Introdução
A indústria de testes não destrutivos (END) está passando por um importante avanço tecnológico, à medida que dispositivos de inspeção com recurso de método de foco total (TFM) estão entrando no mercado. O método TFM representa um avanço significativo na tecnologia de teste por ultrassom Phased Array (PAUT). No entanto, alguns profissionais de ultrassom Phased Array ainda estão hesitantes em relação ao método e à captura completa de matriz (FMC), bem como as diferenças entre o processamento convencional de ultrassom Phased Array e o TFM/FMC. Este artigo fornece uma visão básica da imagem TFM para pessoas familiarizadas com a imagem de ultrassom Phased Array. Por questões de concisão e clareza, aspectos relacionados aos modos de propagação do ultrassom não serão abordados.
Imagem por teste ultrassônico Phased Array convencional (PAUT)
A principal característica do ultrassom Phased Array é a capacidade de focalizar e direcionar um feixe acústico na posição desejada em uma peça inspecionada. A abordagem de foco do Phased Array usa atrasos, aplicados nos elementos de transmissão e recepção da sonda Phased Array para sincronizar o tempo de voos de formas de onda pulsadas e curtas na posição de interesse. Na zona focal da amostra, a largura do feixe acústico gerado diminui e a resolução de detecção correspondente aumenta drasticamente.
Formação do feixe físico
O Phased Array convencional usa a superposição física de ondas acústicas elementares na transmissão para produzir um feixe acústico destinado a uma profundidade focalizada específica na peça inspecionada. O conjunto de elementos transmissores forma uma abertura a partir da qual emerge um pulso acústico coerente. A ação da transmissão convencional do Phased Array é referida como formação de feixe “físico”. Em um S-scan, por exemplo, a aquisição física da formação de feixe ocorre para cada ângulo especificado pelo usuário.
Formação do feixe sintético
No final do loop acústico entre o transmissor, o espalhador e o receptor os elementos que compõem a abertura receptora registram todos os ecos retornados da parte inspecionada enquanto A-scans. Os dados de A-scan contêm a amplitude do eco e o tempo de trânsito. Para acentuar a sensibilidade da recepção em uma região específica da peça, os A-scans são atrasados e somados como se o foco fosse aplicado através da formação de feixe físico. Desta vez, no entanto, todos os atrasos e somas ocorrem no software do dispositivo de aquisição. Essa forma de feixe de recepção é chamada de forma de feixe “sintético”. Todos os cálculos necessários para a formação do feixe sintético são realizados em componentes eletrônicos dedicados, permitindo imagens em tempo real em ritmo acelerado.
Limitação do PAUT convencional
O benefício do foco no Phased Array é uma clara melhoria na sensibilidade na zona focal, o que aumenta localmente o desempenho da detecção. No entanto, esta sensibilidade aumentada é limitada a uma profundidade controlável, porém fixa, na peça inspecionada. Os refletores localizados fora da região focal são foscos e um pouco maiores que um refletor idêntico que aparece na zona focal.
FMC — Uma estratégia de aquisição
TFM — Reconstrução de Imagem
TFM — A construção de uma imagem altamente resolvida
O método de foco total (TFM) é a aplicação sistemática do princípio básico de foco do Phased Array em uma região de interesse definida (ROI) em uma peça inspecionada. O ROI é segmentado em uma grade de posições, ou “píxeis”, e o foco através da formação de feixe Phased Array é aplicado a todos os píxeis nessa grade. Até o momento, o TFM é o método mais eficiente para gerar essa imagem de ROI focada em qualquer lugar e em qualquer profundidade.
No entanto, se a estratégia de aquisição do PAUT através da aquisição física de formação de feixe fosse usada para o método de foco total, o tempo para gerar uma única imagem TFM proibiria qualquer implantação para a maioria das aplicações de END. Com o TFM, o número de píxeis que cria uma imagem é muito maior, por exemplo, o número de ângulos discretos usados para gerar um S-scan cobrindo a mesma região de interesse. Um S-scan varrido por 100 ângulos requer 100 aquisições por formação de feixe físico, enquanto uma imagem TFM de 100 × 100 píxeis exigiria 10.000 aquisições de formação de feixe físico.
