic media, whereas other approaches are limited to solutions for single wave modes and single frequencies to reduce the calculation effort. The appropriate optimisations of the mathematical algorithm allow the fast calculation of the complete four-dimensional transient wave field of a phased array transducer in the half-space. The Green’s functions are derived by an analytical solution of the elastodynamic wave equation for the half-space. These functions will be transformed into an equation which will be referred to in this work as four-dimensional directivity pattern. This approach allows the verification of the parameters of a phased array system and their optimisation by iterative calculations in the practical application. To get accurate results in these calculations, the experimental verification of the applied mathematical model for the wave propagation is an essential task. The technique presented in this work applies electrodynamic probes, which provides a simple use. The probes can detect the particle displacement at a solid surface in all three spatial directions. The measured time-functions of the wave field will be compared with the calculated time-functions. They show a good accordance in the phase and the amplitude. This confirms that the applied mathematical model considers completely all in practice occurring wave modes. The results further show that three-dimensional problems in practice can be calculated correctly with this model.

Die dielektrischen Eigenschaften, also die Interaktion mit elektrischen Feldern, sind ein wichtiger Qualitätsparameter der Matrix in Faserverbundmaterialien und allgemein in Harzen. Sie werden bisher mit Hilfe von kapazitiven Verfahren oder Hochfrequenzverfahren wie z. B. der Mikrowellentechnik gemessen. Allerdings können beide Verfahren nicht an elektrisch leitfähigen Materialien wie Kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) eingesetzt werden und auch bei der Anwendung der Methoden an Kunststoffen oder elektrisch isolierenden Faserverbundmaterialien gibt es Nachteile. So benötigt die kapazitive Messtechnik meist eine spezielle Probenpräparation für quantitative Messungen und erreicht eine vergleichsweise schlechte Ortsauflösung beim Permittivitätsmapping. Die vorliegende Arbeit widmet sich daher der Untersuchung einer alternativen, in diesem Kontext neuen Methode zur Charakterisierung dielektrischer Eigenschaften: Die Hochfrequenzwirbelstrommesstechnik, welche bisher zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit und magnetischen Permeabilität genutzt wird, wird theoretisch und praktisch hinsichtlich ihres Anwendungspotentials zur Permittivitätsmessung an Epoxidharzen und Faserverbundwerkstoffen diskutiert. Dabei werden zuerst Grundlagen wie Anwendungsfelder für die Nutzung dielektrischer Eigenschaften von Harzen und Verbundwerkstoffen zur Qualitätssicherung bzw. gängige Messverfahren erläutert. Anschließend wird theoretisch gezeigt, warum dielektrische Eigenschaften auf das Hochfrequenzwirbelstrom (HFWS)-Signal wirken. Dabei werden sowohl die Maxwell-Gleichungen genutzt, als auch Finite Elemente (FE)-Simulationen. Der Schwerpunkt der Forschungsarbeit liegt dann auf der experimentellen Untersuchung der Permittivitätsmessung mittels HFWS. Es werden verschiedene Anwendungsfälle betrachtet: von zeitlich kontinuierlichen Permittitivitätsänderungen (am Beispiel der Aushärtung von Epoxidharzen), über lokale Permittivitätsabweichungen (in Folge von Defekten, Textureigenschaften oder thermischen Überlasten) bis hin zu quantitativen Permittivitätsmessungen (zur Materialcharakterisierung bzw. Alterungsuntersuchung). Dabei kann gezeigt werden, dass es möglich ist, die Permittivität von Faserverbundwerkstoffen und Epoxidharzen mittels HFWS zu charakterisieren, selbst wenn das zu prüfende Material elektrisch nicht leitfähig ist.