Post on 16-Apr-2015
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
WORKSHOP PHASED ARRAY: INTRODUCCÓN Y NUEVAS TÉCNICAS 3 de Diciembre de 2009
PHASED ARRAY: FUNDAMENTOS TEÓRICOS
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 ?
WORKSHOP PHASED ARRAY: INTRODUCCÓN Y NUEVAS TÉCNICAS 3 de Diciembre de 2009
PHASED ARRAY: FUNDAMENTOS TEÓRICOS
X
Y
B-SCAN
IMAGEN ULTRASONICA CON TRANSDUCTOR MONOELEMENTO
La imagen se genera mediante un barrido mecánico con el transductorX
Y
MOVIMIENTO MECANICO EJE X
TIE
MP
O D
E V
UE
LO
UL
TR
AS
ON
IDO
A-S
CA
N
WORKSHOP PHASED ARRAY: INTRODUCCÓN Y NUEVAS TÉCNICAS 3 de Diciembre de 2009
PHASED ARRAY: FUNDAMENTOS TEÓRICOS
IMAGEN ACÚSTICA CON ARRAYS
OBJETIVO: GERERAR HACES ULTRASÓNICOS CON UNA GRAN PROFUNDIDAD DE FOCO Y DINÁMICAMENTE ENFOCADOS EN RECEPCIÓN
FOCO
DEFLEXIÓN
RETARDOS RETARDOS RETARDOS
EMISIÓN RECEPCIÓN
WORKSHOP PHASED ARRAY: INTRODUCCÓN Y NUEVAS TÉCNICAS 3 de Diciembre de 2009
PHASED ARRAY: FUNDAMENTOS TEÓRICOS
PARAMETROS DE DISEÑO: MONOELEMENTO VS. ARRAY
TRANSDUCTOR MONOELEMENTO
D: DIAMETROF: FRECUENCIA
ARRAY
F : FRECUENCIA N : CANTIDAD DE ELEMENTOSe : DISTANCIA ENTRE ELEMENTOS
D
F
F
e
1 N
D
D: APERTURA
RF : DISTANCIA FOCAL ( PARAMETRO DE OPERACION )
RF : DISTANCIA FOCAL
WORKSHOP PHASED ARRAY: INTRODUCCÓN Y NUEVAS TÉCNICAS 3 de Diciembre de 2009
PHASED ARRAY: FUNDAMENTOS TEÓRICOS
DIRECCIÓN DEPROPAGACIÓN
D
MONOELEMENTO NO FOCALIZADO: CAMPO ACÚSTICO
F
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
WORKSHOP PHASED ARRAY: INTRODUCCÓN Y NUEVAS TÉCNICAS 3 de Diciembre de 2009
PHASED ARRAY: FUNDAMENTOS TEÓRICOS
MONOELEMENTO NO FOCALIZADO: CAMPO ACÚSTICO
D
NF
α
F
CMODELO DEL CAMPO ACÚSTICO
F
C=λ
C
FDD�F
44
22
==λ
= −
Dk
λα 1sin
LONGITUD DE ONDA
CAMPO CERCANO
ANGULO DE DIVERGENCIA
0.75 D
WORKSHOP PHASED ARRAY: INTRODUCCÓN Y NUEVAS TÉCNICAS 3 de Diciembre de 2009
PHASED ARRAY: FUNDAMENTOS TEÓRICOS
MONOELEMENTO NO FOCALIZADO: CAMPO ACÚSTICO
D = ½ ’’
F = 2.5 MhzC = 6.2 mm/us
D
NF = 16 mmα = 13 º
D = ¼ ’’
F = 2.5 MhzC = 6.2 mm/us
NFα
NF = 4 mmα = 28 º
D = 1 ’’
F = 2.5 MhzC = 6.2 mm/us
NFα
NF = 65 mmα = 6.8 º
D
WORKSHOP PHASED ARRAY: INTRODUCCÓN Y NUEVAS TÉCNICAS 3 de Diciembre de 2009
PHASED ARRAY: FUNDAMENTOS TEÓRICOS
∆x
MONOELEMENTO NO FOCALIZADO: RESOLUCION LATERAL
RESOLUCION LATERAL
