Preguntas formuladas frecuentemente sobre el método de focalización total (TFM)

P: ¿Qué es el método de focalización total (TFM) y cómo se relaciona con la captura de matriz completa (FMC)?

R: El método de focalización total (TFM) se basa en la misma metodología de orientación y focalización que aquella de la tecnología por ultrasonido multielemento (Phased Array) convencional; sólo que en este caso, la focalización se aplica en todas las partes de la región de interés (el «área TFM»), y no sólo en una profundidad fija. Si bien el TFM podría aplicarse mediante la transmisión física de haces acústicos focalizados en todas las posiciones de la región de interés, el tiempo necesario para completar tal ciclo de adquisición es extremadamente largo.

Puesto que las ondas acústicas utilizadas en las aplicaciones de ensayos no destructivos (END) son lineales, la superposición física de las ondas acústicas que producen un haz específico en la transmisión y la recepción (formación de haces) puede ser replicada a través de una adición posterior a la adquisición. Para activar la formación de haces sintéticos del método de focalización total (TFM), que corresponde a la formación de haces físicos, es necesario adquirir todas las representaciones A-scan elementales provenientes de las aperturas de emisión y recepción de una sonda. Este completo conjunto de datos, formado por A-scan elementales, es necesario para calcular todos los haces focalizados. La adquisición de captura de matriz completa (FMC) es usada para reunir este conjunto de datos.

P: ¿Cómo funciona el método de focalización total (TFM)?

R: Primero el usuario debe introducir los parámetros que delimitan el área TFM, que es la zona de inspección o región de interés (ROI). El área TFM se divide en un cuadrícula; el tamaño de cada posición (o píxel) en esta cuadrícula es determinado por el usuario (resolución de cuadrícula). Para dar sentido a los datos FMC, el algoritmo TFM atribuye variables clave, como el modo de propagación acústica y resolución, lo que divide los datos en conjuntos de ondas. Por ejemplo, el conjunto de onda TT-T es uno en el que la onda transversalmente transmitida se refleja fuera de la superficie interna antes de cubrir cada píxel en el área de interés (ROI); a continuación, ésta se propaga como onda transversal en una trayectoria directa a partir de cada píxel hasta el elemento receptor.

Configuración de los parámetros del área TFM

P: ¿Qué es la captura de matriz completa (FMC) y cómo funciona?

R: La adquisición acústica de captura de matriz completa (FMC) genera un conjunto de datos FMC. El conjunto de datos de la FMC es la recopilación de todas las combinaciones de representaciones A-scan elementales obtenidas a partir de la respuesta de cada elemento integrado en una sonda de ultrasonido multielemento o preparación de sondas. La estrategia consiste en la emisión efectuada de forma sucesiva por cada elemento de la sonda, y la recepción conjunta de los haces acústicos por todos los demás elementos.

Vea el video para conocer el proceso FMC y TFM.

P: ¿Por qué usar el TFM para procesar los conjuntos de datos FMC?
O, de forma inversa...
P: ¿Por qué usar la estrategia FMC para producir representaciones TFM?

Cualquier método de formación de haces puede aplicarse a los conjuntos de datos FMC. Es posible usar los datos FMC sin tratar (representaciones A-scan elementales) para emular sintéticamente una adquisición típica de ultrasonido multielemento (Phased Array, PA). Sin embargo, la estrategia de formación de haces con la tecnología de ultrasonido multielemento sólo enfoca el haz en una profundidad específica en la pieza, mientras que el TFM permite representar la amplitud acústica en toda una zona de interés (el «área TFM»), y cada posición de píxeles en esa área es focalizada. La posibilidad de obtener una zona de interés plenamente enfocada es el principal estímulo para hacer uso del TFM a fin de procesar los datos de la FMC.

Por el contrario, a fin de obtener representaciones TFM a una velocidad lo suficientemente eficiente para las aplicaciones de END, es necesario utilizar el método de adquisición de FMC. El conjunto completo de los A-scan elementales, dedicados a la apertura, es necesario para calcular una representación TFM. El mismo conjunto de datos FMC puede ser la fuente de múltiples representaciones TFM que presentan diferentes conjuntos de ondas.

P: ¿Es posible acceder al conjunto de datos primarios sin tratamiento de la captura de matriz completa (FMC) en los detectores de defectos de la serie OmniScan™ X3?

