С конца 30-х годов прошлого века ультразвук стал активно применяться в медицине и военной промышленности. Ранние работы западных ученых-физиков демонстрировали отражение высокочастотных звуковых волн от внутренних дефектов и границ разделов материалов, эхо-сигналы которых отчетливо отображались на экране осциллоскопа.

С 40-х годов началось активное использование ультразвука в медицине. И в течение 20 лет произошло быстрое развитие от двумерного изображения тканей до диагностирования опухолей, камней в почках и других патологий. Параллельно, достижения в физике ультразвуковых волн способствовали развитию оборонной мощи стран, участвующих во Второй Мировой войне.

В 1945 г. американский исследователь Флойд Файрстоун запатентовал прибор, который он назвал ультразвуковым рефлектоскопом. Данный прибор считается первым серийным дефектоскопом на основе широко используемого сегодня метода импульс-эхо.

Заметный скачок в развитии ультразвукового контроля приходится на начало 80-х годов. Это связано с появлением доступных микропроцессоров и развитием цифровой обработки сигналов и данных. Применение же фазированных решеток началось с медицины в 60-70 годах для получения поперечных сечений тканей организма человека. Связано это с тем, что науке было уже достаточно многое известно о структуре и физиологии человеческого тела, и интерпретировать данные в медицине было не так сложно, как, например, в промышленных сферах. Но вскоре с развитием компьютерных технологий произошел и прорыв в изучении и усовершенствовании приборов фазированных решеток. В 90-х годах появились серийные дефектоскопы малых габаритов и с автономным питанием. Портативные приборы позволили использовать ФР в самых разных отраслях современной промышленности. Стали доступными электронные настройки параметров, быстрый сбор данных, их обработка и интерпретация.

Слово «фазированный» обозначает последовательное возбуждение множества элементов, из которых состоит преобразователь (матричная решетка). Обычно количество отдельных элементов варьируется от 16 до 256, каждый из которых возбуждается отдельно по запрограммированной схеме. Основным принципом фазированного ультразвукового контроля является возбуждение зондирующих импульсов с индивидуальным компьютерным управлением амплитудой сигнала и задержкой по времени для каждого элемента в многоэлементном пьезоэлектрическом преобразователе. Возбуждение сразу нескольких элементов фазированного преобразователя позволяет генерировать сфокусированный ультразвуковой луч с возможностью динамически изменять параметры УЗ луча, такие как угол ввода, фокусное расстояние и размер фокусного пятна с помощью программного обеспечения. Для генерации УЗ волны в одной фазе посредством конструируемой интерференции, различные активные элементы фазированного преобразователя пульсируют в различное заданное время.

Принцип усиливающего и гасящего взаимодействия волн был продемонстрирован английским ученым Томасом Юнгом в 1801 году. В этом знаменитом опыте использовались 2 источника света для создания интерференционных полос. Волны в фазе усиливают друг друга, волны в противофазе гасят друг друга.

Всякий раз, когда волны от двух или более источников взаимодействуют друг с другом, возникают фазовые эффекты, которые приводят к усилению или ослаблению энергии волн в точке их схождения. Если при схождении акустических волн с одинаковой частотой их колебания точно синхронизированы (в фазе или под углом сдвига фазы 0 градусов), энергии волн усиливают друг друга и создают волну большей амплитуды. Если же при схождении волн их колебания не в фазе (на 180 градусов), то энергии волн нейтрализуют друг друга. Если угол фазы составляет более 0 градусов, но менее 180 градусов, при схождении волн их колебания проходят через серию промежуточных стадий, прежде чем усилить или полностью погасить друг друга. Управляя временем запуска генераторов возбуждения, эти эффекты можно использовать для управления лучом и для фокусировки фронта суммарной волны. Это один из основных принципов контроля фазированными решетками.

Элементы обычно возбуждаются группами от 4 до 32 в зависимости от требуемой полезной чувствительности. Чем больше апертура, тем больше чувствительность, тем ниже показатели нежелательного рассеяния луча и резче фокусировка.

