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Capítulo 7

NOÇÕES DE TRANSDUTORES ACÚSTICOS

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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

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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.

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Tempo de trânsito da onda sonora:

𝛿=𝑐 ∆𝑡

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𝛿 : espessuradomaterial

𝑐 : velocidade do somnomaterial

∆ 𝑡 : tempode tr â nsitoda ondasonora

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Amplitude do sinal recebido:

• Estimativa do tamanho de falhas

𝑑𝐵=20 𝑙𝑜𝑔10( 𝐴1

𝐴2)

𝐴1:𝑎𝑚𝑝𝑙𝑖𝑡𝑢𝑑𝑒𝑑𝑜𝑠𝑖𝑛𝑎𝑙1

𝐴2:𝑎𝑚𝑝𝑙𝑖𝑡𝑢𝑑𝑒𝑑𝑜𝑠𝑖𝑛𝑎𝑙2

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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.

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

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

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• Relação entre duração do pulso e largura da banda:

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7.3 O Campo Acústico

Campo próximo e campo longínquo:

𝑁=𝐷2 𝑓4𝑐

=𝐷2

4 λ

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7.3 O Campo AcústicoCampo próximo e campo longínquo:

Alta energia

Baixa energia

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𝐷 :𝑑𝑖â𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜𝑑𝑜𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑑𝑢𝑡𝑜𝑟

𝐹 𝑧 : 𝑧𝑜𝑛𝑎 𝑓𝑜𝑐𝑎𝑙

𝑍𝐵 : 𝑖𝑛 í 𝑐𝑖𝑜𝑑𝑎 𝑧𝑜𝑛𝑎 𝑓𝑜𝑐𝑎𝑙

𝑍𝐸 : 𝑓𝑖𝑚𝑑𝑎𝑧𝑜𝑛𝑎 𝑓𝑜𝑐𝑎𝑙

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𝐹𝑃𝐹 :𝑝𝑜𝑛𝑡𝑜𝑝𝑎𝑟𝑎𝑚á 𝑥𝑖𝑚𝑜𝑒𝑐𝑜𝑑𝑒𝑢𝑚𝑜𝑏𝑗𝑒𝑡𝑜𝑝𝑙𝑎𝑛𝑜

𝑃𝑇𝐹 :𝑝𝑜𝑛𝑡𝑜𝑝𝑎𝑟𝑎𝑚á 𝑥𝑖𝑚𝑜𝑒𝑐𝑜𝑑𝑒𝑢𝑚𝑜𝑏𝑗𝑒𝑡𝑜𝑝𝑜𝑛𝑡𝑢𝑎𝑙 eco = reflexão ??

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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.

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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

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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.

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𝑺𝑭=𝑭𝑵

𝑺𝑩=𝒁𝑩

𝑵

𝑺𝑬=𝒁 𝑬

𝑵

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𝐹𝑍 : 𝑧𝑜𝑛𝑎 𝑓𝑜𝑐𝑎𝑙

𝑆𝐹 :𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑓𝑜𝑐𝑎𝑙𝑛𝑜𝑟𝑚𝑎𝑙𝑖𝑧𝑎𝑑𝑜

𝑁 :𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜𝑑𝑜𝑐𝑎𝑚𝑝𝑜𝑝𝑟 ó 𝑥𝑖𝑚𝑜

𝑺𝑭=𝑭𝑵

𝑭 𝒛=𝑵 (𝑺𝑭 )𝟐[ 𝟐(𝟏+𝟎 ,𝟓𝑺𝑭 ) ]

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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

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7.4 Características de Projeto de Transdutores Acústicos

elemento ativo

placa protetora

luva interna

suporte

invólucro conector

componentes eletrônicos

fiação

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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.

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Comentários:

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

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Transdutores angulados

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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.

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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

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

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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.

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

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

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

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

materiais de baixa impedância.

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

envolvendo materiais atenuadores ou espalhadores.

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Videoscan

Centrascan

Accuscan

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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).

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Transdutores de contato (contact transducers):

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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.

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

Disponíveis em frequências de até 20 MHz.

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Transdutores de contato especiais de ondas transversais:

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

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Transdutores de duplo elemento (dual element transducers):

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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”.

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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.

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Transdutores de feixe angulado (angle beam transducers):

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



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

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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.

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

trânsito de ondas longitudinais difratadas (TOFD).

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Transdutores de feixe angulado

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

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Transdutores com linha de retardamento (delay line transducers):

A linha de retardamento pode ser substituída.

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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

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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.

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Transdutores com a face protegida (protected face transducers):

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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.

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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..

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

Disponíveis em frequências de até 10 MHz.

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Transdutores de imersão (immersion transducers):

amostra

defeito

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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;

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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.

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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

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Transdutores de imersão (immersion transducers):

Obs.: Disponíveis em frequências de até 25 MHz.

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Transdutores de grande diâmetro:

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

próximo;• Combinação de grandes diâmetros com baixas frequências para

aplicações difíceis.

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Transdutores de grande diâmetro:

Obs.: Disponíveis em frequências de até 10 MHz.

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Transdutores miniaturizados:

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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

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Transdutores miniaturizados:

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Transdutores de alta frequência:

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

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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..

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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.

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Acopladores:

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Acopladores:

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

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7.6 Cabos para Transdutores Acústicos

(+)(terra)

Alguns cabos possuem blindagem dupla a fim

de aumentar a proteção contra ruído.

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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

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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.

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Cabos especiais:

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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

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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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