Teoria Phased Array

WORKSHOP PHASED ARRAY: INTRODUCCÓN Y NUEVAS TÉCNICAS 3 de Diciembre de 2009

PHASED ARRAY

J.CamachoInstituto de Automática Industrial, CSIC

La Poveda (Arganda) 28500 Madrid (Spain)Phone: +3491 8711900, e-mail: jorgecam@iai.csic.es

PHASED ARRAY: FUNDAMENTOS TEÓRICOS

FUNDAMENTOS TEÓRICOS

CONTENIDO

- INTRODUCCION

- Comparación entre Monoelemento y Phased Array

- Repaso de fórmulas para transductores Monoelemento

- FUNDAMENTOS DE PHASED ARRAY

- Principios de funcionamiento

- Características del campo acústico

- Determinación de parámetros

- Focalización

- CALCULO DE LEYES FOCALES

PRETENDEMOS CONTESTAR:

- Como es el campo de un array ?

- De que parámetros depende ?

- Dada una inspección, que array debemos usar ?

- Que tipos de barrido permite un phased array ?

- Como elegimos la posición de los focos ?

- Que es la focalización dinámica ?

B-SCAN

IMAGEN ULTRASONICA CON TRANSDUCTOR MONOELEMENTO

La imagen se genera mediante un barrido mecánico con el transductorX

MOVIMIENTO MECANICO EJE X

IMAGEN ACÚSTICA CON ARRAYS

OBJETIVO: GERERAR HACES ULTRASÓNICOS CON UNA GRAN PROFUNDIDAD DE FOCO Y DINÁMICAMENTE ENFOCADOS EN RECEPCIÓN

DEFLEXIÓN

RETARDOS RETARDOS RETARDOS

EMISIÓN RECEPCIÓN

PARAMETROS DE DISEÑO: MONOELEMENTO VS. ARRAY

TRANSDUCTOR MONOELEMENTO

D: DIAMETROF: FRECUENCIA

F : FRECUENCIA N : CANTIDAD DE ELEMENTOSe : DISTANCIA ENTRE ELEMENTOS

D: APERTURA

RF : DISTANCIA FOCAL ( PARAMETRO DE OPERACION )

RF : DISTANCIA FOCAL

DIRECCIÓN DEPROPAGACIÓN

MONOELEMENTO NO FOCALIZADO: CAMPO ACÚSTICO

CPARÁMETROS DEL TRANSDUCTOR

D: DIAMETROF: FRECUENCIA

PARÁMETROS DEL MATERIAL

C: VELOCIDAD DE PROPAGACION

CAMPO CERCANO (ZONA DE FRESNEL)

- INTENSIDAD DE CAMPO IRREGULAR- ANCHO DEL HAZ MENOR AL DIAMETRO DEL TRANSDUCTOR

CAMPO LEJANO (ZONA DE FRAUNHÖFER)

- INTENSIDAD DE CAMPO REGULAR- DIVERGENCIA DEL HAZ

CMODELO DEL CAMPO ACÚSTICO

FDD�F

λα 1sin

LONGITUD DE ONDA

CAMPO CERCANO

ANGULO DE DIVERGENCIA

0.75 D

D = ½ ’’

F = 2.5 MhzC = 6.2 mm/us

NF = 16 mmα = 13 º

D = ¼ ’’

F = 2.5 MhzC = 6.2 mm/us

NF = 4 mmα = 28 º

D = 1 ’’

