][ RV Z ρ =

REFLEXÃO E REFRACÇÃO
• A presença de defeitos ou outras anomalias em materiais pode ser
detectada através da variação da impedância acústica.
Z   V [R ]
• Numa interface entre materiais diferentes existe sempre uma onda reflectida e
uma onda transmitida. Os coeficientes de reflexão e transmissão em termos de
pressão acústica são dados por
Z  Z1
R 2
Z1  Z 2
2Z 2
T
Z1  Z 2
• Para minimizar reflexão, as impedâncias dos meios devem ser o mais
próximas possível.
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25
REFLEXÃO E REFRACÇÃO
Exemplo: Transmissão de uma onda plana do
aço (Z1=45 R) para a água (Z2=1,5 R)
R
1,5  45
 0,935
1,5  45
(a)
T
2  1,5
 0,065
1,5  45
Se a transmissão for
da água para o aço (b):
R=0,935
T=1,935
O facto da pressão acústica no meio
2, para o caso (b), exceder a
pressão da onda incidente não
contraria o principio da conservação
de energia na interface, pois a
intensidade de energia depende do
quadrado da pressão, mas também
é inversamente proporcional à
impedância acústica.
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26
REFLEXÃO E REFRACÇÃO
Coeficientes de reflexão e transmissão em termos de intensidade de potência
acústica
( Z 2  Z1 ) 2
R
( Z1  Z 2 ) 2
4 Z1 Z 2
T
( Z1  Z 2 ) 2
Pode provar-se a validade das expressões R e T, tanto em termos de pressão
como em termos intensidade de potência acústica
Pressão
Tem de existir continuidade na interface:
Intensidade de
potência acústica
Tem de existir conservação
de energia:
pi+pr=pt
Ji=Jr+Jt
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27
REFLEXÃO E REFRACÇÃO
Incidência obliqua
•
Reflexão e refracção dos ultra-sons de modo semelhante à luz.
 Num interface plano entre dois meios de propagação:
 Parte do feixe é reflectida e o restante é transmitido.
 As leis de reflexão e refracção mantêm-se.
Lei de Snell
Meio 1
i 
r
Velocidade no meio 1= v1
Velocidade no meio 2= v2
Meio 2
t
i  r
sin  i V1

sin  t V2
Neste caso o cálculo da pressão
acústica é bem mais complexo
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28
RESPOSTA EM FREQUÊNCIA DE TRANSDUTORES
Os transdutores comerciais normalmente vêm acompanhados por especificações
tais como: frequência central, curva de resposta em frequência, diâmetro do
cristal, etc.
Aspecto típico da resposta de
2 transdutores:
a) Baixo amortecimento, amplitude
elevada, elevado Q e banda estreita.
b) Elevado amortecimento, amplitude
baixa, baixo Q e banda larga.
Factor de qualidade
Q
f0
f 2  f1
f1 e f2: frequências a -3 dB
f0: frequência central
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29
CAMPO ACÚSTICO DE UM TRANSDUTOR
Na banda áudio, as dimensões das fontes são normalmente muito menores do que
os comprimentos de onda. Para os transdutores ultra-sónicos essas dimensões
são muito maiores que o comprimento de onda, dando origem a 2 zonas distintas
do campo acústico:
Campo próximo
Campo distante
Campo próximo: Muitas interferências de várias ondas com fases diferentes
D 2  2 D 2
N

4
4
D – Diâmetro da fonte
Campo distante: É divergente com um ângulo dado por
sen 
1,22 
D
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30
CAMPO ACÚSTICO DE UM TRANSDUTOR
Campo próximo
Campo distante
Pressão acústica ao longo do eixo do transdutor
1
D
p  2 p0 sen( kz 1  ( ) 2  1)
2
2z
Expressão aproximada:
p  p0
N
z
z – Distância ao transdutor
D - Diâmetro
k – nº de onda
(argumento do sen em Rad)
(onda esférica)
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31
CAMPO ACÚSTICO DE UM TRANSDUTOR
1
0.9
0.8
0.7
P
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
N
Pressão acústica em função do ângulo medido em relação ao eixo
J1 ( X )
p  2 pz
X
J1(X) – Função de Bessel de 1ª ordem
X 
D

sen
pz – Pressão no eixo
Vamos ver a evolução deste traçado com a alteração das dimensões da fonte
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32
CAMPO ACÚSTICO DE UM TRANSDUTOR
INSTRUMENTAÇÃO PARA IMAGIOLOGIA MÉDICA – TÉCNICAS DE IMAGEM POR ULTRA-SONS
33
CAMPO ACÚSTICO DE UM TRANSDUTOR
INSTRUMENTAÇÃO PARA IMAGIOLOGIA MÉDICA – TÉCNICAS DE IMAGEM POR ULTRA-SONS
34
INSPECÇÃO ULTRA-SÓNICA - TÉCNICAS
INCIDÊNCIA NORMAL E INCIDÊNCIA ANGULAR
A escolha entre inspecção por incidência normal
e inspecção por incidência angular, depende em
geral de duas considerações:
 Da orientação do objecto de interesse a
inspeccionar – o feixe deve ser dirigido de
modo a produzir a maior reflexão a partir do
objecto.
