Focalizzazione dei fasci con sonde phased array
Dall'angolo di diffusione del fascio, può essere calcolato il diametro del fascio a qualunque distanza dalla sonda. La diffusione del fascio di una sonda phased array o rettangolare è simile a quella di una sonda focalizzata. Nel piano diffuso o attivo, il fascio può essere focalizzato elettronicamente in modo da fare convergere l'energia acustica ad una profondità voluta. Con una sonda focalizzata, il profilo del fascio può generalmente essere rappresentata da un cono affusolato (o uno zoccolo nel caso di un singolo asse di focalizzazione) che converge verso un punto focale e che in seguito diverge a un angolo costante oltre il punto focale, come descritto di seguito:
La lunghezza del campo vicino, e di conseguenza la divergenza naturale di un fascio ad ultrasuoni, è determinata dal diametro dell'apertura (uguale al diametro dell'elemento nel caso di sonde monolitiche classiche) e dalla lunghezza d'onda (velocità di propagazione dell'onda diviso al frequenza). La lunghezza del campo vicino, l'angolo di diffusione e il diametro del fascio di una sonda non focalizzata può essere calcolata nel seguente modo:
La lunghezza del campo vicino in un dato materiale definisce la profondità massima di focalizzazione del fascio ultrasonoro. La focalizzazione del fascio è impossibile oltre il campo vicino.
La sensibilità effettiva di una sonda focalizzata è influenzata dal diametro del fascio nel punto d'interesse. Minore è il diametro del fascio, maggiore sarà la quantità di energia riflessa da un difetto di dimensioni ridotte. Il diametro del fascio da -6 dB di una sonda focalizzata al punto focale può essere calcolato nel seguente modo:
In queste formule è possibile notare che l'angolo di diffusione del fascio diminuisce all'aumentare del diametro degli elementi o della frequenza. Un angolo di diffusione del fascio minore può fare aumentare la sensibilità effettiva nella zona del campo lontano, poiché l'energia del fascio si dissipa più lentamente. Nel campo vicino la focalizzazione della sonda può essere effettuata in modo da creare un fascio convergente piuttosto che divergente. La riduzione del diametro del fascio a un punto focale aumenta l'energia ultrasonora per l'unità di superficie nella zona focale. In questo modo aumenta la sensibilità a riflettori di dimensioni ridotte. Nel caso di sonde ad ultrasuoni convenzionali, è possibile in genere realizzarlo con una lente di rifrazione acustica, mentre nel caso di sonde phased array, è possibile realizzarlo elettronicamente mediante impulsi con fasatura ed effetti di formazione del fascio risultante.
Nella maggior parte dei sistemi phased array lineari e quadrati con elementi rettangolari usati comunemente, la focalizzazione del fascio è effettuata nella direzione della diffusione e la non focalizzazione nella direzione passiva. Aumentando la dimensione dell'apertura si migliora la nitidezza del fascio focalizzato, come è possibile notare nei seguenti profili del fascio. Le zone rosse corrispondono alla pressione acustica maggiore mentre le zone blu corrispondono alla pressione acustica minore.
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