Ультразвук с фазированной решеткой - Phased array ultrasonics

Анимация, показывающая принцип работы ультразвукового сканера, используемого в ультразвуковой медицинской визуализации. Он состоит из луча осциллятор (Техас) который производит электронный сигнал, состоящий из импульсов синусоидальных волн, колеблющихся на ультразвуковой частоте, который подается на массив ультразвуковые преобразователи (Т) при контакте с поверхностью кожи, которые преобразуют электрический сигнал в ультразвуковые волны, проходящие через ткань. Синхронизация импульсов, излучаемых каждым преобразователем, контролируется программируемыми блоками задержки. (φ) которые контролируются микропроцессорной системой управления (С). Движущиеся красные линии - это волновые фронты ультразвуковых волн от каждого преобразователя. Волновые фронты сферические, но они сочетаются (совмещать ) для формирования плоских волн, создающих луч звука, движущийся в определенном направлении. Поскольку импульс от каждого преобразователя постепенно задерживается по мере продвижения вверх по линии, каждый преобразователь издает свой импульс после следующего за ним. В результате получается луч звуковых волн, излучаемый под углом (θ) в массив. Изменяя задержку импульсов, компьютер может сканировать ультразвуковой луч в растровом виде по ткани. Эхо, отраженное тканями различной плотности, принимаемое преобразователями, создает изображение нижележащих структур.

Контроль сварных швов фазированной решеткой. ВЕРХНИЙ: Зонд с фазированной решеткой излучает серию лучей, заливающих сварной шов звуком. ВНИЗ: дефект сварного шва отображается красным цветом на экране прибора.

Ультразвук с фазированной решеткой (PA) - продвинутый метод ультразвуковой контроль который имеет приложения в медицинская визуализация и промышленные неразрушающий контроль. Общие приложения для неинвазивно исследовать сердце или найти недостатки в изготовлен материалы, такие как сварные швы. Одноэлементный (нефазированная решетка ) зонды, технически известный как монолитный зонды, испускают луч в фиксированном направлении. Чтобы проверить или исследовать большой объем материала, обычный зонд необходимо физически сканировать (перемещать или поворачивать), чтобы провести луч через интересующую область. Напротив, луч зонда с фазированной решеткой можно сфокусировать и повернуть электронным способом, не перемещая зонд. Луч является управляемым, потому что зонд с фазированной решеткой состоит из множества небольших элементов, каждый из которых может получать импульс индивидуально с вычисляемой компьютером синхронизацией. Период, термин поэтапный относится к срокам, а термин множество относится к множеству элементов. Фазированная антенная решетка ультразвуковой тестирование основано на принципах волна физика, которые также применяются в таких областях, как оптика и электромагнитный усики.

Принцип действия

Зонд PA состоит из множества мелких ультразвуковые преобразователи, каждый из которых может пульсировать независимо. Изменяя синхронизацию, например, заставляя импульс от каждого преобразователя постепенно задерживать восходящую линию, устанавливается структура конструктивной интерференции, которая приводит к излучению квазиплоского ультразвукового луча под заданным углом в зависимости от прогрессивной временной задержки. Другими словами, изменяя прогрессивную временную задержку, лучом можно управлять электронно. Его можно пропускать, как луч прожектора, через исследуемую ткань или объект, а данные от нескольких лучей объединяются, чтобы создать визуальное изображение, показывающее срез объекта.

