Ultrassom Phased Array

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Ultrassom Phased Array 
Optical Phased Array Technology 
Raissa Fabrini de Araujo Rocha, Ossama El Khal, Vinicius de Alvarenga Balbio, Rayan 
Andrade Alexandre 
Resumo 
O presente trabalho irá mostrar os princípios de funcionamento do ensaio não destrutivo Phased 
Array, nome dado a uma variação do ensaio por ultrassom convencional. O objetivo do trabalho 
é detalhar a técnica através de uma pesquisa bibliográfica minuciosa e mostrar avanços recentes 
dos ensaios por ultrassom. A pesquisa bibliográfica foi feita de forma qualitativa, buscando 
entender os princípios de funcionamento da técnica que consiste em matrizes com grupos de 
transmissores e receptores, geralmente chamados de elementos da matriz. Apesar de pouco 
conhecido no mercado, a habilidade de mudar a forma e ângulo do feixe de ultrassom 
dependendo do momento em que os elementos são disparados é uma das grandes vantagens do 
processo. 
Palavras-chave: Ensaio não destrutivo; Phased Array; Ultrassom; Engenharia. 
Abstract: The research will show the function principles of optical Phased Array Technology, a 
type of ultrasound nondestructive testing. The research objective is to highlight the technique 
through detailed bibliographic research and show recent advances of the ultrasound 
nondestructive testing. The bibliographic research was developed in a qualitative way, seeking 
to understand the key operating principles of the technic that consist in array with groups of 
transmitters and receivers, usually called array elements. The technic it’s still unknown, but the 
ability to change shape and angle of the ultrasound wave depending of the moment which the 
elements are discharged is one of the biggest advantage of this process. 
Keywords: Nondestructive testing; Phased Array; Ultrasound; Engineering. 
1. Introdução 
O ensaio não destrutivo por Phased Array é uma forma alternativa de ensaio por ultrassom. 
Recentemente, técnicas de ensaios utilizando o ultrassom têm substituído os ensaios por 
radiografia. Apesar de ambas serem capazes de realizar inspeções volumétricas de soldas e de 
componentes para defeitos como trincas, falta de fusão, porosidade, etc., o ultrassom vem sendo 
mais usado por sua praticidade e por estar em conformidade com os códigos da Sociedade dos 
Engenheiros Mecânicos dos Estados Unidos (ASME, sigla em inglês) e do Instituto Americano 
de Petróleo (API, sigla em inglês) [1]. 
Antes pouco conhecido, o Phased Array tem se tornado bastante popular recentemente. Consiste 
em uma inspeção utilizando transmissores que irão disparar elementos em momentos diferentes, 
conduzindo a interferência entre as ondas sonoras produzidas por cada elemento individual. A 
interferência pode ser construtiva (nesse caso as ondas irão se somar) ou destrutiva (nesse caso as 
ondas irão se cancelar) [2]. Frequentemente é utilizado junto com o método de voo da onda 
difratada (ToFD), quando inspetores usam unidades de aquisição e escâneres que podem usar os 
dois métodos simultaneamente [1]. 
As tecnologias Array representam uma nova forma que torna simples, acessível e portátil os 
ensaios não destrutivos por ultrassom. Os múltiplos feixes programados no ensaio tornam a 
detecção muito precisa, com alta capacidade de foco e desfoque dinâmico e capacidade de 
manuseio de potência ótica de moderada a excelente [3]. Antigamente, os processos de inspeção 
baseados em códigos seguiam os códigos do caso ou do anexo, porém com o avanço da 
usabilidade do Phased Array, o processo de inspeção ultrassônico está sendo incorporado pelas 
normas (por exemplo, a ASME Sec. V. Art. 4). Através do investimento na tecnologia, o Phased 
Arrey está cada dia mais acessível, portátil e fácil de usar, tornando um substituto seguro e 
eficiente para à radiografia [1]. 
2. Metodologia 
Para o desenvolvimento do trabalho, primeiramente o assunto foi delimitado de forma precisa. O 
tema escolhido foi ultrassom Phased Array. O objetivo geral é descrever a técnica e os recentes 
avanços da tecnologia. A pesquisa foi abordada de forma qualitativa. Enquanto pesquisas 
quantitativas seguem planos previamente estabelecidos, baseando-se em hipóteses claramente 
indicadas, a pesquisa qualitativa é direcionada ao longo de seu desenvolvimento. Além disso, 
“[...] não busca enumerar ou medir eventos e, geralmente, não emprega 
instrumental estatístico para análise dos dados; seu foco de interesse é amplo e 
parte de uma perspectiva diferenciada da adotada pelos métodos quantitativos. ” 
[4]. 
Para a presente pesquisa, optou-se pela exploração da técnica Phased Array através da pesquisa 
bibliográfica minuciosa do assunto. Quase todas as formas de pesquisas exigem estudos 
exploratórios ou pesquisa bibliográfica. A principal vantagem da pesquisa bibliográfica é oferecer 
ao pesquisador uma cobertura de fenômenos de forma muito mais ampla que a pesquisa direta, 
principalmente quando se trata de assuntos com dados muito dispersos. Apesar das suas 
vantagens, é importante ficar atento às fontes secundárias onde os dados são coletados. Uma fonte 
