The continuous refinement of sensor technologies enables the manufacturing industry to capture increasing amounts of data during the production process. As processes take time to complete, sensors register large amounts of time-series-like data for each product. In order to make this data usable, a feature extraction is mandatory. In this work, we discuss and evaluate different network architectures, input pre-processing and cost functions regarding, among other aspects, their suitability for time series of different lengths.

In der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung sind bereits zahlreiche Verfahren etabliert, deren Ziel die Detektion makroskopischer Defekt- und Fehlstellen (z.B. Risse, Poren, Fremdeinschlüsse) ist. Insbesondere bei Polymerwerkstoffen muss jedoch auch die Materialalterung auf molekularer Ebene berücksichtigt werden, die sich (zumeist negativ) auf die Materialkenngrößen auswirkt. Gängige Verfahren zur Bestimmung dieser Kenngrößen arbeiten jedoch üblicherweise zerstörend und sind somit beispielsweise für die vorbeugende Instandhaltung oder die Online-Komponentenüberwachung nur eingeschränkt geeignet. In diesem Beitrag wird ein Verfahren zur zerstörungsfreien Charakterisierung des Alterungszustandes von Polymeren vorgestellt. Dazu wird der Zusammenhang zwischen akustisch (zerstörungsfrei, mittels Ultraschall-Transmissionsmessung) bestimmten Kenngrößen und klassisch (zerstörend, z.B. mittels Zugprüfung) bestimmten hydrothermischer Alterung auf das Material Polyamid 6 (PA6) untersucht. Die Ergebnisse Kenngrößen betrachtet. Exemplarisch werden die Auswirkungen zeigen einen engen Zusammenhang zwischen der zerstörend bestimmten Viskositätszahl, die ein Maß für die mittlere Molekülkettenlänge darstellt, und der akustischen Longitudinalwellengeschwindigkeit. Das Molekülkettenabbau (Depolymerisation) bestimmt ist, kann somit auch akustisch und zerstörungsfrei charakterisiert werden. Auf dieser Basis können neuartige, zerstörungsfrei arbeitende Messsysteme entwickelt werden.

When performing measurements, the effects of the measurement system itself on the measured data generally must be eliminated. Consequently, those effects, i.e. the system’s dynamic behavior, need to be known. For the piezo-composite transducers in an ultrasonic transmission line, a model based approach is used to describe their dynamic behavior and take into account its dependence on the environment temperature and the acoustic impedance of the target medium. Temperature-dependent model parameters are presented, which are obtained by performing a multiplepart identification process on the transducer model, based on electrical impedance measurements [1]. The identification process uses an inverse approach for optimizing a subset of the model parameters. Additionally, algorithmic differentiation methods are used to determine accurate derivatives. In a final optimization step, impedance measurements taken at different temperatures are used to determine the temperature dependencies of the model parameters. These can then be used to assess the plausibility of the identification results. Additionally, the parameters can be expressed as polynomials in the temperature to take different operating conditions into account.

Several ultrasonic approaches for material determination are formulated in terms of an (nonlinear) inverse problem, e.g. immersion technique (Castaings et al. (2000)) or plate-waveguide techniques (Marzani et al. (2012)). In this contribution we focus on cylindrical waveguides for ultrasonic material determination and especially on the sensitivity of recorded transmission signals to the material properties. We utilize composite scaled sensitivities to determine the information content that can be achieved by the setup to certain parameters and discuss the limitations of the approach.

This contribution will give a short introduction to the most important mechanic and acoustic parameters that are necessary to model and simulate frequency dependent sound propagation (dispersion) in isotropic but linear viscoelastic materials. Furthermore, several experimental techniques to measure these parameters will be discussed, like the dynamic-mechanical analysis and transient ultrasonic techniques. Finally it will be shown how to use the determined material parameters for the simulation of transient signals in a highly attenuative acoustic waveguide.

Simulationen mittels der Finiten Element Methode (FEM) sind heute ein fester Bestandteil im Entwicklungsprozess von Ultraschallsystemen. Durch die simulative Ermittlung der transienten Schwingungsvorgänge können Optimierungen bezüglich gewünschter Zielkriterien vorgenommen werden. Hierdurch lassen sich die aufwendige Prototypenfertigung reduzieren und günstige Entwurfspunkte schneller ermitteln.

