Краткая история применения фазированных решеток
На протяжении первых 20 лет серийные ультразвуковые приборы использовали ограниченное количество преобразователей, а именно: одноэлементные преобразователи, в которых один пьезокристалл генерирует звуковые волны и получает эхо-сигналы; раздельно-совмещенные преобразователи с излучающим и принимающим пьезокристаллами; а также теневые системы, использующие два одноэлементных преобразователя одновременно. Эти технологии до сих пор используются в большинстве современных ультразвуковых дефектоскопов и толщиномеров. Однако, с каждым годом оборудование с ФР становится все более востребованным в области неразрушающего контроля.
Принцип усиливающего и гасящего взаимодействия волн был продемонстрирован в 1801 году английским ученым Томасом Юнгом. В его известном опыте для создания интерференционных полос использовались два источника света. Волны в фазе усиливают друг друга, волны в противофазе, напротив, гасят друг друга.
Можно контролировать взаимодействие волн путем смещения во времени фронтов волн из двух или более источников. Это называется сдвиг фазы или фазовая синхронизация. Она используется для изгибания, управления или фокусировки энергии фронта волны. В 60-х годах ученые начали разрабатывать ультразвуковые системы с фазированными решетками. В них использовались преобразователи с большим количеством излучающих элементов, которые посылали звуковые сигналы посредством управляемых интерференционных картин. В начале 70-х годов появились первые серийные медицинские диагностические системы с фазированными решётками. Они позволяли управлять звуковыми лучами и получать изображение поперечного сечения тканей организма человека.
В начале, ультразвуковые приборы с фазированной решеткой использовались, в основном, в медицине. Этому способствовал тот факт, что из-за известного состава и структуры человеческого тела приборы были относительно простыми и интерпретировать полученные изображения было достаточно легко. Промышленное же применение было гораздо более сложной задачей. Все контролируемые материалы (металлы, композиты, керамические материалы, пластики и оптоволокно) обладают разными акустическими характеристиками. Также довольно трудно учесть разную геометрию и толщину объектов, проходящих промышленные испытания. Первые промышленные системы на фазированных решетках, появившиеся в 80-х, были довольно большими по размерам. Кроме того, было необходимо пересылать полученные данные на компьютер для обработки и отображения. Эти системы использовались в основном для технического контроля в процессе эксплуатации на электростанциях. Фазированные решетки активно продвигались в атомной области, где методы технического контроля допускают применение ультрасовременных технологий для повышения вероятности обнаружения критических дефектов. Также они применялись для контроля широких кованых валов и деталей турбин низкого давления.
Переносные, работающие от батарей приборы с фазированными решетками для промышленного использования появились в 90-х. Аналоговые устройства занимали слишком много места и потребляли большое количество энергии для создания многоканальных схем для управления лучом. С приходом цифровой эры и с появлением недорогих встроенных микропроцессоров следующее поколение оборудования с фазированными решетками не заставило себя ждать. Развитие маломощных электронных компонентов, новые энергосберегающие технологии, повсеместное использование плат поверхностного монтажа — все это привело к уменьшению размеров приборов. Это привело к созданию инструментов с фазированной решеткой, которые позволили осуществлять электронную настройку параметров, обработку, отображение и анализ данных в портативном устройстве, что открыло новые возможности для применения данной технологии в промышленности. Затем, были разработаны преобразователи с фазированной решёткой (ПФР) для применения в широком спектре областей.
