Presentación general de la inspección ultrasónica

Muchas personas están familiarizadas con las aplicaciones médicas de la imaginería ultrasónica, la cual usa ondas acústicas de alta frecuencia para generar una representación transversal dotada de mucha información sobre los órganos internos. El ultrasonido médico se usa por lo general con sondas multielementos especializadas, más conocidas como transductores de arreglo de fases (phased array), más el hardware y el software auxiliares. Sin embargo, las aplicaciones de la tecnología ultrasónica a través de transductores de arreglo de fases no se limitan al diagnóstico médico. Los sistemas de arreglo de fase o multielementos también pueden ser usados en entornos industriales para proporcionar otros niveles de información y visualización a través de ensayos ultrasónicos no destructivos, como la inspección de soldaduras, los controles de adhesión, el perfilado de espesor y la detección de grietas en servicio. Continue su lectura para conocer la diferencia entre las inspecciones de END por ultrasonido multielemento (Phased Array) y los ensayos ultrasónicos tradicionales.

1. ¿Qué es un ultrasonido multielemento (Phased Array)?

Los transductores ultrasónicos convencionales, dedicados a los ensayos no destructivos (END), por lo general se componen de un solo elemento activo que genera y recibe ondas sonoras de alta frecuencia, o dos elementos relacionados: uno de emisión y otro de recepción. Por otro lado, las sondas de ultrasonido multielemento o Phased Array consisten normalmente en un montaje de transductores que contiene desde 16 hasta 256 elementos pequeños, ubicados de forma individual y con una capacidad de emisión por separado. Estos pueden estar ordenados a modo de tira (secuencia lineal), anillo (secuencia anular), matriz circular (secuencia circular) u otro más complejo.

Al igual que los transductores convencionales, las sondas de ultrasonido multielemento o Phased Array pueden dedicarse a un uso de contacto directo, por medio de un montaje de haz angular con una suela (zapata), o para un uso de inmersión con acoplamiento acústico a través de una salida de agua. Las frecuencias de los transductores se encuentran comúnmente en el rango de 2 MHz a 10 MHz. Un sistema de ultrasonido multielemento o Phased Array también se compone de un sofisticado instrumento basado en PC que puede controlar la sonda Phased Array, recibir y digitalizar los ecos que regresan, y representar esa información de ecos en varios formatos estándar. A diferencia de los detectores de defectos convencionales, los sistemas Phased Array pueden barrer/escanear electrónicamente un haz ultrasónico a través de un rango de ángulos refractados o a lo largo de una trayectoria lineal, o también enfocarse dinámicamente en distintas y múltiples profundidades. Por estas razones, los sistemas de ultrasonido multielemento o Phased Array pueden potenciar tanto el nivel de flexibilidad como de capacidad en las configuraciones de inspección.

Montajes típicos de sondas Phased Array

Estructura típica multielemento

2. ¿Cómo funcionan los sistemas de ultrasonido multielemento o Phased Array?

En su noción más básica, el sistema de ultrasonido multielemento o Phased Array usa los principios físicos de las ondas puestas en fase. Es decir que varía el tiempo entre una serie de impulsos ultrasónicos salientes de tal manera que los frentes de ondas, generados por cada elemento de la matriz de forma individual, se ven combinados entre sí para agregar o eliminar energía de manera previsible a fin de dirigir y dar forma al haz acústico (o de sonido).

Esto se lleva a cabo a través de la emisión de cada elemento presente en la sonda entre tiempos ligeramente diferentes. Por lo general, los elementos serán impulsados en grupos de 4 a 32 para mejorar la sensibilidad efectiva al aumentar la apertura, lo que reduce la dispersión no deseada del haz y permite un enfoque más nítido. El software, denominado calculador de ley focal, establece tiempos de retardo específicos para accionar cada grupo de elementos con el fin de generar la forma de haz deseada, en función de las características de la sonda y la suela (zapata), así como de la geometría y las propiedades acústicas del material bajo ensayo. La secuencia de impulsos programada por el software operativo del instrumento emite una serie de frentes de onda individuales en el material bajo ensayo. Estos frentes de onda se combinan de forma constructiva y destructiva en un único frente de onda primario, lo que permite que viajen a través del material de ensayo y se reflejen en grietas, discontinuidades, paredes de fondo y otros límites de material como cualquier onda ultrasónica convencional. El haz puede ser orientado de forma dinámica a través de varios ángulos, distancias focales y tamaños de puntos focales de tal manera que un sólo montaje de sonda es capaz de examinar el material de ensayo a través de una variedad de perspectivas diferentes. Esta orientación del haz se produce rápidamente, de modo que puede llevarse a cabo un escaneo a partir de múltiples ángulos o múltiples profundidades focales en una fracción de segundo.