Zur schnellen und berührungslosen Materialfeuchtebestimmung wird unter anderem die Infrarotreflexionsmessung ge-nutzt. In dieser Untersuchung wird das Trocknungsverhalten von Dispersionslack auf einem rauen Substrat mit einer Multidetektoranordnung untersucht. Durch diese Anordnung ist es möglich, gerichtete und diffuse Strahlungsanteile zu detektieren, wodurch zeitvariable Glanzeffekte an der Lackoberfläche miterfasst werden. Mit Hilfe eines Raytracing-Algorithmus wird die Trocknung eines Dispersionslackes simuliert und anhand von Messdaten mit einem FTIR-Spekt-rometer verifiziert.

Due to the modal behavior of geometrically bounded media, ultrasonic guided waves propagate in waveguides as a combination of multiple dispersive wave packets, which can be simulated as a PDE-problem. Given an excitation in time and space, multiple eigen-modes derived from solving the PDE may propagate each with different dispersion characteristics and weight. Considering a broad-band pulse exciting from one side of a hollow cylindrical waveguide, the received signal at the other side consists of all propagating eigen-modes that can be considered approximately as the narrow band signals. The synchrosqueezed wavelet transform (SWT) is employed to sharpen the time-frequency representation (TFR) of the received waveguide signal. Using a ridge detection algorithm, we successively separate the synchrosqueezed TFR into several narrow band TFRs which can be identified as oscillatory components with time-varying frequency. Then those separated TFRs are reconstructed as narrow band signals using the inverse SWT. Based on an analytical model of the waveguide, we observe that the decomposed signals are similar to those dominant eigen-modes simulated above. Moreover, also the group delay and, therefore, the group velocity of each decomposed signal can be estimated well. This is of high interest when analyzing the characteristic of a given waveguide, such as acoustical property measurements or non-destructive testing.

The condensation polymer Polyamide 6 (PA 6) is a thermoplastic resin with high tensile strength and rigidity at comparatively low costs for raw material and processing. This is why PA 6 is a common material for the production of ropes, gears or bearings. Apart from that, a relative new application is the thermoforming of glass fibre laminate sheets with PA 6 as matrix material. The prediction the rest of life period of such high-tech materials is still a research objective. A first step, and also part of this contribution, is the nondestructive investigation of the matrix material. The ageing of PA 6 is mainly affected by thermo- and photo-oxidation as well as post-condensation, which e.g. results in a change of physical properties. For this contribution the acoustical and mechanical material parameters of artificially aged PA 6 have been determined with high frequency ultrasound (1 MHz) and quasi-static experiments. We will give a short description of both experimental setups as well as the ageing procedure. Finally we will discuss the correlation between the experimental results, finding that there is a good correlation between sound velocity and tensile strength.

Single transducer distance sensors have a blind zone because normally the electrical received signal cannot be detected during transmitting. There are several approaches to realize a simultaneous transmit and receive operation. Digital signal processing is the best solution for narrow band systems (air ultrasound transducer) especially when the transmitted signal is coded. Thereby a mathematical model is used to estimate the electrical received signal. A drawback of the digital signal processing is the required computing time to estimate the model and the time of flight of an echo. In this contribution the computing time is reduced significantly by using base band signals for the signal processing. The signal-processing is subdivided into the following steps: Preprocessing, model identification, estimation of the received signal and echo detection. Beside the model identification the signal-preprocessing is an important part of the system. It depends on the time of flight of an echo (close echo, far echo) and the state of the system (single measurement, averaging). The whole system is evaluated with measurements using a 40 kHz air ultrasound transducer in front of a reflector with varying distances between 0 mm and 1000 mm.

Es wird ein Wellenleiter basiertes Messsystem vorgestellt, mit dem anhand einer einzigen Transmissionsmessung alle Daten bestimmt werden können, die zur Simulation von Schallausbreitungsphänomenen in stark absorbierenden und schwach anisotropen Materialien erforderlich sind. Auf diese Weise ist es fortan möglich die akustischen Kenngrößen (winkel- und frequenzabhängige Schallgeschwindigkeiten und frequenzabhängige Absorption) verschieden konditionierter Materialproben (Temperatur, Feuchtigkeit, Alter) simultan zu erfassen. Genutzt wird dazu die mehrmalige Modekonversion an den Mantelflächen eines hohlzylindrischen akustischen Wellenleiters, wonach ein Empfangssignal mehrere Signalgruppen aufweist, deren absolute Laufzeit, Laufzeitdifferenzen und Amplituden in Abhängigkeit der Materialkenngrößen stark variieren. Grundlegend für die realisierte und in diesem Beitrag beschriebene inverse Bestimmung der akustischen Kenngrößen ist ein ganzheitliches Modell der Schallanregung, -ausbreitung und -detektion, welches die schnelle Berechnung der Empfangssignale erlaubt. Die gezielte Variation der Modell-Eingangsgrößen führt schließlich zu einer bestmöglichen Übereinstimmung zwischen berechneten und gemessenen Empfangssignalen, sodass die final angesetzten Modell-Eingangsgrößen eine gute Approximation der gesuchten materialspezifischen akustischen Kenngrößen darstellen. Im Rahmen dieses Beitrags werden der Messaufbau, wesentliche Teile der Modellierung sowie die grundätzliche Vorgehensweise zur Anwendung der inversen Messmethode gezeigt. Anhand gemessener, berechneter und mittels Finiter Elemente Methode simulierter Signale wird das Verfahren für einen Werkstoff, spritzgegossenes Polypropylen, demonstriert.

