Introdução geral ao teste por ultrassom

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Muitas pessoas estão familiarizadas com as aplicações médicas das imagens de ultrassom, nas quais as ondas sonoras de alta frequência são usadas para criar imagens transversais altamente detalhadas de órgãos internos. Os sonogramas médicos geralmente são feitos com transdutores multielementos especializados conhecidos como Phased Arrays e seus respectivos softwares e hardwares. No entanto, as aplicações da tecnologia de ultrassom Phased Array não se limitam a diagnósticos médicos. Os sistemas de Phased Array também são usados em ambientes industriais para fornecer novos níveis de informação e visualização em testes de ultrassom não destrutivos comuns que incluem a inspeção de soldas, testes de juntas, perfil de espessura e detecção de rachaduras em serviço. Continue lendo para saber a diferença entre as inspeções de END por Phased Array e os testes de ultrassom tradicionais.

1. O que é o ultrassom Phased Array?

Os transdutores ultrassônicos convencionais para END geralmente consistem em um único elemento ativo que gera e recebe ondas sonoras de alta frequência ou em dois elementos emparelhados, um para transmissão e outro para recepção. As sondas Phased Array, por outro lado, normalmente consistem em um conjunto de transdutor que contém de 16 a 256 elementos individuais pequenos que podem ser pulsados separadamente. Eles podem estar dispostos em forma de tira (array linear), anel (array anular), matriz circular (array circular) ou outra forma mais complexa.

Assim como os transdutores convencionais, as sondas Phased Array podem ser projetadas para uso em contato direto, como parte de um conjunto de feixe angular com um calço, ou para uso em imersão com acoplamento do som através de uma trajetória de água. As frequências dos transdutores geralmente estão dentro da faixa de 2 MHz a 10 MHz. Um sistema de Phased Array também incluirá um instrumento sofisticado com base em computador que pode conduzir a sonda multielemento, receber e digitalizar os ecos de retorno e representar graficamente essas informações de eco em vários formatos padrão. Diferentemente dos detectores de defeitos convencionais, os sistemas de Phased Array conseguem varrer um feixe de som através de uma gama de ângulos refratados ou ao longo de uma trajetória linear, ou focar de forma dinâmica em várias profundidades diferentes. Por esses motivos, os sistemas de Phased Array podem aumentar tanto a flexibilidade quanto a capacidade das configurações de inspeção.

Conjuntos de sondas Phased Array típicos

Construção multielemento típica

2. Como funcionam os sistemas de Phased Array?

No sentido mais básico, um sistema de Phased Array usa os princípios físicos de ondas de fases. Ele varia o tempo entre uma série de pulsos de ultrassom de saída de tal forma que as frentes de onda individuais geradas por cada elemento no array combinem-se umas com as outras para adicionar ou cancelar a energia de formas previsíveis que guiam e dão forma ao feixe de som.

Isso é realizado pulsando os elementos individuais da sonda em tempos ligeiramente diferentes. Muitas vezes, os elementos serão pulsados em grupos de 4 ou 32 para aumentar a eficiência da sensibilidade através do aumento da abertura, o que reduz a propagação do feixe indesejado e permite um foco mais nítido. O software conhecido como calculadora de lei focal estabelece tempos de atraso específicos para disparar cada grupo de elementos a fim de gerar a forma de feixe desejada, levando em consideração as características da sonda e do calço, bem como a geometria e as propriedades acústicas do material de teste. A sequência de pulsação programada selecionada pelo software operacional do instrumento inicia uma série de frentes de onda individuais no material de teste. Essas frentes de onda combinam-se construtiva e destrutivamente em uma única frente de onda primária que viaja pelo material de teste e reflete em rachaduras, descontinuidades, paredes traseiras e outros limites de material como qualquer onda ultrassônica convencional. O feixe pode ser direcionado dinamicamente através de vários ângulos, distâncias focais e tamanhos de pontos focais de tal maneira que um único conjunto de sonda é capaz de examinar o material de teste em uma gama de perspectivas diferentes. Esse direcionamento do feixe acontece rapidamente, de modo que uma varredura de vários ângulos ou com várias profundidades focais pode ser realizada em uma fração de segundo.

