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Capítulo 7

NOÇÕES DE TRANSDUTORES ACÚSTICOS

Cap. 7 – Noções de Transdutores Acústicos

7.1 Testes Ultrassônicos Não Destrutivos7.2 Algumas Definições7.3 O Campo Acústico7.4 Características de Projeto de Transdutores Acústicos7.5 Seleção de Transdutores Acústicos7.6 Cabos para Transdutores Acústicos7.7 Propriedades Acústicas de Alguns Materiais

7.1 Testes Ultrassônicos Não Destrutivos

Testes ultrassônicos não destrutivos:Medições feitas com ondas sonoras de alta frequência a

fim de obter informações sobre um objeto sem causar-lhe qualquer alteração ou dano.

Quantidades medidas em testes ultrassônicos:

• Tempo de trânsito da onda sonora;

• Amplitude do sinal recebido.

Tempo de trânsito da onda sonora:

𝛿=𝑐 ∆𝑡

𝛿 : espessuradomaterial

𝑐 : velocidade do somnomaterial

∆ 𝑡 : tempode tr â nsitoda ondasonora

Amplitude do sinal recebido:

• Estimativa do tamanho de falhas

𝑑𝐵=20 𝑙𝑜𝑔10( 𝐴1

𝐴2)

𝐴1:𝑎𝑚𝑝𝑙𝑖𝑡𝑢𝑑𝑒𝑑𝑜𝑠𝑖𝑛𝑎𝑙1

𝐴2:𝑎𝑚𝑝𝑙𝑖𝑡𝑢𝑑𝑒𝑑𝑜𝑠𝑖𝑛𝑎𝑙2

7.2 Algumas Definições

Algumas definições:

• Sensibilidade: capacidade de um sistema ultrassônico em detectar refletores (“falhas”) a uma dada profundidade;

• Resolução axial: capacidade do sistema ultrassônico em fornecer indicações simultâneas e distintas de refletores localizados em posições muito próximas com relação ao feixe ultrassônico;

• Resolução superficial: capacidade do sistema ultrassônico em detectar refletores próximos à superfície da amostra.

• Duração do pulso (onda): normalmente dada para um valor estabelecido de dB abaixo do pico de amplitude.

• Largura da banda: normalmente dada em MHz para um valores estabelecidos de dB abaixo do pico de amplitude.

• Relação entre duração do pulso e largura da banda:

7.3 O Campo Acústico

Campo próximo e campo longínquo:

𝑁=𝐷2 𝑓4𝑐

=𝐷2

7.3 O Campo AcústicoCampo próximo e campo longínquo:

Alta energia

Baixa energia

𝐷 :𝑑𝑖â𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜𝑑𝑜𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑑𝑢𝑡𝑜𝑟

𝐹 𝑧 : 𝑧𝑜𝑛𝑎 𝑓𝑜𝑐𝑎𝑙

𝑍𝐵 : 𝑖𝑛 í 𝑐𝑖𝑜𝑑𝑎 𝑧𝑜𝑛𝑎 𝑓𝑜𝑐𝑎𝑙

𝑍𝐸 : 𝑓𝑖𝑚𝑑𝑎𝑧𝑜𝑛𝑎 𝑓𝑜𝑐𝑎𝑙

𝐹𝑃𝐹 :𝑝𝑜𝑛𝑡𝑜𝑝𝑎𝑟𝑎𝑚á 𝑥𝑖𝑚𝑜𝑒𝑐𝑜𝑑𝑒𝑢𝑚𝑜𝑏𝑗𝑒𝑡𝑜𝑝𝑙𝑎𝑛𝑜

𝑃𝑇𝐹 :𝑝𝑜𝑛𝑡𝑜𝑝𝑎𝑟𝑎𝑚á 𝑥𝑖𝑚𝑜𝑒𝑐𝑜𝑑𝑒𝑢𝑚𝑜𝑏𝑗𝑒𝑡𝑜𝑝𝑜𝑛𝑡𝑢𝑎𝑙 eco = reflexão ??

7.3 O Campo AcústicoDiâmetro do feixe:

• A sensibilidade de um transdutor depende do diâmetro do feixe acústico no ponto de interesse.

• Quanto menor o diâmetro, mais energia é refletida pela “falha” e mais sensível o transdutor.