Los ecos de retorno son recibidos por los diversos elementos o grupos de elementos; se modifican en el tiempo según sea necesario para compensar los retardos de suela (zapata) variables y se adicionan. A diferencia de una sonda monoelemento convencional, que fusiona los efectos de todos los componentes del haz en contacto con su área, una sonda Phased Array puede clasificar espacialmente el frente de onda de retorno según el tiempo de llegada y la amplitud en cada elemento. En el procesamiento del software, cada ley focal de regreso representa la reflexión de un componente angular particular del haz, un punto particular a lo largo de una trayectoria lineal o una reflexión de una profundidad focal particular. La información del eco puede mostrarse en diferentes formatos.

Ejemplo de un haz angulado generado por una sonda mediante un retardo variable

Ejemplo de haz de escaneo lineal focalizado

3. ¿Cómo se visualizan las representaciones?

En la mayoría de las aplicaciones comunes de detección de defectos y medición de espesores, los datos generados a partir del ensayo ultrasónico se basarán en la información de tiempo y amplitud que deriva de las formas de onda de radiofrecuencia (RF) procesadas. Estas formas de onda y la información extraída a partir ellas se representarán comúnmente en uno o más de cuatro formatos: A-scan, B-scan, C-scan o S-scan. Esta sección muestra algunos ejemplos de representaciones provenientes tanto de detectores de defectos convencionales como de sistemas de ultrasonido multielemento o Phased Array.

4. Representación A-scan

Un A-scan es una representación simple de la forma de onda de RF que muestra el tiempo y la amplitud de una señal ultrasónica, tal cual es mostrada comúnmente por los detectores de defectos ultrasónicos convencionales y los medidores de espesores con pantalla de forma de onda (A-scan). Un A-scan o forma de onda representa las reflexiones provenientes desde una posición del haz acústico en la pieza bajo ensayo. El A-scan de un detector de defectos, mostrado a continuación, revela los ecos de dos taladros (perforaciones) laterales en un bloque de referencia hecho de acero. El haz acústico columnar, generado por una sonda monoelemento común de contacto, intercepta dos de los tres taladros y genera dos reflexiones distintas en distintos tiempos proporcionales a la profundidad de los taladros.

Perfil propagado del haz	Representación A-scan de haz recto

Una sonda monoelemento de haz angular, empleada con un detector de defectos convencional, generará un haz a lo largo de una trayectoria angular. Si bien los efectos de dispersión del haz hacen que el diámetro de este último aumente con la distancia, el área de cobertura o el campo visual de un haz angular convencional se limitará básicamente a una trayectoria angular. En el siguiente ejemplo, una suela (zapata) de 45 grados en posición fija detecta dos taladros laterales en el bloque de ensayo, ya que estos últimos se hallan en la trayectoria del haz; sin embargo, no es posible detectar el tercero sin optar por el desplazamiento de la sonda hacia adelante.

Perfil propagado del haz	Representación A-scan de haz angular

Un sistema de ultrasonido multielemento o Phased Array mostrará formas de onda (A-scan) similares como referencia; pero, en la mayoría de los casos, estas se complementarán con las representaciones B-scan, C-scan, o S-scan que se ven a continuación. Estos formatos estándar de representaciones permiten que el operador visualice el tipo y la posición de los defectos en una pieza de bajo ensayo.

5. Representaciones B-scan

Un B-scan es una representación que exhibe el perfil transversal por un seccionamiento vertical de la pieza bajo ensayo, y muestra la profundidad de los reflectores con respecto a su posición lineal. El procesamiento de imágenes para la representación B-scan requiere que el haz acústico sea escaneado —de forma mecánica o electrónica— a lo largo del eje seleccionado de la pieza bajo ensayo a la vez que adquiere datos relevantes. En el siguiente caso, la representación B-sca muestra dos reflectores de profundidad y un reflector más superficial que corresponde a las posiciones de los taladros (perforaciones) en el bloque de calibración. En el caso de un detector de defectos convencional, la sonda debe moverse lateralmente a través de la pieza bajo ensayo.

