Введение в Фазированные решетки

Автор - Том Ниллиган и Дэн Касс

В последние годы Фазированные решетки стали более широко использоваться в промышленных установках, чтобы обеспечить новые уровни информации и визуализации в обычных ультразвуковых испытаниях, которые включают проверку сварки, испытания на связывание, профилирование толщины и обнаружение трещин при обслуживании.
Многие люди знакомы с медицинскими применениями ультразвуковой визуализации, в которых высокочастотные звуковые волны используются для создания очень подробных изображений поперечного сечения внутренних органов.
Медицинские сонограммы обычно изготавливаются со специализированными многоэлементными преобразователями, известными как поэтапные массивы и их сопутствующее оборудование и программное обеспечение. Но применение технологии ультразвуковой фазированной решетки не ограничивается медицинской диагностикой.

1. Что такое Фазированные решетки?

Обычные ультразвуковые преобразователи для неразрушающего контроля обычно состоят либо из одного активного элемента, который генерирует и принимает высокочастотные звуковые волны, либо два сопряженных элемента, один для передачи и один для приема. С другой стороны, зонды с фазированной решеткой обычно состоят из узла преобразователя от 16 до 256 маленьких отдельных элементов, каждый из которых может быть импульсным отдельно. Они могут быть расположены в виде полосы (линейной матрицы), кольца (кольцевой матрицы), круговой матрицы (круговой матрицы) или более сложной формы. Как и в случае с обычными преобразователями, зонды с фазированной решеткой могут быть сконструированы для непосредственного контакта, как часть узла угловой балки с клином или для погружения с использованием звуковой связи по водному пути. Частоты преобразователей обычно находятся в диапазоне от 2 МГц до 10 МГц. Система с фазированной решеткой также будет включать в себя сложный компьютерный инструмент, который способен управлять многоэлементным зондом, получать и оцифровывать возвращаемые эхо-сигналы и строить эту эхо-информацию в различных стандартных форматах. В отличие от обычных дефектоскопов, системы с фазированной решеткой могут подметать звуковой луч через диапазон преломленных углов или вдоль линейного пути или динамически фокусироваться на разных глубинах, что увеличивает гибкость и возможности в установках контроля.

2. Как работают Фазированные решетки?

В самом основном смысле, система с фазированной решеткой использует принцип фазовой физики фазировки, изменяя время между последовательностью исходящих ультразвуковых импульсов таким образом, что отдельные фронты волны, генерируемые каждым элементом в массиве, объединяются друг с другом, чтобы добавить или отменить энергию предсказуемыми способами, которые эффективно управляют и формируют звуковой луч.
Это достигается путем пульсирования отдельных зондовых элементов в несколько раз. Часто элементы будут пульсировать в группах от 4 до 32, чтобы улучшить эффективную чувствительность за счет увеличения диафрагмы, что уменьшает нежелательное распространение луча и обеспечивает более высокую фокусировку. Программное обеспечение, известное как калькулятор фокального закона, устанавливает конкретные времена задержки для обжига каждой группы элементов, чтобы генерировать желаемую форму луча с учетом характеристик зонда и клина, а также геометрии и акустических свойств испытуемого материала. Запрограммированная последовательность импульсов, выбранная программным обеспечением прибора, затем запускает ряд отдельных волновых фронтов в тестовом материале. Эти волновые фронты, в свою очередь, конструктивно и разрушительно объединяются в единый фронт первичной волны, который проходит через тестовый материал и отражает трещины, разрывы, задние стенки и другие материальные границы, как любая обычная ультразвуковая волна. Пучок может динамически управляться с помощью различных углов, фокусных расстояний и размеров фокусного пятна таким образом, что один узел зонда способен исследовать испытательный материал на разных горизонтах. Это управление лучами происходит очень быстро, так что сканирование с нескольких углов или с несколькими фокальными глубинами может выполняться за небольшую долю секунды.