7.3 O Campo AcústicoDiâmetro do feixe:

𝑩𝑫 (−𝟔𝒅𝑩 )=𝟏 ,𝟎𝟐𝑭 𝒄𝒇𝑫

𝑩𝑫 (−𝟏𝟐𝒅𝑩 )=𝟎 ,𝟐𝟓𝟔𝟖𝑫𝑺𝑭

𝑺𝑭=𝑭𝑵

𝐵𝐷 :𝑑𝑖 â𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜𝑑𝑜 𝑓𝑒𝑖𝑥𝑒𝑎𝑐 ú 𝑠𝑡𝑖𝑐𝑜

𝐹 :𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑓𝑜𝑐𝑎𝑙

𝑐 :𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒𝑑𝑜𝑠𝑜𝑚𝑛𝑜𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙

𝑓 : 𝑓𝑟𝑒𝑞𝑢ê𝑛𝑐𝑖𝑎𝑑𝑜𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑑𝑢𝑡𝑜𝑟

𝐷 :𝑑𝑖â𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜𝑑𝑜𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑑𝑢𝑡𝑜𝑟

𝑆𝐹 :𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑓𝑜𝑐𝑎𝑙𝑛𝑜𝑟𝑚𝑎𝑙𝑖𝑧𝑎𝑑𝑜

𝑁 :𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜𝑑𝑜𝑐𝑎𝑚𝑝𝑜𝑝𝑟 ó 𝑥𝑖𝑚𝑜

7.3 O Campo AcústicoZona focal:

Região localizada entre dois pontos para os quais a amplitude do sinal pulso-eco no eixo do transdutor cai a -6 dB da amplitude no ponto focal.

𝑺𝑭=𝑭𝑵

𝑺𝑩=𝒁𝑩

𝑺𝑬=𝒁 𝑬

𝐹𝑍 : 𝑧𝑜𝑛𝑎 𝑓𝑜𝑐𝑎𝑙

𝑆𝐹 :𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑓𝑜𝑐𝑎𝑙𝑛𝑜𝑟𝑚𝑎𝑙𝑖𝑧𝑎𝑑𝑜

𝑁 :𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜𝑑𝑜𝑐𝑎𝑚𝑝𝑜𝑝𝑟 ó 𝑥𝑖𝑚𝑜

𝑺𝑭=𝑭𝑵

𝑭 𝒛=𝑵 (𝑺𝑭 )𝟐[ 𝟐(𝟏+𝟎 ,𝟓𝑺𝑭 ) ]

7.3 O Campo AcústicoAbertura do feixe e semi-ângulo:

• Como reduzir a abertura do feixe de um transdutor?

𝒔𝒆𝒏(𝜶𝟐 )=𝟎 ,𝟓𝟏𝟒𝒄𝒇𝑫

Região convergente

Região divergente

7.4 Características de Projeto de Transdutores Acústicos

elemento ativo

placa protetora

luva interna

suporte

invólucro conector

componentes eletrônicos

fiação

Elemento ativo:Material piezo- ou ferroelétrico que converte

energia elétrica em energia ultrassônica ou vice-versa.

Suporte:Material de alta densidade e altamente

atenuador destinado a controlar as vibrações do transdutor pela absorção da energia da face traseira do elemento ativo.

Placa protetora:Além de proteger o elemento ativo, a placa

protetora deve também servir de “ponte acústica” entre o elemento ativo e o meio medido.

Comentários:

• Os diâmetros reais dos elementos ativos são ligeiramente menores do que os valores listados em catálogos.

Transdutores angulados

Transdutores angulados:

• São usados para produzir ondas refratadas longitudinais e transversais no corpo de prova a fim de se detectar falhas não paralelas à superfície.

E a própria solda impede sua inspeção por incidência normal do feixe ultrassônico.

Transdutores angulados:

• São usados para produzir ondas refratadas longitudinais e transversais no corpo de prova a fim de se detectar falhas não paralelas à superfície.

• O ângulo de incidência necessário para se obter um dado ângulo de refração é calculado pela lei de Snell:

𝒔𝒆𝒏𝜽 𝒊

𝒄 𝒊=𝒔𝒆𝒏𝜽𝒓𝒍

𝒄𝒓𝒍=𝒔𝒆𝒏𝜽𝒓𝒔

𝒄𝒓𝒔

𝜽 𝒊

𝜽𝒓𝒍 𝜽𝒓𝒔

Coeficientes de transmissão das ondas longitudinal e transversal em função do ângulo de incidência

7.5 Seleção de Transdutores Acústicos

O desempenho de um sistema de medição acústica depende principalmente de:

• Características e ajustes dos instrumentos;• Configuração dos transdutores (frequência, diâmetro, tipos

especiais de transdutores, etc.);• Cabeamento;• Propriedades dos materiais;• Acoplamento acústico entre os materiais.

A Olympus-Panametrics possui três séries de transdutores para diferentes aplicações:

• Accuscan “S”;• Centrascan;• Videoscan.

Série Accuscan “S”:• Alta resolução axial;• Alta sensibilidade;• Duração da onda mais longa;• Banda de frequência mais estreita.

