Introducción
La industria de los ensayos no destructivos (END) está experimentando un avance tecnológico importante gracias a la entrada en el mercado de dispositivos de inspección que integran el método de focalización total (TFM). El enfoque por el método de focalización total supone un avance significativo para la tecnología del ultrasonido multielemento (Phased Array). Sin embargo, algunos profesionales familiarizados con el ultrasonido multielemento (Phased Array) puede que aún se sientan confundidos respecto a esta nueva técnica TFM y a su relación con la captura de matriz completa (FMC), así como acerca de las diferencias existentes entre el procesamiento por el ultrasonido multielemento convencional y aquel TFM/FMC. Esta nota de aplicación proporciona conocimientos básicos sobre las representaciones obtenidas por el método de focalización total (TFM) para aquellos operadores familiarizados con las representaciones de ultrasonido multielemento (PA) convencional. Para guardar mayor uniformidad y claridad, los aspectos relacionados con los modos de propagación del ultrasonido son dejados aparte.
Representación de ensayo por ultrasonido multielemento (Phased Array) convencional
El sello distintivo del ultrasonido multielemento es la capacidad para enfocar y dirigir un haz acústico hacia una posición deseada en una pieza inspeccionada. La metodología del enfoque por ultrasonido multielemento (PA) usa retardos que se aplican en los elementos de emisión y recepción de la sonda Phased Array a fin de sincronizar el tiempo de recorrido de formas de ondas cortas, impulsadas a partir de la posición de interés. En el área focal de la muestra, la anchura del haz acústico generado se reduce y la resolución de detección correspondiente incrementa de forma radical.
Formación de haces física
La tecnología de ultrasonido multielemento (Phased Array) convencional usa la superposición física de ondas acústicas elementales durante la emisión para producir un haz acústico destinado a una profundidad de enfoque específica en la pieza inspeccionada. El conjunto de elementos de emisión forma una apertura desde la cual emergerá un impulso acústico congruente. La acción de emisión del ultrasonido multielemento (Phased Array) convencional se denomina formación de haces «física». Por ejemplo, en un S-scan, la adquisición de la formación física de los haces se produce en cada uno de los ángulos especificados por el usuario.
Formación de haces sintética
Al final del circuito acústico entre la emisión, propagación y recepción, los elementos que componen la apertura de recepción registran como A-scan (formaciones de onda) a todos los ecos reflejados desde la pieza bajo inspección. Los datos de un A-scan contienen la amplitud de eco y el tiempo de recorrido. Para acentuar la sensibilidad de recepción en una región específica de la pieza, los A-scan son retardos y adicionados como si el enfoque fuera a aplicarse por medio de la formación de haces física. Sin embargo, esta vez, todos los retardos y adiciones se efectúan con el software del dispositivo de adquisición. Esta formación de haces en la recepción se denomina formación de haces «sintética». Todos los cálculos requeridos por la formación de haces sintética son efectuados en dispositivos electrónicos dotados de una interfaz de usuario, lo que permite un procesamiento de imágenes de rápida sincronización en tiempo real.
Limitación del ultrasonido multielemento (PA) convencional
La ventaja de la focalización por ultrasonido multielemento es la clara mejora de la sensibilidad en el área focalizada, que permite aumentar el rendimiento de la detección a nivel local. Sin embargo, esta sensibilidad aumentada se limita a una profundidad controlable, aunque fija, en la parte inspeccionada. Los reflectores localizados fuera de la región focalizada aparecen distorsionados y algo más grandes que un reflector idéntico que aparece en la zona de focalización.
FMC: Una estrategia de adquisición
TFM: Reconstrucción de imagen
TFM: Construcción de una imagen altamente resuelta
El método de focalización total (TFM) es la aplicación sistemática del principio básico de focalización del ultrasonido multielemento (Phased Array) en una región de interés (ROI) determinada en la pieza bajo inspección. La región de interés (ROI) es segmentada en una cuadrícula de posiciones o «píxeles», y la focalización por medio de la formación de haces del ultrasonido multielemento (Phased Array) se aplica a cada píxel en dicha cuadrícula. Hasta la fecha, el TFM es el método más eficiente para generar imágenes de un región de interés gracias a una focalización dedicada a todos los ángulos y a cada nivel de profundidad.
Cabe agregar que, si la estrategia de adquisición PA es usada a través de la adquisición de formación de haces física para el método de focalización total, el tiempo para generar una sola representación TFM impediría cualquier implementación en la mayoría de las aplicaciones de ensayos no destructivos. Esto se debe a que la cantidad de píxeles que constituye una representación TFM es mucho mayor que, por ejemplo, la cantidad de ángulos discretos requeridos para generar un S-scan que cubra la misma región de interés. Un S-scan llevado a cabo en 100 ángulos requiere 100 adquisiciones a través de la formación de haces física, mientras que una representación TFM de 100 × 100 píxeles requeriría 10 mil adquisiciones.
