超声声束特性

Os transdutores do tipo mais comumente usado para medição ultrassônica terão essas propriedades funcionais fundamentais, que, por sua vez, afetam as propriedades do feixe de som que eles irão gerar em um determinado material:

Tipo — O transdutor será identificado de acordo com seu design e funcionará como um contato, linha de atraso ou tipo de imersão. As características físicas do material de teste, como rugosidade da superfície, temperatura e acessibilidade, bem como suas propriedades de transmissão de som e a faixa de espessura a ser medida, influenciarão a seleção do tipo de transdutor.

Diâmetro — Diâmetro do elemento do transdutor ativo, que normalmente fica alojado em uma estrutura um pouco maior. Transdutores de diâmetro menor são frequentemente mais facilmente acoplados ao material de teste, enquanto diâmetros maiores podem se acoplar de forma mais eficiente em superfícies ásperas devido a um efeito de média. Diâmetros maiores também são necessários por motivos de projeto, pois a frequência do transdutor diminui.

Frequência — Quantidade de ciclos de ondas completos em um segundo, normalmente expresso em Kilohertz (kHz) ou Megahertz (MHz). A maioria dos testes industriais por ultrassom é feita com uma variação de frequência entre 500 kHz e 20 MHz, embora tenham transdutores comerciais disponíveis de 50 KHz a 200 MHz. A penetração aumenta com frequências menores, enquanto a resolução e nitidez focal aumentam com frequências maiores.

Largura de banda — Transdutores típicos para medição de espessura não geram ondas sonoras em uma única frequência pura, mas sim em uma faixa de frequências centrada na designação de frequência nominal. Largura da banda — A parte da resposta da frequência que se enquadra nos limites especificados da amplitude. A largura de banda ampla é geralmente desejável em aplicações de medição de espessura envolvendo transdutores de contato, linha de atraso e imersão.

Duração da forma da onda — A quantidade de ciclos de onda gerados pelo transdutor a cada vez que é pulsado. Um transdutor com largura de banda estreita possui mais ciclos que um transdutor com largura de banda larga. O diâmetro do elemento, o material de apoio, a sintonia elétrica e o método de excitação do transdutor, todos repercutem na duração da forma da onda. Uma duração de onda curta (resposta de banda larga) é desejável na maioria das aplicações de medição de espessura.

Sensibilidade — A relação entre a amplitude do pulso de excitação e o eco recebido a partir de um alvo designado. Esta é uma função da saída de energia do transdutor.

Perfil de feixe — Como uma aproximação de trabalho, o feixe de um transdutor de disco sem foco típico é muitas vezes pensado como uma coluna de energia originada da área do elemento ativo que viaja como uma coluna reta por um tempo e depois se expande em diâmetro e eventualmente se dissipa, como o feixe de um holofote.

Na realidade, o perfil do feixe é complexo, com gradientes de pressão em duas direções: axial e transversal. Na ilustração abaixo, sobre o perfil do feixe, o vermelho representa as áreas com energia mais alta, enquanto o verde e o amarelo representam a energia mais baixa.

A forma exata do feixe em um determinado caso é determinada pela frequência do transdutor, diâmetro do transdutor e velocidade do som do material. A área de energia máxima a uma curta distância além da face do transdutor marca a transição entre os componentes do feixe conhecidos como campo próximo e campo distante, cada um dos quais é caracterizado por tipos específicos de gradientes de pressão. O comprimento do campo próximo é um fator importante na detecção ultrassônica de falha, uma vez que afeta a amplitude dos ecos de pequenas falhas como rachaduras, mas geralmente não é um fator significativo em aplicações de medição de espessura.

Focagem — Os transdutores de imersão podem ser focados com lentes acústicas para criar um feixe em forma de ampulheta, em que se estreita em uma zona focal pequena e, em seguida, se expande. Certos tipos de transdutores de linha de atraso também podem ser focalizados. A focagem do feixe é muito útil ao testar tubos de pequeno diâmetro ou outras amostras com raios agudos, pois concentra a energia do som em uma área pequena e melhora a resposta ao eco.

Atenuação — À medida que viaja através de um meio, a frente de onda organizada gerada por um transdutor ultrassônico começará a quebrar devido à transmissão imperfeita de energia através da microestrutura de qualquer material. As vibrações mecânicas organizadas (ondas sonoras) transformam-se em vibrações mecânicas aleatórias (calor) até que a inclinação da onda deixa de ser detectável. Este processo é conhecido como atenuação do som. A atenuação varia com o material e aumenta proporcionalmente com a frequência. Como regra geral, materiais duros como metais são menos atenuantes do que materiais mais macios como plásticos. Em última análise, a atenuação limita a espessura máxima do material que pode ser medida com uma determinada configuração de medidor e transdutor, uma vez que determina o ponto em que um eco é tão pequeno que não pode ser detectado.

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