¿Qué es una sonda multielemento?

Una sonda de ultrasonido multielemento (Phased Array) es una sonda (tb. transductor/palpador) de ensayo que contiene una serie de elementos cuya emisión puede ejecutarse al unísono para orientar ondas acústicas en una dirección específica. Esta permite llevar a cabo múltiples ensayos en áreas de inspección en una sola instancia.

¿Qué es una matriz?

Una matriz es una disposición organizada de grandes cantidades de un objeto. La forma más simple de una matriz Phased Array en los ensayos no destructivos es una serie de varias sondas monoelemento, colocadas para aumentar la cobertura y la velocidad de una inspección.

Usos de la sonda Phased Array

Las sondas Phased Array son usadas en varias inspecciones de END. Entre ellas destacan las siguientes:

• Inspección de tubos/tuberías, en la que múltiples sondas son usadas frecuentemente para detectar grietas, hallar defectos laminares, y medir el espesor general.
• Piezas metálicas forjadas, que a menudo requieren múltiples sondas enfocadas en diferentes profundidades para detectar pequeños defectos de manera zonal.
• Una disposición lineal de sondas a lo largo de una superficie para aumentar la detección de defectos laminares en materiales compuestos o la corrosión en metales.

Estas inspecciones requieren equipamiento ultrasónico multicanal de alta velocidad con unos emisores, receptores y una lógica de control por puertas adecuados para procesar cada canal, así como una fijación cuidadosa de cada sonda para configurar correctamente las zonas de inspección.

En su forma más simple, una sonda de ultrasonido multielemento (Phased Array) es una serie de elementos individuales dentro de un paquete. Los elementos son mucho más pequeños que en las sondas convencionales; estos elementos pueden ser impulsados para generar frentes de onda controlables en orientación. La formación del haz electrónico resultante permite programar y analizar múltiples zonas de inspección a velocidades altas desde una sola posición de sonda. Esto se explica con detalle, más adelante, en el presente tutorial,.

Características de la sonda Phased Array

Las sondas de ultrasonido multielemento (Phased Array) se clasifican por funciones en conformidad con los siguientes parámetros básicos.

Tipo: La mayoría de las sondas Phased Array presentan el tipo de haz angular, cuyo diseño es usado para suelas (zapatas) de plástico, suela (zapata) de plástico recta [de 0°] o líneas de retardo. También, hay sondas de inmersión y de contacto directo disponibles.

Frecuencia: La mayor parte de los ensayos por ultrasonido se ejecutan entre frecuencias que varían de 2 MHz a 10 MHz, por lo que la mayoría de las sondas Phased Array se encuentran dentro de ese rango. También, hay sondas de frecuencia más baja y alta. Tal y como ocurre con las sondas de ultrasonido convencional, la penetración incrementa con una frecuencia más baja mientras que la resolución y la nitidez focal incrementa con una frecuencia más alta.

Cantidad de elementos: Las sondas Phased Array por lo general tienen de 16 a 128 elementos, y algunas poseen incluso hasta 256. Una gran cantidad de elementos incrementa la capacidad de enfoque y dispersión, además de incrementar también el área de cobertura. Sin embargo, mientras más elementos hay, los costes de la sonda y la instrumentación son más elevados. Cada uno de estos elementos es emitido de forma individual para crear el frente de onda de interés. Por lo tanto, la dimensión a través de estos elementos a menudo se denomina dispersión activa o de direccionamiento.

Tamaño de los elementos: A medida que los elementos devienen más pequeños, la dispersión del haz incrementa. Sin embargo, si se cubre una amplia área se requerirán más elementos a un costo más elevado.

Por lo general, los parámetros dimensionales de una sonda de ultrasonido multielemento (Phased Array) se definen de la siguiente manera:

Los parámetros dimensionales de una sonda Phased Array se definen usualmente como...

• N = Cantidad total de elementos en una matriz
• A = Apertura total en dispersión o dirección activa
• H = Altura del elemento o elevación; dado que la dimensión es fija, se hace referencia a ella como plano pasivo.
• p = Paso, o distancia de centro a centro entre dos elementos sucesivos.
• e = Ancho de un elemento individual
• g = Espacio entre elementos activos

El software del instrumento usa esta información para generar la forma de haz deseada. Si el software de reconocimiento de sondas no la determina automáticamente, el usuario debe ingresar la información durante la configuración.

2.6 El interior de una sonda Phased Array

Las sondas Phased Array vienen en una amplia variedad de tamaños, formas, frecuencias y cantidad de elementos; pero, presentan un elemento piezoeléctrico que está dividido en varios segmentos.

Las sondas Phased Array contemporáneas, dedicadas a aplicaciones industriales de END, se elaboran por lo general con materiales piezocompuestos, formados por muchas varillas delgadas y diminutas de cerámica piezoeléctrica, que se hallan incrustadas en una matriz de polímero. Si bien pueden ser más difíciles de fabricar, las sondas compuestas ofrecen normalmente una ventaja de sensibilidad de 10 a 30 dB por encima de las sondas piezocerámicas de un diseño similar. El enchapado de metal segmentado sirve para dividir la banda compuesta en varios elementos eléctricamente separados a fin de que sea posible emitirlos de forma individual. Después, este elemento segmentado se incorpora a un montaje de sonda que se compone de un revestimiento protector correspondiente, un soporte, conexiones de cables y un recinto completo.

Tipos de configuraciones para las sondas Phased Array

La siguiente animación muestra una matriz lineal en un espacio rectangular. Ésta es una configuración común de una serie de múltiples elementos. Los múltiples elementos pueden organizarse como una matriz para otorgar más control al haz sobre una sección transversal de la superficie o, como matrices circulares, para un patrón de enfoque más esférico.

Las sondas Phased Array pueden configurarse de diversas formas: cada una de ellas detiene ventajas y desventajas. Las configuraciones Phased Array más comunes son las siguientes:

Sonda Phased Array lineal

Las sondas Phased Array lineales traen elementos dispuestos en una línea recta y representan la configuración más común en los ensayos ultrasónicos. Las sondas Phased Array lineales son fáciles de fabricar, pero requieren tener la longitud suficiente para el enfoque de profundidad.

Sondas Phased Array anulares

Tanto las sondas Phased Array anulares como las anulares segmentadas traen elementos dispuestos en anillos circulares con un centro común. Estas sondas pueden generar haces elípticos y esféricos con capacidades de dispersión en diferentes profundidades. Sin embargo, su fabricación es difícil debido a su complejo diseño.

Sondas Phased Array convexas

Las sondas Phased Array convexas, también denominadas sondas Phased Array curvilíneas o curvadas, traen elementos dispuestos en línea arqueada. Estas sondas son buenas para ensayos de profundidad, pero la resolución de la imagen puede reducirse a medida que la profundidad incrementa.

Sondas Phased Array cuadradas

Las sondas Phased Array cuadradas traen elementos dispuestos en un patrón cuadrado. Si bien este patrón proporciona excelentes capacidades de dispersión, el diseño complejo dificulta la fabricación de estas sondas.

Sondas Phased Array circulares

Las sondas Phased Array circulares traen elementos dispuestos en un anillo circular, pero sin un centro común. Estas proporcionan una excelente capacidad de dispersión en varías profundidades, en especial cuando se tratan de objetos curvos. Sin embargo, el diseño complejo de estas sondas dificulta su fabricación.