Perfil propagado del haz	Representación B-scan típica que muestra la profundidad relativa del taladro

En cambio, con un sistema Phased Array, puede usarse un escaneo electrónico a lo largo de la longitud de la sonda de matriz lineal para crear en igual medida un perfil transversal sin desplazar la sonda:

Representación de escaneo lineal electrónico (B-scan) que muestra la posición relativa del taladro (perforación) y la profundidad a lo largo de una matriz lineal

6. Representaciones C-scan

Un C-scan es una representación visual bidimensional de datos proyectados como una vista superior o plana de una pieza bajo ensayo. Presenta una similitud a nivel de la perspectiva gráfica con una imagen de rayos X, en donde los colores representan la amplitud de la señal controlada en cada punto de la pieza bajo ensayo mapeada hasta su posición. Con los instrumentos convencionales, la sonda monoelemento debe desplazarse siguiendo un patrón de escaneo de trama X-Y sobre la pieza bajo ensayo. Pero con los sistemas Phased Array, la sonda física se desplaza por lo general a lo largo de un eje mientras que el haz escanea electrónicamente otro. Normalmente, se usan codificadores siempre que se deba mantener una correspondencia geométrica precisa de la imagen escaneada con la pieza, aunque en muchos casos los escaneos manuales no codificados también pueden proporcionar información útil.

Las imágenes a continuación muestran representaciones C-scan de un bloque de referencia, generadas por un sistema de escaneo de inmersión convencional con una sonda de inmersión focalizada y por un sistema Phased Array portátil que usa un escáner manual codificado y una sonda de matriz lineal. Si bien la resolución gráfica no es completamente igual, existen otras consideraciones. El sistema de ultrasonido multielemento (Phased Array) presenta una configuración portátil para campo, a diferencia del convencional, y cuesta aproximadamente un tercio del precio. Además, la representación Phased Array se generó en unos pocos segundos, mientras que el escaneo de inmersión convencional tomó varios minutos.

Perfil propagado de haz y orientación del desplazamiento	Representación C-scan convencional que muestra la posición del taladro (perforación)

Perfil propagado de haz y orientación del desplazamiento	Representación Phased Array que muestra la posición del taladro (perforación)

7. Representaciones S-scan

Una representación S-scan o de escaneo sectorial presenta una vista transversal bidimensional derivada de una serie de A-scan representados con respecto al retardo de tiempo y al ángulo de refracción. El eje horizontal corresponde al ancho de la pieza y el eje vertical a la profundidad de esta misma. Este es el formato más común en las ecografías médicas, así como en las representaciones industriales de ultrasonido multielemento (Phased Array). El haz acústico se propaga a través de una serie de ángulos para generar una imagen transversal como en forma de cono. En el siguiente ejemplo, cabe señalar que, al escanear el haz, la sonda puede mapear los tres taladros desde una sola posición.

[Izq.] A-scan de un solo componente angular y [dcha.] escaneo sectorial compuesto. El cursor de 49 grados identifica la ubicación angular en el A-scan mostrado.

¿En qué se usan los sistemas Phased Array?

Los sistemas por ultrasonido multielemento o Phased Array pueden emplearse de forma potencial en casi cualquier prueba/ensayo en la que tradicionalmente se hayan empleado detectores de defectos por ultrasonido convencional. La inspección de soldaduras y la detección de grietas son las aplicaciones más importantes. Estas pruebas/ensayos se llevan a cabo en una amplia gama de sectores industriales, como el aeroespacial, de generación de energía, petroquímico, suministro de productos tubulares y palanquillas metálicas, construcción y mantenimiento de tuberías, metales estructurales y fabricación en general. Los ensayos Phased Array también pueden aprovecharse de manera efectiva para monitorizar el espesor de pared restante en aplicaciones de inspección de corrosión.

Los beneficios de la tecnología de ultrasonido multielemento (Phased Array) en comparación con el ultrasonido convencional (UT) provienen de su capacidad para albergar múltiples elementos a fin de orientar, enfocar y escanear los haces con un solo montaje de sonda. La dirección del haz, comúnmente referida al escaneo sectorial, puede ser usada para mapear los componentes en los ángulos apropiados. Esto puede simplificar enormemente la inspección de componentes con geometrías complejas. La pequeña dimensión de la sonda y la capacidad de escaneo del haz cuando la sonda está inmovilizada también permiten inspeccionar dichos componentes en situaciones cuyo acceso limita el escaneo mecánico. El escaneo sectorial también es usado generalmente para inspecciones de soldaduras. La capacidad de examinar soldaduras con múltiples ángulos usando una sola sonda aumenta enormemente la probabilidad de detección de anomalías. El enfoque electrónico permite optimizar la forma y el tamaño del haz en la ubicación del defecto esperado, lo que optimiza aún más la probabilidad de detección. La capacidad de focalización de múltiples profundidades también mejora la capacidad para dimensionar los defectos críticos en las inspecciones volumétricas. La focalización puede mejorar significativamente la relación entre señal-ruido en aplicaciones difíciles; y, el escaneo electrónico a través de muchos grupos de elementos permite que las representaciones C-Scan se generen muy rápidamente.

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