CAPACIDAD DE DISTINGUIR DOS REFLECTORESUBICADOS A LA MISMA DISTANCIA DEL TRANSDUCTOR
zD
kx BW
λ≈∆RESOLUCION LATERAL
EN CAMPO LEJANO
BWkCONSTANTE QUE DETERMINA LA FORMA DE MEDIR LA ANCHURA DEL HAZ
22.1=BWk
1=BWk
33.1=BWk
Cirterio FWHM
Cirterio de Rayleigh
Cirterio de Sparrow
WORKSHOP PHASED ARRAY: INTRODUCCÓN Y NUEVAS TÉCNICAS 3 de Diciembre de 2009
PHASED ARRAY: FUNDAMENTOS TEÓRICOS
∆x
MONOELEMENTO NO FOCALIZADO: RESOLUCION LATERAL
∆x
WORKSHOP PHASED ARRAY: INTRODUCCÓN Y NUEVAS TÉCNICAS 3 de Diciembre de 2009
PHASED ARRAY: FUNDAMENTOS TEÓRICOS
ARRAY: PRINCIPIO DE SUPERPOSICION
N
N=1
D,d
EL TAMAÑO Y LA SEPARACION DE LOS ELEMENTOS DEL ARRAY DETERMINAN LAS CARACTERISTICAS DEL HAZ
d N=2
D >> λ
d d N=2
D/5
d/2 d/2
WORKSHOP PHASED ARRAY: INTRODUCCÓN Y NUEVAS TÉCNICAS 3 de Diciembre de 2009
PHASED ARRAY: FUNDAMENTOS TEÓRICOS
ARRAY: PRINCIPIO DE SUPERPOSICION
d << λ
EMISION DE CADA ELEMENTO
SI d << λ CADA ELEMENTO PUEDE CONSIDERARSE UN EMISOR PUNTUAL Y GENERARA UN CAMPO ACUSTICO CILINDRICO
WORKSHOP PHASED ARRAY: INTRODUCCÓN Y NUEVAS TÉCNICAS 3 de Diciembre de 2009
PHASED ARRAY: FUNDAMENTOS TEÓRICOS
ARRAY: PRINCIPIO DE SUPERPOSICION
FRENTE DE ONDA COMBINADO
F = 2.5 MhzC = 6.2 mm/us
N = 32d = λ/2
WORKSHOP PHASED ARRAY: INTRODUCCÓN Y NUEVAS TÉCNICAS 3 de Diciembre de 2009
PHASED ARRAY: FUNDAMENTOS TEÓRICOS
ARRAY: PRINCIPIO DE SUPERPOSICION
F = 2.5 MhzC = 6.2 mm/us
N = 32d = λ/2
?d d d
2
0.0784
elemento
d�F mm
λ= =
D
2
74.54
array
D�F mm
λ= =
WORKSHOP PHASED ARRAY: INTRODUCCÓN Y NUEVAS TÉCNICAS 3 de Diciembre de 2009
PHASED ARRAY: FUNDAMENTOS TEÓRICOS
F = 2.5 MhzC = 6.2 mm/us
N = 32d = λ/2
ARRAY: FOCALIZACION EN EMISION
FRENTE DE ONDA COMBINADO
WORKSHOP PHASED ARRAY: INTRODUCCÓN Y NUEVAS TÉCNICAS 3 de Diciembre de 2009
PHASED ARRAY: FUNDAMENTOS TEÓRICOS
F = 2.5 MhzC = 6.2 mm/us
N = 32d = λ/2
ARRAY: FOCALIZACION EN EMISION
SIN FOCALIZAR
F = 2.5 MhzC = 6.2 mm/us
N = 32d = λ/2
FOCO A 75 mm
WORKSHOP PHASED ARRAY: INTRODUCCÓN Y NUEVAS TÉCNICAS 3 de Diciembre de 2009
PHASED ARRAY: FUNDAMENTOS TEÓRICOS
ARRAY: FOCALIZACION EN EMISION
F = 2.5 MhzC = 6.2 mm/us
N = 32d = λ/2
FOCO A 75 mm
PATRON LATERAL DEL HAZ
WORKSHOP PHASED ARRAY: INTRODUCCÓN Y NUEVAS TÉCNICAS 3 de Diciembre de 2009
PHASED ARRAY: FUNDAMENTOS TEÓRICOS
ARRAY: PATRON LATERAL DEL HAZ
