Charakterisierung von Ultraschallprüfköpfen durch Kombination von optischer Interferometrie und Modellierungsverfahren

Im Rahmen dieser Arbeit hat sich gezeigt, dass bei Verwendung geeigneter Wandlermaterialien das Schallfeld von Prüfköpfen für die Prüfung mit nichtlinearem Ultraschall optimiert werden kann. Bei Verwendung einkristalliner Wandlermaterialien lässt sich die maximal erreichbare Ultraschallamplitude steigern und gleichzeitig der Klirrfaktor, insbesondere der Beitrag zweiten Harmonischen, stark reduzieren. Die Verwendung von PMN-PT Einkristallen in Prüfkopfprototypen ergab bei gleicher Anregungsspannung eine um 3 dB höhere Amplitude bei der Grundfrequenz A1 gegenüber einem kommerziellen PZT Prüfkopf. Berücksichtigt man die ab etwa 350 V gegenüber PMN-PT stark zunehmende Amplitude der zweiten Harmonischen A2 bei dem hier verwendeten PZT Prüfkopf und das aufgrund der Einzelanfertigung noch nicht optimierte Design des PMN-PT Prüfkopfs, so erkennt man das Potential einkristalliner Wandler bei Prüfverfahren mit nichtlinearem Ultraschall. Problematisch ist allerdings die abnehmende Amplitude und Verschiebung der Resonanzfrequenz die bei einem der PMN-PT-Kristalle bei andauernder Belastung mit hohen Spannungen zu beobachten war. Dadurch werden reproduzierbare Messungen verhindert. Diese Effekte deuten auf eine Phasenumwandlung hin. Diese Alterung war allerdings nicht bei allen PMN-PT-Wandlern zu beobachten. Es ist zu vermuten, dass der Herstellungsprozess der PMN-PT-Einkristalle noch nicht hinreichend beherrscht wird. Aufgrund dieser Probleme bei PMN-PT Kristallen und den im Vergleich zu Prüfköpfen auf PZT-Basis höheren Kosten ist zurzeit eine Produktion in größeren Stückzahlen nicht sinnvoll. Dadurch, dass einkristallines PMN-PT erst seit etwa 2 Jahren hergestellt wird, kann man allerdings davon ausgehen, dass der Herstellungsprozess noch weiter verbessert wird. Die Modellierung des Schallfeldes mittels generalisierter Punktquellensynthese eignet sich zur effizienten Charakterisierung von Ultra