Os ecos de retorno são recebidos pelos vários elementos ou grupos de elementos, deslocados no tempo conforme necessário para compensar os atrasos de calço variáveis e, em seguida, somados. Diferentemente de um transdutor de elemento único convencional, que mesclará os efeitos de todos os componentes do feixe que atingem sua área, um transdutor de Phased Array pode classificar espacialmente a frente de onda de retorno de acordo com o tempo de chegada e a amplitude de cada elemento. Quando processado pelo software do instrumento, cada lei focal retornada representa a reflexão de um componente angular específico do feixe, um ponto específico ao longo de uma trajetória linear e/ou uma reflexão de uma profundidade focal específica. Assim, as informações de eco podem ser exibidas em vários formatos diferentes.

Exemplo de feixe angular gerado pela sonda plana por meio de um atraso variável

Exemplo de feixe de varredura linear focado

3. Como as imagens aparecem?

Na maioria das aplicações típicas de detecção de defeitos e medição de espessura, os dados do teste de ultrassom são baseados nas informações de tempo e amplitude derivadas das formas de onda de RF processadas. Essas formas de onda e as informações extraídas delas geralmente são apresentadas em um ou mais dos seguintes quatro formatos: A-scans, B-scans, C-scans ou S-scans. Esta seção mostra alguns exemplos de apresentações de imagens de detectores de defeitos convencionais e sistemas de Phased Array.

4. Exibições de A-scan

Um A-scan é uma apresentação de forma de onda de RF simples que mostra o tempo e a amplitude de um sinal de ultrassom, como comumente fornecido pelos detectores de defeitos por ultrassom convencionais e medidores de espessura de exibição de formas de onda. Uma forma de onda de A-scan representa as reflexões de uma posição do feixe de som na peça de teste. O A-scan do detector de defeitos abaixo mostra os ecos de dois orifícios perfurados lateralmente em um bloco de referência de aço. O feixe de som colunar de um transdutor de contato de elemento único comum intercepta dois dos três orifícios e gera duas reflexões distintas em tempos diferentes que são proporcionais à profundidade dos orifícios.

Perfil de feixe generalizado	Imagem de A-scan de feixe linear

Um transdutor de feixe angular de elemento único usado com um detector de defeitos convencional gerará um feixe ao longo de uma trajetória angular. Embora os efeitos de propagação do feixe façam com que o diâmetro do feixe aumente de acordo com a distância, a área de cobertura ou campo de visão de um feixe angular convencional ainda estará basicamente limitada a uma trajetória angular. No exemplo abaixo, um calço de 45 graus em uma posição fixa é capaz de detectar dois dos orifícios perfurados lateralmente no bloco de teste porque eles estão dentro do feixe, mas não é possível detectar o terceiro sem mover o transdutor para frente.

Perfil de feixe generalizado	Imagem de A-scan de feixe angular

Um sistema de Phased Array exibirá formas de onda de A-scan semelhantes para referência. No entanto, na maioria dos casos, elas serão complementadas pelos B-scans, C-scans ou S-scans conforme observado abaixo. Esses formatos de formação de imagem padrão auxiliam o operador na visualização do tipo e posição dos defeitos em uma peça de teste.

5. Exibições de B-scan

Um B-scan é uma imagem que mostra um perfil transversal através de um corte vertical da peça de teste, mostrando a profundidade dos refletores em relação à sua posição linear. A formação de imagem de B-scan requer que o feixe de som seja varrido ao longo do eixo selecionado da peça de teste, mecânica ou eletronicamente, enquanto armazena dados relevantes. No caso abaixo, o B-scan mostra dois refletores profundos e um refletor mais raso, correspondentes às posições dos orifícios laterais no bloco de teste. Com um detector de falhas convencional, o transdutor deve ser movido lateralmente ao longo da peça de teste.

