Kurze Geschichte der Phased-Array-Prüfung
In den ersten zwanzig Jahren funktionierten die handelsüblichen Ultraschallgeräte nur mit Einzelschwinger-Prüfköpfen, bei denen ein Piezoelement Schallwellen erzeugt und empfängt, mit Impuls-Echo-Schallköpfen, bei denen ein Piezoelement den Schallimpuls empfängt und ein anderes ihn sendet, sowie mit Sender-Empfänger- oder Durchschallungssysteme, bei denen ein Paar Einzelschwinger-Prüfköpfe zusammen eingesetzt wird. Mit diesen Techniken sind die heute im Handel zu findenden, für die Fehlerprüfung und die Dickenmessung in der Industrie bestimmten Ultraschallgeräte immer noch ausgestattet. Jedoch werden Gruppenstrahlergeräte in der zerstörungsfreien Prüfung mit Ultraschall immer wichtiger.
Das Prinzip der konstruktiven und destruktiven Interaktion von Wellen wurde 1801 von dem englischen Wissenschaftler Thomas Young in einem bemerkenswerten Experiment, dem Doppelspaltexperiment, demonstriert, in dem zwei punktförmige Lichtquellen Interferenzmuster erzeugen. In Phase kombinierte Wellen verstärken sich, während Wellen, die nicht in Phase sind, sich ganz oder teilweise gegenseitig aufheben.
Die Phasenmodulierung wiederum ist eine Methode, um diese Interaktionen durch die Zeitversetzung der von zwei oder mehr Quellen erzeugten Wellenfronten zu steuern. Mit ihr kann die Energie einer Wellenfront gebeugt, gesteuert oder fokussiert werden. In den 1960er Jahren begannen Forscher, Ultraschall-Phased-Array-Systeme zu entwickeln, die mit mehreren Punktschwingern als Impulsquelle die Schallbündel mittels dieser Interferenzmuster steuern konnten. In den frühen 1970er Jahren erschienen zuerst Phased-Array-Geräte für die medizinische Diagnose im Handel, die anhand von gesteuerten Schallbündeln Querschnittsbilder des menschlichen Körpers erstellten.
Anfangs war der Einsatz von Ultraschallgruppenstrahlergeräten auf die Medizin beschränkt, da Beschaffenheit und Aufbau des menschlichen Körpers vorhersehbar sind, was die Geräteauslegung und Bildanalyse verhältnismäßig einfach gestaltet. Industrielle Anwendungsbereiche stellen dagegen wegen der großen Verschiedenheit der akustischen Eigenschaften von Metallen, Verbundwerkstoffen, Keramik, Kunststoffen und Glasfaser und auch wegen der verschiedenen Dicken und Geometrien eine weit größere Schwierigkeit dar. Die ersten industriellen Phased-Array-Systeme, die in den 1980er Jahren eingeführt wurden, waren extrem groß und mussten zur Datenbearbeitung und -darstellung an einen Rechner angeschlossen werden. Diese Geräte wurden insbesondere zur Prüfung von Stromerzeugungsanlagen während des Betriebs eingesetzt. Diese Technologie wurde vor allem für die Atomindustrie weiterentwickelt, bei der die Überwachung von kritischen Elementen den Einsatz von Spitzentechnologien zur Verbesserung der Wahrscheinlichkeit der Fehlererkennung rechtfertigte. Andere Anwendungsbereiche in den ersten Jahren waren die Prüfung von langen geschmiedeten Wellen und die Komponenten von Niederdruckturbinen.
Portable und akkugetriebenen Phased-Array-Geräte erschienen in den 1990er Jahren. Die analoge Geräteauslegung erforderte Platz für die mehrkanaligen Konfigurationen, die zum Lenken des Schallbündels notwendig sind. Der Übergang zur Digitalisierungund die rasante Entwicklung von kostengünstigen eingebetteten Mikroprozessoren ermöglichten jedoch die schnelle Entwicklung der nächsten Generation von Phased-Array-Geräten. Darüber hinaus haben die Verfügbarkeit von Schwachstromkomponenten mit stromsparender Architektur und der industrieweite Einsatz von SMT-Leiterplatten zur Miniaturisierung dieser Technologie beigetragen. So entstanden Phased-Array-Geräte, bei denen Parametrierung, Datenbearbeitung, Bildanzeige und Analyse elektronisch in einem tragbaren Gehäuse möglich waren, was der Verbreitung in der Industrie die Tore öffnete. Dadurch wurden dann auch Phased-Array-Geräte für allgemeine Anwendungen häufiger.
