Cos'è un array?

Una sonda phased array è una sonda di controllo ad ultrasuoni che contiene una serie di elementi in grado di trasmettere simultaneamente per orientare le onde ultrasonore in una specifica direzione. Questo permette di controllare contemporaneamente diverse zone di ispezione.

Cos'è un array?

Un array è rappresentato da numerosi elementi organizzati in un assemblaggio. La forma più semplice di un array ad ultrasuoni nell'ambito NDT è dato da una serie di sonde a singolo elemento disposte in modo da aumentare la copertura o la velocità d'ispezione.

Utilizzo delle sonde phased array

Le sonde phased array sono usate per diverse ispezioni NDT, come:

• Ispezione di tubi, nella quale diverse sonde sono spesso usate per rilevare cricche, individuare difetti laminari e misurare spessori complessivi
• Ispezione di componenti metalliche forgiate, nella quale spesso richiede l'uso di diverse sonde focalizzate a differenti profondità per permettere il rilevamento di difetti di ridotte dimensioni per zone
• Ispezione di materiali compositi o di corrosione in metalli, nella quale una sistemazione lineare delle sonde su una superficie migliora la possibilità di rilevamento delle indicazioni

Queste ispezioni richiedono delle apparecchiature ad ultrasuoni multicanali ad elevata velocità dotate di pulsatori, ricevitori e gate logici per gestire ogni canale. Inoltre richiedono un'installazione precisa delle sonde in modo da coprire correttamente le zone d'ispezione.

Nella forma più semplice, una sonda phased array è costituita da una serie di singoli elementi riuniti in un solo gruppo. Sebbene gli elementi siano di dimensioni più ridotte rispetto alle sonde ad ultrasuoni convenzionali, possono essere eccitati in gruppo in modo da generare dei fronti d'onda controllabili direzionalmente. Questa formazione elettronica dei fasci permette la programmazione e l'analisi ad elevata velocità di diverse zone d'ispezione mediante una sola sonda. Questo viene trattato più in dettaglio in seguito in questo tutorial.

Caratteristiche delle sonde phased array

Le sonde phased array vengono classificate in funzione dei seguenti parametri di base:

Tipo: La maggior parte delle sonde phased array sono del tipo a fascio angolare e sono concepite per essere usate con uno zoccolo in plastica, uno zoccolo dritto in plastica (zoccolo a zero gradi) o una linea di ritardo. Sono disponibili inoltre delle sonde a contatto diretto e d'immersione.

Frequenza: Il rilevamento di difetti viene in genere eseguito ad una frequenza compresa tra 2 MHz e 10 MHz, pertanto la maggior parte delle sonde phased array ricade in questo intervallo. Sono disponibili anche delle sonde con delle frequenze superiori ed inferiori a questo intervallo. Come con le sonde ad ultrasuoni convenzionali, la penetrazione aumenta con le basse frequenze mentre la risoluzione e la nitidezza focale aumentano a frequenze maggiori.

Numero di elementi: Le sonde phased array hanno in genere da 16 a 128 elementi, tuttavia alcune possono averne fino a 256. Un elevato numero di elementi permette di aumentare la capacità di focalizzazione e di orientazione, e può inoltre ampliare l'area di copertura. Tuttavia aumentano anche i costi delle sonde e degli strumenti. Ogni elemento viene eccitato singolarmente in modo da creare il fronte d'onda voluto. Pertanto la dimensione di questi elementi è in genere denominata direzione attiva o di orientazione.

Dimensione degli elementi: Al diminuire delle dimensiono degli elementi, le capacità di orientazione del fascio migliorano. Tuttavia per coprire superfici di maggior ampiezza bisogna usare una sonda con un maggior numero di elementi, aumentando i costi.

I parametri dimensionali di una sonda phased array sono in genere definiti nel seguente modo:

I parametri dimensionali di una sonda phased array sono in genere definiti nel seguente modo:

• N = Numero di elementi totale nell'array
• A = Apertura totale nella direzione di orientazione o attiva
• H = Altezza dell'elemento; visto che questa dimensione è costante, si riferisce spesso al piano passivo
• p = Passo o distanza tra centro e centro tra due elementi successivi
• e = Larghezza di un singolo elemento
• g = Spazio tra due elementi attivi

Questa informazione viene usata dal software dello strumento per generare la forma del fascio voluta. Se questa informazione non viene inserita automaticamente dal software di riconoscimento della sonda, deve essere inserita dall'operatore durante l'installazione della sonda.

All'interno di una sonda phased array

Le sonde phased array siano disponibili in diverse dimensioni, forme, frequenze e numero di elementi, tuttavia possiedono tutte un elemento piezoelettrico diviso in un certo numero di segmenti.

Le attuali sonde phased array per le applicazioni NDT sono in genere costruite con materiali piezocompositi costituiti da numerose componenti in ceramica piezoelettrica sottili e di ridotte dimensioni integrate in una matrice polimera. Sebbene siano di più difficile fabbricazione, le sonde composite assicurano in genere una sensibilità da 10 dB a 30 dB superiore rispetto a quella delle sonde in ceramica piezoelettrica tra l'altro con design simile. La placcatura metallica a segmenti permette di dividere la striscia di composito in un certo numero di elementi elettricamente separati che possono essere eccitati singolarmente. Questo elemento segmentato viene in seguito integrato nel gruppo della sonda dotato di uno strato di protezione adeguato, un supporto, dei collegamenti con cavi e un telaio.

Tipi di configurazioni delle sonde phased array

L'animazione riportata precedentemente illustra un array lineare rettangolare. Questa è una configurazione che si trova frequentemente con una sonda phased array. L'array può essere organizzato con una disposizione a matrice per assicurare un maggior controllo del fascio sulla sezione trasversale della superficie o con una disposizione circolare per garantire uno schema di focalizzazione più sferico.

Le sonde phased array possono presentare diverse configurazioni, ognuna delle quali possiede vantaggi e svantaggi. Le comuni configurazioni delle sonde phased array includono:

Sonde phased array lineari

Le sonde phased array lineari possiedono elementi disposti su una linea retta e rappresenta la configurazione più comune nei controlli ad ultrasuoni phased array. Le sonde phased array lineari sono facili da realizzare ma devono possedere ampie dimensioni per la focalizzazione profonda.

Sonde phased array lineari

Le sonde phased array lineari e le sonde phased array segmentate possiedono elementi disposti su anelli circolari con un centro comune. Queste sonde forniscono fasci ellittici e sferici con capacità di orientazione a diverse profondità. Tuttavia la loro struttura complessa ne rende difficoltosa la produzione.

Sonde phased array convesse

Le sonde phased array convesse, denominate anche sonde phased array curve o curvilinee, possiedono elementi disposti su una linea arcuata. Questa sonde risultano efficienti per i controlli in profondità, tuttavia la risoluzione dell'immagine può diminuire all'aumentare della profondità.

Sonde phased array quadrate

Le sonde phased array quadrate possiedono elementi disposti su un quadrato. Sebbene questa disposizione assicuri delle eccellenti capacità di orientazione, la struttura complessa ne rende difficoltosa la produzione.

Sonde phased array circolari

Le sonde phased array circolari possiedono elementi disposti su un anello circolare ma senza centro comune. Assicurano delle eccellenti capacità di orientazione a diverse profondità, specialmente in target curvi. Tuttavia la struttura complessa ne rende difficoltosa la produzione.