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Resumo de gráficos e imagens no ensaio de ultrassom industrial. Conteúdo para profissionais com conhecimento básico do ensaio
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Qualidade e Ensaio de Materiais, Carlos Dias 03-04, http://sme.dcm.fct.unl.pt/u/dias/docencia/
Ensaios Não Destrutivos (END). Ultrasons.
ULTRASONS
Frequência acima do audível (i.e. f >20 kHz)
Frequências utlizadas em testes não destrutivos ultrasónicos : 300 kHz - 15 MHz
Relação frequência – comprimento de onda
Tipos de ondas existentes em sólidos
Ondas longitudinais (ou primárias, ondas P)
Ondas transversais (ou secundárias, ondas S)
Ondas acústicas superficiais (ondas de Rayleigh, Lamb, Love, Stoneley ..)
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Exemplo de um ensaio ultrasónico
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Velocidade do som em alguns materiais
( )( )( )ννρ
ν211
1−+
−=
Evc
( )νρ +=
12Evt
Velocidade longitudinal
Velocidade transversal
E é o módulo de Young
ν é o módulo de Poisson
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Ondas numa interface
Impedância acústica específica:
Aço 46.3 MRayl
Aluminio 17.0 MRayl
Perspex 3.19 MRayl
Água 1.49 MRayl
Ar ?
vZ ρ=
Nota: Em cristais existe anisotropia na velocidade
Energia transmitida,
Energia reflectida,
( )221
214ZZZZET
+=
2
2121
+−
=ZZZZER
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Ondas numa interface (cont.)
Energia transmitida,
Energia reflectida,
( )221
214ZZZZET
+=
2
2121
+−
=ZZZZEr
Pode-se concluir que a máxima transmissão (ou minima reflexão) ocorre quando Z1=Z2.
Quando as impedâncias acústicas diferem muito existe uma fraca eficiência de transmissão acústica.
Quando há três camadas A, B e C, qual deverá ser a impedância da camada intermédia (B) para que a transferência de energia seja máxima.
Nessas condições qual o valor da energia transferida?
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Camada de acoplamento
Casos importantes de interfaces
Interface ponta de prova - peça a inspeccionar:
Ponta de prova–ar – aço
Água (gel ou óleo)–aço Et=88%. Deve portanto existir uma camada de acoplamento entre a ponta de prova e a peça.
Fissura no interior do material. Uma gap de 1 mm no aço reflecte aproximadamente cerca de 70% da energia. Esta é pois e aproximadamente, a resolução desta técnica.
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Ondas com incidência obliqua
BAVV
=βα
sinsin
Lei de Snell
Quando VB>VA existe um ângulo crítico de reflexão total
Para o caso água-aço é 15ºBA
c VV
=αsin
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Caso Geral
Quando a incidência é obliqua pode haver uma conversão do modo de vibração da onda.
Assim uma onda longitudinal incidente dará origem a duas ondas reflectidas (uma longitudinal e outra transversal) e duas ondas transmitidas (uma longitudinal e outra transversal)
A lei de Snell passa a ser:
( ) ( ) ( ) ( )sbs
cbc
cac
ca Vt
Vt
Vr
Vi sinsinsinsin
===
As amplitudes das ondas reflectidas e transmitidas dependem do ângulo de incidência de uma forma complexa.
a
b
isr
ctst
cr
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Ondas de incidência obliqua (exemplo)
Para a interface perspex-aluminio obtém-se para as várias amplitudes das ondas reflectidas e transmitidas:
Se se pretender inspeccionar uma peça usando ondas longitudinais deve-se utilizar um ângulo de incidência que seja menor do que 25º
Para ondas transversais é conveniente utilizar ângulos entre 25 e 58º quando a amplitude da onda transversal transmitida é maior.
Perspex
Aluminio
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Atenuação e espalhamento
A diminuição na amplitude da onda ultrasonora num material tem duas causas:
•Atenuação verdadeira
•Dispersão ou espalhamento da onda
A atenuação verdadeira segue uma lei exponencial
O espalhamento depende dos detalhes geométricos da onda.
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Configuração para uma sonda longitudinal
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Efeito piezoeléctrico
O efeito piezoeléctrico consiste na deformação elástica de um material pela aplicação de um campo eléctrico.
vfmasd ooo == λλ ,2
dvfo 2
=
d
Materiais piezoeléctricos: quartzo, PZT, PVDF...
A frequência fundamental de vibração longitudinal, corresponde a haver exactamente meio comprimento de onda na espessura da amostra.
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Sondas longitudinais (cont.)
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Campo ultrasónico á frente de uma sonda
−
+= RRDPP oR
212
2
4sin2
λπ
Pressão acústica ao longo do eixo da sonda
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Pulso ultrasónico
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Exemplos de sondas longitudinais
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Sonda transversal
Ângulos de lançamento de sondas transversais: 45º, 70º e 80º.
O ângulo de lançamento depende do material.
O material usado no sapato é normalmente o Perspex e ocasionalmente o Nylon.
É necessário que a onda longitudinal ultrasónica tenha uma velocidade inferior á velocidade de uma onda transversal na peça a analisar. Porquê?
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Modos de varrimento
A-scan
Quando se representa uma grandeza eléctrica em função do tempo. Essa grandeza pode ser o sinal de rf tal como é gerado pelo receptor piezoeléctrico (2) o sinal de rf rectificado ou (3) só a parte negativa ou só a parte positiva.
B-scan
Quando após se varrer a peça ao longo de uma linha com a sonda se assinala no ecran a profundidade para as quais o eco ultrapassou um determinado nível.
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Varrimento C-scan
Quando após se efectuar um varrimento bi-dimensional se assinala no ecran a amplitude do sinal recebido para um intervalo de tempo fixo.
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Análise de defeitos com uma sonda transversal
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Blocos de calibração A3 e A5
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Bloco de calibração A2
Calibração do índice
Calibração do ângulo
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Blocos de calibração
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Análise de uma soldadura por ultrasons
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Alteração do conteúdo espectral
A onda ultrasónica quando é dispersa por uma colisão com um defeito pode alterar o seu conteúdo espectral dependendo das interacções que tiveram lugar.
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