secundária pode comprometer a qualidade do trabalho caso não seja de confiança, reproduzindo 
e ampliando erros. Para evitar essa possibilidade, cabe ao pesquisador assegurar-se das condições 
em que os dados foram obtidos, analisar profundamente cada informação e explorar diversas 
fontes [5]. Após a pesquisa bibliográfica, discutiu-se as principais vantagens e desvantagens do 
processo. 
3. Results and Discussion 
Para destacar os avanços provocados pelo Phased Array, primeiro é preciso discutir os princípios 
do ensaio não destrutivo por ultrassom. Sons produzidos em um ambiente refletem-se ou 
reverberam nas paredes e estruturas, podendo ainda ser transmitidos para outros ambientes. O 
ensaio não destrutivo por ultrassom utiliza esse princípio para detectar descontinuidades em uma 
peça. Uma vibração ou onda ultrassônica é capaz de incidir em um anteparo qualquer e também 
quando percorre um meio elástico, ou seja, a onda sonora ou vibração irá refletir ao encontrar 
uma descontinuidade ou falha interna de um material. Através de aparelhos específicos como o 
da Figura 1, é possível detectar, localizar e interpretar essas reflexões provenientes do interior de 
uma peça [6]. 
O teste de ultrassom é feito através de ondas mecânicas ou acústicas (a técnica radiográfica, por 
exemplo, utiliza ondas eletromagnéticas) incididas no meio de inspeção de forma não destrutiva. 
Seu principal objetivo é captar descontinuidades internas como bolhas de gás em fundidos, dupla 
laminação em laminados, micro trincas em forjados, escórias em uniões soldadas, etc. que podem 
aparecer durante o processo de fabricação em diversos tipos de materiais ferrosos ou não ferrosos. 
Sua principal aplicação é feita para garantir a qualidade de peças de grandes espessuras com 
geometria complexa de juntas soldadas e chapas. Na maioria dos casos os ensaios são feitos em 
aço carbono e até mesmo em aços inoxidáveis. A técnica é muito utilizada nas áreas de caldeiraria 
e estruturas marítimas [6]. 
A tecnologia Phased Array originalmente era utilizada no campo médico, mas acabou sendo 
transferida para o meio industrial na década de 80. Na época, materiais piezocompostos, utilizado 
nas sondas Phased Array de composição complexa já estavam à disposição no meio industrial. 
Na mesma época, o Phased Array passou a ser incorporado na indústria como uma forma de 
ensaio não destrutivo (END). Até meados da década de 90, a tecnologia ainda era voltada para 
vasos de pressões de usinas nucleares, grandes eixos forjados e componentes de baixa pressão 
para turbinas [7]. 
Como dito anteriormente, um dos materiais utilizados no ensaio Phased Array é a sonda 
construída com materiais piezocompostos. Materiais piezocompostos são resultados da 
combinação de um material piezelétrico com outros materiais não-piezelétricos, oferecendo 
vantagens substanciais em relação aos materiais piezelétricos convencionais [8]. O efeito 
piezelétrico consistena capacidade de alguns cristais gerarem corrente elétrica por resposta a um 
estimulo mecânico ou por efeito reverso, transformar um estímulo mecânico em corrente elétrica. 
Transdutores ultrassônicos são capazes de converter energia elétrica em mecânica ou vice-versa, 
e as ondas ultrassônicas são geradas por esse dispositivo. De modo geral, um transdutor é um 
dispositivo capaz de converter um tipo de energia em outro. Os materiais piezelétricos são 
utilizados justamente na construção desses dispositivos, já que o cristal será utilizado como 
transdutor. Para ser utilizado como transdutor, um cristal deve ser cortado de forma que um campo 
elétrico alternado, quando nele aplicado, produza variações em sua espessura. Dessa variação 
resulta um movimento nas faces do cristal, originando as ondas sonoras [9]. 
Os novos avanços na tecnologia de materiais piezocompostos, micro usinagem, microeletrônica 
e na capacidade de computação com pacotes de simulação para projetos de ondas e interação dos 
componentes do feixe contribuíram para um grande desenvolvimento da tecnologia no final da 
década de 90. Também foram desenvolvidos softwares avançados capazes de interpretar melhor 
os resultados obtidos pela máquina [7]. 
Inspeções por ultrassom convencional devem usar vários transdutores com um único cristal em 
feixes divergentes. Em alguns casos, são utilizadas sondas de duplo-cristal ou monocristal com 
lentes focais capazes de reduzir a zona morta e aumentar a resolução do ensaio. Em todos os 
cenários, o ensaio por ultrassom convencional irá funcionar com um campo sônico por um eixo 
acústico com um único ângulo de refração, limitando a capacidade de detecção e 
dimensionamento de descontinuidades já que o feixe sônico não é capaz de incidir de forma 
totalmente perpendicular à superfície em todas as orientações das descontinuidades existentes na 
peça. Para contornar o problema, são utilizados diversos transdutores localizados em diversos 
ângulos pré-determinados, variando de 10º a 15º entre cada um para ampliar a capacidade de 
detecção da máquina. Torna-se limitante, portanto, a realização do ensaio em peças com grande 
