Introduzione generale all'ispezione ad ultrasuoni

Molti tecnici hanno dimestichezza con le applicazioni mediche di imaging a ultrasuoni, nelle quali le onde sonore a alta frequenza sono usate per creare delle immagini di sezioni trasversali con elevato dettaglio di organi interni. Le ecografie sono in genere realizzate con trasduttori multielemento specializzati, conosciuti come trasduttori phased array, con i rispettivi hardware e software. Tuttavia le applicazioni della tecnologia ad ultrasuoni phased array non si limitano alla diagnostica medica. I sistemi Phased Array vengono inoltre usati nell'ambito industriale per fornire dei nuovi livelli di informazione e visualizzazione nei comuni controlli non distruttivi ad ultrasuoni che includono: ispezione di saldature, controlli di materiali compositi, mappatura degli spessori e rilevamento di cricche in componenti in servizio. Continua a leggere per scoprire le differenze tra controlli NDT phased array e controlli ad ultrasuoni convenzionali.

1. Cosa sono gli ultrasuoni Phased Array?

Le sonde ad ultrasuoni convenzionali per i controlli non distruttivi comprendono generalmente un solo elemento attivo che trasmette e riceve le onde sonore ad alta frequenza oppure due elementi accoppiati, uno per trasmettere e uno per ricevere. Invece le sonde Phased Array in genere consistono in un trasduttore che contiene da 16 a 256 singoli elementi in grado di trasmettere separatamente. Questi possono essere disposti su una matrice lineare (array lineare), anulare (array anulare), circolare o di forma più complessa.

Come nel caso dei trasduttori convenzionali, le sonde phased array possono essere progettate per un utilizzo a contatto diretto, nell'ambito di un sistema a fasci angolari con uno zoccolo, oppure per un utilizzo a immersione con un accoppiamento sonoro mediante un percorso d'acqua. Le frequenze dei trasduttori sono in genere comprese tra 2 MHZ e 10 MHz. Un sistema phased array include inoltre un sofisticato dispositivo basato su computer in grado di: gestire le sonde multielemento; ricevere e digitalizzare gli echi di ritorno; tracciare le informazioni relative agli echi in diversi formati standard. Diversamente dai rilevatori di difetti convenzionali, i sistemi phased array possono trasmettere un fascio sonoro a diversi angoli rifratti o lungo un percorso lineare e possono focalizzare dinamicamente a diverse profondità. Per questi motivi i sistemi phased array possono incrementare la flessibilità e l'efficacia delle configurazioni di ispezione.

Tipico gruppo sonda phased array

Tipica strutture multielemento

2. Come funzionano i sistemi Phased Array?

In termini semplici un sistema phased array si avvale del principio fisico di fasatura relativo alle onde. Questo comporta la variazione temporale tra una serie di impulsi ultrasonori in modo che i singoli fronti d'onda generati da ogni elemento nell'array si combinano per aggiungere o sottrarre energia con modalità prevedibili, così da orientare e definire la forma del fascio sonoro.

Questo viene realizzato attraverso la trasmissione dei singoli elementi della sonda con leggere variazioni di tempo. Spesso gli elementi trasmettono in gruppi da 4 a 32 per migliorare la sensibilità effettiva aumentando l'apertura. Questo riduce la diffusione di fasci indesiderati e permette una focalizzazione più precisa. Un software calcolatore delle leggi focali fissa i tempi di ritardo specifici per la trasmissione di ogni gruppo di elementi in modo da generare la forma del fascio desiderata, in funzione delle caratteristiche della sonda e dello zoccolo, oltre alla forma e le proprietà acustiche della componente ispezionata. La sequenza di trasmissione programmata selezionata dal software operativo dello strumento permette la generazione di un certo numero di singoli fronti d'onda in una componente sottoposta ad ispezione. Questi fronti d'onda si combinano in maniera costruttiva e distruttiva in un singolo fronte d'onda principale che attraversa la componente ispezionata e si riflette su cricche, discontinuità, pareti e altre interfacce, allo stesso modo delle onde ad ultrasuoni convenzionali. Il fascio può essere orientato dinamicamente con diversi angoli, distanze focali e dimensioni del punto focale, in modo che una sola sonda sia in grado d'ispezionare una componente da diversi punti di vista. Questa orientazione del fascio è molto veloce, pertanto la scansione a diverse angolazioni o profondità focali può essere realizzata in una frazione di secondo.

