Fokussierung mit Phased-Array-Sensoren

Mit dem Winkel der Schallbündelausbreitung kann in jedem Abstand vom Sensor der Schallbündeldurchmesser berechnet werden. Bei rechteckigen oder quadratischen Sensoren ist die Schallbündelausbreitung in der passiven Ebene genauso wie die eines nicht fokussierten Prüfkopfs. In der Schwenkebene (oder aktiven Ebene) kann das Schallbündel elektronisch so fokussiert werden, dass die akustische Energie in der gewünschten Tiefe konvergiert. Mit einem fokussierten Sensor kann man sich das Schallbündelprofil als Kegel (oder Keil bei Fokussierung nur einer Achsrichtung) vorstellen, der im Fokuspunkt konvergiert und sich dann im gleichen Winkel nach dem Fokuspunkt wieder ausbreitet, wie im Folgenden gezeigt:

Die Nahfeldlänge und folglich die natürliche Divergenz des Ultraschallbündels werden bestimmt durch die Apertur (entspricht dem Elementdurchmesser von Schallköpfen für konventionellen Ultraschall mit Einzelelement) und die Wellenlänge (Wellengeschwindigkeit dividiert durch die Frequenz). Für einen nicht fokussierten Sensor werden Nahfeldlänge, Winkel der Schallbündelausbreitung und der Schallbündeldurchmesser wie folgt berechnet:

Die Nahfeldlänge in einem gegebenen Werkstoff definiert die maximale Tiefe in der das Schallbündel fokussieren kann. Nach dem Nahfeld kann das Schallbündel keinen Fokus bilden.

Die effektive Empfindlichkeit eines Sensors wird beeinflusst vom Schallbündeldurchmesser im betrachteten Punkt. Je kleiner der Schallbündeldurchmesser, desto höher ist die Energiemenge, die von einem kleinen Fehler zurückreflektiert wird. Der Durchmesser oder die Breite des Schallbündels eines fokussierten Sensors im Fokuspunkt bei -6 dB wird wie folgt berechnet:

Aus diesen Formeln ist ersichtlich, dass bei zunehmender Elementgröße und Frequenz der Winkel der Schallbündelausbreitung abnimmt. Ein kleinerer Winkel der Schallausbreitung bewirkt wiederum eine höhere effektive Empfindlichkeit im Fernfeldbereich, da die Schallbündelenergie sich langsamer zerstreut. Innerhalb des Nahfelds kann ein Sensor so fokussiert werden, dass das erzeugte Schallbündel konvergiert, statt divergiert. Die Verkleinerung des Schallbündeldurchmessers oder der Schallbündelbreite zu einem Fokuspunkt erhöht im Fokusbereich die Schallenergie pro Oberflächeneinheit und so auch die Empfindlichkeit für kleine Reflektoren. Schallköpfe für konventionellen Ultraschall erreichen dies meist mit einer reaktiven Schalllinse, wohingegen Phased-Array-Sensoren es durch die Phasenverschiebung der Impulserregung und die dadurch entstehenden Möglichkeiten der Schallbündelgestaltung erreichen.

Bei den üblichsten Linien-Arrays mit rechteckigen Elementen ist das Schallbündel in der Schwenkrichtung fokussiert, in der passiven Richtung nicht fokussiert. Mit größerer Apertur wird der Fokus des Schallbündels schärfer, wie an diesen Schallbündelprofilen zu sehen ist. Die roten Bereiche entsprechen dem höchsten Schalldruck und die blauen Bereiche dem niedrigem Schalldruck.

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