LOBULO PRINCIPAL
LOBULOS LATERALES
13 dB
WORKSHOP PHASED ARRAY: INTRODUCCÓN Y NUEVAS TÉCNICAS 3 de Diciembre de 2009
PHASED ARRAY: FUNDAMENTOS TEÓRICOS
ARRAY: PATRON LATERAL DEL HAZ
f fx Z ZD �d
λ λ∆ ≈ =
xLP
RESOLUCION LATERALEN EL FOCO
NOTA: ESTA ECUACION TAMBIENVALE PARA CAMPO CERCANO
WORKSHOP PHASED ARRAY: INTRODUCCÓN Y NUEVAS TÉCNICAS 3 de Diciembre de 2009
PHASED ARRAY: FUNDAMENTOS TEÓRICOS
ARRAY: FOCALIZACION EN EMISION
FOCO A 25 mm FOCO A 50 mm FOCO A 100 mm
WORKSHOP PHASED ARRAY: INTRODUCCÓN Y NUEVAS TÉCNICAS 3 de Diciembre de 2009
PHASED ARRAY: FUNDAMENTOS TEÓRICOS
F = 2.5 MhzC = 6.2 mm/us
N = 32d = λ/2
ARRAY: DEFLEXION
FRENTE DE ONDA COMBINADO
WORKSHOP PHASED ARRAY: INTRODUCCÓN Y NUEVAS TÉCNICAS 3 de Diciembre de 2009
PHASED ARRAY: FUNDAMENTOS TEÓRICOS
ARRAY: LOBULOS DE REJILLA
dF
SEÑALES INDIVIDUALES COMPOSICION DE SEÑALES
WORKSHOP PHASED ARRAY: INTRODUCCÓN Y NUEVAS TÉCNICAS 3 de Diciembre de 2009
PHASED ARRAY: FUNDAMENTOS TEÓRICOS
ARRAY: LOBULOS DE REJILLA
dF
SEÑALES INDIVIDUALES COMPOSICION DE SEÑALES
WORKSHOP PHASED ARRAY: INTRODUCCÓN Y NUEVAS TÉCNICAS 3 de Diciembre de 2009
PHASED ARRAY: FUNDAMENTOS TEÓRICOS
ARRAY: LOBULOS DE REJILLA
dF
SEÑALES INDIVIDUALES COMPOSICION DE SEÑALES
WORKSHOP PHASED ARRAY: INTRODUCCÓN Y NUEVAS TÉCNICAS 3 de Diciembre de 2009
PHASED ARRAY: FUNDAMENTOS TEÓRICOS
ARRAY: LOBULOS DE REJILLA
dF
SEÑALES INDIVIDUALES COMPOSICION DE SEÑALES
∆R λ
PARA EVITAR LOBULOS DE REJILLA
2d
λ≤
WORKSHOP PHASED ARRAY: INTRODUCCÓN Y NUEVAS TÉCNICAS 3 de Diciembre de 2009
PHASED ARRAY: FUNDAMENTOS TEÓRICOS
ARRAY: LOBULOS DE REJILLA
d = 1.5 λ d = 2 λ
θd = 15º θd = 0º
WORKSHOP PHASED ARRAY: INTRODUCCÓN Y NUEVAS TÉCNICAS 3 de Diciembre de 2009
PHASED ARRAY: FUNDAMENTOS TEÓRICOS
ARRAY: LOBULOS DE REJILLA
d = 1.5 λ
IMAGEN DE UN REFLECTOR
WORKSHOP PHASED ARRAY: INTRODUCCÓN Y NUEVAS TÉCNICAS 3 de Diciembre de 2009
PHASED ARRAY: FUNDAMENTOS TEÓRICOS
ARRAY: SELECCION DE PARAMETROS
fx Z�d
λ∆ ≈
C
Fλ =
2d
λ≤
FRECUENCIA
DISTANCIA ENTREELEMENTOS
CANTIDAD DEELEMENTOS ACTIVOS
F
d
N
ATENUACION YRESOLUCION AXIAL
LOBULOS DE REJILLA
RESOLUCION LATERAL
WORKSHOP PHASED ARRAY: INTRODUCCÓN Y NUEVAS TÉCNICAS 3 de Diciembre de 2009
PHASED ARRAY: FUNDAMENTOS TEÓRICOS
ARRAY: FOCALIZACION EN RECEPCION
e0e0
e1e1
e2e2
e3e3
eNeN
.
.
.
