Fundamentação teórica
Antes do eco,
existe a onda.
O ensaio ultrassônico começa com uma perturbação mecânica. Ela atravessa o material, interage com interfaces e retorna ao transdutor carregando informações sobre o caminho percorrido.
Energia em movimento,
matéria em equilíbrio.
Uma onda é uma perturbação que se propaga no espaço e no tempo. No ultrassom industrial, as partículas do material oscilam em torno de sua posição de equilíbrio: a energia avança, mas não há transporte permanente de matéria.
Amplitude, frequência, período e comprimento de onda descrevem esse movimento. A velocidade de propagação depende das propriedades elásticas e da densidade do meio.
Ideia-chave: aumentar a frequência reduz o comprimento de onda para uma mesma velocidade de propagação.
Com velocidade constante, aumentar a frequência reduz o comprimento de onda. A fase desloca a senoide sem alterar λ.
O movimento das partículas
define o tipo de onda.
Em sólidos, o ultrassom pode se propagar de diferentes formas. As ondas longitudinais são comuns na medição de espessura e no mapeamento de corrosão, enquanto as ondas transversais são amplamente empregadas na inspeção angular de juntas soldadas. Já as ondas de Lamb são guiadas pelas superfícies de chapas, tubos e estruturas de pequena espessura, permitindo inspecionar áreas maiores. Elas podem ser aplicadas na detecção de corrosão, trincas e delaminações, além do monitoramento da integridade estrutural. Como apresentam comportamento dispersivo, sua utilização exige a seleção adequada do modo, da frequência e da espessura do material.
Explorar ondas superficiais e guiadas +
Cada material oferece
uma resposta diferente.
A impedância acústica expressa a resistência dinâmica do meio à propagação da onda. Ela combina a massa específica do material com a velocidade da onda e ajuda a prever o que ocorrerá quando o ultrassom encontrar uma interface.
Quanto maior a diferença de impedância entre dois meios, maior tende a ser a parcela refletida da energia.
| Material | vL (m/s) | Z (MRayl) |
|---|---|---|
| Água | 1.480 | 1,48 |
| Acrílico | 2.730 | 3,2 |
| Alumínio | 6.320 | 17 |
| Aço carbono | 5.900 | 46 |
Valores aproximados para ondas longitudinais; podem variar com composição, temperatura e condição do material.
Uma parte retorna.
Outra continua.
Ao atingir a fronteira entre materiais com impedâncias diferentes, a onda se divide: uma parcela é refletida e outra é transmitida. No A-scan, são as reflexões recebidas pelo transdutor que formam os ecos.
Exemplo ideal de uma onda incidindo da água para o aço, sem considerar perdas adicionais.
Quanto maior o percurso,
menor a amplitude.
Durante a propagação, a amplitude da onda diminui aproximadamente de forma exponencial, conforme V(x) = V0e−αx. Nessa expressão, V0 é a amplitude inicial, V(x) é a amplitude após o percurso x e α é o coeficiente total de atenuação.
A atenuação resulta da soma α = αs + αa: αs representa o espalhamento causado por contornos de grão e outras heterogeneidades, enquanto αa representa a absorção, que converte parte da energia acústica em calor. Em materiais policristalinos, o espalhamento também contribui para o ruído estrutural observado no A-scan.
A direção muda
na passagem entre meios.
Quando a incidência é oblíqua e as velocidades são diferentes, a trajetória da onda muda de direção. Em sólidos também pode ocorrer conversão de modo: uma onda longitudinal incidente pode gerar componentes longitudinais e transversais.
Entre o primeiro e o segundo ângulos críticos, apenas a onda transversal é transmitida ao aço. Essa é a condição explorada pelos transdutores angulares empregados na inspeção de soldas.
Explore abaixo como a velocidade de cada meio altera a trajetória transmitida.
Uma onda longitudinal parte da água e entra no aço. Ajuste os materiais e o ângulo para observar a refração.
Conteúdo resumido e adaptado de END Ultrassom — Fundamentos físicos do ultrassom. Figuras provenientes do manuscrito do autor.
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