 Eventuais obstruções existentes na
superfície da peça a inspeccionar.
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35
INSPECÇÃO ULTRA-SÓNICA - TÉCNICAS
CONTACTO VERSUS IMERSÃO
• Para máxima transferência de energia, o ar existente entre o transdutor e o material a
inspeccionar tem de ser removido.
Acoplamento.
• Em inspecção por contacto, (mostrado em slides anteriores) é usado um acoplante tais
como a água, óleo ou gel que é aplicado entre o transdutor e o meio a inspeccionar.
• Em inspecção por imersão, o material e o transdutor são colocados num banho de
água. Esta configuração, permite deslocar o transdutor sobre a peça objecto de
inspecção, mantendo sempre um acoplamento consistente.
• No teste por imersão, surge um eco adicional proveniente da superfície frontal da peça.
1
2
IP
FWE
1
IP
2
FWE
IP
= Pulso Emissão
FWE = Eco Frontal
BWE
BWE
DE
DE
= Eco do Defeito
BWE = Eco de Fundo
Defeito
0
2 4
6 8 10
0
2
4
6
8 10
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36
INSPECÇÃO ULTRA-SÓNICA - TÉCNICAS
APLICAÇÕES
 Caracterização de materiais e estruturas:
 Detecção e caracterização de defeitos: fissuras, inclusões, porosidade, etc.
 Avaliação de erosão e corrosão
medição de espessuras (A-SCAN).
 Caracterização da microestrutura (estimação do tamanho de grão em metais).
 Inspecção da integridade de ligações em componentes soldados ou colados.
 Estimação da integridade de compósitos (delaminações após impacto) e plásticos
(C-SCAN)
 Medicina:
 Tratamentos  Fisioterapia
 diagnóstico de doenças  realização de imagens (B-SCAN)
(ecografias)
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37
INSPECÇÃO ULTRA-SÓNICA - TÉCNICAS
Objecto
fissura
Amplitude do sinal
 Representação A-scan: visualização da
amplitude do sinal ultra-sónico recebido pelo
transdutor em função do tempo.
 O tamanho da descontinuidade (ou defeito)
pode ser estimado comparando a amplitude do
sinal recebido com um de referência (reflector).
 A profundidade da descontinuidade pode ser
determinada medindo o tempo de propagação
do eco (posição do sinal no varrimento
horizontal).
Amplitude do sinal
REPRESENTAÇÃO A-SCAN
Time
Tempo
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38
INSPECÇÃO ULTRA-SÓNICA - TÉCNICAS
REPRESENTAÇÃO B-SCAN (TRANSDUTORES MULTI-ELEMENTO)
• Uma das características fundamentais dos agregados lineares é a possibilidade de
permitirem a focalização do feixe ultra-sónico num ponto especifico através da aplicação
a cada um dos elementos do agregado sinais com atrasos devidamente calculados.