espessura ou com geometria complexa, já que o acesso é limitado para acoplação e movimentação 
dos diversos transdutores [7]. 
No ultrassom Phased Array, existe uma possibilidade de mudança de forma e ângulo do feixe de 
ultrassom dependendo do momento em que os elementos são disparados. Por utilizar matrizes 
como receptores, a diferença do tempo que um pulso chega em cada elemento irá conter 
informações sobre a localização da sua fonte. A técnica ainda permite a varredura angular em 
todo o volume da solda somente com o movimento de um único transdutor no sentido longitudinal 
ao longo da solda, ou seja, não há necessidade do movimento no sentido transversal. Por esse 
motivo, sua aplicação pode acontecer em operações onde transdutores convencionais são 
ineficientes. Essa varredura angula irá permitir que o feixe seja deslocado pela região apropriada 
sem movimento da sonda, ao contrário da forma convencional com ângulo fixo que requer 
múltiplas varreduras angulares e movimentos da sonda. Os dois formatos de varredura estão 
especificados na Figura 2 [7]. 
O processo de fabricação do transdutor Phased Array consiste em cortar um único cristal em 
pequenas partes idênticas, cujas larguras são menores que o comprimento. Cada cristal é usado 
como gerador de ondas e o transdutor irá emitir uma onda quando essas ondas interferirem com 
as ondas dos cristais adjacentes, gerando uma nova região de interferências construtivas ou 
destrutivas. A onda construtiva é capaz de produzir um feixe sônico com a geometria desejada, 
podendo ser focada em ângulos de varredura previamente estabelecidos pelo software. A 
geometria é obtida pelo controle do computador através dos tempos de atraso de cada onda gerada 
pelos cristais. Um exemplo de malhas de sinais está exibido na Figura 3. Os principais 
componentes do ensaio estão exibidos na Figura 4 [7]. 
Com o avanço das tecnologias, o método de ensaio adotou três tipos de varreduras controladas 
por computador: A varredura eletrônica (linear), varredura setorial (angular) e a varredura com 
foco dinâmico de profundidade. A varredura eletrônica é executada com um ângulo constante e 
ao longo do comprimento do transdutor por um grupo de elementos ativos equivalentes a um 
transdutor ultrassônico convencional. Essa configuração é muito útil para detecção de falta de 
fusão em soldas e detecção de trincas internas e subsuperficiais (Figura 5). Na varredura setorial, 
o feixe é emitido em uma determinada faixa de ângulos para uma determinada profundidade focal, 
utilizando os mesmos elementos, ou seja, é feita em uma faixa de ângulos com diferentes 
profundidades. A faixa de ângulos irá depender da quantidade de cristais e tipo de onda. Já a 
varredura com foco dinâmico de profundidade é executada com diferentes profundidades focais. 
Na prática, um único pulso focalizado é emitido e a mudança do ponto focal é executada na 
recepção para todas as profundidades programadas (Figura 6) [7]. 
A aplicação da tecnologia de ultrassom Phased Array para ensaios não destrutivos foi gerada pela 
necessidade de diminuição do tempo de preparo e inspeção, aumento na confiabilidade do ensaio, 
detecção de trincas em orientações aleatórias com diferentes profundidades usando a mesma 
sonda em posição fixa, melhoria na relação sinal/ruído, capacidade de dimensionamento em 
juntas dissimilares aço carbono, detecção e dimensionamento de pequenas trincas de corrosão sob 
tensão de componentes de turbinas de geometria complexa e aumento de precisão na detecção, 
dimensionamento, localização e orientação de defeitos críticos de diversas orientações [7]. 
Todos esses pré-requisitos foram preenchidos com a tecnologia Phased Array. A tecnologia 
permite uma varredura automática, aumentando a velocidade do processo. Um único transdutor é 
capaz de cobrir uma grande área, permitindo a flexibilidade de aplicações. O preparo eletrônico 
é feito através do simples carregamento de um arquivo de calibração, sendo de fácil operação. A 
pequena dimensão do transdutor é adequada para aplicações com acesso limitado. O equipamento 
também pode ser programado para inspeção automatizada e com registro completo de varredura 
de juntas soldadas com geometrias complexas (juntas tubulares e juntas de bocais, por exemplo). 
A detecção dos defeitos é bem confiável, já que existe uma melhor relação sinal/ruído ao utilizar 
feixes focalizados. A probabilidade de detecção também é aumentada devido a deflexão de feixe 
angular. Por fim, o ensaio por Phased Array fornece uma boa imagem, já que conta com um novo 
e único processo de formação de imagem como a varredura setorial, permitindo maior facilidade 
na análise e interpretação de resultados [7]. Além das nítidas vantagens técnicas, o equipamento 
não emite radiação, é seguro, não exige licença adicional, não precisa ser operado em áreas 
protegidas, ou seja, não é preciso que haja paralização da operação, não produz resíduo químico 
e não causa desperdício de material, evidenciando também suas vantagens ambientais. A análise 
ultrassônica em tempo real das soldas pode fornecer avaliação instantânea e respostas ao soldador 
[1]. 
3.1. Figuras 
 