Polyamid 6 (PA 6), stammend aus der Gruppe der Polykondensate, ist ein thermoplastischer Kunststoff und zeichnet sich u.a. durch eine hohe Festigkeit und Steifigkeit bei geringen Rohstoff- und Herstellungskosten aus. Das Einsatzgebiet von Polyamiden ist sehr vielseitig. Neben dem massiven Einsatz in der Textilindustrie sei beispielsweise auch der Einsatz in Seilen und Trassen, Zahnrädern und Lagern genannt. Weiterhin findet PA 6 kompositäre Verwendung als Matrixmaterial in thermoplastischen Faserverbundmaterialien (u. a. endlosfaserverstärkte Organobleche) und ist dabei vor allem für die Automobilindustrie von immens steigender Bedeutung. Neben der bei PA ausgeprägten reversiblen Polykondensation, d.h. der Reaktion des Kunststoffes mit Wasser aus der Umgebungsluft, treten irreversible Prozesse (Thermooxidation, Photooxidation, Nachkondensation, $\ldots$) auf, welche seine chemischen und mechanischen Eigenschaften beeinflussen. In diesem Beitrag sollen die Auswirkungen hydrothermischer Alterung durch Temperatur und Feuchtigkeit, auf die akustischen bzw. mechanischen Eigenschaften zum einen im hochfrequenten (Ultraschall) und zum anderen im quasistatischen Bereich charakterisiert werden. Dazu werden PA 6 Probekörper mittels Klimawechseltests künstlich gealtert und in zwei verschiedenen Versuchsaufbauten beurteilt. Zum einen werden hohlzylindrische Proben zur Charakterisierung im Ultraschallbereich (Schallgeschwindigkeit, Schallkennimpedanz, Schallabsorption) und zum anderen Schulterstäbe zur Charakterisierung der mechanischen Materialeigenschaften im quasistatischen Bereich verwendet. Die akustischen Materialkenngrößen der Ultraschallcharakterisierung und die mechanischen Materialkenngrößen aus dem quasistatischen Bereich, werden abschließend miteinander korreliert und Zusammenhänge dargestellt.

In optischen Messeinrichtungen (Abstandsmessung, NIR-Materialfeuchtemessung) werden häufig in einem schmalen Wellenlängenbereich strahlende, gepulste Infrarot-Emitter eingesetzt. Leistungsstarke Strahlungspulse sind notwendig, führen aber zu einer thermisch bedingten Abnahme der emittierten Strahlungsleistung und zu einer Verschiebung der Maximumwellenlänge. Die hierdurch entstehenden Messunsicherheiten werden aufgezeigt und Konzepte zu deren Verringerung dargestellt.

If a guided Lamb wave leaks energy from a plate into a surrounding fluid, the radiated almost plane wave has a frequency dependent angle towards the boundary. This radia- tion angle can be calculated by numerical determination of the plates' phase velocities. We also measured the radiation angle in Schlieren photographs and found a mentionable discrepancy to the calculated angles in certain frequency regions. A first approach by modifying the boundary condition could not re- solve the observed discrepancies, but a reinterpretation of the Schlieren photographs as interference patterns of different Leaky Lamb waves leads to a good correspondence between measured and calculated values.

