Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS
Im Bereich der zerstörungsfreien Ultraschallprüfung werden je nach Anwendung verschiedene Prüfköpfe eingesetzt. Diese basieren auf Einelement- oder Mehrkanaltechnik. Prüfköpfe mit nur einem Element besitzen einen konstanten Fokusbereich, der vom gewählten Design abhängig ist. Ist mehr Flexibilität in der Prüfung gefordert, werden Phased-Array-Prüfköpfe mit mehreren Elementen genutzt. Durch die gezielte verzögerte Anregung der Einzelelemente kann die sich ausbildende Wellenfront geschwenkt bzw. auf einen beliebigen Punkt im Prüfobjekt fokussiert werden. Man unterscheidet Linien-Arrays, die in einer Ebene senkrecht zur aktiven Apertur fokussieren und Matrix-Arrays, die innerhalb des gesamten Volumens fokussieren können.
Biplanar-Arrays kombinieren die niedrigen Kosten des einfachen Prüfkopfbaus mit der Flexibilität herkömmlicher Matrix-Arrays.
Aufbau eines Biplanar-Arrays
Das Biplanar-Array besteht aus einem piezoelektrischen Wandler mit einer konventionellen Linienstruktur der Elektroden auf der Oberseite. Zusätzlich ist der Wandler mit einer um 90° gedrehten Linienstruktur auf der Unterseite ausgestattet.
Modellierung des Schallfelds
Für die Berechnung des Schallfelds eines Biplanar-Arrays müssen sowohl die Anregung eines einzelnen Linienelements als auch die Anregung eines quadratischen Kreuzungspunkts betrachtet werden. Mit diesen grundlegenden Schallfeldern können alle anderen Konfigurationen über das Superpositionsprinzip abgeleitet werden. Für die Berechnungen wird die am Fraunhofer IKTS entwickelte numerische CEFIT-PSS-Technik verwendet, eine hybride Methode, die die Simulation von raumzeitlichen Wellenfeldern inklusive aller relevanten physikalischen Welleneffekte ermöglicht.
Arbeitsweise eines Biplanar-Arrays
In der konventionellen Betriebsweise bietet das Biplanar-Array die Möglichkeit, das Schallfeld in zwei Ebenen zu schwenken und zu fokussieren. Zusätzlich ist ein 3D-Modus möglich, bei dem ausgewählte Elektrodenstreifen auf der Ober- und Unterseite des Wandlers angeregt werden. Dazu kann die elektrische Belegung der Elektroden dynamisch verändert werden. Verglichen mit einem vollständig kontaktierten Matrix-Array benötigt das Biplanar-Array eine bedeutend geringere Anzahl an Elementen. So werden nur N bzw. 2N unabhängige elektrische Kanäle anstatt N x N Kanälen benötigt. Das reduziert die technischen Anforderungen an die zu nutzende Ultraschall-Hardware und damit auch die Herstellungskosten deutlich.