ENSAIO DE ULTRA-SOM Prof. Rigo

OBJETIVO Método não destrutivo no qual um feixe sônico de alta frequência é aplicado no material a ser inspecionado com objetivo de detectar descontinuidades internas, porém, em alguns casos detectam-se também as descontinuidades superficiais.

PRINCÍPIO BÁSICO DO ENSAIO ULTRA-SÔNICO

APLICAÇÕES - Detecção e avaliação de descontinuidades internas; - Detecção de descontinuidades superficiais - Medição de espessuras; - Controle da taxa de corrosão; - Determinação de certas propriedades físicas, características da micro e macroestrutura e estimativa tamanho de grão.

VANTAGENS alta sensibilidade; Rapidez na elaboração de laudos; não requer cuidados específicos quanto a segurança operacional; grandes espessuras não são limitantes para o ensaio; permite definir a profundidade e o tamanho da descontinuidade.

LIMITAÇÕES requer grande conhecimento teórico e experiência por parte do inspetor; o registro permanente não é facilmente obtido; faixas de espessuras muito finas, constituem uma dificuldade para a aplicação do método requer o preparo da superfície, e em alguns casos existe a necessidade de remover o reforço de solda.

ONDAS MECÂNICAS Denomina-se por onda mecânica a perturbação que se propaga em um meio material.

ONDAS MECÂNICAS As ondas mecânicas são originadas pela deformação de uma região de um meio elástico, que é perturbado por esta deformação, e então, dá-se origem a uma onda.

ONDAS MECÂNICAS Uma onda mecânica transfere energia de um ponto a outro do meio em que se propaga, sem contudo, transportar massa entre esses locais. EXEMPLO DE CORTIÇA NUMA ONDA NA SUPERFÍCIE DE UM LÍQUIDO

ONDAS MECÂNICAS PERIÓDICAS   - COMPRIMENTO DE ONDA

PROPRIEDADES DAS ONDAS MECÂNICAS PERÍODO (P) FREQUENCIA (f) AMPLITUDE (A) COMPRIMENTO DE ONDA () VELOCIDADE DE PROPAGAÇÃO (v) IMPEDÂNCIA ACÚSTICA (Z)

VELOCIDADE DE PROPAGAÇÃO DE UMA ONDA MECÂNICA Definimos velocidade de propagação como sendo a distância percorrida pela onda na unidade de tempo (m/s) é uma característica do meio, sendo constante independente da freqüência

RELAÇÃO ENTRE AMPLITUDE E INTENSIDADE SONORA DE ONDA MECÂNICA

RELAÇÃO ENTRE AMPLITUDE E INTENSIDADE SONORA DE ONDA MECÂNICA Intensidades sonoras típicas do nosso cotidiano

TIPOS DE ONDAS ULTRA SÔNICAS (ULTRA-SOM TRADICIONAL) Ondas Longitudinais ou ondas de compressão: se propagam nos sólidos, líquidos e gases. É a onda de maior velocidade de propagação. Ondas Transversais ou de cizalhamento: se propagam somente nos sólidos. Sua velocidade é aproximadamente 50% da onda Longitudinal.

ONDAS LONGITUDINAIS

VELOCIDADE DE PROPAGAÇÃO DAS ONDAS LONGITUDINAIS

ONDAS TRANSVERSAIS

VELOCIDADE DE PROPAGAÇÃO DAS ONDAS TRANSVERSAIS

CLASSIFICAÇÃO DAS FREQUÊNCIAS - Abaixo 20 Hz (Infra-Som) - De 20 a 20.000 Hz (Som) - Acima de 20.000 Hz (Ultra-Som)

FREQUÊNCIAS DE ENSAIO FREQUÊNCIAS USUAIS APLICADAS PELOS APARELHOS DE ULTRA-SOM INDUSTRIAIS: - Faixa utilizada: de 0,5 a 25 MHz - Freqüências mais utilizadas: 2, 4 e 5 MHz

PRINCÍPIO FÍSICO FUNDAMENTAL PARA O ESTUDO DAS ONDAS

EXEMPLO: Uma onda Longitudinal, com freqüência de 2 MHz, no aço apresentará um comprimento de onda de?  = V / F   = 5920 / 2 x 10 6 (metros)  = 2950 x 10 -6 ou 2,95 mm

IMPORTANTE: Em geral, o menor tamanho de uma descontinuidade que pode ser detectada pelo ensaio de ultra-som é da ordem de /2.