Bei der Ultraschall-basierten Abstandsmessung mit einem einzelnen Schallwandler ergibt sich durch das Prinzip bedingt eine Blindzone. Während und unmittelbar nach der Anregung durch das Sendesignal ist es im Allgemeinen nicht möglich, das Empfangssignal am Ultraschallwandler auszuwerten. Eine Verwendung von codierten Sendesignalen (z.B. zur Unterscheidung verschiedener Sensoren) verlängert diesen Blindbereich zusätzlich. Dieser Beitrag zeigt eine Möglichkeit zur Realisierung eines simultanen Sende- und Empfangsbetriebs mit einem einzelnen Schallwandler. Dadurch wird es möglich, die Blindzone auch bei sehr langen Sendesignalen zu eliminieren. Dazu wird der Ultraschallwandler über einen Vorwiderstand betrieben und dessen Spannung gemessen. Mittels eines mathematischen Modells kann das elektrische Sendesignal, welches am Ultraschallwandler anliegt, bestimmt werden. Die Subtraktion dieses Signals von der gemessenen Schallwandlerspannung liefert das elektrische Empfangssignal. Aufgrund von z.B. Temperatureinflüssen ändern sich die elektrischen Eigenschaften des Ultraschallwandlers ständig, wodurch eine Anpassung des Modells notwendig wird. Daher kann die Modellidentifikation nicht im Vorfeld mit einer Freifeldmessung erfolgen, sondern ist permanent während des Betriebes notwendig. Tritt dabei ein Empfangssignal z.B. infolge einer Reflexion auf, so wird die Bestimmung der Modellparameter gestört. Durch eine Bewertung der ermittelten Modelle kann die Robustheit einer Abstandsmessung erhöht werden

Ultraschall-Abstandssensoren besitzen meist nur einen Schallwandler und dadurch Prinzip bedingt einen Mindestabstand. Eine Möglichkeit diesen Mindestabstand zu reduzieren, besteht in der Realisierung eines simultanen Sendeund Empfangsbetriebes. In diesem Beitrag wird dies durch eine digitale Signalverarbeitung realisiert. Hierzu ist es notwendig, das Schallwandlersignal und das elektrische Sendesignal zu digitalisieren. Mit der Kenntnis des Schallwandlerverhaltens sowie des elektrischen Sendesignals wird das zu erwartende Schallwandlersignal modellbasiert berechnet und vom gemessenen Schallwandlersignal subtrahiert, um so das Empfangssignal zu bestimmen. Dabei liegen die Herausforderungen in der Ermittlung der Parameter eines repräsentativen Schallwandlermodells sowie der Gewährleistung einer robusten Echodetektion.

Computer aided simulation of guided acoustic waves in single- or multilayered waveguides is an essential tool for several applications of acoustics and ultrasonics (i.e. pipe inspection, noise reduction). To simulate wave propagation in geometrically simple waveguides (plates or rods), one may employ the analytical global matrix method [1]. This requires the computation of all roots of the determinate of a certain submatrix. The evaluation of all real or even complex roots is actually the methods most concerning restriction. Previous approaches base on so called mode-tracers which use the physical phenomenon that solutions (roots) appear in a certain pattern (waveguide modes) and thus use known solutions to limit the root finding algorithms searchspace with respect to consecutive solutions. As the limitation of searchspace might be unstable in some cases, we propose to replace the mode-tracer with a suitable version of an interval Newton method based on Intlab [2]. To apply this interval based method, we extended the interval and derivative computation provided by Intlab such that corresponding information is also available for Bessel functions used in the circular model (rods) of acoustic waveguides. We present numerical results of a simple acoustic waveguide and discuss extensions required for more realistic scenarios.

There has been a lot of progress in finding measurable quantities of high in- formation content for the inverse determination of piezoelectric material properties. Since some material parameters (mainly \textgreek{e}S 11, e15and cE 44) do not or only marginally influence the electrical impedance over frequency, it is not sufficient to look only at the electri- cal impedance of discoidal piezoceramics [1]. Moreover, the parameter sensitivities vary with respect to the diameter--thickness ratio of the disc and the design of an ultrasonic transducer's piezoceramic has to match other requirements than those of a good material characterization [2, 3]. That is why it is still desirable to find model based approaches for parameter identification that either keep the technical effort low (e.g., only an impedance measurement) or increase speed of the inversion procedure. In this contribution we answer the question if an additional analytical approximation of cE 44, strictly following the ideas of Theocaris [4], in conjunction with a single measured elec- trical impedance will be sufficient for an accurate simulation of both, electrical impedance and surface normal velocity of a piezoceramic disc. Thereby, the remaining parameters are identified by means of the Inverse Method. Furthermore, we use the parameter ap- proximation as an initial guess and limiting boundary to speed up the inverse algorithm if both, electrical impedance and surface normal velocity are taken into account within the optimization procedure.