Ultrasonidos de matriz en fase

Método de prueba no destructivo

Animación que muestra el principio de un escáner ultrasónico utilizado en imágenes ultrasónicas médicas. Consiste en un oscilador de formación de haz (TX) que produce una señal electrónica que consiste en pulsos de ondas sinusoidales que oscilan a una frecuencia ultrasónica, que se aplica a una matriz de transductores ultrasónicos (T) en contacto con la superficie de la piel que convierten la señal eléctrica en ondas ultrasónicas que viajan a través del tejido. La sincronización de los pulsos emitidos por cada transductor está controlada por unidades de retardo programables (φ) que son controladas por un sistema de control de microprocesador (C) . Las líneas rojas en movimiento son los frentes de onda de las ondas ultrasónicas de cada transductor. Los frentes de onda son esféricos, pero se combinan ( superponen ) para formar ondas planas, creando un haz de sonido que viaja en una dirección específica. Dado que el pulso de cada transductor se retrasa progresivamente a medida que asciende por la línea, cada transductor emite su pulso después del que está debajo. Esto da como resultado un haz de ondas de sonido emitido en un ángulo (θ) con respecto a la matriz. Al cambiar los retrasos de los pulsos, la computadora puede escanear el haz de ultrasonidos en un patrón de trama a través del tejido. Los ecos reflejados por tejidos de diferente densidad, recibidos por los transductores, construyen una imagen de las estructuras subyacentes.

Examen de soldadura mediante el método de matriz en fase. ARRIBA: La sonda de matriz en fase emite una serie de haces para inundar la soldadura con sonido. ABAJO: El defecto en la soldadura aparece como una indicación roja en la pantalla del instrumento.

La ultrasónica de matriz en fase ( PA ) es un método avanzado de pruebas ultrasónicas que tiene aplicaciones en imágenes médicas y pruebas no destructivas industriales . Las aplicaciones comunes son examinar de forma no invasiva el corazón o encontrar fallas en materiales fabricados como soldaduras . Las sondas de un solo elemento ( matriz no en fase ) , conocidas técnicamente como sondas monolíticas , emiten un haz en una dirección fija. Para probar o interrogar un gran volumen de material, una sonda convencional debe escanearse físicamente (mover o girar) para barrer el haz a través del área de interés. Por el contrario, el haz de una sonda de matriz en fase se puede enfocar y barrer electrónicamente sin mover la sonda. El haz es controlable porque una sonda de matriz en fase está formada por múltiples elementos pequeños, cada uno de los cuales puede ser pulsado individualmente en un tiempo calculado por computadora. El término en fase se refiere al tiempo, y el término matriz se refiere a los múltiples elementos. Las pruebas ultrasónicas de matriz en fase se basan en principios de física de ondas , que también tienen aplicaciones en campos como la óptica y las antenas electromagnéticas .

Principio de funcionamiento

La sonda PA consta de muchos transductores ultrasónicos pequeños , cada uno de los cuales puede recibir pulsos de forma independiente. Al variar la sincronización, por ejemplo, haciendo que el pulso de cada transductor se retrase progresivamente a medida que avanza por la línea, se establece un patrón de interferencia constructiva que da como resultado la radiación de un haz ultrasónico cuasi plano en un ángulo establecido según el retardo de tiempo progresivo. En otras palabras, al cambiar el retardo de tiempo progresivo, el haz se puede dirigir electrónicamente. Se puede barrer como un reflector a través del tejido u objeto que se está examinando, y los datos de múltiples haces se combinan para crear una imagen visual que muestra un corte a través del objeto.