Para evitar esse problema, é utilizada outra estratégia de aquisição, na qual os valores de amplitude na grade são calculados através da formação de feixe sintética para as fases de transmissão e recepção. Esta estratégia requer um conjunto de leis focais correspondentes a cada posição de píxel sobre a grade de ROI e um conjunto de formas de onda brutas, fundamentais ou A-scans elementares. Uma maneira eficiente de obter esse conjunto de A-scans elementares é a aquisição de dados de captura de matriz completa (FMC).
FMC — Uma estratégia de aquisição para TFM produtivo
A captura de matriz completa (FMC) é um processo de aquisição que obtém todos os A-scans (séries temporais de amplitude) entre todos os pares individuais de elementos de transmissão e recepção da sonda. Estes A-scans elementares são armazenados no conjunto de dados FMC. Para obter o melhor resultado de foco, todos os elementos que constituem a abertura total de uma sonda devem ser usados para gerar o conjunto de dados FMC através da formação de feixe sintética. Neste caso, o número de aquisições necessárias para construir o conjunto de dados FMC é igual ao número de elementos da análise. O conjunto de dados FMC contém todas as informações de propagação do som entre cada elemento da sonda, incluindo reflexos nas interfaces e dispersão por falhas. Qualquer tipo de aquisição de PAUT pode ser reconstruído a partir do conjunto de dados FMC usando atrasos adequadamente selecionados, incluindo uma varredura setorial, imagens de ondas planas (PWI), foco dinâmico de profundidade (DDF), método de foco total (TFM), etc.
Usando o processo de aquisição do FMC, o número de aquisições necessárias para gerar uma imagem pode ser aproximadamente o mesmo que o PAUT, mas o processamento dos conjuntos de dados individuais do FMC requer capacidade significativa de armazenamento, largura de banda de transferência e energia computacional. Dependendo da eletrônica do dispositivo usado, a obtenção dos resultados do TFM/FMC pode ser mais lenta que a do PAUT convencional.
Ilustração das diferenças entre imagens PAUT e TFM em um caso experimental
Para ilustrar as diferenças entre as imagens PAUT e TFM, é apresentada uma configuração na qual uma sonda de fase linear (PA) é usada para digitalizar orifícios perfurados laterais idênticos (SDHs) que são distribuídos verticalmente em um bloco de aço.
Um PAUT S-scan (a) e uma imagem TFM (b) obtidos com a mesma configuração de inspeção, um detector de defeitos OmniScan™ X3, sonda 5L64-A2, calço SA2-N55S-IHC e usando uma abertura de 32 elementos são apresentados aqui.
No PAUT S-scan (a), cada A-scan é adquirido usando uma profundidade de focalização exclusiva de 22 mm. Os SDH localizados na área focal aparecem com amplitudes e tamanhos semelhantes. SDHs localizados longe da profundidade da focalização parecem distorcidos e com uma amplitude menor. São necessárias várias imagens com várias profundidades de focalização para um dimensionamento mais uniforme de todos os SDHs nesta peça de teste.
Na imagem TFM (b), os feixes de ultrassom são focados em cada píxel. Como pode ser visto, cada uma dos SDHs aparece com uma resolução ideal. No entanto, algumas distorções ainda são observadas nos SDHs localizados nas extremidades da região de interesse. Essas distorções são intrínsecas ao processo de formação de feixe comum às imagens PAUT e TFM.
Resumo da discussão de TFM × PAUT
A principal vantagem do TFM é que toda a imagem é exibida com amplitude focada, em comparação com uma imagem produzida com PAUT, que só é altamente resolvida na área focal do feixe.
A formação de feixe sintético realizada apenas na extremidade receptora no PAUT convencional também é realizada na fase de transmissão no TFM para tornar a taxa de aquisição aceitável para aplicações de END. A formação de feixe sintético requer a aplicação de atrasos específicos nos A-scans elementares adquiridos através do FMC. Observe que o conjunto de dados FMC pode fornecer dados básicos para qualquer formação de feixe sintético, incluindo PAUT e TFM.
Devido à grande quantidade de dados FMC que devem ser processados para produzir uma imagem TFM, o método de foco total pode implicar uma produtividade menor do que PAUT com a mesma abertura.
Embora a imagem TFM seja altamente focada em toda a região de interesse, ela permanece afetada pelas mesmas limitações acústicas que dificultam o PAUT. Flutuações e distorções de amplitude são observadas no PAUT e no TFM, mas os resultados para um conjunto de dispersores idênticos em uma parte inspecionada são mais consistentes no método de foco total.
