Introduzione
L'industria dei Controlli non distruttivi (NDT) è interessata da importanti progressi tecnologici con la comparsa nel settore dei dispositivi di ispezione integranti il Metodo di focalizzazione totale (TFM). L'approccio TFM rappresenta un considerevole progresso per la tecnologia con Controllo a ultrasuoni Phased Array (PAUT). Tuttavia alcuni operatori PAUT possono rimanere ancora perplessi sul TFM e sulle sue relazioni con l'Acquisizione a matrice completa (FMC), oppure sulle differenze tra i processi con PAUT convenzionali e TFM/TFC Questa nota applicativa fornisce una comprensione di base sull'imaging TFM agli operatori che possiedono già una certa dimestichezza con l'imaging PAUT. Per sintesi e chiarezza, gli aspetti relativi alle modalità di propagazione non sono trattati.
Imaging per controllo a ultrasuoni phased array (PAUT)
L'elemento caratterizzante degli ultrasuoni phased array risiede nella capacità di focalizzazione e orientazione di un fascio acustico in un punto specifico in una componente ispezionata. L'approccio con focalizzazione phased array si avvale di ritardi, applicati agli elementi per la trasmissione e la ricezione della sonda phased array, in modo da sincronizzare i tempi di volo di forme d'onda brevi e intermittenti nella posizione d'interesse. Nella zona di focalizzazione del campione, l'ampiezza del fascio acustico generato si riduce e la corrispondente risoluzione di rilevamento aumenta drasticamente.
Formazione fisica del fascio
Gli ultrasuoni phased array convenzionali utilizzano la sovrapposizione fisica di onde acustiche elementari in trasmissione per generare un fascio acustico a una specifica profondità di focalizzazione nella componente da ispezionare. La serie di elementi per la trasmissione costituiscono un'apertura dalla quale viene emesso un impulso acustico costante. Il processo di trasmissione degli ultrasuoni phased array convenzionali è noto come formazione "fisica" del fascio. Per esempio, in un S-scan, la formazione fisica del fascio si verifica per ogni angolo specificato dall'utente.
Formazione sintetica del fascio
Al termine del circuito acustico, tra il trasmettitore, il diffusore e il ricevitore, gli elementi che compongono l'apertura ricevente registrano come A-scan tutti gli echi di ritorno provenienti dalla componente ispezionata. I dati A-scan includono l'ampiezza dell'eco e il tempo di propagazione. Per incrementare la sensibilità della ricezione in un'area specifica della componente, gli A-scan sono ritardati e sommati come se la focalizzazione fosse applicata attraverso la formazione fisica del fascio. Tuttavia, in questo caso, tutti i ritardi e le somme vengono realizzati nel software del dispositivo di acquisizione. Questa formazione del fascio in ricezione è nota come formazione "sintetica" del fascio. Tutti i calcoli necessari per la formazione sintetica del fascio sono eseguiti dalla specifica elettronica front end, permettendo la veloce produzione di immagini in tempo reale.
Limiti del PAUT convenzionale
Il vantaggio della focalizzazione phased array consiste nel netto miglioramento della sensibilità nell'area focale, la quale permette di aumentare nell'area specifica le prestazioni relative al rilevamento. Tuttavia questo incremento di sensibilità è limitata a una profondità regolabile, ma costante, nella componente ispezionata. I riflettori situati all'esterno dell'area focale appare sfuocato e leggermente più grande rispetto a un riflettore identico che appare nell'area focale.
FMC — Una strategia di acquisizione
TFM — Ricostruzione dell'immagine
TFM — La produzione di un'immagine a alta risoluzione.
Il metodo a focalizzazione totale (TFM) consiste nell'applicazione sistematica del principio di base della focalizzazione del phased array in un'area di interesse (ROI - region of interest) definita in una componente ispezionata. L'area di interesse è suddivisa in una griglia di punti, o "pixel". Su ogni pixel della griglia è applicata la focalizzazione attraverso la formazione del fascio phased array. Attualmente, il TFM rappresenta il metodo più efficiente per generare l'immagine dell'area di interesse focalizzata completamente e a qualunque profondità.
Tuttavia, se per il metodo a focalizzazione totale è stata usata la strategia di acquisizione PAUT mediante l'acquisizione con formazione fisica del fascio, i tempi per generare una singola immagine TFM sarebbero proibitivi per la maggior parte delle applicazioni NDT. Con il TFM, il numero di pixel che costituiscono un'immagine risulta molto maggiore, per esempio, al numero di specifici angoli necessari per generare un S-scan in grado di coprire la stessa area di interesse. Un S-scan ottenuto attraverso 100 angoli richiede 100 acquisizioni attraverso la formazione fisica di fasci mentre un'immagine TFM di 100 × 100 pixel richiederebbe 10 000 acquisizioni attraverso la formazione fisica di fasci.