Uso en la industria

El método de matriz en fase se utiliza ampliamente para ensayos no destructivos (NDT) en varios sectores industriales, como la construcción , las tuberías y la generación de energía . Este método es un método de END avanzado que se utiliza para detectar discontinuidades, es decir, grietas o defectos y, por lo tanto, determinar la calidad del componente. Debido a la posibilidad de controlar parámetros como el ángulo del haz y la distancia focal, este método es muy eficiente en cuanto a la detección de defectos y la velocidad de las pruebas. ^[1] Además de detectar defectos en los componentes, el método de matriz en fase también se puede utilizar para mediciones de espesor de pared junto con pruebas de corrosión . ^{[2] [3]} El método de matriz en fase se puede utilizar para los siguientes fines industriales:

• Inspección de soldaduras ^[4]
• Mediciones de espesor
• Inspección de corrosión
• Bloques de demostración/validación de PAUT ^[5]
• Inspección de material rodante (ruedas y ejes)
• Bloques de calibración estándar PAUT y TOFD

Características

En una obra, un técnico comprueba si hay defectos en la soldadura de una tubería utilizando un instrumento de ultrasonidos de matriz en fase. El escáner, que consta de un marco con ruedas magnéticas, mantiene la sonda en contacto con la tubería mediante un resorte. La zona húmeda es el acoplador ultrasónico que permite que el sonido pase a la pared de la tubería.

• El método más comúnmente utilizado para la ecografía médica .
• Múltiples elementos de sonda producen un haz orientable y enfocado. ^[6]
• El tamaño del punto focal depende de la apertura activa de la sonda (A), la longitud de onda ( λ ) y la distancia focal (F). ^[7] El enfoque está limitado al campo cercano de la sonda de matriz en fase.
  • ${\displaystyle {\text{Focal spot size}}=F\lambda /A}$
  • ${\displaystyle {\text{Near Field}}=A^{2}/4\lambda }$
• Produce una imagen que muestra un corte transversal del objeto.
• En comparación con los sistemas de pruebas ultrasónicas convencionales de un solo elemento , los instrumentos y sondas PA son más complejos y costosos.
• En la industria, los técnicos de PA requieren más experiencia y capacitación que los técnicos de UT convencionales.

Normas

Comité Europeo de Normalización (CEN)

• prEN 16018, Ensayos no destructivos - Terminología - Términos utilizados en ensayos ultrasónicos con arreglos en fase
• ISO/WD 13588, Pruebas no destructivas de soldaduras – Pruebas ultrasónicas – Uso de tecnología de matriz en fase (semi)automatizada

Véase también

• Arreglos en fase (teoría general y telecomunicaciones electromagnéticas).
• Óptica de matriz en fase

Referencias

1. Inspección de corrosión bajo soporte de tuberías. Recuperado el 13 de julio de 2012.
2. Phased Array (PA). Recuperado el 13 de julio de 2012.
3. Mapeo de corrosión con ultrasonidos de matriz en fase. Cumbre y exposición de inspección API 2011. Recuperado el 13 de julio de 2012.
4. ASTM, E2700 (2012). Pruebas no destructivas, vol. 3.03, Pruebas ultrasónicas de contacto de soldaduras mediante matrices en fase . Conshohocken, PA: Sociedad Estadounidense para Pruebas de Materiales. pp. 1536–44. ISBN 978-0-8031-8729-0.{{cite book}}: CS1 maint: nombres numéricos: lista de autores ( enlace )
5. "Tecnología de fallas Nde".
6. ASTM, E2491 (2012). Ensayos no destructivos vol 3.03, Evaluación de las características de los instrumentos y sistemas de ensayos ultrasónicos de arreglo en fase . Conshohocken, PA: Sociedad Estadounidense para Ensayos de Materiales. págs. 1358–75. ISBN 978-0-8031-8729-0.{{cite book}}: CS1 maint: nombres numéricos: lista de autores ( enlace )
7. Birring, Anmol (septiembre de 2008). "Selección de parámetros de matriz en fase para pruebas de soldadura". Evaluación de materiales .

Libros

• Código de calderas y recipientes a presión de ASME . Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos, 2013. Sección V: Examen no destructivo . [Véase el artículo 4: Métodos de examen ultrasónico para soldaduras . Párrafo E-474 Técnica de arreglo en fase UT ]

Enlaces externos

• FOCUS - Simulador de ultrasonidos rápido en C++ orientado a objetos [Rutinas de MATLAB para crear y simular matrices en fase]
• Simulador animado de matriz en fase [se requiere registro después de 5 minutos de uso]
• Tutorial sobre Phased Array Recurso educativo de Olympus