Princípios da técnica de ultrassom

Desde há muito tempo, a inspeção por ultrassom tem sido empregada para inspecionar componentes em serviço e também monitorar sua fabricação no intuito de garantir o controle de qualidade e confiabilidade. Ao longo das últimas décadas tem aumentado seu uso na indústria, em especial na aeronáutica, onde as condições de segurança exigem componentes que não falhem sob as condições de operação previstas.

A técnica consiste em aplicar ondas ultrassônicas elásticas conhecidas no material a ser inspecionado. Ao atravessarem o material elas são modificadas quando há presença de defeitos ou regiões danificadas. Tais alterações na onda são causadas não só pelos defeitos, como trincas, mas também por limites entre componente e ambiente, resultando em ondas refletidas e transmitidas (MATTHEWS, RAWLINGS, 2000). Assim, o ultrassom pode ser usado para caracterizar materiais, podendo indicar textura e propriedades elásticas em materiais cristalinos, tensões residuais, dureza e tamanho de grão (KUNDU, 2004). É aplicado principalmente em metais. No entanto, estudos têm sido realizados para viabilizar, com confiabilidade, seu uso em materiais compósitos com a finalidade de detectar defeitos e descontinuidades.

Em materiais compósitos costuma-se aplicar frequências entre 1 e 10MHz, sendo importante a escolha da frequência de acordo com o que se busca na inspeção, visto que altas frequências implicam em comprimentos de onda menores e são ondas mais sensíveis a presença de defeitos; já frequências menores permitem que a onda penetre no material em maiores profundidades(ARMSTRONG e BARRETT, 1998).

A geração das ondas ultrassônicas é feita por transdutores que são constituídos de materiais piezelétricos, cuja característica é converter energia mecânica em elétrica e vice-versa. Os materiais piezocerâmicos como o titanato zirconato de chumbo, PZT, proporcionaram um maior desempenho quanto a essa característica. Foram com os avanços impulsionados pela área médica e de sonares subaquáticos nos últimos anos que matérias piezocompósitos passaram a ser desenvolvidos. Nestes, pequenas hastes piezocerâmicas são fixadas em uma matriz polimérica, resultando em menor impedância acústica e redução na diafonia (cross-talk), além de melhora na banda larga. Tais características foram essenciais para o aprimoramento na fabricação de transdutores matriciais, apresentados em tópicos seguintes (DRINKWATER, 2006).

A região de atuação do transdutor é dividida em duas, uma região chamada campo próximo e outra campo distante (Figura 2.12). Considerando o transdutor como infinitas fontes pontuais, no campo próximo há variações de pressão acústica, enquanto no campo distante a pressão sonora decresce até chegar a zero. O limite entre o campo próximo e o distante é dado por:

𝑑

=

Na equação 2.8, D é o diâmetro do transdutor ou comprimento do elemento e 𝜆 o comprimento de onda.

Figura 2.12 - Transdutor indicando campo próximo e campo distante (OLYMPUS, 2010) Os métodos usados na inspeção por ultrassom abrangem técnicas de contato e de imersão, que pode ser parcial ou total. Durante a inspeção ultrassônica na busca de vazios ou falhas o sinal é transmitido por um transdutor e recebido por um receptor, permitindo analisar as alterações na reflexão ou transmissão para localizar e caracterizar possíveis falhas. Esse tipo de inspeção é chamado de ativa. A inspeção passiva refere-se a sinais gerados pelas próprias trincas nos materiais, causando perturbações. Essas ondas chegam aos receptores, sem a necessidade de um transdutor para a excitação.

Em se tratando da inspeção ativa, essa pode ocorrer de três maneiras principais, que estão relacionadas às posições relativas do transdutor e do receptor, geralmente próximo ou na superfície. Elas são mostradas na Figura 2.13.

- Pulso – eco

Nesta técnica usa-se apenas um transdutor que irá emitir e receber o sinal ultrassônico, sendo ele emitido em pulsos curtos e em intervalos regulares de tempo. Depois de emitida em uma de suas superfícies, a onda encontra-se com outra superfície no material sendo então refletida. Essa segunda superfície pode ser a superfície oposta do material inspecionado, ou ainda um defeito, descontinuidade, trinca, entre outros. Ao ser refletido, a energia mecânica que retorna ao transdutor é convertida em pulsos elétricos a serem processados para leitura.

Quando a técnica de pulso-eco é utilizada em materiais compósitos laminados, um eco característico é gerado por agentes refletores como delaminações ou descolamento entre laminas ou camadas (MIRANDA, 2011).

Uma grande vantagem dessa técnica é o fato das reflexões geradas permitirem a leitura da profundidade dos defeitos e da espessura do material.

- Captura inclinada

São usados dois transdutores em que um emite e outro recepciona a onda ultrassônica. Os dois encontram-se na mesma superfície da peça a ser inspecionada, com uma determinada distância separando-os, podendo estar em contato direto ou em contato com cunhas que permitem variar o ângulo de emissão e recepção.

- Transmissão

Essa técnica também utiliza dois transdutores, um para emitir e outro para recepcionar o sinal. Os transdutores posicionam-se em superfícies opostas. Assim, ao atravessar o material a onda chega direto ao outro transdutor, que captura a parte da onda que não é refletida.

Como os defeitos da peça bloqueiam ou reduzem o sinal que é capturado no receptor, essa técnica permite apenas diferenciar uma peça danificada de outra não danificada e obter a gravidade do dano, mas não sua profundidade, como ocorre na técnica do pulso-eco.

Figura 2.13 - Modos de inspeção ativa

Pulso - eco Captura inclinada

Transmissão transparente

T / R

T R

T

Por fim, a técnica de inspeção por ultrassom se mostra vantajosa devido à possibilidade de detectar uma variedade de defeitos, tais como descolamento, vazios, humidade, delaminação, objetos estranhos e outros, permitindo indicar a profundidade destes. A técnica também é flexível, podendo ser portátil e cobrir vastas áreas. No entanto, apresenta desvantagens como a necessidade de acoplante entre o transdutor e o componente, este pode ser gel ou água, o que traz o risco de contaminação da amostra. Além disso, a técnica de pulso-eco permite a inspeção de apenas um lado do componente e a de transmissão necessita de acesso aos dois lados (ARMSTRONG, BARRETT, 1998).

(a) (b)

Figura 2.14 - Inspeção por ultrassom – (a) transmissão transparente, (b) pulso-eco. (MIRANDA, 2011; http://rbtest.com.br/servicos)