Série Centrascan:• Alta sensibilidade;• Alta razão sinal-ruído em materiais de difícil penetração;• Excelente acoplamento acústico com plásticos e outros

materiais de baixa impedância.

Série Videoscan:• Boa resolução axial;• Intensificação da razão sinal-ruído para aplicações

envolvendo materiais atenuadores ou espalhadores.

Videoscan

Centrascan

Accuscan

Tipos de transdutores:

• Transdutores de contato (contact transducers);• Transdutores de duplo elemento (dual element

transducers);• Transdutores de feixe angulado (angle beam transducers);• Trandutores com linha de retardamento (delay line

transducers);• Transdutores com a face protegida (protected face

transducers);• Transdutores de imersão (immersion transducers).

Transdutores de contato (contact transducers):

Transdutores de contato (contact transducers):• Ondas longitudinais;• Excelente acoplamento acústico com a maioria dos metais.

Aplicações:• Medidas de espessura;• Detecção de falhas por incidência normal do feixe acústico;• Medidas de velocidade do som em materiais• Etc..

Restrições:• Para uso contínuo, temperatura da amostra não pode

exceder 50°C.

7.5 Seleção de Transdutores AcústicosTransdutores de contato (contact transducers):

Disponíveis em frequências de até 20 MHz.

Transdutores de contato especiais de ondas transversais:

Aplicações:• Medidas de velocidade da onda transversal;• Cálculo do módulo de Young e do módulo de cisalhamento;• Caracterização da estrutura de grão do material.

Transdutores de duplo elemento (dual element transducers):

Transdutores de duplo elemento (dual element transducers):• Ondas longitudinais;• Dois cristais, um emissor e um receptor, no mesmo

invólucro, mas separados por uma barreira acústica;• Os cristais são ligeiramente angulados de modo a formar

um padrão de emissão e recepção em “V”.

Vantagens:• Melhora da resolução superficial;• Aumento da resolução na zona focal.

Aplicações:• Medidas de espessura;• Monitoramento de corrosão e erosão de peças;• Detecção de porosidades, fissuras, inclusões, etc.;• Etc..

Restrições:• Temperatura máxima da peça de 425°C para transdutores de até 5

MHz (tempo máximo de contato contínuo de 10 segundos);• Temperatura máxima da peça de 175°C para transdutores de 7 MHz

e 10 MHz.

Transdutores de feixe angulado (angle beam transducers):

http://www.olympus-ims.com/en/ultrasonic-transducers/angle-beam/

Transdutores de feixe angulado (angle beam transducers):• Ondas longitudinais e transversais;• Usados com uma cunha.

Vantagens:• O material da cunha é projetado de modo a aumentar a relação

sinal-ruído;• Excelente resistência ao desgaste;• Pode ser utilizado com altas temperaturas da peça;• As cunhas podem ser fabricadas de modo a se adaptar a diferentes

contornos de peças;• Etc.

Aplicações:• Detecção e dimensionamento de falhas em soldas;• Dimensionamento de falhas em aço por medidas de tempo de

trânsito de ondas longitudinais difratadas (TOFD).

Transdutores de feixe angulado

7.5 Seleção de Transdutores AcústicosTransdutores com linha de retardamento (delay line transducers):

Transdutores com linha de retardamento (delay line transducers):

A linha de retardamento pode ser substituída.

Transdutores com linha de retardamento (delay line transducers):• Excelente resolução superficial;• Resolução pode ser aumentada pelo uso de transdutores de

frequência mais alta.• Pode ser usado com peças a altas temperaturas.

Linhas de retardamento para altas temperaturas

Aplicações:• Medidas de alta precisão da espessura de amostras muito

delgadas;• Detecção de falhas por incidência normal;• Inspeção de peças com área de contato limitada.

Transdutores com a face protegida (protected face transducers):

Vantagens:• Versatilidade, pois podem ser usados com membranas protetoras,

linhas de retardamento ou capa protetora.• Usado sem qualquer umas destas proteções, a camada de epóxi

que recobre a face do transdutor proporciona bom acoplamento acústico com plásticos, compósitos e outros materiais de baixa impedância.

Aplicações:• Detecção de falhas por incidência normal do feixe;• Medidas de espessura;• Inspeção de peças à alta temperatura;• Inspeção de peças de diversos formatos;• Etc..

7.5 Seleção de Transdutores AcústicosTransdutores com a face protegida (protected face transducers):

Disponíveis em frequências de até 10 MHz.