Figura 1 - Máquina de ensaio por ultrassom 
 
Figura 2 - Aplicação de Phased Array em geometria complexa 
 
Figura 3 - Malha de sinais emitidos 
 
Figura 4 - Componentes de um sistema Phased Array 
 
Figura 5 - Varredura eletrônica 
 
Figura 6 - Varredura setorial 
4. Conclusão 
O processo de aperfeiçoamento da técnica de ultrassom ocorreu através de novos processos que 
cumpriram os requisitos de modernização das industrias. O aperfeiçoamento na usinagem e 
surgimento de geometrias complexas exigiu que uma técnica eficiente de detecção de resíduos 
fosse aprimorada, já que os processos anteriores não eram capazes de fazer isso de forma 
otimizada. O ultrassom PhasedArray surgiu do meio médico para a indústria como uma excelente 
forma de detecção de descontinuidades que não exigiam paralização da produção nem efeitos 
ambientes prejudiciais, tudo isso sem perda de excelência nos resultados do teste. 
5. References 
[1] OLYMPUS. Substituição da radiografia por ultrassom Phased Array. 2021. Disponível em: 
. 
[2] BCEND. Afinal, o que é Phased Array?. 2021. Disponível em: . 
[3] MCMANAMON, Paul F. et al. Optical Phased Array Technology. PROCEEDINGS OF 
THE IEEE, v. 84, n. 2, 1996. 
[4] NEVES, José Luis. Pesquisa qualitativa – Características, usos e possibilidades. Caderno de 
Pesquisas em Administração, São Paulo, v. 1, n. 3, 1996 
[5] GIL, A. C. Métodos e técnicas de pesquisa social. 6. Ed. São Paulo, Atlas, 2008. 
[6] INFOSOLDA. Ensaio não-destrutivo: Ultrassom. 2013. Disponível em: 
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[7] COSTA, Antônio Claret da. Ensaio por ultrassom com as técnicas convencional A – Scan e 
Phased Array em juntas soldadas dissimilares de aços carbono e aço inoxidável austenítico. 
UFMG, 2011. Disponível em: . 
[8] VATANABE, Sandro Luis. Projeto de Materiais Piezocompósitos Baseados no Conceito de 
Gradação Funcional Utilizando o Método de Otimização Topológica. USP, 2012. Disponível 
em: . 
[9] BCEND. O que é efeito Piezoelétrico?. 2021. Disponível em: .