F = 2.5 MhzC = 6.2 mm/us

NF = 65 mmα = 6.8 º

MONOELEMENTO NO FOCALIZADO: RESOLUCION LATERAL

RESOLUCION LATERAL

CAPACIDAD DE DISTINGUIR DOS REFLECTORESUBICADOS A LA MISMA DISTANCIA DEL TRANSDUCTOR

λ≈∆RESOLUCION LATERAL

EN CAMPO LEJANO

BWkCONSTANTE QUE DETERMINA LA FORMA DE MEDIR LA ANCHURA DEL HAZ

22.1=BWk

33.1=BWk

Cirterio FWHM

Cirterio de Rayleigh

Cirterio de Sparrow

MONOELEMENTO NO FOCALIZADO: RESOLUCION LATERAL

ARRAY: PRINCIPIO DE SUPERPOSICION

EL TAMAÑO Y LA SEPARACION DE LOS ELEMENTOS DEL ARRAY DETERMINAN LAS CARACTERISTICAS DEL HAZ

D >> λ

d d N=2

d/2 d/2

d << λ

EMISION DE CADA ELEMENTO

SI d << λ CADA ELEMENTO PUEDE CONSIDERARSE UN EMISOR PUNTUAL Y GENERARA UN CAMPO ACUSTICO CILINDRICO

FRENTE DE ONDA COMBINADO

F = 2.5 MhzC = 6.2 mm/us

N = 32d = λ/2

F = 2.5 MhzC = 6.2 mm/us

N = 32d = λ/2

?d d d

0.0784

elemento

d�F mm

D�F mm

F = 2.5 MhzC = 6.2 mm/us

N = 32d = λ/2

ARRAY: FOCALIZACION EN EMISION

F = 2.5 MhzC = 6.2 mm/us

N = 32d = λ/2

SIN FOCALIZAR

F = 2.5 MhzC = 6.2 mm/us

N = 32d = λ/2

FOCO A 75 mm

F = 2.5 MhzC = 6.2 mm/us

N = 32d = λ/2

FOCO A 75 mm

PATRON LATERAL DEL HAZ

ARRAY: PATRON LATERAL DEL HAZ

LOBULO PRINCIPAL

LOBULOS LATERALES

ARRAY: PATRON LATERAL DEL HAZ

f fx Z ZD �d

λ λ∆ ≈ =

RESOLUCION LATERALEN EL FOCO

NOTA: ESTA ECUACION TAMBIENVALE PARA CAMPO CERCANO

FOCO A 25 mm FOCO A 50 mm FOCO A 100 mm

F = 2.5 MhzC = 6.2 mm/us

N = 32d = λ/2

ARRAY: DEFLEXION

ARRAY: LOBULOS DE REJILLA

SEÑALES INDIVIDUALES COMPOSICION DE SEÑALES

∆R λ

PARA EVITAR LOBULOS DE REJILLA

d = 1.5 λ d = 2 λ

θd = 15º θd = 0º

d = 1.5 λ

IMAGEN DE UN REFLECTOR

ARRAY: SELECCION DE PARAMETROS

fx Z�d

λ∆ ≈

FRECUENCIA

DISTANCIA ENTREELEMENTOS

CANTIDAD DEELEMENTOS ACTIVOS

ATENUACION YRESOLUCION AXIAL

LOBULOS DE REJILLA

RESOLUCION LATERAL

ARRAY: FOCALIZACION EN RECEPCION

SEÑALES ELÉCTRICAS

ALINEACIÓN TEMPORAL

RELOJ DE MUSTREO

REFLECTOR

ARRAY: LEYES FOCALES

LOS FOCOS EN EMISION Y RECEPCION PUEDEN NO COINCIDIR

ARRAY: LEYES FOCALES

Fe = 60 mm Fr = 25 mmFocalización en

Emisión y Recepción

DISMINUYEN LOS LOBULOS LATERALESMEJORA LA PROFUNDIDAD

DE FOCO

TECNICAS AVANZADAS: FOCALIZACION PROGRESIVA

ARRAY CON 2N+1

ELEMENTOS

LOS RETARDOS EN RECEPCION VARIAN DURANTE LAADQUISICION PARA “SEGUIR” AL FOCO MIENTRAS SE

PROPAGA POR EL MATERIAL

EN EL EQUIPO SITAU, EL INSTANTE DE MUESTREO DELOS CONVERSORES A/D SE MODIFICA PARA QUE CADA

MUESTRA ESTÉ CORRECTAMENTE FOCALIZADA

FOCALIZACION DINAMICA FOCALIZACION PROGRESIVA(SITAU)

CONSISTE EN DEFINIR LA TRAYECTORIA DEL FOCO DURANTE EL BARRIDO

PROBLEMAS:

1. ES NECESARIO CONOCER LA POSICION DE LOS DEFECTOS

2. REQUIERE QUE EL USUARIO PROGRAME LA TRAYECTORIA

EL FOCO SE CORRIGE DURANTE LA ADQUISION DE FORMA AUTOMATICA

VENTAJAS :

1. LA IMAGEN RESULTANTE ESTA ENFOCADA EN TODA SU PROFUNDIDAD

2. NO REQUIERE LA PROGRAMACION DE NINGUN PARAMETRO POR EL USUARIO

FOCALIZACION PROGRESIVAFOCO FIJO EN 25 mm

� IMAGEN FOCALIZADA EN TODA SU PROFUNDIDAD

� FUNCIONAMIENTO EN TIEMPO REAL

� SIN PROGRAMACION DE PARAMETROS POR EL USUARIO

CALCULO DE LEYES FOCALES: BARRIDO ANGULAR

( )2 212 sin( )f f fDLE R R x xR

Cθ= − + −

( )2 212 sin( )f f fDLE R R x xR

Cθ= − + −

CANTIDAD DE ELEMENTOS

CANTIDAD DE LINEAS

MATRIZ DE RETARDOS PARA UNA APERTURA DE 32 ELEMENTOS Y UN BARRIDO ANGULAR ENTRE -45º Y 45º EN PASOS DE 1º

CALCULO DE LEYES FOCALES: BARRIDO LINEAL

UN GRUPO DE ELEMENTOS (APERTURA) DE DESPLAZA DE FORMA LINEAL CON UN ANGULO DE DEFLEXION CONSTANTE

TODOS LOS DISPAROS SE REALIZAN CON LA MISMA LEY FOCAL

CALCULO DE LEYES FOCALES: SUELAS

GENERALMENTE SE UTILIZAN SUELAS PARA PROTEGER LA SUPERFICIE DEL TRANSDUCTOR O CAMBIAR EL ANGULO DE INCIDENCIA

LA DIRECCION PRINCIPAL SE CALCULA MEDIANTE LA LEY DE SNELL

EL PUNTO DE ENTRADA AL MATERIAL SE CALCULA DISCRETIZANDO LA INTERFAZ Y APLICANDO EL PRINCIPIO

DE FERMAT PARA ENCONTRAR EL PUNTO DE ENTRADA CORRESPONDIENTE A CADA ELEMENTO DEL ARRAY

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