ONDAS E ENSAIOS ACÚSTICOS
2.4 PROPAGAÇÃO DE ONDAS EM ALVENARIAS
2.4.4 Informação complementar dos ensaios de propagação de ondas acústicas
Os ensaios de propagação de ondas acústicas permitem determinar a velocidade de diferentes tipos de ondas elásticas. Contudo, os sinais emitidos e recebidos possuem mais informação para além da que é habitualmente determinada. De facto, a prática tem evidenciado que o sinal que resulta de um ensaio acústico é como uma impressão digital do material em que se propaga, como tinha sido verificado por outros autores (Binda, et al., 1997): as sucessivas repetições de um ensaio nas mesmas condições (e no mesmo ponto) apresentam sucessivamente gráficos tempo vs amplitude idênticos.
O sinal do impacto é caracterizado por um conjunto de frequências, ou seja, um pacote de onda, como se viu anteriormente. As frequências transmitidas pelo emissor, no caso do ensaio sónico, estão directamente relacionadas com a duração do impacto: um pequeno tempo de contacto contém frequências mais altas e vice-versa. O sinal emitido passa depois pelo material em estudo e, se o meio for dispersivo, o sinal sofre modifica- ções até chegar ao receptor (como se viu anteriormente).
O modo como materiais em diferentes estados de conservação influencia os sinais foi estudado em 1997 através de ensaios sónicos directos por investigadores do Politéc- nico de Milão (Binda, et al., 1997). Esses ensaios procuraram comparar alvenarias cons- truídas em laboratório: (a) sem dano, (b) com dano, ou (c) reparadas. Para isso os inves- tigadores analisaram, para além da velocidade de propagação das ondas no material em estudo, a frequência do sinal. Verificou-se que a frequência dos elementos diminui com o aumento do dano no material em que as ondas acústicas se propagam.
Uma outra utilização do tratamento dos sinais do receptor no domínio da frequência consiste na determinação de espessuras de elementos ou no conhecimento da profundi- dade a que se encontra uma descontinuidade, designadamente através do eco-impacto. Este método teve um grande desenvolvimento na década de 1980 devido ao colapso de algumas estruturas de betão armado durante a construção (edifícios e pontes). A aposta da divisão de estruturas do Instituto de Normalização e Tecnologia dos Estados Unidos da América (EUA) passou a centrar-se nos ensaios não-destrutivos (Sansalone, 1997).
O princípio subjacente ao Eco-Impacto é que uma onda P produzida numa superfí- cie de teste sofre múltiplas reflexões entre a superfície de teste e uma descontinuidade
(Carino, 2001). De cada vez que essa onda chega à superfície de teste, induz um deslo- camento da superfície que é detectado pelo receptor. A Figura 2.22 apresenta: a) uma representação das reflexões das ondas no interior do elemento testado, isto é, a onda gerada pelo emissor ao entrar em contacto com a face oposta do corpo é reflectida, che- ga à face de impacto e volta a ser reflectida, e assim sucessivamente; b) a representação dos movimentos do receptor num gráfico tempo vs voltagem (relacionada com a amplitu- de).
a) b)
Figura 2.22 – Reflexões de uma onda P quando encontra uma descontinuidade: a) esquema do percurso da onda no interior da amostra; b) gráfico (no domínio do tempo) resultante das sucessivas reflexões (Carino,
2001, Carino, 2004).
Como se pode observar na Figura 2.22 b) o receptor tem um movimento que se aproxima de uma sinusóide. Esse movimento é fruto da compressão/descompressão do material que se encontra em contacto com o acelerómetro, como resultado da chega- da/partida das ondas P. Como se viu anteriormente, a uma sinusóide encontra-se associ- ada uma frequência. Neste caso, a frequência corresponde ao número de chegadas por segundo das ondas P à superfície onde o acelerómetro se encontra instalado. O termo frequência tem, neste contexto, um significado comum que corresponde à frequência de chegada das ondas que se distingue do conceito proveniente da Física.
Pelo exposto pode-se compreender que o intervalo de tempo entre duas chegadas sucessivas das ondas P à superfície de impacto, corresponde ao tempo de viagem das ondas P no material. Sabendo que a distância percorrida é duas vezes a espessura do corpo em estudo (saída da face de impacto, chegada e reflexão na face oposta, chegada à face do impacto) pode-se determinar a velocidade das ondas P no material em estudo.