Exemplo: Se inspecionarmos uma peça de aço carbono comum (v = 5900 m/s) com um transdutor de freqüência 2 MHz para uma onda longitudinal, qual será o menor tamanho de descontinuidade que será detectada? Menor tamanho de descontinuidade será aproximadamente de

IMPEDÂNCIA ACÚSTICA (z) É definida como o produto da DENSIDADE pela velocidade sônica do material e é utilizado no ensaio por ultra-som para calcular as quantidades de energia refletida e transmitida quando ocorre a incidência de um feixe ultra-sônico em uma interface.

IMPEDÂNCIA ACÚSTICA (z)

Na prática, quanto maior for a diferença entre as impedâncias acústicas de dois meios, menor é probabilidade de uma onda ser transmitida ou refratada. Onda incidente Onda refletida Meio 1 Meio 2 Onda transmitida ou refratada

Para estimar o percentual de energia que será refletida ou transmitida, aplicam-se as seguintes relações: Percentual de energia refletida (R) Percentual de energia transmitida (T) Lembrando que:

Exemplo: Determinar a parcela de energia refletida e refratada, numa condição tal que, um transdutor emite ondas longitudinais sobre uma lamina de água que está sob uma peça de aço? O aço e a água possuem impedâncias 46,0x105 e 1,48x105 kg/m2s, respectivamente.

TRANSDUTORES A função de um transdutor é tanto de emitir pulsos ultra-sônicos quanto recebê-los. O principal elemento de um transdutor é o cristal piezelétrico. Aparelho tradicional transdutor

TRANSDUTORES Classificação dos transdutores ultra-sônicos com relação a: b) Tipo de incidência a) Função d) Tipo de contato Monocristal Duplocristal c) Número de cristais

CABEÇOTE NORMAL Um cabeçote ou transdutor normal somente emite ondas mecânicas longitudinais.

CABEÇOTE NORMAL: INCIDÊNCIA NORMAL

CABEÇOTE NORMAL: INCIDÊNCIA NORMAL A quantidade de energia refletida ou transmitida depende da diferença entre as impedâncias do meio 1 e meio 2; quanto maior a diferença menor a transmissão.

CABEÇOTE DUPLO CRISTAL OU SE

CABEÇOTE DUPLO CRISTAL: INCIDÊNCIA LEVEMENTE OBLÍQUA trasndutor Para os transdutores duplo cristal, as ondas emitidas são do tipo longitudinal. receptor emissor peça

CABEÇOTE ANGULAR

CABEÇOTE ANGULAR: INCIDÊNCIA OBLÍQUA

CABEÇOTE ANGULAR: INCIDÊNCIA OBLÍQUA Nos cabeçotes ou transdutores angulares, os fabricantes posicionam o cristal em um ângulo crítico tal que as ondas longitudinais se tornem superficiais, minimizando assim as interferências na recepção do sinal. Portanto, um cabeçote angular somente emite ondas transversais.

LEI DE SNELL (INCIDÊNCIA OBLÍQUA) - V1 é a velocidade de propagação da onda incidente; - V2 é a velocidade de propagação da onda refratada.

Exemplo: um cristal piezelétrico emite ondas longitudinais na água e estas ondas refratam numa peça de aço. Sabe-se que o ângulo de incidência das ondas longitudinais sobre a superfície de aço é de 6 graus, determine então os ângulos de refração para os modos de vibração longitudinal e transversal?

EFEITO PIEZOELÉTRICO Efeito Piezelétrico é caracterizado pela propriedade de certos cristais de transformar energia elétrica em mecânica ou vice–versa. ENERGIA MECÂNICA ENERGIA ELÉTRICA

EFEITO PIEZOELÉTRICO Esquema mostrando efeito piezelétrico sob ação aplicação de voltagens características. Observação: os cristais com o uso e os efeitos do tempo envelhecem, ou seja, estes elementos perdem sua capacidade piezelétrica.

MATERIAIS PARA CONFECÇÃO DE CRISTAIS PIEZOELÉTRICOS Materiais Piezelétricos comuns são: - Quartzo (cristal natural) - Sulfato de Lítio (hidratado) - Titanato de Bário (sintetizado) - Metaniobato de Chumbo (sintetizado) - Titanato Zirconato de Chumbo (sintetizado)

Efeito Piezelétrico Direto e Indireto

PRODUÇÃO DE ONDAS SÔNICAS POR MEIO DE UM CRISTAL

CAPACIDADE DE DETECÇÃO Para se avaliar a capacidade de detecção de um transdutor é conveniente analisarem-se as seguintes características: - Sensibilidade - Resolução - Eficiência

PROPAGAÇÃO DAS ONDAS SONORAS NOS MATERIAIS - Um feixe sônico não apresenta uma forma uniforme quando se propaga num meio material. Ele é divergente e sua intensidade varia conforme a distância do transdutor. - A velocidade de propagação das ondas e sua freqüência não são alteradas com o aumento da distância ao cristal; Quanto mais distante do transdutor, menor será a sua intensidade feixe sônico.

