Il beamforming spiegato in modo semplice: ecco come funziona una telecamera ad ultrasuoni per la rilevazione delle perdite

Il termine "beamforming" significa "concentrazione del fascio". Nel caso di una telecamera ad ultrasuoni, l'analisi viene orientata matematicamente verso numerosi punti nello spazio, senza che sia necessario spostare meccanicamente i microfoni o la telecamera. Per ogni pixel viene effettuato il calcolo di come un segnale acustico proveniente da quella direzione nello spazio dovrebbe arrivare ai singoli microfoni. 

In questo modo si crea una mappa acustica: i punti dalla cui direzione i segnali dei microfoni arrivano in modo coerente ricevono un livello più elevato. I punti dalla cui direzione i segnali non coincidono vengono attenuati. Il risultato viene sovrapposto all’immagine della telecamera sotto forma di mappa termica a colori.

Un singolo microfono è in grado di misurare la pressione sonora, ma non di determinare con certezza da quale direzione provenga la sorgente sonora. Un array di microfoni utilizza diversi microfoni MEMS digitali altamente sensibili, disposti in posizioni note e calibrate geometricamente. Il compatto UltraCam LD 500/510 funziona con 30 microfoni; la LeakCam 600 utilizza 64 microfoni digitali.

La geometria dell’array microfonico, nota con precisione, costituisce la base per l’analisi delle differenze di tempo di propagazione e di fase. La disposizione spaziale, il numero e l’estensione dei microfoni influenzano in modo determinante la risoluzione direzionale e, di conseguenza, la precisione della localizzazione della sorgente sonora.

Beamforming standard: array di microfoni, elaborazione del segnale, filtraggio e calcolo della mappa acustica.

Per il calcolo, il sistema necessita di condizioni al contorno fisse: distanza focale o distanza dall’oggetto, angolo di apertura orizzontale e verticale, campo visivo e risoluzione acustica desiderata. Da questi parametri si ottiene una griglia di pixel acustici.

Il processore effettua il calcolo, per ogni pixel della mappa ultrasonica, del percorso fisico da ciascun microfono a quel punto nello spazio. Quando arriva un segnale acustico, i segnali dei microfoni vengono corretti in base alle differenze di tempo di percorrenza calcolate. Nell’approccio classico «Delay-and-Sum» ciò avviene nel dominio del tempo; nel «Power Beamforming» della LeakCam si opera nel dominio della frequenza con sfasamenti. Contemporaneamente, il segnale viene filtrato digitalmente sulla finestra di frequenza di destinazione selezionata.

Dopo la correzione del tempo di propagazione o di fase, i segnali di tutti i canali microfonici relativi al pixel in esame vengono sommati. Se il suono proviene effettivamente da quella direzione, i segnali si sovrappongono in fase e si rafforzano in modo costruttivo. Se il suono proviene da un'altra direzione, i segnali si sovrappongono in modo non coincidente e si annullano parzialmente in modo distruttivo.

Interferenza costruttiva: i segnali corretti in fase si sommano e amplificano la sorgente sonora reale.	Interferenza distruttiva: il rumore di fondo proveniente da altre direzioni viene attenuato dalla somma.

Per garantire una visualizzazione fluida in tempo reale, il sistema effettua il calcolo di immagini acustiche in rapida successione. I dati acustici vengono sovrapposti all’immagine ottica in tempo reale sotto forma di mappa termica a colori. La visualizzazione guida l’utente direttamente verso la posizione più probabile della sorgente ultrasonica.

Dall’immagine ultrasonica calcolata alla mappa termica: la gamma dinamica e la soglia determinano quali livelli vengono visualizzati.

L'immagine fornita da una termocamera ad ultrasuoni è paragonabile a quella di una termocamera. Una termocamera a infrarossi misura la radiazione termica e assegna valori di temperatura ai singoli pixel dell'immagine. Una termocamera ad ultrasuoni misura i livelli di pressione sonora in funzione della frequenza e assegna questi valori acustici alle direzioni spaziali o ai pixel dell'immagine.

In entrambi i casi, l’utente vede un’immagine ottica con informazioni cromatiche sovrapposte. Nella termocamera, il colore indica le differenze di temperatura. Nella telecamera ad ultrasuoni, il colore indica l’intensità della sorgente sonora calcolata. La mappa termica non è quindi una fotografia della perdita, bensì una localizzazione acustica sovrapposta all’immagine video.

Analogia: immagine ottica dell’impianto e immagine termica o acustica a colori. Nel caso degli ultrasuoni, il colore rappresenta la pressione sonora, non le differenze di temperatura.

Il beamforming standard è in grado di localizzare efficacemente singole sorgenti sonore dominanti. Nella pratica, tuttavia, si verificano spesso contemporaneamente più perdite o sorgenti di disturbo con livelli di pressione sonora diversi. La dinamica di un sistema determina l’entità della differenza di livello rappresentabile tra la sorgente sonora visibile più forte e quella più debole.

Un'elevata dinamica migliora il rilevamento simultaneo di perdite con intensità diverse. Una dinamica di visualizzazione impostata su un valore basso può evidenziare maggiormente le sorgenti deboli, ma riduce la gamma di livelli visibile nell'immagine.

Il Power Beamformer della LeakCam 600 è progettato per garantire un’elevata risoluzione spaziale e la visualizzazione simultanea di più sorgenti sonore. In questo modo, anche le perdite più deboli rimangono visibili accanto alle sorgenti sonore dominanti e possono essere localizzate più facilmente.

Confronto tratto dal webinar: il Power Beamforming visualizza più chiaramente diverse perdite rispetto al Beamforming standard.