Phased Array con TFM
Cos’è la TFM?
Con l’evoluzione dell’industria moderna, i requisiti richiesti per l’ispezione e la sicurezza dei materiali sono diventati sempre più elevati.
Per rispondere a queste esigenze, negli ultimi anni si è diffusa la tecnologia Total Focusing Method (TFM) basata sulla tecnica Full Matrix Capture (FMC), oggi considerata una delle evoluzioni più avanzate nel campo dei controlli non distruttivi ad ultrasuoni.
La tecnologia TFM consente di ottenere immagini ad alta definizione delle discontinuità, migliorando la capacità di caratterizzazione dei difetti rispetto ai metodi Phased Array convenzionali.
Uno dei principali vantaggi della TFM è la possibilità di eseguire focalizzazioni multiple sull’intera area di scansione senza utilizzare complessi circuiti di ritardo. Questo approccio permette di ottenere elevata precisione e una migliore qualità dell’immagine in numerosi campi applicativi.
Nell’imaging TFM, la direttività del campo sonoro del trasduttore influenza direttamente la qualità del risultato finale. La capacità del trasduttore di emettere ultrasuoni in modo direzionale determina infatti la chiarezza e l’accuratezza dell’ispezione.
Durante il processo di imaging TFM, il sistema esegue il calcolo dei percorsi di trasmissione e ricezione per tutti i punti focali presenti nell’area di prova. Per questo motivo, la direttività degli elementi assume un ruolo ancora più importante rispetto al Phased Array tradizionale.
La tecnologia Full Matrix Capture
A differenza dell’imaging Phased Array convenzionale, il Total Focusing Method (TFM) utilizza una modalità di acquisizione basata sulla ricezione simultanea dei segnali provenienti da tutti gli elementi del trasduttore.
Questa modalità di acquisizione prende il nome di Full Matrix Capture (FMC).
Nel processo FMC, ogni elemento dell’array viene attivato singolarmente per emettere ultrasuoni, mentre tutti gli altri elementi rimangono contemporaneamente in ricezione.
Grazie ai canali di ricezione indipendenti presenti nella strumentazione, il sistema acquisisce in parallelo i segnali eco provenienti da ogni elemento del trasduttore.
Ogni elemento registra quindi i dati ricevuti in modo indipendente, generando un insieme completo di segnali eco.
Successivamente, il sistema eccita a turno tutti gli altri elementi del trasduttore Phased Array. In questo modo, ogni elemento trasmittente genera dati acquisiti da tutti gli elementi riceventi.
Se l’elemento i-esimo trasmette onde ultrasoniche e l’elemento j-esimo riceve il segnale, i dati acquisiti possono essere rappresentati come Pij(t).
Nel caso di un trasduttore Phased Array con N elementi, ogni elemento viene utilizzato individualmente come elemento di eccitazione.
L’insieme completo dei dati acquisiti può quindi essere rappresentato tramite una matrice N×N.
La tecnologia Total Focusing Method
Come viene generata un’immagine TFM?
Una volta acquisita la matrice completa dei dati FMC, il software TFM elabora le informazioni per ricostruire l’immagine finale.
L’algoritmo TFM suddivide inizialmente l’area di prova in una griglia composta da numerosi punti di imaging.
Per ogni punto della griglia, il sistema calcola il tempo di percorrenza dell’onda ultrasonica tra gli elementi trasmittenti, il punto di riflessione e gli elementi riceventi.
Successivamente, il software recupera i dati eco corrispondenti ai tempi calcolati e li combina tra loro per determinare il valore di ciascun pixel dell’immagine.
Sistema di coordinate e area di imaging
Nel sistema TFM, la sonda lineare 1D viene posizionata sulla superficie del materiale da controllare per creare un sistema di coordinate bidimensionale Oxz.
L’asse x segue la direzione dell’array ed è parallelo alla superficie del componente.
L’asse z è invece perpendicolare alla superficie e si sviluppa all’interno del materiale.
L’array viene disposto lungo l’asse x, mentre l’area di imaging si trova sotto il trasduttore.
Supponendo che il numero totale degli elementi sia N, il segnale ricevuto può essere rappresentato come uij(t), dove:
- i identifica l’elemento trasmittente
- j identifica l’elemento ricevente
- t rappresenta il tempo
Calcolo dei pixel nell’imaging TFM
L’area di imaging contiene N pixel nella direzione orizzontale e M pixel nella direzione verticale.
All’interno dell’area di controllo è presente il punto di diffusione P (xn, zm), dal quale vengono calcolati i percorsi ultrasonori.
La matrice può essere definita come:
- n = 1,2,…, M1
- m = 1,2,…, M2
dove:
- M1 rappresenta il numero di pixel lungo l’asse x
- M2 rappresenta il numero di pixel lungo l’asse z.
Attraverso le relazioni geometriche del sistema, il software calcola i percorsi tra:
- l’elemento trasmittente (xi,0)
- l’elemento ricevente (xj,0)
- il punto di diffusione P(xn, zm)
Una volta ottenuti questi dati, il sistema determina il valore del pixel TFM I (xn, zm) per ogni punto dell’immagine.
L’immagine TFM finale nasce quindi dalla combinazione dei ritardi temporali e delle ampiezze degli echi ricevuti dai singoli elementi della matrice.