O que é um array?

Um transdutor phased array é um transdutor de teste ultrassônico que contém uma série de elementos que podem ser pulsados de maneira sincronizada visando direcionar ondas de som em uma direção específica. Isso viabiliza o teste de várias zonas de inspeção de uma só vez. 

O que é um array?

Um array é um arranjo organizado de grandes quantidades de um objeto. A forma mais simples de um array ultrassônico para testes não destrutivos (Non-destructive test, NDT) é uma série com vários transdutores de elemento único dispostos de modo a aumentar a cobertura e/ou a velocidade de um inspeção.

Aplicações dos transdutores phased array

Os transdutores phased array são usados para diversos tipos de inspeção NDT, inclusive:

• Inspeção de tubos, que costuma usar várias sondas para detectar rachaduras, localizar falhas laminares e medir a espessura geral
• Peças metálicas forjadas, que frequentemente exigem várias sondas focadas em profundidades diferentes para detectar pequenos defeitos de maneira zonal
• Um arranjo linear de sondas ao longo de uma superfície para aumentar a detecção de falhas laminares em compósitos ou corrosão em metais

Essas inspeções exigem equipamento ultrassônico multicanal de alta velocidade com pulsadores, receptores e lógica de porta adequados para processar cada canal, bem como a fixação cuidadosa de cada transdutor para configurar adequadamente as zonas de inspeção.

Em sua forma mais simples, uma sonda phased array é uma série de elementos individuais em um pacote. Embora os elementos sejam muito menores do que os transdutores convencionais, é possível pulsar esses elementos como um grupo a fim de gerar frentes de onda com direção controlável. Essa “formação de feixe eletrônico” viabiliza a programação e a análise de várias zonas de inspeção em taxas altas de velocidade a partir de um transdutor de posição única. Discutiremos isso mais detalhadamente adiante neste tutorial.

Características dos transdutores phased array

Os transdutores phased array são categorizados funcionalmente de acordo com os parâmetros básicos a seguir

Tipo: a maioria dos transdutores phased array é do tipo de feixe angular, desenvolvido para uso com um calço plástico, uma sapata plástica reta (calço de zero grau) ou uma linha de atraso. Também há transdutores de contato direto e imersão.

Frequência: a maior parte das operações de detecção ultrassônica de falhas é feita entre 2 MHz e 10 MHz, portanto, a maioria dos transdutores phased array está dentro dessa faixa. Também há sondas de frequência inferior e superior. Assim como observado com os transdutores convencionais, a penetração aumenta com a frequência mais baixa, enquanto a resolução e a nitidez focal aumentam com a frequência mais alta.

Número de elementos: normalmente os transdutores phased array têm de 16 a 128 elementos, com alguns chegando a ter até 256. Um número maior de elementos aumenta a capacidade de focalização e direcionamento, e também pode aumentar a cobertura de área. No entanto, o aumento no número de elementos também aumenta os custos de sonda e instrumentação. Cada um desses elementos é pulsado individualmente para criar a frente de onda de interesse. Como resultado, muitas vezes a dimensão entre esses elementos é chamada de direção ativa ou direcionamento.

Tamanho dos elementos: a capacidade de orientação do feixe é inversamente proporcional à largura do elemento. Por outro lado, uma área maior de cobertura exigirá mais elementos a um custo superior.

Normalmente, os parâmetros dimensionais de um phased array são definidos da seguinte forma:

Os parâmetros dimensionais de uma sonda phased array costumam ser definidos como:

• N = o número total de elementos no array
• A = a abertura total no direcionamento ou direção ativa
• H = altura ou elevação do elemento. Como essa dimensão é fixa, ela costuma ser chamada de plano passivo
• p = afastamento, ou a distância entre os centros de dois elementos sucessivos
• e = a largura de um elemento individual
• g = o espaçamento entre elementos ativos

Essas informações são usadas pelo software do instrumento para gerar a forma de feixe desejada. Se elas não forem inseridas automaticamente pelo software de reconhecimento de sonda, o usuário precisará inseri-las durante a configuração.

Dentro de um transdutor phased array

Embora os transdutores phased array tenham os mais diversos tamanhos, formatos, frequências e número de elementos, todos eles têm um elemento piezoelétrico dividido em vários segmentos.

Normalmente, os transdutores phased array contemporâneos para aplicações industriais de NDT são construídos com base em materiais piezocompósitos, que são compostos de muitas hastes minúsculas e finas de cerâmica piezoelétrica incorporadas em uma matriz polimérica. Embora sua fabricação possa ser mais desafiadora, os transdutores feitos de compósitos normalmente oferecem uma vantagem de sensibilidade entre 10 e 30 dB em relação aos transdutores piezocerâmicos de design semelhante. O chapeamento de metal segmentado é usado para dividir a tira de compósitos em uma série de elementos eletricamente distintos que podem ser pulsados individualmente. Em seguida, esse elemento segmentado é incorporado em um conjunto de transdutor que inclui uma camada protetora correspondente, um suporte, conexões de cabo e uma estrutura geral.

Tipos de configurações de transdutor phased array

A animação acima representa um array linear com uma pegada retangular. Trata-se de uma configuração comum para um phased array. É possível organizar os arrays como uma matriz para proporcionar mais controle de feixe sobre uma seção transversal da superfície ou como arrays circulares para um padrão mais esférico de focalização.

É possível ordenar os transdutores phased array em diversas configurações diferentes e cada uma delas tem vantagens e desvantagens distintas. As configurações comuns de transdutor phased array incluem:

Transdutor phased array linear

Os transdutores phased array lineares têm os elementos dispostos em uma linha reta. Essa é a configuração mais comum em testes de ultrassom phased array. A produção de transdutores phased array lineares é fácil, mas eles precisam ser largos para uma focalização profunda. 

Transdutor phased array anular

Os transdutores phased array anulares e os transdutores phased array anulares segmentados apresentam elementos organizados em anéis circulares com um centro comum. Esse transdutores podem fornecer feixes elípticos e esféricos com capacidades de direcionamento em diferentes profundidades. No entanto, seu traçado complexo torna a fabricação desafiadora. 

Transdutor phased array convexo

Também chamados de transdutores phased array curvos ou curvilineares, os transdutores phased array convexos têm elementos dispostos em uma linha arqueada. Esses transdutores são bons para testes aprofundados, mas a resolução a imagem pode diminuir conforme a profundidade aumenta. 

Transdutor phased array quadrado

Os transdutores phased array quadrados têm os elementos dispostos em um padrão quadrado. Embora esse padrão forneça excelentes capacidades de direcionamento, o traçado complexo dificulta a fabricação de transdutores phased array quadrados.

Transdutor phased array circular

Os transdutores phased array circulares apresentam elementos dispostos em um anel circular, mas sem um centro comum. Eles oferecem excelentes capacidades de direcionamento em profundidades variáveis, especialmente em alvos curvos. No entanto, o traçado complexo desses transdutores torna a fabricação difícil.