Пучок может динамически управляться с помощью различных углов, фокусных расстояний и размеров фокусного пятна таким образом, что один узел зонда способен исследовать испытательный материал на разных горизонтах. Это управление лучами происходит очень быстро, так что сканирование с нескольких углов или с несколькими фокальными глубинами может выполняться за небольшую долю секунды. Пучок может динамически управляться с помощью различных углов, фокусных расстояний и размеров фокусного пятна таким образом, что один узел зонда способен исследовать испытательный материал на разных горизонтах. Это управление лучами происходит очень быстро, так что сканирование с нескольких углов или с несколькими фокальными глубинами может выполняться за небольшую долю секунды.

Возвращающиеся эхо-сигналы принимаются различными элементами или группами элементов и сдвигаются по времени, когда это необходимо, чтобы компенсировать изменения клиновых задержек и затем суммировать. В отличие от обычного одноэлементного преобразователя, который эффективно объединяет эффекты всех компонентов пучка, которые ударяют по его площади, фазированный преобразователь может пространственно сортировать возвращаемый волновой фронт в соответствии с временем и амплитудой прихода на каждом элементе. При обработке программным инструментом каждый возвращаемый фокальный закон представляет собой отражение от конкретной угловой составляющей луча, конкретной точки вдоль линейного пути и / или отражения от конкретной фокальной глубины. Затем эхо-информация может отображаться в любом из нескольких форматов.

3. Фазированные решетки - вид изображений

В большинстве типичных приложений обнаружения дефектов и толщины данные ультразвукового исследования будут основаны на информации о времени и амплитуде, полученной из обработанных радиочастотных сигналов. Эти формы сигналов и информация, извлеченная из них, обычно будут представлены в одном или нескольких форматах: A-сканирование, B-сканирование, C-сканирование или S-сканирование. В этом разделе показаны некоторые примеры презентаций изображений как из обычных дефектоскопов, так и для систем с фазированной решеткой.

4.Фазированные решетки - Отображение A-Scan

A-сканирование представляет собой простое представление радиочастотной волны, показывающее время и амплитуду ультразвукового сигнала, как это обычно обеспечивается обычными ультразвуковыми дефектоскопами и датчиками толщины волны. Форма A-скана представляет отражения от одной позиции звукового луча в образце. Дефектоскопа А-скан ниже показывает эхо-сигналы из двух отверстий боковых просверленные в опорном стальном блоке. Столбчатый звуковой луч от общего одноэлементного контактного датчика перехватывает два из трех отверстий и генерирует два разных отражения в разное время, которые пропорциональны глубине отверстий.

Одноэлементный датчик угла луча, используемый с обычным дефектоскопом, будет генерировать луч вдоль одного углового пути. В то время как эффекты распространения луча будут приводить к увеличению диаметра луча с расстоянием, область охвата или поле зрения обычного углового луча по-прежнему будут в основном ограничены одним угловым путем. В приведенном ниже примере клин с 45 градусами в одном фиксированном положении способен обнаруживать два боковых просверленных отверстия в тестовом блоке, поскольку они попадают в его пучок, но невозможно обнаружить третью, не перемещая преобразователь вперед.

Система фазированных массивов будет отображать аналогичные формы сигналов A-scan для справки, однако в большинстве случаев они будут дополнены B-сканами, C-сканами или S-сканами, как показано ниже. Эти стандартные форматы изображений помогают оператору визуализировать тип и положение дефектов в испытательном образце.

5. Фазированные решетки - Отображения B-Scan

B-сканирование представляет собой изображение, показывающее профиль поперечного сечения через один вертикальный срез испытываемого образца, показывающий глубину отражателей относительно их линейного положения. При визуализации B-scan требуется, чтобы звуковой луч сканировался вдоль выбранной оси образца, либо механически, либо электронным способом, сохраняя соответствующие данные. В приведенном ниже примере B-scan показывает два глубоких отражателя и один более мелкий отражатель, соответствующий положениям боковых просверленных отверстий в тестовом блоке. При использовании обычного дефектоскопа преобразователь должен перемещаться в поперечном направлении через образец.