R: Hasta la fecha de esta publicación, la respuesta es negativa. Pero ¡esté alerta!, siempre estamos en constante desarrollo de nuevas soluciones para los detectores de defectos de la serie OmniScan X3.

P: ¿Qué modo de propagación acústica se debe usar para producir la representación de un reflector vertical?

R: Algunos modos (o conjuntos de ondas) tienden a trabajar mejor en el caso de los reflectores verticales. Se recomienda iniciar con el modo autotándem mediante los conjuntos de ondas TTT-TT o TT-T. Sin embargo, el inconveniente es que un conjunto de ondas normalmente sólo proporciona una vista parcial de un reflector vertical. Otros conjuntos de ondas, como el modo TL-T, pueden completar los vacíos en el procesamiento de imagen dejados por el primer modo seleccionado, mientras que los conjuntos de ondas de pulso-eco (pulse-echo) [p. ej., T-T y TT-TT] pueden ser usados para detectar ecos capturados en las esquinas y vértices de difracción.

Una manera para poder asegurar un procesamiento de imagen y una detección adecuados es usando el mapa de influencia acústica (AIM) del detector de defectos OmniScan™ X3 que, junto con ensayos experimentales, permitirá caracterizar y comprender completamente los puntos positivos y negativos de cada modo de propagación. Tenga en cuenta que el uso de los modos autotándem puede plantear desafíos con respecto al espesor y la velocidad del material, ya que se requiere la evaluación precisa de estos para obtener los resultados esperados.

Conozca más sobre el mapa de influencia acústica en este informe técnico: Mapa de influencia acústica TFM Mapa de influencia acústica TFM.

P: ¿Es posible usar el escáner HydroFORM™ con el TFM?

R: A excepción de aplicaciones muy específicas en donde la columna de agua permanece constante, la respuesta lamentablemente es negativa. Aún no es posible utilizar el escáner HydroFORM con el método de focalización total. Debido a la diferencia existente entre la velocidad acústica del agua y del material inspeccionado, una variación mínima en la columna de agua podría significar una desviación de elevada importancia en la trayectoria de la onda del ultrasonido en el material. Por ejemplo, una variación de 0,5 mm en la columna de agua corresponde a una diferencia de 2 mm en la trayectoria del acero al carbono, lo cual tiene efectos negativos en las capacidades de la focalización TFM. Pero ¡esté alerta!, siempre estamos en constante desarrollo de nuevas soluciones.

P: ¿Cuáles son los beneficios de la función de envolvente en el TFM de la serie OmniScan X3?

R: El beneficio más obvio al usar la envolvente del TFM es la eliminación de las oscilaciones de amplitud que derivan del uso de A-scan por ondas acústicas de oscilación natural, como el conjunto de datos elementales. Frente a una ausencia de oscilaciones, la amplitud se hace más continua y el dimensionamiento más fácil.

Asimismo, la representación de la envolvente del TFM puede ser obtenida a un nivel de frecuencia de adquisición superior que aquella de la representación TFM oscilante estándar, a la vez que se mantiene el mismo valor de fidelidad de amplitud (AF). Los ejemplos a continuación muestran los defectos por ataque por hidrógeno a alta temperatura (HTHA) con la envolvente desactivada (arriba) y activada (abajo). Si la función de la envolvente TFM está activada, la resolución de la cuadrícula puede ser más gruesa; sin embargo, la fidelidad de amplitud se mantiene por debajo de 2 dB (tolerancia estándar) y la tasa de adquisición aumenta. Al comparar estas dos representaciones, los ecos de los defectos pueden ser identificados de forma más fácil con la envolvente activada. Debido a su resistencia superior ante oscilaciones, la representación de la envolvente del TFM facilita la interpretación de los defectos y el dimensionamiento basado en la amplitud.

Conozca más sobre la envolvente TFM en este informe técnico: Uso del método de focalización total (TFM) con su función de envolvente.

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Representación TFM estándar de los defectos del HTHA con una resolución de cuadrícula de 0,07 mm, AF de 1,7 dB y una frecuencia de adquisición de 10,6 Hz

Representación de la envolvente TFM de los defectos del HTHA con una resolución de cuadrícula de 0,15 mm, AF de 1,9 dB y una frecuencia de adquisición de 19,5 Hz

P: ¿Por qué el método de focalización total (TFM) puede usar aperturas activas que contienen el doble de elementos del ultrasonido multielemento convencional (PA) cuando se usa un mismo modelo de instrumento y sonda?

