Wiązkę dźwięku można skręcać elektronicznie bez obracania głośnika
Jeśli zamiast jednego przetwornika użyjemy wielu i precyzyjnie opóźnimy sygnał każdego z nich, maksimum fali można skierować pod wybranym kątem bez mechanicznego obracania całego urządzenia. To tzw. sterowanie fazowe lub opóźnieniowe w macierzy. Fale z poszczególnych elementów docierają wtedy w fazie w żądanym kierunku i wzmacniają się, a w innych kierunkach częściowo się wygaszają. Zasada jest wykorzystywana między innymi w sonarach oraz medycznych głowicach ultradźwiękowych, gdzie pozwala szybko przesuwać i skupiać wiązkę wewnątrz ciała.
Kierunek powstaje z różnicy czasu
Wyobraźmy sobie rząd identycznych źródeł. Jeśli wszystkie zaczynają drgać równocześnie, ich fale tworzą maksimum mniej więcej prostopadle do macierzy, zależnie od geometrii. Jeśli jednak każdy kolejny element dostanie sygnał nieco później, czoła fal będą przesunięte. W jednym ukośnym kierunku różnica drogi do odległego punktu dokładnie skompensuje narzucone opóźnienie. Fale dotrą tam w fazie i dodadzą się konstruktywnie. Ta geometryczna zależność zamienia nanosekundowe lub mikrosekundowe różnice czasu w zmianę kierunku wiązki.
To nie jest pojedynczy promień
Rzeczywista macierz wytwarza przestrzenny wzór promieniowania z główną wiązką i listkami bocznymi. Ich położenie i poziom zależą od liczby elementów, ich rozstawu, częstotliwości oraz sposobu sterowania amplitudą i fazą. Jeśli elementy są zbyt daleko od siebie w stosunku do długości fali, mogą pojawić się niepożądane dodatkowe maksima zwane grating lobes. Dlatego projekt macierzy jest kompromisem pomiędzy rozmiarem, pasmem, szerokością wiązki i złożonością elektroniki.
W ultrasonografii steruje się także ogniskiem
W głowicy medycznej opóźnienia można dobrać nie tylko po to, by wysłać falę pod kątem, ale również tak, by fale z wielu elementów spotkały się w określonej głębokości. Powstaje elektroniczne ognisko. Podczas odbioru podobna matematyka jest stosowana w drugą stronę: sygnały z elementów są odpowiednio przesuwane i sumowane, aby zwiększyć czułość na echo z wybranego kierunku i głębokości. Dzięki temu nieruchoma głowica może skanować znaczną część obrazu bez mechanicznego wachlowania pojedynczym nadajnikiem.
Ta sama idea wykracza daleko poza akustykę
Sterowanie wiązką przez fazę jest zasadą ogólnofalową. W antenach radiowych phased array fazę wielu emiterów ustawia się tak, by kierować promieniowanie elektromagnetyczne; w optyce istnieją analogiczne układy fazowane. Różnią się elementy wykonawcze i skale, ale matematyczny rdzeń pozostaje ten sam: kontrolując relacje fazowe wielu źródeł, projektujemy interferencję zamiast obracać całe urządzenie.
Odbiór można kierować tak samo jak nadawanie
Macierz mikrofonów lub elementów ultradźwiękowych może stosować opóźnienia po odebraniu sygnału. Echo z wybranego kierunku pojawia się na elementach w przewidywalnych chwilach; po ich cyfrowym wyrównaniu sumuje się konstruktywnie, a sygnały z innych kierunków są mniej zgodne. Zasada wzajemności sprawia, że geometria wiązki nadawczej i odbiorczej jest ściśle powiązana. W ultrasonografie ten sam zestaw elementów może więc najpierw wysłać skupiony impuls, a chwilę później „nasłuchiwać” kolejnych kierunków i głębokości.
Rozstaw elementów musi pasować do najkrótszej fali
Jeżeli sąsiednie emitery są rozmieszczone zbyt szeroko w stosunku do długości fali, różne kierunki mogą dawać takie same różnice fazy między elementami. Pojawiają się wtedy dodatkowe silne wiązki — grating lobes — które mogą tworzyć fałszywe echa lub wysyłać energię poza cel. Dlatego wysokoczęstotliwościowe macierze wymagają małego rozstawu elementów i precyzyjnej produkcji. Elektroniczne sterowanie nie znosi praw dyfrakcji; wykorzystuje je, a geometria próbkowania przestrzennego wyznacza jego granice.
Dynamiczne ogniskowanie może śledzić echo w czasie
Po wysłaniu impulsu echo z płytkich struktur wraca wcześniej niż z głębokich. Aparat może więc zmieniać zestaw opóźnień odbiorczych w miarę upływu mikrosekund, przesuwając efektywne ognisko coraz głębiej. Nazywa się to dynamicznym ogniskowaniem odbiorczym. Jedno wystrzelenie impulsu może dzięki temu dać dobrą rozdzielczość w szerokim zakresie głębokości bez mechanicznego przesuwania elementów.