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PHASED ARRAY: FUNDAMENTOS TEÓRICOS

PHASED ARRAY FUNDAMENTOS TEÓRICOS

J.Camacho Instituto de Automática Industrial, CSIC La Poveda (Arganda) 28500 Madrid (Spain) Phone: +3491 8711900, e-mail: [email protected] e-mail: [email protected]

WORKSHOP PHASED ARRAY: INTRODUCCÓN Y NUEVAS TÉCNICAS

3 de Diciembre de 2009


CONTENIDO - INTRODUCCION - Comparació Comparación n entre Monoeleme Monoelemento nto y Phased Phased Array - Repaso de fórmulas para transductores Monoelemento Monoelemento - FUNDAMENTOS DE PHASED ARRAY - Principios de funcionamiento Características del campo acústico - Características Determinación de parámetros - Determinación - Focalización - CALCULO DE LEYES FOCALES




CONTENIDO - INTRODUCCION - Comparació Comparación n entre Monoeleme Monoelemento nto y Phased Phased Array - Repaso de fórmulas para transductores Monoelemento Monoelemento - FUNDAMENTOS DE PHASED ARRAY - Principios de funcionamiento Características del campo acústico - Características Determinación de parámetros - Determinación - 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 tipos de de barrido barrido permite permite un un phased phased array ? - Como elegimos la posición de los focos ? - Que es la focalización dinámica ?




IMAGEN ULTRASONICA CON TRANSDUCTOR MONOELEMENTO

MOVIMIENTO MECANICO EJE X T

E se genera mediante un barrido La imagenI M P mecánico con el transductor O

X Y

D E V U E L O U L T R A S O N I D O

X Y

A S C A N

B-SCAN WORKSHOP PHASED ARRAY: INTRODUCCÓN Y NUEVAS TÉCNICAS



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

EMISIÓN

RETARDOS

RETARDOS

RETARDOS

RECEPCIÓN

FOCO DEFLEXIÓN




PARAMETROS DE DISEÑO: MONOELEMENTO VS. ARRAY

TRANSDUCTOR MONOELEMENTO

F

D: DIAMETRO F: FRECUENCIA RF : DISTANCIA FOCAL

D

F 1

N

e D

ARRAY F : FRECUENCIA N : CANTIDAD DE ELEMENTOS D: APERTURA e : DISTANCIA ENTRE ELEMENTOS RF : DISTANCIA FOCAL ( PARAMETRO DE OPERACION )




MONOELEMENTO NO FOCALIZADO: CAMPO ACÚSTICO F D

PARÁMETROS DEL TRANSDUCTOR C

D: DIAMETRO F: FRECUENCIA

PARÁMETROS DEL MATERIAL C: VELOCIDAD DE PROPAGACION DIRECCIÓN DE PROPAGACIÓN

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




MONOELEMENTO NO FOCALIZADO: CAMPO ACÚSTICO F D

C

MODELO DEL CAMPO ACÚSTICO

LONGITUD DE ONDA

NF

0.75 D

CAMPO CERCANO

λ =

C F

F =

D 2 4λ

=

ANGULO DE DIVERGENCIA α = sin

D 2 F

−1

4C

 λ   k   D 

α




MONOELEMENTO NO FOCALIZADO: CAMPO ACÚSTICO D = ½ ’’

D = ¼ ’’

NF = 16 mm α = 13 º

NF = 4 mm α = 28 º

NF = 65 mm α = 6.8 º

D

D

F = 2.5 Mhz C = 6.2 mm/us

D = 1 ’’

NF

NF

α

α

F = 2.5 Mhz C = 6.2 mm/us


F = 2.5 Mhz C = 6.2 mm/us 3 de Diciembre de 2009


MONOELEMENTO NO FOCALIZADO: RESOLUCION LATERAL

RESOLUCION LATERAL CAPACIDAD DE DISTINGUIR DOS REFLECTORES UBICADOS A LA MISMA DISTANCIA DEL TRANSDUCTOR

RESOLUCION LATERAL EN CAMPO LEJANO

k BW x

∆ x ≈

k BW

λ

D

z

CONSTANTE QUE DETERMINA LA FORMA DE MEDIR LA ANCHURA DEL HAZ

k BW

= 1.22 Cirterio FWHM

k BW

=1

k BW

= 1.33 Cirterio de Sparrow


Cirterio de Rayleigh



MONOELEMENTO NO FOCALIZADO: RESOLUCION LATERAL

x


x



ARRAY: PRINCIPIO DE SUPERPOSICION D/5

D >> λ d

d

N=1

N

d

d/2

N=2

d/2

N=2

D,d

EL TAMAÑO Y LA SEPARACION DE LOS ELEMENTOS DEL ARRAY DETERMINAN LAS CARACTERISTICAS DEL HAZ WORKSHOP PHASED ARRAY: INTRODUCCÓN Y NUEVAS TÉCNICAS



ARRAY: PRINCIPIO DE SUPERPOSICION

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

d << λ




ARRAY: PRINCIPIO DE SUPERPOSICION N = 32 d = λ/2

F = 2.5 Mhz C = 6.2 mm/us

FRENTE DE ONDA COMBINADO




ARRAY: PRINCIPIO DE SUPERPOSICION N = 32 d = λ/2

d

d

d D

Felemento

Farray

=

F = 2.5 Mhz C = 6.2 mm/us

=

d 2 4λ

D 2 4λ

?

= 0.078 mm

= 74.5 mm




ARRAY: FOCALIZACION EN EMISION N = 32 d = λ/2

F = 2.5 Mhz C = 6.2 mm/us






F = 2.5 Mhz C = 6.2 mm/us

SIN FOCALIZAR WORKSHOP PHASED ARRAY: INTRODUCCÓN Y NUEVAS TÉCNICAS

N = 32 d = λ/2

F = 2.5 Mhz C = 6.2 mm/us

FOCO A 75 mm 3 de Diciembre de 2009



F = 2.5 Mhz C = 6.2 mm/us

PATRON LATERAL DEL HAZ

FOCO A 75 mm WORKSHOP PHASED ARRAY: INTRODUCCÓN Y NUEVAS TÉCNICAS



ARRAY: PATRON LATERAL DEL HAZ LOBULO PRINCIPAL

13 dB

LOBULOS LATERALES




ARRAY: PATRON LATERAL DEL HAZ

xLP RESOLUCION LATERAL EN EL FOCO

∆ x ≈

λ

D

Z f

=

λ

d

Z f

NOTA: ESTA ECUACION TAMBIEN VALE PARA CAMPO CERCANO WORKSHOP PHASED ARRAY: INTRODUCCÓN Y NUEVAS TÉCNICAS



ARRAY: FOCALIZACION EN EMISION

FOCO A 25 mm

FOCO A 50 mm


FOCO A 100 mm 3 de Diciembre de 2009


ARRAY: DEFLEXION N = 32 d = λ/2

F = 2.5 Mhz C = 6.2 mm/us





ARRAY: LOBULOS DE REJILLA

d F

SEÑALES INDIVIDUALES


COMPOSICION DE SEÑALES




d F







d F







PARA EVITAR LOBULOS DE REJILLA

d ≤ d R

λ

2

F λ







d = 1.5 λ

θd

= 15º


d=2λ

θd

= 0º 3 de Diciembre de 2009



d = 1.5 λ

IMAGEN DE UN REFLECTOR WORKSHOP PHASED ARRAY: INTRODUCCÓN Y NUEVAS TÉCNICAS


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