Фазированные решётки

Фазированные (антенные) решётки (ФАР) представляют собой матрицы, составленные из
определённого количества идентичных излучающих элементов. Относительные фазы сигналов, излучаемых этими элементами, комплексно изменяются по специальной программе таким образом, что в нужном направлении эффективное излучение решётки усиливается, а в остальных направлениях подавляется.

 ФАР нашли своё применение в космической связи, противоракетных комплексах, радиолокационных системах, в медицине (УЗИ), в ультразвуковом контроле (УЗК) в числе средств неразрушающего контроля (НК) и др.

Матричный пьезоэлектрический преобразователь (ПЭП) с ФАР, использующийся в дефектоскопах для УЗК, состоит из отдельных пьезоэлектрических элементов, встроенных в полимерное основание. В настоящее время для изготовления ПЭП используются пьезокомпозиты, которые чувствительнее пьезокерамических преобразователей на 10 – 30 дБ. Число таких элементов в матрице может быть от 16 до 256, и каждый из этих элементов, либо их группа (от 4 до 32), возбуждается индивидуально с задержкой по времени, в соответствии с запрограммированной схемой. Такие ПЭП используются с призмами разных типов и форм, как при иммерсионном (жидкостном), так и при контактном контроле. Дефектоскопы на ФАР работают в диапазоне частот от 1 до 10 МГц.

1-10 МГц  
Диапазон частот дефектоскопов на ФАР

Генерирование импульсов. При взаимодействии двух и более акустических волн друг с другом происходят фазовые интерференционные эффекты, ослабляющие или усиливающие их энергию в точке схождения. Если сходящиеся волны одинаковой частоты точно сфазированы (угол сдвига фаз равен 0°), то они усиливают друг друга, создавая волну с большей амплитудой; если же они не в фазе (сдвиг фаз 180°), то они гасят друг друга. При сдвиге фаз более 0°, но менее 180° сходящиеся волны проходят череду промежуточных стадий до того, как усилить или ослабить друг друга.

Изменяя время запуска возбуждающего генератора, можно управлять этими процессами и использовать их для формирования УЗ-луча. Луч можно перенастраивать под разные углы ввода в материал объекта контроля (ОК), изменять размеры фокусного пятна и фокусные расстояния.

Принцип УЗК, в общем виде, основан на свойстве УЗ-луча отражаться от различных дефектов в материале ОК. В традиционном УЗК, с одноэлементным ПЭП, результат отображается в виде А-скана; в методе же с ФАР это несколько А-сканов, соответствующих числу возбуждённых элементов (групп элементов) в решётке. В дальнейшем электроника дефектоскопа анализирует отражённые эхосигналы, и из множества А-сканов формирует на дисплее S-скан (рис. 1).

S-скан даёт оператору наглядную картину об имеющихся в ОК дефектах и их координатах; также, в большинстве случаев, он позволяет измерять их фактические размеры. В качестве примера можно привести ультразвуковой дефектоскоп на фазированной решётке - HARFANG VEO, который в полной мере обладает всеми этими и многими другими опциями.

Дефектоскоп HARFANG VEO

Преимущества технологии ФАР перед традиционным УЗК:

• управление и фокусировка УЗ-луча осуществляется одним многоэлементным ПЭП;
• сканирование ОК, при его картографировании, ведётся под определёнными углами, что упрощает контроль сложных объектов;
• малая поверхность ПЭП и сканирование без его передвижения повышают надёжность обнаружения дефектов и позволяют контролировать труднодоступные объекты;
• электронная фокусировка даёт возможность оптимизировать размер луча и его форму в конкретной точке;
• возможность фокусировки луча на разных глубинах повышает точность измерения дефектов и увеличивает отношение сигнал-шум;
• электронное сканирование группами пьезоэлементов повышает скорость отображения S-сканов.
  
  Эти преимущества позволяют в значительной мере экономить время контроля.