R: Esto es posible porque el procesamiento de imágenes con el TFM se produce con los datos recogidos mediante la captura de matriz completa (FMC). La recopilación de los datos por la FMC en un detector de defectos de la serie OmniScan X3 puede dividirse en dos partes cuando es necesario. Este caso se presenta, por ejemplo, al usar una sonda PA de 128 elementos junto con un detector de defectos de 64 canales, como un modelo OmniScan X3 64.

Funcionamiento: Primero, el instrumento impulsa un solo elemento y recibe el ultrasonido de retorno en la primera mitad serial de los elementos. Después, dispara el mismo elemento nuevamente, y esta vez recibe el ultrasonido de retorno en la segunda mitad serial de los elementos. Esta secuencia de accionamiento doble se repite en cada elemento de la sonda; por ende, permite reunir los datos de todos los elementos de forma muy rápida.

Para comparar las técnicas TFM y PA, se usará como ejemplo un detector de defectos OmniScan X3 64 con una sonda de 128 elementos. Si se usa el modo de adquisición PA, solo podrá emitirse y recibirse señales de los 64 elementos de la sonda a la vez. El procesamiento de señal PA se encontrará limitado debido a la cantidad de canales que posee el detector de defectos, que en este caso es 64. Dado que el procesamiento del TFM se basa en los datos FMC, cuya adquisición puede hacer uso de las señales de los 128 elementos de la sonda, la apertura activa se duplica efectivamente en comparación con la técnica PA.

P: En el plan de escaneo, ¿por qué puedo visualizar un mapa cromático de mi haz en el TFM y no en la técnica de ultrasonido multielemento (Phased Array) convencional?

R: Hasta la fecha de esta publicación, la función de mapa de influencia acústica está disponible solo en el modo TFM. Pero ¡esté alerta!, siempre estamos en constante desarrollo de nuevas soluciones.

P: ¿Por qué se debería reducir la resolución de una cuadrícula?

R: Si bien un muy alto recuento de píxeles (alta resolución de cuadrícula) puede mejorar la imagen TFM, la carga del procesamiento puede disminuir la velocidad en la adquisición. Por lo tanto, los usuarios deben enfocarse en un «nivel intermedio» que proporcione una buena detección y capacidades de caracterización sin sacrificar la productividad. Los detectores de defectos de la serie OmniScan X3 incluyen algunas lecturas útiles que proporcionan conocimiento relativo a la resolución de la cuadrícula en función de la longitud de onda, vinculada a la frecuencia central de la sonda, ya sea por onda transversal (onda T) u onda longitudinal (onda L), en la muestra. Se proporciona otra lectura que proporciona un valor de fidelidad de amplitud (AF) teórica en función del modo acústico seleccionado y la resolución de cuadrícula. Esta lectura es relativamente importante ya que algunos nuevos códigos o estándares normativos para FMC/TFM requieren que el operador defina la resolución de la cuadrícula para obtener un nivel de fidelidad de amplitud (AF) de 2 dB o inferior. Gracias a ello, el operador puede evitar procesos engorrosos de medición experimental relativos al valor de fidelidad de amplitud.

P: ¿Cuál es la diferencia entre los modos de propagación acústica pulso-eco, autotándem y emisión-recepción?

R: El modo pulso-eco (pulse-echo en inglés) es cualquier modo de propagación cuyos haces de emisión y recepción siguen exactamente la misma trayectoria en la pieza inspeccionada. Los modos de pulso-eco pueden desarrollarse en una trayectoria directa (sin saltos) o con múltiples saltos. Estos se definen por el modo de la onda acústica, longitudinal o transversal (L o T), en cada tramo de la trayectoria de propagación: L-L, T-T, LL-LL, TT-TT, etc.

