Impedância acústica

A impedância acústica de um meio está relacionada com a resistência ou dificuldade do meio a passagem do som. O fenômeno da reflexão e refração dos materiais é função da impedância acústica dos dois materiais. Quanto maior a diferença de impedância acústica, maior será a intensidade de reflexão do feixe sonoro e menor a de refração. Caso a impedância acústica entre os dois materiais sejam similares, não haverá reflexão e neste ponto existe a máxima refração.

A impedância acústica de um material é dada por:

Onde: é igual à impedância acústica ( ⁄ ); é a massa específica ( ⁄ ); é a velocidade da onda longitudinal ( ⁄ ).

Para uma incidência normal na interface dos dois materiais, a quantidade de energia refletida e energia transmitida é dada por:

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Onde: é o coeficiente de reflexão; é o coeficiente de transmissão; é a pressão sônica do feixe refletido; é a pressão sônica do feixe incidente; é a pressão sônica do feixe transmitido; é a impedância acústica do meio 1; é a impedância acústica do meio 2.

Para obter uma onda transmitida ao segundo meio com o mínimo de atenuação, ou seja, refração máxima, os dois meios deverão possuir propriedades e características idênticas, ou seja, . Sendo assim, teríamos uma máxima amplitude de onda transmitida e amplitude de onda refletida igual à zero.

Contudo, isso não ocorre devido às diferenças de impedância acústica, velocidade de propagação das ondas e densidade entre os meios, que são as propriedades ligadas diretamente à propagação das ondas de um meio a outro. Na prática existem maneiras de aproximar o máximo possível as propriedades entre os dois meios, uma delas é através da utilização de acoplantes que formam uma película entre os meios. Quanto mais próxima à impedância entre o meio acoplante e o material a ser medido, melhores serão os resultados.

2.2.5 Transdutores

Para a geração das ondas ultrassônicas, é necessária à utilização de transdutores. Estes possuem um cristal piezoelétrico em seu interior, que converte sinais elétricos em vibrações mecânicas (modo de transmissão) e vibrações mecânicas em sinais elétricos (modo de recepção). O cristal é envolto em uma capa metálica responsável pela proteção, com conectores elétricos que têm a função de conectar o transdutor ao aparelho de ultrassom. Conforme há variação na tensão aplicada ao cristal, ele vibra, emitindo ondas sônicas. Dentro da armação ainda existe um bloco amortecedor, para impedir que o cristal continue vibrando depois de cessarem os pulsos elétricos. Na parte inferior do transdutor existe

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uma proteção, para impedir o contato direto do cristal com a peça (Andreucci, 2011). A Figura 2.4 apresenta o desenho esquemático de um transdutor típico com alguns de seus detalhes construtivos.

Figura 2.4 - Transdutor de ultrassom (Perini, 2008).

Os transdutores são classificados em três categorias:

 Transdutor normal: possibilita a introdução das ondas sonoras perpendiculares à superfície da peça em exame. Um único elemento piezoelétrico funciona como emissor e receptor e é montado de forma a permanecer paralelo à superfície do material a ser examinado.

 Transdutor angular: possibilita a introdução do feixe sonoro com um determinado ângulo. O elemento piezoelétrico é montado inclinado.

 Transdutor duplo cristal ou SE (emissor e receptor): é constituído por dois elementos piezoelétricos que atuam de forma independente, um como emissor e outro como receptor.

Dentro de cada categoria, os transdutores podem ser de dois tipos: contato e sem contato.

 Os transdutores de contato: também chamados de contato direto, trabalham próximos à peça, porém separados por uma fina camada de acoplantes. Quando o transdutor é posicionado sobre a peça, uma camada de ar permanece sobre os dois. O meio acoplante é o meio interposto entre o transdutor e peça de ensaio, para facilitar a transmissão da energia ultrassônica. Os acoplantes mais utilizados são: gel ultrassônico, óleos, graxas, silicone líquido e água.

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 Os transdutores sem contato: também chamados de transdutores de imersão, trabalham dentro do acoplante, usam geralmente a água, ficando a uma distância da peça. Isto traz vantagens por eliminar a influência da variação do acoplamento.

Novos transdutores foram desenvolvidos para a transmissão do ultrassom sem a necessidade de acoplamento, chamados transdutores EMAT (Transdutor Acústico Eletromagnético). O EMAT é uma técnica de ultrassom utilizada para detecção de descontinuidades, medição de espessura e é capaz de estimar a tensão mecânica usando as frequências das ressonâncias acústicas. A técnica não requer limpeza superficial prévia nem elemento acoplante, por isto, tem se apresentado como uma inspeção alternativa aos ultrassons convencionais (Cawley e Lowe, 2004).

Os transdutores precisam está calibrados. Esta calibração é feita com o auxílio de blocos padrões, com dimensões conhecidas e características que podem influenciar na propagação do feixe sonoro controlada. Os blocos padrão mais utilizados são os blocos V1(DIN 54120) e os blocos V2 (DIN 54122). A partir da calibração é possível verificar as escalas do aparelho usando as dimensões padronizadas do bloco, verificar a saída do feixe sônico, verificar o ângulo de refração para transdutores angulares, além do tempo de percurso e velocidade das ondas ultrassônicas (Andrino, 2007).

De acordo com a aplicação realizada, as inspeções utilizando técnicas ultrassônicas podem adotar diferentes métodos de emprego para os transdutores. Em geral são utilizados dois métodos: pulso eco e transparência ou transmissão total (Baroni, 2008).

 Pulso eco: A técnica pulso eco utiliza um único transdutor, responsável pela emissão e recepção do feixe ultrassônico. O transdutor emite as ondas ultrassônicas em intervalos regulares. Estas são introduzidas no material e se propagam até encontrar uma superfície refletora. Quando isto ocorre, as ondas são refletidas e retornam ao transdutor, que converte a energia mecânica em pulsos elétricos que são processados, permitindo fazer a leitura do ensaio. Na Figura 2.5, pode-se observar o princípio do método pulso eco.

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Figura 2.5 - Técnica pulso eco.

 Transparência: Esta técnica utiliza dois transdutores, um atuando como transmissor e outro como receptor, posicionados em superfícies opostas da peça, conforme Figura 2.6. Porém dependendo do tipo de transdutor, onda, e análise realizada, o segundo transdutor pode ser colocado na mesma superfície, porém a uma determinada distância do emissor, conforme Figura 2.7. Nesta técnica o transdutor emissor envia um feixe sonoro que é recepcionado pelo receptor.

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Figura 2.7 - Técnica da transparência - transdutores na mesma superfície.