PROPAGAÇÃO DAS ONDAS SONORAS NOS MATERIAIS

PROPAGAÇÃO DAS ONDAS SONORAS NOS MATERIAIS

EFEITOS DA DIVERGÊNCIA SOBRE A DETECÇÃO

ZONA DE FRESNEL OU CAMPO PRÓXIMO

COMPRIMENTO DA ZONA DE FRESNEL OU DO CAMPO PRÓXIMO

Exemplo: Calcule o comprimento do campo próximo de um transdutor normal com diâmetro 10 mm e freqüência de 4 MHz, quando inspecionando aço.

CLASSIFICAÇÃO DAS ZONAS SÔNICAS - Região (1) - onde pequenas descontinuidades são difíceis de serem detectadas (campo próximo); - Região (2), as descontinuidades maiores que o comprimento de onda podem ser detectadas (zona de transição); - Região (3) onde qualquer descontinuidade compatível com a metade do valor do comprimento de onda pode ser detectada (campo distante).

ATENUAÇÃO SÔNICA A onda sônica ao percorrer um material qualquer sofre perdas de energia ou intensidade sonora em função da: Dispersão do feixe sônico: ocorre em razão do desvio de partes do feixe por pequenos refletores existentes no interior dos materiais tais como grãos, vazios, inclusões, etc. - Absorção: uma parte da energia ultra-sônica é perdida por atrito, transformando-se em calor. Esse "atrito interno" aumenta com o aumento da freqüência da onda.

ATENUAÇÃO SÔNICA A ATENUAÇÃO SÔNICA É A PRINCIPAL RESPONSÁVEL PELAS PERDAS DE ENERGIA QUE OBSERVAMOS NA TELA DE UM APARELHO DE ULTRA-SOM, OS ECOS DE RETORNO SÃO CHAMADOS DE GANHO. GANHO DE 50% GANHO DE 20%

CONSIDERAÇÕES FINAIS SOBRE DIVERGÊNCIA E ATENUAÇÃO - Quanto menor o diâmetro do cristal, maior será a divergência; Os transdutores de baixa freqüência possuem menor capacidade de detectar descontinuidades que os de alta freqüência, e ainda apresentam maior divergência; - Os transdutores de alta freqüência normalmente apresentam maiores atenuações sônicas e interferências nos sinais de retorno.

MEDIÇÃO DE ESPESSURA Espessura = Tempo do pulso sônico x Velocidade do som 2

BLOCO DE CALIBRAÇÃO PARA MEDIÇÃO DE ESPESSURA

ULTRA-SOM CONVENCIONAL

ULTRA-SOM CONVENCIONAL: TÉCNICA PULSO - ECO Tempo / Espessura Material de Teste

ULTRA-SOM CONVENCIONAL: TÉCNICA DA TRANSPARÊNCIA

TRANSPARÊNCIA VERSUS PULSO ECO Pulso Eco - permite avaliar a morfologia e localização da descontinuidade (tipo, profundidade e tamanho) Transparência - só é possível monitorar a existência de uma descontinuidade pelo comportamento do eco de fundo, não sendo possível localizar ou avaliar a descontinuidade. Para se manter a correta posição dos transdutores é necessário um sistema de varredura mecanizado.

ULTRA-SOM CONVENCIONAL: TÉCNICA DO IMPULSO-ECO POR IMERSÃO A - Eco da interface Água-peça B - Eco da descontinuidade C - Eco de fundo da peça

ULTRA-SOM CONVENCIONAL: TELA A-SCAN

CALIBRAÇÃO: BLOCO PADRÃO V1

CALIBRAÇÃO: BLOCO PADRÃO V2

REFLEXÃO "A cada dia que vivo, mais me convenço de que o desperdício da vida está no amor que não damos, nas forças que não usamos, na prudência egoísta que nada arrisca, e que, esquivando-se do sofrimento, perdemos também a felicidade." Carlos Drummond de Andrade FIM!