Эхо-сигналы принимаются элементами или группами элементов, сдвигаются по времени в зависимости от их задержки в призме и суммируются. Традиционный одноэлементный преобразователь фактически поглощает эффекты всех компонентов принимаемого луча. В отличие от него, ФР-преобразователь может сортировать в пространстве возвращающийся фронт волны в соответствии с временем прихода и амплитудой сигнала для каждого элемента. При обработке программным обеспечением прибора каждый возвращающийся закон фокусировки представляет отражение от отдельного углового компонента луча, определенной точки на прямолинейной траектории и/или отражение от определенной глубины фокусировки. После обработки эхо-сигнал может быть отображен в любом из стандартных форматов.

Ультразвуковые системы с фазированными решетками могут использоваться почти в любом виде контроля, где задействованы традиционные ультразвуковые дефектоскопы. Данная технология чаще всего применяется для контроля качества сварных швов и выявления трещин, в самых разных отраслях промышленности: аэрокосмической, энергетической, нефтехимической, в производстве непрерывнолитых металлических заготовок и трубной арматуры, в строительстве и обслуживании нефтепроводов и металлических конструкций. Фазированные решетки также используются для получения профиля остаточной толщины стенок при контроле коррозии.

Главное преимущество технологии фазированных решеток перед традиционным УЗК заключается в том, что управление лучом и его фокусировка осуществляется с помощью одного преобразователя с множеством элементов. Управление лучом, или секторное сканирование, используется для картографирования объектов под определенными углами. Это значительно упрощает контроль объектов со сложной геометрией. Маленькая контактная поверхность преобразователя и возможность сканирования без передвижения ПЭП упрощает контроль труднодоступных объектов. Для контроля качества сварных швов обычно применяется секторное сканирование. Возможность сканирования под разными углами без передвижения ПЭП повышает вероятность обнаружения аномалий в сварных швах. Электронное фокусирование позволяет оптимизировать форму и размер луча в конкретной точке. Способность фокусировки на разных глубинах увеличивает точность измерения критических дефектов для объемного контроля. Фокусировка значительно улучшает отношение сигнал-шум в сложных ситуациях. С-сканы отображаются намного быстрее благодаря электронному сканированию группами элементов.

Потенциальными недостатками фазированных решеток являются относительно высокая стоимость и необходимость проведения контроля квалифицированным оператором. Однако, эти затраты нейтрализуются большой гибкостью оборудования и значительной экономией времени контроля.

1. Программное управление углом луча, фокальным расстоянием и размером электронного пятна. Эти параметры могут динамически обновляться в каждой точке контроля для оптимизации угла падения и соотношения сигнал-шум в любом месте объекта контроля.

2. Контроль под разными углами может осуществляться одним маленьким многоэлементным преобразователем с призмой. Сканирование проводится как под фиксированным углом, так и в указанном диапазоне значений угла.

3. Данные функции упрощают контроль объектов со сложной геометрией и объектов с ограниченным доступом к определенным компонентам.

4. Функция мультиплексирования позволяет осуществлять высокоскоростное сканирование объекта под разными углами, не передвигая преобразователь. Из одного положения ПЭП можно выполнить несколько сканов под разными углами.

Электронное линейное сканирование

С помощью электронного сканирования, один закон фокусировки мультиплексируется вдоль фазированного ПЭП за счет перемещения активной группы элементов. При этом сканирование происходит с постоянным углом ввода при электронном перемещении УЗ луча вдоль ПЭП. Данный тип сканирования аналогичен классическому УЗ контролю с постоянным углом ввода и механическим перемещением ПЭП вдоль объекта контроля. При использовании наклонной призмы мультиплексирование фокального закона учитывает и компенсирует задержки в призме для каждой активной апертуры элементов.

Секторное сканирование

При секторном сканировании УЗ луч перемещается в заданном диапазоне углов ввода с фокусировкой на определенной глубине. Для генерации УЗ луча используется постоянная группа элементов, при этом возможно изменение глубины фокусировки для каждого угла ввода, а также применение более сложных схем фокусировки. Диапазон качения УЗ луча выбирается оператором с учетом физических ограничений.

Динамическая фокусировка по глубине

Динамическая фокусировка по глубине (Dynamic depth focusing) – программирование обработки принимаемых эхо-сигналов. При этом закон распределения задержек, усиление и возбуждение для каждого элемента являются функциями времени. Динамическая фокусировка по глубине изменяет фокусировку для охвата всего диапазона толщин на стадии приема. Она значительно увеличивает глубину зоны фокусировки и соотношение сигнал-шум.

