Ультразвук с фазированной решеткой

Метод тестирования

Анимация, показывающая принцип работы ультразвукового сканера, используемого в медицинской ультразвуковой визуализации. Он состоит из генератора формирования луча (TX) , который генерирует электронный сигнал, состоящий из импульсов синусоидальных волн, колеблющихся на ультразвуковой частоте, который подается на массив ультразвуковых преобразователей (T) , контактирующих с поверхностью кожи, которые преобразуют электрический сигнал в ультразвуковые волны, распространяющиеся по тканям. Синхронизация импульсов, излучаемых каждым преобразователем, контролируется программируемыми блоками задержки (φ) , которые управляются микропроцессорной системой управления (С) . Движущиеся красные линии — это волновые фронты ультразвуковых волн от каждого преобразователя. Волновые фронты имеют сферическую форму, но они объединяются ( накладываются ), образуя плоские волны, создавая звуковой луч, движущийся в определенном направлении. Поскольку импульс от каждого преобразователя постепенно задерживается при движении вверх по линии, каждый преобразователь излучает свой импульс после импульса, расположенного ниже него. В результате образуется луч звуковых волн, излучаемый под углом (θ) к массиву. Изменяя задержки импульсов, компьютер может сканировать луч ультразвука по растровой схеме по ткани. Эхо, отраженное тканями разной плотности, принимаемое датчиками, создает изображение подлежащих структур.

Проверка сварных швов фазированной решеткой. ВВЕРХУ: датчик с фазированной решеткой излучает серию лучей, заполняющих сварной шов звуком. ВНИЗУ: Дефект сварного шва отображается в виде красной индикации на экране прибора.

Ультразвук с фазированной решеткой ( ПА ) – это передовой метод ультразвукового контроля , который находит применение в медицинской визуализации и промышленном неразрушающем контроле . Обычными применениями являются неинвазивное исследование сердца или поиск дефектов в изготовленных материалах, таких как сварные швы . Одноэлементные зонды ( нефазированные решетки ) , технически называемые монолитными зондами, излучают луч в фиксированном направлении. Чтобы протестировать 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 развернуть электронным способом, не перемещая зонд. Луч можно контролировать, поскольку зонд с фазированной решеткой состоит из множества небольших элементов, каждый из которых может подавать импульсы индивидуально с рассчитанным компьютером временем. Термин поэтапный относится к времени, а термин массив относится к множеству элементов. Ультразвуковой контроль с фазированной решеткой основан на принципах волновой физики , которые также находят применение в таких областях, как оптика и электромагнитные антенны .

Принцип действия

Зонд PA состоит из множества небольших ультразвуковых преобразователей , каждый из которых может генерировать импульсы независимо. Изменяя время, например, путем постепенной задержки импульса от каждого преобразователя при движении вверх по линии, создается структура конструктивной интерференции, которая приводит к излучению квазиплоского ультразвукового луча под заданным углом в зависимости от прогрессивной временной задержки. Другими словами, изменяя прогрессивную задержку, лучом можно управлять электронно. Его можно провести, как прожектор, через исследуемую ткань или объект, а данные нескольких лучей объединяются для создания визуального изображения, показывающего срез объекта.

Использование в промышленности

Фазированная решетка широко используется для неразрушающего контроля (НК) в ряде отраслей промышленности, таких как строительство , трубопроводы и энергетика . Этот метод представляет собой усовершенствованный метод неразрушающего контроля, который используется для обнаружения несплошностей, т.е. трещин или дефектов, и тем самым определения качества компонента. Благодаря возможности контролировать такие параметры, как угол луча и фокусное расстояние, этот метод очень эффективен с точки зрения обнаружения дефектов и скорости тестирования. ^[1] Помимо обнаружения дефектов в компонентах, фазированную решетку можно также использовать для измерения толщины стенок в сочетании с коррозионными испытаниями. ^{[2] [3]} Фазированная решетка может использоваться в следующих промышленных целях:

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

Функции

На строительной площадке техник проверяет сварной шов трубопровода на наличие дефектов с помощью ультразвукового прибора с фазированной решеткой. Сканер, состоящий из рамы с магнитными колесами, удерживает зонд в контакте с трубой с помощью пружины. Влажная зона представляет собой ультразвуковую контактную жидкость, которая позволяет звуку проникать в стенку трубы.

• Метод, наиболее часто используемый для медицинского УЗИ .
• Несколько элементов зонда создают управляемый и сфокусированный луч. ^[6]
• Размер фокусного пятна зависит от активной апертуры зонда (A), длины волны ( λ ) и фокусного расстояния (F). ^[7] Фокусировка ограничена ближним полем зонда с фазированной решеткой.
  • ${\displaystyle {\text{Focal spot size}}=F\lambda /A}$
  • ${\displaystyle {\text{Near Field}}=A^{2}/4\lambda }$
• Создает изображение, показывающее срез объекта.
• По сравнению с обычными одноэлементными системами ультразвукового контроля приборы и датчики PA более сложны и дороги.
• В промышленности техникам PA требуется больше опыта и подготовки, чем обычным 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)автоматической технологии фазированных решеток.

Смотрите также

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

Рекомендации

1. Коррозия при проверке опоры трубы. Проверено 13 июля 2012 г.
2. Фазированная решетка (PA). Проверено 13 июля 2012 г.
3. Картирование коррозии с помощью ультразвука с фазированной решеткой. Саммит и выставка API Inspection 2011. Проверено 13 июля 2012 г.
4. ASTM, E2700 (2012). Неразрушающий контроль, том 3.03, Контактный ультразвуковой контроль сварных швов с использованием фазированных решеток . Коншохокен, Пенсильвания: Американское общество по испытанию материалов. стр. 1536–44. ISBN 978-0-8031-8729-0.{{cite book}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
5. "Технология дефектов Nde" .
6. ASTM, E2491 (2012). Неразрушающий контроль, том 3.03, Оценка характеристик фазированных решеток приборов и систем ультразвукового контроля с фазированной решеткой . Коншохокен, Пенсильвания: Американское общество по испытанию материалов. стр. 1358–75. ISBN 978-0-8031-8729-0.{{cite book}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
7. Бирринг, Анмол (сентябрь 2008 г.). «Выбор параметров фазированной решетки для контроля сварных швов». Оценка материалов .

Книги

• Нормы ASME по котлам и сосудам под давлением . Американское общество инженеров-механиков, 2013. Раздел V — Неразрушающий контроль . [См. Статью 4 — Ультразвуковые методы контроля сварных швов . Пункт E-474 Техника фазированной решетки UT ]

Внешние ссылки

• FOCUS — быстрый объектно-ориентированный симулятор ультразвука на C++ [процедуры MATLAB для создания и моделирования фазированных решеток]
• Анимированный симулятор фазированной решетки [требуется регистрация после 5 минут использования]
• Учебное пособие по фазированной решетке Образовательный ресурс от Olympus