Gli echi di ritorno vengono rilevati dai differenti elementi o gruppi di elementi, i tempi vengono variati in base alle necessità per compensare i diversi ritardi dello zoccolo, infine vengono addizionati. Contrariamente ai trasduttori a singolo elemento ad ultrasuoni convenzionali che combinano gli effetti di tutte le componenti del fascio che colpiscono la loro superficie, i trasduttori phased array possono scomporre il fronte di onde di ritorno in base al momento di arrivo e all'ampiezza di ogni elemento. Durante l'elaborazione del software dello strumento, ogni legge focale di ritorno rappresenta la riflessione da una componente specifica dell'angolo del fascio, un punto specifico sul percorso lineare o una riflessione da una specifica profondità focale. L'informazione sugli echi può essere in seguito visualizzata in diversi formati standard.

Esempio di fascio angolare generato da una sonda piana attraverso un ritardo variabile

Esempio di fascio di scansione lineare focalizzato

3. Aspetto delle immagini

Nelle più comuni applicazioni di rilevamento di difetti e di misura di spessori, i dati relativi ai controlli ad ultrasuoni sono basati sulle informazioni di tempo e ampiezza derivate dalle forme d'onda RF elaborate. Queste forme d'onda e le relative informazioni estratte vengono presentate in uno o più dei seguenti formati: A-scan, B-scan, C-scan o S-scan. Questa sezione mostra alcuni esempi di presentazioni di immagini di rilevatori di difetti convenzionali e di sistemi phased array.

4. Schermate A-scan

Un A-scan è una semplice presentazione di forma d'onda illustrante il tempo e l'ampiezza di un segnale ultrasonoro, come in genere prodotto da rilevatori di difetti ad ultrasuoni e misuratori di spessori con visualizzazione della forma d'onda. Una forma d'onda A-scan rappresenta i riflessi da una posizione del fascio sonoro nella componente da ispezionare. Il seguente A-scan di rilevatore di difetti mostra gli echi da due fori SDH (side-drilled hole) in un blocco di riferimento in acciaio. Il fascio sonoro colonnare prodotto da un comune trasduttore a contatto a singolo elemento intercetta due dei tre fori e genera due distinti riflessi in diversi tempi che risultano proporzionali alla profondità dei fori.

Profilo del fascio generalizzato	Immagine A-scan di fascio dritto

Un trasduttore a fasci angolari a singolo elemento usato con un rilevatore di difetti convenzionale genererà un fascio lungo un percorso angolare. Sebbene l'effetto di diffusione dei fasci causa un incremento del diametro dei fasci all'aumento della distanza, l'area di copertura di un campo visivo di un fascio angolare convenzionale sarà essenzialmente ancora limitato da un percorso angolare. Nel seguente esempio uno zoccolo a 45° in una posizione fissa è in grado di rilevare due dei fori SDH nel blocco di riferimento in quanto rientrano nel suo fascio, tuttavia non è possibile rilevare il terzo senza muovere il trasduttore in avanti.

Profilo del fascio generalizzato	Immagine dell'A-scan del fascio angolare

Un sistema phased array visualizza delle simili forme d'onda A-scan, tuttavia nella maggior parte dei casi saranno integrati da B-scan, C-scan o S-scan come illustrato precedentemente. Questi formati di imaging standard facilitano la visualizzazione del tipo e della posizione dei difetti in una componente da ispezionare.

5. Schermate B-scan

Un B-scan è un'immagine che illustra un profilo a sezione trasversale attraverso una porzione verticale della componente da ispezionare, mostrando la profondità dei riflettori in rapporto alla loro posizione lineare. L'immagine B-scan richiede che il fascio sonoro sia scansionato lungo l'asse selezionato della componente da ispezionare, meccanicamente o elettronicamente, mentre acquisisce i dati rilevanti. Nel caso riportato di seguito, il B-scan mostra due riflettori ad una certa profondità e un riflettore ad una maggior profondità corrispondenti alle posizioni dei fori SDH nel blocco di taratura. Con un rilevatore di difetti convenzionale, il trasduttore deve essere spostato lateralmente lungo la componente da ispezionare.

Profilo del fascio generalizzato	Tipica immagine B-scan con illustrazione della profondità del foro

Invece un sistema phased array si avvale della scansione elettronica lungo una sonda lineare array per creare allo stesso modo un profilo a sezione trasversale, senza spostare il trasduttore:

Immagine a scansione lineare elettronica (B-scan) con illustrazione della relativa posizione e profondità del foro lungo la lunghezza dell'array lineare

6. Schermate C-scan

Il C-scan è una rappresentazione bidimensionale di dati visualizzata come una vista superiore o planare della componente da ispezionare. Come aspetto grafico è simile a un'immagine radiologica dove il colore rappresenta l'ampiezza o la profondità del segnale nel gate in tutti i punti della componente da ispezionare mappati in riferimento alla propria posizione XY. Con gli strumenti convenzionali, il trasduttore a singolo elemento deve essere spostato in uno schema di scansione matriciale XY sulla componente da ispezionare. Con i sistemi phased array la sonda viene in genere spostata fisicamente lungo un asse mentre il fascio scansiona elettronicamente lungo l'altro asse. Gli encoder vengono in genere usati ogni volta che si deve mantenere una corrispondenza geometrica precisa dell'immagine di scansione della componente da ispezionare. Tuttavia le scansioni manuali senza encoder possono fornire delle informazioni utili in numerose situazioni.