Transdutores de imersão (immersion transducers):

amostra

defeito

Transdutores de imersão (immersion transducers):• A amostra testada é parcialmente ou totalmente imersa em água;• Transdutores de elemento único e ondas longitudinais;• Uma fina camada de espessura λ/4 promove o acoplamento

acústico do transdutor com a água;

Aplicações:• Varredura automática;• Medidas de espessura informatizadas;• Detecção rápida de falhas em tubulações, barras, placas, etc.;• Imagens da peça por tempo de trânsito e amplitude da onda;• Medidas de velocidade e análise do material.

Vantagens:• Acoplamento acústico uniforme;• Maior energia no sinal de saída devido à camada de acoplamento

acústico de espessura λ/4;• Blindagem para intensificação da razão sinal-ruído;• Transdutores disponíveis com foco pontual (esférico) ou em linha

(cilíndrico).

Superfície focal

Transdutores de imersão (immersion transducers):

Obs.: Disponíveis em frequências de até 25 MHz.

Transdutores de grande diâmetro:

Vantagens:• Comprimentos focais mais longos devido ao aumento do campo

próximo;• Combinação de grandes diâmetros com baixas frequências para

aplicações difíceis.

Transdutores de grande diâmetro:

Obs.: Disponíveis em frequências de até 10 MHz.

Transdutores miniaturizados:

Transdutores miniaturizados:• Transdutores de imersão com f = 10 MHz e D = 3 mm;• Para aplicação em pontos de acesso muito difícil ou em

montagens com múltiplos transdutores (por exemplo, tomografia ultrassônica).

D = 3 mm

Transdutores miniaturizados:

Transdutores de alta frequência:

Transdutores de alta frequência:• Excelente resolução temporal;• Excelente resolução espacial;• Diminutos diâmetros do feixe acústico;• Frequências de 20 MHz a 225 MHz.

Aplicações:• Inspeção de microporosidades ou microfissuras;• Medidas de amostras extremamente finas (0,010 mm);• Verificação de materiais cerâmicos e outros materiais de alta

tecnologia;• Etc..

Outros tipos de transdutores:

• Transdutores poliméricos de imersão: acoplamento acústico ótimo com a água;

• Transdutores de duplo elemento para medidas de espessura: aplicações de corrosão;

• Transdutores acústicos eletromagnéticos: para uso em contato direto com superfícies (sem acopladores) ou a uma pequena distância dela -- aplicação em superfícies oxidadas externamente;

• Transdutores de estreita banda de baixa frequência: aplicação de transmissão acústico em concreto, madeira e amostras geológicas;

• Etc.

Acopladores:

http://www.npl.co.uk/acoustics/ultrasonics/research/guide-on-acoustic-emission-sensor-couplants

7.6 Cabos para Transdutores Acústicos

(+)(terra)

Alguns cabos possuem blindagem dupla a fim

de aumentar a proteção contra ruído.

7.6 Cabos para Transdutores AcústicosLista de cabos padronizados

U : general utilityRG : coaxial cableRG/U : radio guide / universal

𝑰𝒎𝒑𝒆𝒅𝒂𝒏𝒄𝒆 ( 𝒁𝒐 )=√ 𝑳𝑪

𝐶 :𝑐𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑡 â𝑛𝑐𝑖𝑎𝑝𝑜𝑟𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜

𝐿 : 𝑖𝑛𝑑𝑢𝑡 â𝑛𝑐𝑖𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜

Cabos especiais:

• Cabos blindados com aço inoxidável: aplicação em ambientes agressivos;

• Cabos de blindagem dupla: aplicação em ambientes com muito ruído de alta frequência;

• Cabos à prova d´água: aplicações em água doce com até 50 m de profundidade;

• Etc.

Cabos especiais:

7.7 Propriedades Acústicas de Alguns Materiais

Longitudinal Transversal [kg/m.s2 x 106]

Água 1.480 - 1,48

Acopladores Glicerina 1.920 - 2,42

Poliamida (lenta) 2.200 1.100 0,40Poliestireno 2.340 - 2,47

Poliamida (rápida) 2.600 1.200 3,10Acrílico (Perspex) 2.730 1.430 3,22

PVC (rígido) 2.395 1.060 3,35Alumínio 6.320 3.130 17,06Mercúrio 1.450 - 19,66

Cobre 4.660 2.260 41,61Aço inox austenítico, 347 5.740 3.090 45,40

Aço 1020 5.890 3.240 45,63Platina 3.960 1.670 84,74

Classe de Material

MaterialImpedância

Polímeros

Velocidade [m/s]

Metais

Bibliografia

Bibliografia:

• Panametrics - NDT Ultrasonic Transducers for Nondestructive Testing;

• Ultrasonic Transducers Technical Notes.

http://www.olympus-ims.com/en/pdf-library/157-catId.268435489.html

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