ФР-преобразователи имеют самые разные формы, размеры, диапазон частот и количество элементов. Их общим отличием является пьезоэлектрический элемент, разделенный на некоторое количество сегментов.

Современные ФР-преобразователи для промышленного НК обычно изготавливаются из пьезокомпозитов, которые, в свою очередь, состоят из множества маленьких тонких сегментов пьезоэлектрической керамики, встроенных в матрицу из полимера. Несмотря на то, что процесс производства композитных преобразователей сложнее, их чувствительность, по сравнению с аналогичными пьезокерамическими преобразователями, больше на 10–30 дБ . Сегментное металлическое покрытие обеспечивает электрическое разделение элементов с целью их возбуждения независимо друг от друга. Этот сегментированный элемент вставляется в преобразователь с защитным слоем. В конструкцию преобразователя также входит демпфирующий материал, соединители кабеля и корпус.

На интерактивном изображении выше представлена конструкция ПЭП с линейной решеткой и прямоугольным основанием. Это одна из самых распространенных конфигураций ФР-ПЭП. Для лучшего управления лучом в поперечном сечении поверхности решетки могут быть расположены в виде матрицы; или в виде кольцевых решеток для сферической фокусировки образца.

Фазированные преобразователи имеют следующие параметры:

Частота: Ультразвуковой контроль обычно проводится в диапазоне частот от 2 до 10 МГц, поэтому большинство ФР-ПЭП будут функционировать в данном диапазоне частот. Доступны также преобразователи с более высокими или более низкими частотами. Как и в случае с традиционными преобразователями, проникающая способность ФР-преобразователей улучшается с понижением частоты. С повышением частоты улучшаются разрешение и фокальная резкость.

Количество элементов: Как правило, ФР-преобразователи имеют от 16 до 128 элементов. В некоторых преобразователях количество элементов может достигать 256. Чем больше элементов, тем лучше характеристики фокусировки и управления лучом и тем больше охват сканирования. В то же время увеличивается стоимость приборного оснащения. Каждый элемент возбуждается отдельно, но их импульсы формируют один фронт волны. Таким образом, размеры данных элементов рассматриваются как активное или управляемое направление.

Размер элементов: Чем меньше размер элемента, тем лучше способность управления лучом. Однако, в случае охвата большей площади потребуется большее количество элементов, что скажется на цене преобразователя.

Активная апертура:

Активная апертура - суммарная длина активной части фазированного ПЭП. Длина апертуры определяется следующим образом:

А=(n-1)*p+e, где

n - количество элементов в фазированном ПЭП;

p – расстояние между центрами двух соседних элементов;

e – ширина элемента (обычно e<λ/2).

В конструкцию ФР-преобразователя входит пластиковая призма. Призмы используются при контроле продольными и поперечными волнами, а также при линейном сканировании прямым преобразователем. Призмы выполняют одинаковую функцию как в системах с фазированными решетками, так и в традиционных одноэлементных преобразователях, т.е. передают звуковую энергию из преобразователя в объект контроля таким образом, что она изменяется и/или преломляется под нужным углом в соответствии с законом Снеллиуса. Поскольку ФР-система использует функцию управления лучом для направления лучей под разными углами, данный эффект преломления является частью процесса генерации луча. Призмы для поперечной волны внешне очень похожи на призмы традиционных преобразователей. Они также могут быть разного исполнения и размеров. В некоторых из них присутствуют отверстия для подачи контактной жидкости. Ниже изображена стандартная призма для ФР-преобразователя.

Призмы на 0 градусов обычно представляют из себя простые пластиковые блоки. Они используются для передачи звуковой энергии (и для защиты поверхности ПЭП от царапин и износа) при линейном сканировании прямым преобразователем, а также для сканирования продольными волнами под малым углом.

Призмы могут быть любой формы для любой геометрии объекта контроля. В дополнение к значению угла падения, некоторые размеры призмы принимаются во внимание при программировании сканирования фазированной решеткой. Это позволяет рассчитать правильную дистанцию и глубину калибровки, а также правильный угол преломления. Эти параметры приведены в документации к призме, которую необходимо сохранить на весь срок эксплуатации призмы.