O intervalo que separa duas chegadas consecutivas pode ser determinado de um modo simples e rigoroso através da análise das frequências presentes no sinal recebido. Essas frequências podem ser determinadas, por exemplo, através de uma operação ma- temática usual no tratamento de sinais digitais que se designa por FFT (do inglês Fast Fourier Transform). O conhecimento dessas frequências, em especial da frequência que corresponde às sucessivas reflexões das ondas nas superfícies do material, em conjunto
com o conhecimento da respectiva espessura T (ver Figura 2.22) permite calcular a velo- cidade de propagação das ondas P nesse material através da Equação 2.25, que relacio- na a frequência (f) e a velocidade das ondas P (Vp) com a espessura da amostra (T) (Carino, 2004).
f
T
V
P2
Equação 2.25onde:
V
P- velocidade de propagação das ondas P no meio considerado (m/s); T - profundidade da interface (m); f - frequência (Hz).
A fórmula anterior foi revista em 1997, já que se concluiu que a velocidade VP era, afinal, 96% da velocidade real das ondas P no material. Este coeficiente devia-se a um pequeno atraso causado pelas sucessivas reflexões das ondas P quando se propagavam ao longo da espessura de um elemento (Carino, 2004). Em elementos de outro tipo, por exemplo pilares de secção circular ou vigas de secção quadrada, a velocidade é 92% e 87% da velocidade real, respectivamente (Sansalone, 1997).
A técnica do eco-impacto, além de permitir determinar a velocidade de propagação num corpo sólido também permite determinar a espessura de um elemento, desde que se conheça a velocidade de propagação das ondas P nesse material, como se depreende através da análise da Equação 2.25. O mesmo raciocínio utilizado para a determinação da espessura do material é adoptado para a detecção e localização de vazios.
A Figura 2.23 apresenta um exemplo de aplicação da detecção de um vazio utili- zando a técnica do eco-impacto. A Figura 2.23 a) representa um ensaio realizado num elemento de betão com 0.5m de espessura sem qualquer vazio. A frequência obtida atra- vés do sinal do receptor foi de 3.42kHz e corresponde às sucessivas reflexões das ondas P que se propagam ao longo da espessura do corpo. A Figura 2.23 b) apresenta um cor- po com as mesmas características mas com um vazio a cerca de metade da sua profun- didade; para a análise deste caso pode pensar-se numa laje com 0.25m de espessura (em vez dos 0.5m do caso da Figura 2.23 a)).
À luz da Equação 2.25 a frequência deve aumentar para o dobro no caso do ele- mento de betão com um vazio, já que a relação das distâncias das interfaces de reflexão é cerca de metade. Analisando o espectro corresponde à situação da Figura 2.23 b) veri- fica-se que, de facto, a frequência principal do sinal aumentou de 3.42kHz para 7.32kHz.
a) b)
Figura 2.23 – Espectros resultantes da análise de sinais, obtidos através de uma FFT: a)corpo homogéneo de betão; b)corpo com um vazio, adaptado de (Carino, 2001, Carino, 2004).
Na obtenção das reflexões das ondas P por eco-impacto, o emissor deve estar co- locado na mesma face do receptor com um afastamento máximo de 0.4T (sendo T a es- pessura do elemento).
A dimensão do vazio é, como se referiu anteriormente, essencial para que se pos- sa detectar a sua presença. Através do eco-impacto, o vazio representado na Figura 2.24 pode ser detectado se a sua dimensão lateral (d) superar 1/3 da sua profundidade (P). Se a dimensão lateral do vazio for superior a 1.5 vezes a profundidade a que este se enco n- tra (d>1.5P), a resposta será como se a espessura do material fosse a profundidade a que o vazio se encontra (P=T). Se a dimensão lateral do vazio estiver compreendida en- tre 1/3 e 1.5 vezes a profundidade a que aquele se encontra (1/3P<d<1.5P), é possível conhecer em simultâneo a espessura do material testado (T) e a respectiva profundidade (P) (Carino, 2001).
Figura 2.24 – Representação de um vazio de dimensão d, localizado a uma profundidade P, num corpo de espessura T.
2.4.5 Legislação e condicionantes dos ensaios de propagação de ondas acústi-