• Se for associado à focalização um varrimento sectorial podemos obter uma imagem
tipo B-scan.
• Este processo de focalização e inclinação do feixe é chamado beamforming.
Pulso
eléctrico
Atrasos
variáveis
D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9
“Array” de
transdutores
Frente de onda
focalizada
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39
INSPECÇÃO ULTRA-SÓNICA - TÉCNICAS
REPRESENTAÇÃO B-SCAN (TRANSDUTORES MULTI-ELEMENTO)
Sistema de atrasos e soma de sinais ultra-sónicos usado no beamforming de agregados lineares.
Diagrama de blocos de um sistema de imagiologia ultra-sónica baseado num agregado linear.
INSTRUMENTAÇÃO PARA IMAGIOLOGIA MÉDICA – TÉCNICAS DE IMAGEM POR ULTRA-SONS
40
INSPECÇÃO ULTRA-SÓNICA - TÉCNICAS
REPRESENTAÇÃO B-SCAN (TRANSDUTORES MULTI-ELEMENTO)
•
Usando um transdutor multi-elemento, pode ser formada uma imagem 2-D
designada por imagem modo B
Sistema de
imagem B-Scan
Transducer
array
X
X
Y
Y
Computer display
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41
INSPECÇÃO ULTRA-SÓNICA - TÉCNICAS
REPRESENTAÇÃO B-SCAN (EXEMPLO)
Imagem cardíaca – quatro cavidades
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42
INSPECÇÃO ULTRA-SÓNICA - TÉCNICAS
REPRESENTAÇÃO C-SCAN (AMPLITUDE E TOF)
 A representação C-scan: visualização de uma secção da peça
perpendicular ao feixe ultra-sónico.
 As representações (imagens) C-scan são produzidas com recurso a um
sistema automático de aquisição de dados: varrimento por imersão.
 O uso do A-scan em associação com o C-scan é necessário quando se
pretenda conhecer a profundidade.
Sistema
Three-axes
system
com
3 eixos
Tanque
Water
com tank
água
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43
INSPECÇÃO ULTRA-SÓNICA - TÉCNICAS
REPRESENTAÇÃO C-SCAN (AMPLITUDE E TOF)
Exemplo:
Imagens C-Scan: Compósitos Laminados sujeitos a Impacto
Sequência das camadas: A) (0,90,0,90)2s; B) (0,90)8
(i) impact of 1,5 J; (ii) impact of 2 J;(iii) impact of 2,5 J
(iv) impact of 3 J
A
B
(i)
(ii)
(iii)
(iv)
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44
INSPECÇÃO ULTRA-SÓNICA - TÉCNICAS
VANTAGENS
• A profundidade de penetração, para a detecção ou quantificação de defeitos é
superior a outros métodos.
• É necessário ter, apenas, acesso a um dos lados quando é usada a técnica
pulso-eco.
• Elevada exactidão na determinação da posição dos defeitos bem como na
estimação do seu tamanho e forma.
• Requerem um preparação mínima das peças a inspeccionar.
• Os equipamentos electrónicos disponíveis proporcionam resultados
praticamente instantâneos.
• Podem ser produzidas imagens detalhadas com sistemas automáticos.
• Proporciona, também, a medição de espessuras.
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45
INSPECÇÃO ULTRA-SÓNICA - TÉCNICAS
LIMITAÇÕES
• As superfícies têm de estar acessíveis para a transmissão dos ultra-sons.
• Normalmente requer um meio de acoplamento para promover a
transferência de energia para o material em inspecção.
• Materiais que sejam irregular na sua forma, demasiado pequenos,
excepcionalmente finos e muito heterogéneos são difíceis de inspeccionar.
• Materiais com estruturas de grão grosseiro são difíceis de inspeccionar
devido à limitada propagação e elevado ruído no sinal.
• Fissuras orientadas paralelamente à propagação do feixe, podem não ser
detectadas.
• Padrões são necessários para a calibração dos equipamentos e
eventualmente para a caracterização dos defeitos.
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