Phasentaktung und ihre Auswirkungen
Wenn sich Wellen aus zwei oder mehr Quellen überlagern, führt der Phaseneffekt zu einer Erhöhung oder Abschwächung der Wellenenergie im Überlagerungspunkt. Wenn sich elastische Wellen derselben Frequenz derart treffen, dass ihre Schwingungen genau synchronisiert sind (phasengleich oder Phasenwinkel von 0°), addieren sich diese Wellenenergien gegenseitig auf, wodurch eine Welle mit größerer Amplitude erzeugt wird. Wenn ihre Schwingungen genau entgegengesetzt sind (gegenphasig oder 180°), heben sich die Wellenenergien gegenseitig auf. Bei Phasenwinkel von 0° bis 180° gibt es viele Zwischenstadien zwischen voller Aufsummierung und voller Aufhebung. Mit der zeitlichen Versetzung von Wellen aus vielen verschiedenen Quellen kann man nun anhand dieses Effekts die kombinierte Wellenfront steuern und fokussieren. Dies ist eins der wichtigsten Prinzipien der Phased-Array-Prüfung.
Bei Schallköpfen für konventionellen Ultraschall erzeugen konstruktive und destruktive Interferenz den Nahfeld- und den Fernfeldbereich und die verschiedenen Druckgradienten in ihnen. Außerdem schallt ein Winkelschallkopf für konventionellen Ultraschall mit Einzelschwinger Wellen in den Vorlaufkeil ein. Die Punkte dieser Wellenfront haben verschiedene, von der Form des Vorlaufkeils verursachte Verzögerungen. Dies sind mechanische Verzögerungen im Gegensatz zu elektronischen Verzögerungen, die bei der Phased Array-Prüfung verwendet werden. Trifft die Wellenfront unten auf die Oberfläche auf, kann sie entsprechend dem Huygensschen Prinzip als eine Reihe von Quellpunkten angesehen werden. Die in der Theorie kugelförmigen, von jedem dieser Quellpunkte, ausgehenden Wellen bilden eine einzige Wellenfront in einem durch das Snelliussche Gesetz festgelegten Winkel.
In der Phased-Array-Prüfung wird die von der Phasenverschiebung verursachte berechenbare Verstärkung oder Aufhebung der Schallwellen zur Gestaltung und Steuerung des Ultraschallbündels genutzt. Werden einzelne Elemente oder Gruppen mit verschiedenen Verzögerungen gepulst, werden viele Quellpunktwellen erzeugt, die eine Wellenfront bilden, die sich im gewählten Winkel ausbreitet. Dieser elektronische Effekt erreicht dasselbe wie die mechanische Verzögerung eines Vorlaufkeils für konventionellen Ultraschall, die Steuerungsmöglichkeiten sind aber durch die Änderung des Verzögerungsmusters größer. Bei konstruktiver Interferenz ist die Amplitude dieser überlagerten Wellen beträchtlich höher als die einzelnen Amplituden aller sie erzeugenden Wellen. Gleichermaßen werden auch die empfangenen Echos jedes Elements des Arrays verzögert. Die Echos werden summiert, sodass sie eine einzige Winkel- oder Fokuskomponente des Gesamtschallbündels darstellen. Diese Kombination von einzelnen Schallbündelkomponenten kann nicht nur die Richtung der ursprünglichen Wellenfront ändern, sondern ermöglicht auch die Fokussierung des Schallbündels in jedem beliebigen Punkt des Nahfelds.
Die Elemente werden gewöhnlich in Gruppen von 4 bis 32 angeregt, was die Empfindlichkeit durch eine Vergrößerung der Apertur verbessert, eine unerwünschte Ausbreitung des Schallbündels verringert und einen schärferen Fokus ermöglicht.
Die Reflektionen werden von den verschiedenen Elementen oder Elementgruppen empfangen und wie zum Ausgleich der verschiedenen Vorlaufkeilvorläufe erforderlich zeitlich versetzt und dann summiert. Anders als ein Einzelschwinger-Prüfkopf für konventionellen Ultraschall, der die Effekte aller Schallbündelkomponenten in seinem Prüfbereich zusammenlegt, kann ein Phased-Array-Sensor die reflektierten Wellen an jedem Element räumlich nach Ankunftszeit und Amplitude sortieren. Nach Verarbeitung durch die Gerätesoftware stellt jede zurückgeschallte Sendemodulierung die Reflektion eines bestimmten Winkelelements des Schallbündels, eines bestimmten Punkts auf einem linearen Schallweg oder einer bestimmten Fokustiefe dar. Die Echoinformationen können sodann in einem beliebigen Format auf dem Bildschirm angezeigt werden.
