声束的形成
Die Leistung aller Ultraschallprüfgeräte hängt von der Kombination verschiedener Faktoren ab: dem Prüfkopf, der Art und der Einstellung des Geräts sowie den akustischen Eigenschaften des zu prüfenden Werkstoffs. Die Leistung von Phased-Array-Sensoren, wie die aller anderer Ultraschallköpfe für die zerstörungsfreie Prüfung, ist abhängig von den Sensorparametern (wie Frequenz, Größe und mechanische Dämpfung) sowie von den Parametern des Impulses mit dem der Sensor erregt wird.
Vier wichtige, von einander abhängige Parameter bestimmen die Leistung eines Sensors.
Frequenz-- Wie bereits im vorigen Abschnitt bemerkt, beeinflusst die Prüffrequenz den Nahfeldlänge und die Schallbündelausbreitung erheblich. In der Praxis bieten höhere Frequenzen ein besseres Signal/Rauschverhältnis als niedrige Frequenzen, weil man mit ihnen schärfer fokussieren und einen maximalen, dichteren Fokuspunkt erreicht. Gleichzeitig verringert sich mit der Erhöhung der Frequenz die Durchdringung des Werkstoffs, da die Dämpfung im Material mit steigender Frequenz stärker wird. In Anwendungsbereichen mit sehr langen Schallwegen oder mit stark schalldämpfenden oder schallstreuenden Werkstoffen muss mit niedrigen Frequenzen geprüft werden. Allgemein werden Phased-Array-Sensoren für die Industrie im Frequenzbereich 1 MHz bis 15 MHz angeboten.
Elementgröße: Je kleiner die einzelnen Elemente eines Arrays sind, desto besser kann das Schallbündel gesteuert werden. Die Mindestgröße eines Elements in handelsüblichen Sensoren beträgt ungefähr 0,2 mm. Bei Elementen, die kleiner als eine Wellenlänge sind, treten allerdings unerwünschte Nebenkeulen auf.
Anzahl Elemente: Wird die Anzahl Elemente im Array erhöht, erhöhen sich auch die Größe des Prüfbereichs, die Empfindlichkeit, die Fokussierfähigkeit und die Steuerfähigkeit des Sensors. Gleichzeitig müssen beim Einsatz von großen Arrays oft die Komplexität des Systems und die Kosten in Betracht gezogen werden.
Abstand und Apertur: Der Abstand ist der Abstand zwischen den einzelnen Elementen. Die Apertur ist die effektive Größe eines impulsgebenden Elements, welches normalerweise aus einer Gruppe gleichzeitig angeregter Einzelelemente besteht (virtuelle Apertur). Für einen optimierten Steuerbereich muss der Abstand klein sein. Für eine optimale Empfindlichkeit, minimale unerwünschte Schallbündelausbreitung und einen starken Fokus muss die Apertur groß sein. Die heutigen Phased-Array-Geräte unterstützen die häufigsten Sendemodulierungen mit Aperturen bis zu 16 Elementen. Ausgereiftere Systeme unterstützen Aperturen bis 32 oder sogar 64 Elementen.
Die wichtigsten Elemente für ein allgemeines Verständnis des Phased-Array-Konzepts können wie folgt zusammengefasst werden: eine Gruppe von Elementen wird entsprechend einer vorprogrammierten Sendemodulierung angeregt. Dadurch werden die gewünschte Sensorapertur und die gewünschten Schallbündelmerkmale erreicht.