Perfil de feixe generalizado	Imagem de B-scan típica mostrando a profundidade relativa do orifício

Um sistema de Phased Array, por outro lado, pode usar a varredura eletrônica ao longo do comprimento de uma sonda de array linear para criar de forma semelhante um perfil transversal sem mover o transdutor:

Imagem de varredura linear eletrônica (B-scan) mostrando a posição relativa do orifício e a profundidade ao longo do comprimento de um array linear

6. Exibições de C-scan

Um C-scan é uma representação bidimensional dos dados, exibida como a visualização superior ou planar de uma peça de teste, com perspectiva gráfica semelhante à de uma imagem de raios X, na qual a cor representa a amplitude do sinal adquirido de cada ponto mapeado da peça de teste em relação a sua posição x-y. Com instrumentos convencionais, o transdutor de elemento único deve ser movido em um padrão de varredura raster x-y ao longo da peça de teste. Com os sistemas de Phased Array, a sonda é normalmente movida fisicamente ao longo de um eixo enquanto o feixe varre eletronicamente ao longo do outro. Normalmente, os codificadores serão usados sempre que for necessário manter a correspondência geométrica precisa da imagem da varredura em relação à peça, embora as varreduras manuais não codificadas também possam fornecer informações úteis em muitos casos.

As imagens a seguir mostram C-scans de um bloco de referência feitos com um sistema de varredura por imersão convencional com um transdutor de imersão focado e com um sistema de Phased Array portátil usando um escâner manual e um array linear. Embora a resolução gráfica não seja totalmente equivalente, existem outros pontos a serem considerados. O sistema de Phased Array é portátil em campo, o que o sistema convencional não é, e custa cerca de um terço do preço. Além disso, a imagem de Phased Array foi feita em alguns segundos, enquanto a varredura de imersão convencional levou vários minutos.

Perfil de feixe generalizado e direção do movimento	Imagem de C-scan convencional mostrando a posição do orifício

Perfil de feixe generalizado e direção do movimento	Imagem de C-scan Phased Array mostrando a posição do orifício

7. Exibições de S-scan

Uma imagem de S-scan ou imagem de varredura setorial representa uma visualização transversal bidimensional derivada de uma série de A-scans representados graficamente em relação ao atraso de tempo e ao ângulo refratado. O eixo horizontal corresponde à largura da peça de teste e o eixo vertical à profundidade. Esse é o formato mais comum para sonogramas médicos, bem como para imagens de Phased Array industriais. O feixe de som varre através de uma série de ângulos para gerar uma imagem aproximadamente transversal em formato de cone. É importante observar que, neste exemplo, ao varrer o feixe, a sonda de Phased Array consegue mapear todos os três orifícios a partir de uma única posição do transdutor.

A-scan de um componente angular único à esquerda e varredura setorial de compósitos à direita. O cursor marcando 49 graus identifica a localização angular do A-scan exibido.

Onde os sistemas de Phased Array são usados?

Os sistemas de ultrassom de Phased Array podem ser potencialmente empregados em quase todos os testes em que os detectores de defeitos por ultrassom convencionais são tradicionalmente usados. A inspeção de solda e a detecção de rachaduras são as aplicações mais importantes, e esses testes são feitos em uma ampla gama de indústrias, incluindo aeroespacial, geração de energia, petroquímica, tarugos de metal e fornecedores de bens tubulares, construção e manutenção de dutos, metais estruturais e manufatura em geral. O Phased Array também pode ser usado com eficácia para traçar o perfil da espessura da parede remanescente em aplicações de sondagem de corrosão.

Os benefícios da tecnologia de Phased Array em relação ao ultrassom convencional vêm de sua capacidade de usar vários elementos para orientar, focar e escanear feixes com um único conjunto de transdutor. A direção do feixe, comumente referida como varredura setorial, pode ser usada para mapear componentes em ângulos apropriados. Isso pode simplificar bastante a inspeção de componentes com geometrias complexas. A pequena área ocupada do transdutor e a capacidade de varrer o feixe sem mover a sonda também ajudam na inspeção de tais componentes em situações em que o acesso é limitado para varredura mecânica. A varredura setorial também é normalmente usada para inspeção de solda. O recurso que testa solda com vários ângulos em uma única sonda aumenta significativamente a probabilidade de detecção de anomalias. O foco eletrônico permite otimizar a forma e o tamanho do feixe no local esperado do defeito, otimizando ainda mais a probabilidade de detecção. A capacidade de focar em várias profundidades também melhora a capacidade de dimensionar defeitos críticos para inspeções volumétricas. O foco pode melhorar significativamente a relação sinal-ruído em aplicações desafiadoras, e a varredura eletrônica em muitos grupos de elementos permite que as imagens de C-scan sejam produzidas muito rapidamente.

Mais informações sobre a tecnologia Phased Array e a instrumentação estão disponíveis em Evident. Entre em contato conosco para obter mais detalhes.