El «beamforming» explicado de forma sencilla: así funciona una cámara de ultrasonido para la detección de fugas

El «beamforming» consiste en la concentración del haz. En una cámara de ultrasonido, el análisis se orienta matemáticamente hacia numerosos puntos del espacio, sin que sea necesario mover mecánicamente los micrófonos ni la cámara. Para cada píxel de la imagen se realiza un cálculo de cómo debería llegar una señal acústica procedente de esa dirección del espacio a cada uno de los micrófonos. 

De este modo se crea un mapa acústico: los puntos desde cuya dirección llegan las señales de los micrófonos de forma consistente reciben un nivel más alto. Los puntos desde cuya dirección las señales no coinciden se atenúan. El resultado se superpone a la imagen de la cámara en forma de mapa de calor en color.

Un solo micrófono puede medir la presión acústica, pero no determinar con exactitud la dirección de la que procede la fuente de sonido. Una matriz de micrófonos utiliza varios micrófonos MEMS digitales de alta sensibilidad situados en posiciones conocidas y calibradas geométricamente. El compacto UltraCam LD 500/510 funciona con 30 micrófonos; el LeakCam 600 utiliza 64 micrófonos digitales.

La geometría, conocida con exactitud, de la matriz de micrófonos constituye la base para el análisis de las diferencias de tiempo de llegada y de fase. La disposición espacial, el número y la extensión de los micrófonos influyen de manera decisiva en la resolución direccional y, por tanto, en la precisión de la localización de la fuente sonora.

Formación de haz estándar: matriz de micrófonos, procesamiento de la señal, filtrado y cálculo del mapa acústico.

Para realizar el cálculo, el sistema necesita unas condiciones límite fijas: la distancia focal o la distancia al objeto, el ángulo de apertura horizontal y vertical, el campo de visión y la resolución acústica deseada. A partir de estos parámetros se genera una malla de píxeles acústicos.

El procesador realiza el cálculo, para cada píxel del mapa ultrasónico, del recorrido físico desde cada micrófono hasta ese punto en el espacio. Cuando llega una señal acústica, las señales de los micrófonos se corrigen en función de las diferencias de tiempo de llegada calculadas. En el enfoque clásico de «retardo y suma», esto se lleva a cabo en el dominio del tiempo; en el «power beamforming» de la LeakCam, se trabaja en el dominio de la frecuencia con desplazamientos de fase. Al mismo tiempo, la señal se filtra digitalmente a la ventana de frecuencia objetivo seleccionada.

Tras la corrección de retardo o de fase, se suman las señales de todos los canales de micrófono correspondientes al píxel en cuestión. Si el sonido procede realmente de esa dirección, las señales se superponen en la misma fase y se refuerzan constructivamente. Si el sonido procede de otra dirección, las señales se superponen de forma desfasada y se anulan parcialmente de forma destructiva.

Interferencia constructiva: las señales con fase corregida se suman y refuerzan la fuente de sonido real.	Interferencia destructiva: el ruido parásito procedente de otras direcciones se atenúa mediante la suma.

Para ofrecer una visualización fluida en tiempo real, el sistema realiza el cálculo de imágenes acústicas en rápida sucesión. Los datos acústicos se superponen, sin solapamientos, a la imagen óptica en directo en forma de mapa de calor en color. La visualización guía al usuario directamente hacia la posición más probable de la fuente de ultrasonidos.

De la imagen ultrasónica calculada al mapa de calor: el rango dinámico y el umbral determinan qué niveles se muestran visualmente.

La visualización de una cámara de ultrasonido puede compararse con la de una cámara termográfica. Una cámara de infrarrojos mide la radiación térmica y asigna valores de temperatura a cada píxel de la imagen. Una cámara de ultrasonido mide los niveles de presión acústica en función de la frecuencia y asigna estos valores acústicos a direcciones espaciales o píxeles de la imagen.

En ambos casos, el usuario ve una imagen óptica con información de color superpuesta. En la cámara termográfica, el color indica diferencias de temperatura. En la cámara de ultrasonido, el color indica la intensidad de la fuente de sonido calculada. Por lo tanto, el mapa de calor no es una fotografía de la fuga, sino una localización acústica que se superpone de forma coincidente sobre la imagen de vídeo.

Analogía: imagen óptica de la instalación e imagen térmica o acústica en color. En el caso de los ultrasonidos, el color representa la presión acústica, no las diferencias de temperatura.

La formación de haces estándar permite localizar bien fuentes de sonido dominantes individuales. Sin embargo, en la práctica suelen producirse simultáneamente varias fugas o fuentes de interferencia con distintos niveles de presión acústica. La dinámica de un sistema determina cuál puede ser la diferencia de nivel representable entre la fuente de sonido visible más fuerte y la más débil.

Un alto rango dinámico mejora la detección simultánea de fugas con distintos niveles de intensidad. Un rango dinámico de visualización bajo puede resaltar más las fuentes débiles, pero reduce el rango de niveles visible en la imagen.

El Power Beamformer de la LeakCam 600 está diseñado para ofrecer una alta resolución espacial y la visualización simultánea de varias fuentes de sonido. De este modo, incluso las fugas más débiles pueden seguir siendo visibles junto a fuentes de sonido dominantes y localizarse más fácilmente.

Comparación del seminario web: el «Power Beamforming» visualiza varias fugas con mayor claridad que el «Beamforming» estándar.