Per evitare questo problema, viene adottata un'altra strategia di acquisizione con la quale i valori di ampiezza nella griglia sono calcolati attraverso la formazione sintetica dei fasci per la fase di trasmissione e ricezione. Questa strategia richiede una serie di leggi focali corrispondenti alla posizione di ogni pixel della griglia dell'area di interesse e una serie di forme d'onda di base o A-scan elementari. Un modo efficace per ottenere questa serie di A-scan elementari è quello di utilizzare l'acquisizione della matrice completa (FMC - full matrix capture).
FMC — Una strategia di acquisizione per il TFM produttivo
L'acquisizione della matrice completa (FMC) rappresenta un processo che permette di generare tutti gli A-scan (serie di tempi in funzione dell'ampiezza) da tutte le singole coppie di elementi della sonda trasmissione-ricezione. Questi A-scan elementari sono inclusi nel dataset FMC. Per raggiungere i migliori risultati di focalizzazione, tutti gli elementi costituenti l'apertura completa di uan sonda dovrebbe essere usata per generare il dataset FMC attraverso la formazione sintetica del fascio. In questo caso, il numero di acquisizioni richieste per creare il dataset FMC è uguale al numero di elementi della sonda. Il dataset FMC contiene tutte le informazioni riguardo la propagazione sonora tra ogni elemento della sonda, incluse le riflessioni in corrispondenza delle interfacce e la diffusione relativa ai difetti. Tutti i tipi di acquisizione PAUT possono essere ricostruiti a partire dal dataset FMC mediante dei ritardi scelti adeguatamente, come la scansione settoriale, l'imaging wave plane (PWI), la focalizzazione della profondità dinamica (DDF), il metodo di focalizzazione totale (TFM), ecc.
Mediante il processo di acquisizione FMC, il numero di acquisizioni necessarie per generare un'immagine è circa lo stesso del PAUT, tuttavia elaborare i singoli dataset FMC richiede una capacità di archiviazione considerevole, una larghezza di banda di trasferimento e una potenza di calcolo. In funzione della componente elettronica del dispositivo usato, l'ottenimento dei risultati TFM/FMC può essere più lenta del PAUT convenzionale.
Illustrazione delle differenze tra le immagini PAUT e TFM su un caso sperimentale
Per mostrare le differenze tra l'imaging PAUT e TFM, viene presentata una configurazione nella quale una sonda lineare phased array (PA) è usata per scansionare fori laterali (SDH - side-drilled hole) identici che sono distribuiti verticalmente in un blocco di acciaio.
Un S-scan PAUT (a) e un'immagine TFM (b) ottenuti con la stessa configurazione di ispezione (un rilevatore di difetti OmniScan™ X3, una sonda 5L64-A2, uno zoccolo SA2-N55S-IHC e l'impiego di un'apertura a 32 elementi) sono qui illustrati.
Nell'S-scan PAUT (a), ogni A-scan è acquisito mediante un'unica profondità di focalizzazione pari a 22 mm. Gli SDH situati nell'area focale appaiono con ampiezza e dimensioni simili Gli SDH situati lontano dalla profondità di focalizzazione appaiono distorti e con un'ampiezza considerevolmente minore. Alcune immagini con diverse profondità di focalizzazione sono necessarie per una misura più uniforme di tutti gli SDH in questa componente da ispezionare.
Nell'immagine TFM (b), i fasci ultrasonori sono focalizzati a ogni pixel. Come illustrato, ogni SDH appare con una risoluzione ottimale. Tuttavia si possono ancora osservare alcune distorsioni per gli SDH localizzati alle estremità dell'area di interesse. Queste distorsioni sono intrinseche al comune processo di formazione del fascio per l'imaging PAUT e TFM.
Sintesi del confronto tra TFM e PAUT
Il principale vantaggio del TFM è che l'intera immagine è visualizzata con un'ampiezza focalizzata, in confronto a un'immagine prodotta con il PAUT, l'immagine ha un'alta risoluzione solamente nell'area focale del fascio.
Inoltre, per rendere accettabile il tasso di acquisizione per le applicazioni NDT, viene applicata nella fase della trasmissione in TFM la formazione sintetica del fascio eseguita solamente nell'estremità ricevente e in modalità PAUT convenzionale. La formazione sintetica del fascio richiede l'applicazione di ritardi specifici sugli A-scan elementari acquisiti attraverso l'FMC. Notare che il dataset FMC può fornire dei dati di base per ogni formazione sintetica del fascio, inclusi il PAUT e il TFM.
Visto il considerevole numero di dati FMC da elaborare per produrre un'immagine TFM, il metodo di focalizzazione totale può comportare una riduzione in termini di produttività rispetto al PAUT con la stessa apertura.
Sebbene l'immagine TFM sia altamente focalizzata sull'intera area di interesse, rimane influenzata dagli stessi limiti acustici del PAUT. Delle distorsioni e delle fluttuazioni dell'ampiezza sono osservate per il PAUT e il TFM, tuttavia per quest'ultimo i risultati per una serie di dispersioni identiche in una componente da ispezionare sono più affidabili.