Le immagini che seguono mostrano dei C-scan di un blocco di riferimento con un sistema di scansione a immersione convenzionale con un trasduttore a immersione focalizzato e un sistema phased array portatile che utilizza uno scanner manuale con encoder e un array lineare. Sebbene la risoluzione grafica non sia completamente equivalente, è necessario fare altre considerazioni. I sistemi phased array sono portatili (i sistemi ad ultrasuoni convenzionali non lo sono) e costano circa un terzo. Inoltre le immagini phased array vengono generate in pochi secondi mentre sono necessari diversi minuti per effettuare le scansioni ad immersioni con ultrasuoni convenzionali.

Profilo del fascio generalizzato e direzione di movimento	Immagine C-scan convenzionale con illustrazione della posizione del foro

Profilo del fascio generalizzato e direzione di movimento	Immagine C-scan phased array con illustrazione della posizione del foro

7. Schermate S-scan

Un'immagien S-scan o una scansione settoriale rappresenta una vista sezione trasversale bidimensionale derivata da una serie di A-scan che sono stati creati in funzione del ritardo temporale e l'angolo rifratto. L'asse orizzontale corrisponde all'ampiezza della componente da ispezionare mentre l'asse verticale corrisponde alla profondità. Questo rappresenta il formato più comune per le ecografie e per le immagini phased array industriali. Il fascio sonoro viene trasmesso a diversi angoli per generare un'immagine a sezione trasversale approssimativamente coniforme. Notare che in questo esempio, trasmettendo il fascio la sonda phased array è in grado di mappare tutti e tre i fori da una sola posizione del trasduttore.

A-scan di una singola componente angolare (a sinistra) e scansione settoriale composta (a destra). Il cursore con l'indicazione di 49 gradi identifica la posizione angolare dell'A-scan visualizzato.

In quali settori vengono usati i sistemi Phased Array?

I sistemi phased array possono potenzialmente essere usati per tutti i tipi d'ispezione effettuate tradizionalmente mediante rilevatori di difetti ad ultrasuoni convenzionali. L'ispezione di saldature e il rilevamento di cricche sono le applicazioni più importanti. Questi tipi di ispezioni vengono eseguite in numerosi settori come quello aerospaziale, della produzione energetica, petrolchimico, di billette e tubazioni in metallo, della manifattura e manutenzione di tubazioni, della carpenteria metallica e della manifattura in generale. La tecnologia phased array può inoltre essere impiegata alla verifica efficace dello spessore residuo della parete nelle applicazioni di controllo della corrosione.

I vantaggi della tecnologia phased array in confronto a quella degli ultrasuoni convenzionali derivano dalla possibilità di poter usare diversi elementi assemblati in una sola sonda per orientare, focalizzare e scansionare i fasci. L'orientazione dei fasci, denominata in genere scansione settoriale, può essere usata per mappare le componenti ad un angolazione ottimale. In questo modo è possibile semplificare l'ispezione delle componenti con forme complesse. Il design compatto della sonda e la capacità di scansionare il fascio senza muovere la sonda permettono di facilitare l'ispezione di queste componenti quando l'accesso limitato alla componente rende difficile la scansione meccanica. La scansione settoriale è inoltre usata comunemente per l'ispezione di saldature. La possibilità d'ispezionare le saldature a differenti angoli con una singola sonda aumenta considerevolmente le probabilità di rilevamento delle anomalie. La focalizzazione elettronica permette di ottimizzare la forma e la dimensione del fascio nella posizione dove è possibile la presenza di un difetto e consente di migliorare la probabilità di rilevamento. La possibilità di focalizzare a diverse profondità migliorano inoltre la capacità di misurare i difetti critici durante le ispezioni volumetriche. La focalizzazione può migliorare significativamente il rapporto segnale-rumore nelle applicazioni complesse e la scansione elettronica di numerosi gruppi di elementi permette di produrre molto velocemente dei C-scan.

Maggior informazioni sulla tecnologia e gli strumenti phased array sono disponibili da Evident. Contattateci per maggior informazioni.