Para evitar este problema, se usa otra estrategia de adquisición, en la que los valores de amplitud de la cuadrícula son calculados a través de la formación de haces sintética para las fases de emisión y recepción. Esta estrategia requiere un conjunto de leyes focales correspondientes a la posición de cada píxel en la cuadrícula de la región de interés, y un conjunto de formas de onda o A-scan sin tratamiento esenciales. Una forma eficiente para obtener un conjunto de A-scan elementales es mediante la adquisición de datos de captura de matriz completa (FMC).
FMC: Estrategia de adquisición para un TFM productivo
La captura de matriz completa (FMC) es un proceso de adquisición que obtiene todos los A-scan (en series de tiempos de amplitud) a partir de todos los pares individuales de los elementos de emisión y recepción de una sonda. Estos A-scan elementales se almacenan en el conjunto de datos FMC. Para alcanzar el mejor resultado de focalización, todos los elementos que constituyen la apertura completa de una sonda deben ser utilizados para generar el conjunto de datos de la FMC mediante la formación de haces sintética. En dicho caso, la cantidad de adquisiciones requeridas para construir el conjunto de datos de la FMC equivale a la cantidad de elementos presentes en la sonda. El conjunto de datos de la FMC presenta toda la información de la propagación acústica entre cada elemento de la sonda, como las reflexiones en interfaces y la dispersión por los defectos. Cualquier tipo de adquisición por ultrasonido multielemento (Phased Array) convencional puede ser reconstruida a partir del conjunto de datos FMC con retardos adecuadamente seleccionados, como es en el escaneo sectorial, el procesamiento de ondas planas (PWI, siglas en inglés), la focalización de profundidad dinámica (DDF, siglas en inglés), entre otras.
Al usar el proceso de adquisición FMC, la cantidad de adquisiciones requeridas para generar una representación puede ser casi igual que en el caso de la técnica PA convencional; pero, el procesamiento de conjuntos de datos individuales obtenidos por la FMC requiere una capacidad de almacenamiento, un ancho de banda de transferencia y una potencia de cálculo. Según los dispositivos electrónicos usados, la obtención de los resultados por TFM/FMC puede ser más lenta que en el caso de la técnica de ultrasonido multielemento (Phased Array) convencional.
Diferencias entre las representaciones por ultrasonido multielemento (PA) convencional y TFM en un caso experimental
Para ilustrar las diferencias entre las representaciones por ultrasonido multielemento (PA) convencional y aquellas TFM, se presenta una configuración a la cual se aplica una sonda lineal de ultrasonido multielemento para escanear taladros laterales idénticos (SDH) que están verticalmente distribuidos en un bloque de acero.
A continuación se expone un S-scan de PA (a) y una representación TFM (b) obtenidos bajo la misma configuración usando un detector de defectos OmniScan™ X3, una sonda 5L64-A2, una suela SA2-N55S-IHC con una apertura de 32 elementos.
En el S-scan de PA (a), cada A-scan es adquirido con una profundidad de focalización única de 22 mm. Los taladros laterales en el área de focalización aparecen con una amplitud y tamaño similares. Los taladros laterales lejanos a la profundidad de focalización aparecen distorsionados y presentan de forma significativa una amplitud mucho más baja. Se requieren varias imágenes con diferentes profundidades de focalización para un dimensionamiento más uniforme de todos los taladros laterales en la pieza bajo ensayo.
En la representación TFM (b), los haces de ultrasonido se hallan focalizados en cada píxel. Tal como puede apreciarse, cada taladro lateral aparece con una óptima resolución. Sin embargo, aún se observa distorsión en algunos taladros laterales que se ubican por los extremos de la región de interés. Estas distorsiones son intrínsecas al proceso de formación de haces normal de las representaciones PA y TFM.
Resumen de la comparación entre la técnica TFM y PA.
La principal ventaja del método de focalización total (TFM) es que la representación completa es proyectada con una amplitud de focalización, a diferencia de la representación producida por el ultrasonido multielemento (PA), que proporciona una alta resolución solo en el área focalizada del haz.
La formación de haces sintética con la técnica PA convencional se da sólo al final en la etapa de recepción, mientras que con el TFM se ejecuta también en la fase de emisión para hacer que la tasa de adquisición sea aceptable en las aplicaciones de END. La formación de haces sintética requiere la aplicación de retardos específicos en los A-scan elementales que son adquiridos a través de la FMC. Note que el conjunto de datos FMC puede proporcionar datos básicos a cualquier formación de haces, ya sea mediante la técnica PA o TFM.
Puesto que una gran cantidad de datos FMC debe ser procesada para producir una representación TFM, el método de focalización total puede conllevar a una productividad más baja frente a la estrategia PA usando la misma configuración de apertura.
En ese mismo orden, a pesar de que la representación TFM proporciona una focalización superior sobre la región de interés, el TFM está sujeto a las mismas limitaciones que dificultan la técnica PA. Por otra parte, tanto con la técnica PA y el TFM se han observado fluctuaciones de amplitud y distorsiones; sin embargo, los resultados en el caso de un grupo de haces propagados de forma idéntica en una pieza bajo inspección son más uniformes con el método de focalización total.