Las trayectorias de emisión y recepción en modo autotándem no coinciden exactamente, pero los elementos de emisión y recepción se encuentran bajo la misma sonda de ultrasonido multielemento (Phased Array). En su forma más simple, un segmento de la trayectoria de propagación (ya sea el tramo de emisión o de recepción) se salta la parte inferior de la pieza inspeccionada, y el otro segmento de propagación (el trayecto de recepción o emisión respectivo) es directo. La zona de detección se produce en el cruce de ambos segmentos de la trayectoria. Al igual que los modos de pulso-eco, los modos en autotándem (o conjuntos de ondas) se definen por el modo de la onda acústica de cada tramo dentro de la trayectoria de propagación: TT-T, TL-T, etc. Los modos de propagación en autotándem también incluyen conjuntos de ondas con múltiples saltos, como el TTT-TT.

Trayectorias de propagación en pulso-eco típicas (tres imágenes a la izquierda) y una trayectoria de propagación en autotándem (imagen a la derecha)

El modo de emisión y recepción se define de la misma manera que el modo en autotándem, excepto por la distinción de los elementos de emisión y recepción que se encuentran en dos sondas PA distintas.

Los modos de propagación de pulso-eco y autotándem no son propios del TFM; pueden obtenerse tanto con el ultrasonido multielemento convencional como con el método de focalización total.

Con el método de focalización total en pulso-eco, las variaciones de espesor en la pieza solo afectan la posición de las señales de fondo y los defectos de diámetro interno conectados. A diferencia de los modos pulso-eco del TFM, los modos autotándem del TFM son muy sensibles a los ligeros cambios en el espesor de la pieza debido a la pequeña superposición que se produce entre los puntos focales de emisión y recepción. Las variaciones de espesor, tan bajas como del 5 %, pueden poner los defectos de TFM en el modo autotándem fuera de enfoque; por lo tanto, es importante medir de forma precisa el espesor actual de la pieza.

P: ¿Se puede usar una suela (zapata) cuando se inspecciona con el método de focalización total?

R: ¡Definitivamente! De forma similar como en los ensayos por ultrasonido multielemento (Phased Array), puede usar una sonda con el método de focalización total (TFM) sin o con una suela (zapata).

P: ¿De dónde proviene la representación A-scan mediante el método de focalización total?

R: El A-scan que se proyecta al lado de la «vista final» TFM proviene de la representación reconstruida por el método de focalización total y no del conjunto de datos A-scan elementales adquiridos mediante la captura de matriz completa (FMC). El A-scan del TFM representa una matriz de las amplitudes de píxeles que son seleccionadas y mostradas. Por ello, al A-scan en el modo de focalización total se le evoca como un A-scan sintético en lugar de un A-scan resumido como en el caso de los ensayos por ultrasonido multielemento (Phased Array, PA).

P: ¿El TFM es mejor que la tecnología de ultrasonido multielemento convencional (Phased Array)?

R: Así el método de focalización total sea mejor que la tecnología de ultrasonido multielemento convencional (PA), o viceversa, depende de la aplicación y preferencia. Al plantear la pregunta ¿las manzanas son mejores que las naranjas?, cualquiera que prefiera una sobre la otra va argumentar sobre la idoneidad de las manzanas para una tarta de manzanas o de las naranjas para un jugo de naranjas. Las principales diferencias entre el ultrasonido multielemento (Phased Array) convencional y el TFM se enumeran a continuación:

• Focalización: El ultrasonido multielemento convencional produce haces que se enfocan a cierta profundidad. El TFM está desarrollado para enfocarse en cualquier área. Por otro lado, el TFM se basa en la misma acústica que permite el despliegue del ultrasonido multielemento convencional: las mismas leyes de la física se aplican tanto al ultrasonido multielemento convencional como al TFM, además generan exactamente los mismos efectos en la formación de los haces. Por ende, un hecho que a menudo se pasa por alto, especialmente en el caso del TFM, es que el método sólo funciona en la región del campo cercano. En la región focalizada por el ultrasonido multielemento (PA) convencional, el funcionamiento TFM y PA debe ser casi similar. Note que el ultrasonido multielemento convencional proporciona una flexibilidad adicional, ya que puede funcionar sin focalización (para fines de detección) o con focalización (para un dimensionamiento preciso).
• Detección: Tanto el TFM como el ultrasonido multielemento (PA) pueden proporcionar un funcionamiento de detección equivalente o mejor que el otro dependiendo de la aplicación. La capacidad del método de focalización total para enfocar todas las partes permite determinar defectos más pequeños, como las inclusiones y porosidad, sin necesidad de ajustar el enfoque en relación con la posición del defecto detectada. Cabe agregar que los diferentes modos del TFM y conjuntos de ondas exhiben patrones de sensibilidad muy diferentes. Por último, el método de focalización total también es sensible a la orientación del defecto; ya que, después de todo, es una técnica de ultrasonido. Ejecutar una inspección por el método de focalización total (TFM) sin conocer la influencia de cada una de las variables mencionadas anteriormente puede conllevar a un rendimiento deficiente en la detección. La mejor manera para asegurar una detección correcta es generando un mapa de sensibilidad simulada (como con la función AIM del detector de defectos OmniScan X3) y respaldar los resultados de la simulación con ensayos experimentales. Por otro lado, las capacidades de detección de la tecnología PA son bien conocidas, ya que esta última ha formado parte del ámbito de los ensayos no destructivos por décadas. La tecnología PA es reconocida por ofrecer una detección y un dimensionamiento excelentes en varios tipos de grietas y faltas de fusión; pero, es menos reconocida en defectos pequeños, como la porosidad aislada. La mención anterior por lo general es cierta, pero solo porque la mayoría de las inspecciones por ultrasonido multielemento (PA) inicialmente se ejecutan sin enfoque (para propósitos de monitorización). Cuando se usa el ultrasonido multielemento (Phased Array) en modo focalizado, combinado con una calidad de sonda y suela (zapata) apropiada y buena, es posible puede obtener resultados tan buenos como aquellos por el método de focalización total (TFM). Sin embargo, esto se aplica exclusivamente al área donde el haz se encuentra enfocado.
• Velocidad: Si se considera que la captura de matriz completa normalmente impulsa cada elemento de forma sucesiva, y el ultrasonido multielemento (Phased Array) convencional usa una cantidad limitada de conjuntos de haces (leyes focales), por lo general la técnica PA es más rápida. Asimismo, el TFM exige un procesamiento intenso en tiempo real, que disminuye la velocidad de la adquisición; algo que con una instrumentación PA no se experimenta. En general, el ultrasonido multielemento (PA) convencional puede proporcionar adquisiciones mucho más rápidas que el TFM, pero sólo bajo una focalización de cierta profundidad. Note que el uso de la envolvente del TFM puede mejorar la frecuencia de adquisición con respecto al TFM estándar, manteniendo al mismo tiempo el valor de fidelidad de amplitud a un nivel aceptable.
• Plan de escaneo y simuladores: El detector de defectos del OmniScan X3 está equipado con una útil herramienta de simulación llamada AIM, que significa mapa de influencia acústica. Esta herramienta muestra la cobertura que ofrece cada conjunto de ondas para poder seleccionar los datos, obtenidos por FMC, que deben ser almacenados. Ambas técnicas TFM y PA aseguran una cobertura apropiada a su modo; por lo tanto, es importante estudiar cada una para poder obtener resultados fiables a partir de cada una de estas técnicas (consulte a continuación la sección «Capacitación»).
• Capacitación: Ambas técnicas, TFM y PA, requieren una capacitación adecuada que debe ser aplicada con eficiencia. El objetivo y tiempo recomendados para las capacitaciones respectivas en cada técnica son casi iguales. Las falsas ideas como «cualquiera puede configurar un equipo usando el método de focalización total (TFM)» o «es posible emitir señales desde cada ángulo con la tecnología PA» contribuye a que la gente se equivoque con respecto a estas tecnologías. Esto puede engendrar comentarios falsos, y la sola manera de prevenirlos es mediante una capacitación apropiada.
• Presencia histórica y reconocida en campo: La tecnología de ultrasonido multielemento (PA) ha formado parte del ámbito de ensayos no destructivos (END) desde hace más de dos décadas y ha establecido sus casos, capacidades y limitaciones de uso. De forma alternativa, el método de focalización total (TFM) es una tecnología emergente que ofrece una amplia serie de capacidades cuyo potencial tiene aún mucho por explotar.
• Ajuste preciso en el momento: Ambas técnicas, TFM y PA, permiten a los usuarios modificar los valores de los parámetros en el momento.
• Calibración: Ambas técnicas, TFM y PA, requieren una calibración de sensibilidad apropiada para asegurar que los defectos sean detectados a través del completo rango (o zona) focalizado.