WORKSHOP PHASED ARRAY: INTRODUCCÓN Y NUEVAS TÉCNICAS 3 de Diciembre de 2009 PHASED ARRAY J.Camacho Instituto de Automática Industrial, CSIC La Poveda (Arganda) 28500 Madrid (Spain) Phone: +3491 8711900, e-mail: [email protected]PHASED ARRAY: FUNDAMENTOS TEÓRICOS FUNDAMENTOS TEÓRICOS
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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: [email protected]
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
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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 ?
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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∆x
MONOELEMENTO NO FOCALIZADO: RESOLUCION LATERAL
∆x
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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
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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
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ARRAY: PRINCIPIO DE SUPERPOSICION
FRENTE DE ONDA COMBINADO
F = 2.5 MhzC = 6.2 mm/us
N = 32d = λ/2
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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= =
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F = 2.5 MhzC = 6.2 mm/us
N = 32d = λ/2
ARRAY: FOCALIZACION EN EMISION
FRENTE DE ONDA COMBINADO
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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
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ARRAY: FOCALIZACION EN EMISION
F = 2.5 MhzC = 6.2 mm/us
N = 32d = λ/2
FOCO A 75 mm
PATRON LATERAL DEL HAZ
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ARRAY: PATRON LATERAL DEL HAZ
LOBULO PRINCIPAL
LOBULOS LATERALES
13 dB
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ARRAY: PATRON LATERAL DEL HAZ
f fx Z ZD �d
λ λ∆ ≈ =
xLP
RESOLUCION LATERALEN EL FOCO
NOTA: ESTA ECUACION TAMBIENVALE PARA CAMPO CERCANO
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PHASED ARRAY: FUNDAMENTOS TEÓRICOS
ARRAY: FOCALIZACION EN EMISION
FOCO A 25 mm FOCO A 50 mm FOCO A 100 mm
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PHASED ARRAY: FUNDAMENTOS TEÓRICOS
F = 2.5 MhzC = 6.2 mm/us
N = 32d = λ/2
ARRAY: DEFLEXION
FRENTE DE ONDA COMBINADO
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ARRAY: LOBULOS DE REJILLA
dF
SEÑALES INDIVIDUALES COMPOSICION DE SEÑALES
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ARRAY: LOBULOS DE REJILLA
dF
SEÑALES INDIVIDUALES COMPOSICION DE SEÑALES
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PHASED ARRAY: FUNDAMENTOS TEÓRICOS
ARRAY: LOBULOS DE REJILLA
dF
SEÑALES INDIVIDUALES COMPOSICION DE SEÑALES
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ARRAY: LOBULOS DE REJILLA
dF
SEÑALES INDIVIDUALES COMPOSICION DE SEÑALES
∆R λ
PARA EVITAR LOBULOS DE REJILLA
2d
λ≤
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ARRAY: LOBULOS DE REJILLA
d = 1.5 λ d = 2 λ
θd = 15º θd = 0º
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ARRAY: LOBULOS DE REJILLA
d = 1.5 λ
IMAGEN DE UN REFLECTOR
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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
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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
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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
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ARRAY: LEYES FOCALES
Fe = 60 mm Fr = 25 mmFocalización en
Emisión y Recepción
DISMINUYEN LOS LOBULOS LATERALESMEJORA LA PROFUNDIDAD
DE FOCO
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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
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