Использование фазированных решеток в промышленности

Фазированные антенные решетки широко используются для неразрушающий контроль (NDT) в нескольких отраслях промышленности, таких как строительство, трубопроводы и выработка энергии. Этот метод является усовершенствованным методом неразрушающего контроля, который используется для обнаружения неоднородностей, то есть трещин или дефектов, и, таким образом, определения качества компонентов. Благодаря возможности управления такими параметрами, как угол луча и фокусное расстояние, этот метод очень эффективен в отношении обнаружения дефектов и скорости тестирования.^[1] Помимо обнаружения дефектов в компонентах, фазированная решетка может также использоваться для измерения толщины стенок в сочетании с коррозия тестирование.^[2]^[3]Фазированные антенные решетки могут быть использованы в следующих промышленных целях:

Контроль сварных швов^[4]
Измерения толщины
Проверка на коррозию
Блоки проверки / демонстрации PAUT^[5]
Осмотр подвижного состава (колеса и оси)
Стандартные калибровочные блоки PAUT и TOFD

Особенности фазированной решетки

На строительной площадке техник проверяет трубопровод сваривать на наличие дефектов с помощью ультразвукового прибора с фазированной решеткой. Сканер, состоящий из рамы с магнитными колесами, удерживает датчик в контакте с трубой с помощью пружины. Влажная зона - это ультразвуковая связка, которая позволяет звуку проходить в стенку трубы.

Метод, наиболее часто используемый для медицинское УЗИ.
Несколько элементов зонда создают управляемый и сфокусированный луч.^[6]
Размер фокусного пятна зависит от активной апертуры зонда (A), длины волны (λ) и фокусное расстояние (F).^[7] Фокусировка ограничена ближним полем зонда с фазированной решеткой.
- ${displaystyle {ext {Размер фокусного пятна}} = Flambda / A}$
- ${displaystyle {ext {Near Field}} = A ^ {2} / 4lambda}$
Создает изображение, показывающее срез объекта.
По сравнению с обычным одноэлементным ультразвуковой контроль системы, PA-инструменты и датчики более сложны и дороги.
В промышленности техническим специалистам по громкой связи требуется больше опыта и подготовки, чем обычным техническим специалистам UT.

Стандарты

Европейский комитет по стандартизации (CEN)

prEN 16018, Неразрушающий контроль - Терминология - Термины, используемые при ультразвуковом контроле с фазированными решетками
ISO / WD 13588, Неразрушающий контроль сварных швов - Ультразвуковой контроль - Использование (полу) автоматизированной технологии фазированных решеток

Смотрите также

Фазированная антенная решетка (общая теория и электромагнитная связь).
Оптика с фазированной решеткой

Книги

Кодекс ASME по котлам и сосудам под давлением. Американское общество инженеров-механиков, 2013. Раздел V - Неразрушающий контроль. [См. Статью 4 - Методы ультразвукового исследования сварных швов. Пункт E-474 Техника UT-фазированной решетки]

внешняя ссылка

FOCUS - Быстрый объектно-ориентированный ультразвуковой симулятор C ++ [Подпрограммы MATLAB для создания и моделирования фазированных решеток]
Анимированный симулятор с фазированной антенной решеткой [требуется регистрация через 5 минут использования]
Учебное пособие по фазированной решетке Образовательный ресурс от Olympus

[1] Коррозия при обследовании опор трубы. Проверено 13 июля, 2012.

[2] Фазированная решетка (PA). Проверено 13 июля, 2012 г.

[3] Картирование коррозии с помощью фазированной решетки ультразвука. Саммит и выставка API Inspection 2011. Проверено 13 июля, 2012.^{[постоянная мертвая ссылка ]}

[4] ASTM, E2700 (2012). Неразрушающий контроль, том 3.03, Контактный ультразвуковой контроль сварных швов с использованием фазированных решеток. Коншохокен, Пенсильвания: Американское общество испытаний материалов. С. 1536–44. ISBN 978-0-8031-8729-0.

[5] [1]

[6] ASTM, E2491 (2012). Неразрушающий контроль, том 3.03, Оценка характеристик фазированных решеток для ультразвуковых контрольно-измерительных приборов и систем. Коншохокен, Пенсильвания: Американское общество испытаний материалов. С. 1358–75. ISBN 978-0-8031-8729-0.

[7] Бирринг, Анмол (сентябрь 2008 г.). «Выбор параметров фазированной решетки для испытаний сварных швов». Оценка материалов.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]