SEÑALES ELÉCTRICAS
DLY 0
DLY 1
DLY 2
DLY 3
DLY N
Σ
ALINEACIÓN TEMPORAL
A/D
A/D
A/D
A/D
A/D
RELOJ DE MUSTREO
r0
r1
r2
r3
rN
REFLECTOR
WORKSHOP PHASED ARRAY: INTRODUCCÓN Y NUEVAS TÉCNICAS 3 de Diciembre de 2009
PHASED ARRAY: FUNDAMENTOS TEÓRICOS
ARRAY: LEYES FOCALES
e0e0
e1e1
e2e2
e3e3
eNeN
.
.
.
Fe
Fr
θ
LOS FOCOS EN EMISION Y RECEPCION PUEDEN NO COINCIDIR
DLE
DLE
DLE
DLR
DLR
DLR
WORKSHOP PHASED ARRAY: INTRODUCCÓN Y NUEVAS TÉCNICAS 3 de Diciembre de 2009
PHASED ARRAY: FUNDAMENTOS TEÓRICOS
ARRAY: LEYES FOCALES
Fe = 60 mm Fr = 25 mmFocalización en
Emisión y Recepción
DISMINUYEN LOS LOBULOS LATERALESMEJORA LA PROFUNDIDAD
DE FOCO
WORKSHOP PHASED ARRAY: INTRODUCCÓN Y NUEVAS TÉCNICAS 3 de Diciembre de 2009
PHASED ARRAY: FUNDAMENTOS TEÓRICOS
TECNICAS AVANZADAS: FOCALIZACION PROGRESIVA
F1 F2
ARRAY CON 2N+1
ELEMENTOS
012
N
-1-2
-N
X
Z
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
WORKSHOP PHASED ARRAY: INTRODUCCÓN Y NUEVAS TÉCNICAS 3 de Diciembre de 2009
PHASED ARRAY: FUNDAMENTOS TEÓRICOS
TECNICAS AVANZADAS: FOCALIZACION PROGRESIVA
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
WORKSHOP PHASED ARRAY: INTRODUCCÓN Y NUEVAS TÉCNICAS 3 de Diciembre de 2009
PHASED ARRAY: FUNDAMENTOS TEÓRICOS
TECNICAS AVANZADAS: FOCALIZACION PROGRESIVA
FOCALIZACION PROGRESIVAFOCO FIJO EN 25 mm
� IMAGEN FOCALIZADA EN TODA SU PROFUNDIDAD
� FUNCIONAMIENTO EN TIEMPO REAL
� SIN PROGRAMACION DE PARAMETROS POR EL USUARIO
WORKSHOP PHASED ARRAY: INTRODUCCÓN Y NUEVAS TÉCNICAS 3 de Diciembre de 2009
PHASED ARRAY: FUNDAMENTOS TEÓRICOS
CALCULO DE LEYES FOCALES: BARRIDO ANGULAR
x
θ
Rf
rx
( )2 212 sin( )f f fDLE R R x xR
Cθ= − + −
WORKSHOP PHASED ARRAY: INTRODUCCÓN Y NUEVAS TÉCNICAS 3 de Diciembre de 2009
PHASED ARRAY: FUNDAMENTOS TEÓRICOS
CALCULO DE LEYES FOCALES: BARRIDO ANGULAR
( )2 212 sin( )f f fDLE R R x xR
Cθ= − + −
x
θ
Rf
rx
WORKSHOP PHASED ARRAY: INTRODUCCÓN Y NUEVAS TÉCNICAS 3 de Diciembre de 2009
PHASED ARRAY: FUNDAMENTOS TEÓRICOS
CALCULO DE LEYES FOCALES: BARRIDO ANGULAR
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
WORKSHOP PHASED ARRAY: INTRODUCCÓN Y NUEVAS TÉCNICAS 3 de Diciembre de 2009
PHASED ARRAY: FUNDAMENTOS TEÓRICOS
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
WORKSHOP PHASED ARRAY: INTRODUCCÓN Y NUEVAS TÉCNICAS 3 de Diciembre de 2009
PHASED ARRAY: FUNDAMENTOS TEÓRICOS
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
WORKSHOP PHASED ARRAY: INTRODUCCÓN Y NUEVAS TÉCNICAS 3 de Diciembre de 2009
PHASED ARRAY: FUNDAMENTOS TEÓRICOS