2.4 Características do feixe
Os transdutores de elemento único convencional de onda longitudinal funcionam como uma fonte de vibrações mecânicas de alta frequência, ou ondas sonoras. Da forma que a tensão é aplicada, o elemento do transdutor piezoelétrico (frequentemente chamado de cristal) é deformado pela compressão da direção perpendicular à sua face. Quando a tensão é removida, menos de um segundo depois, a fonte do elemento volta gerando um pulso de energia mecânica que compreende um onda ultrassônica. O gráfico abaixo mostra um exemplo conceitualizado de como o elemento piezoelétrico responde ao breve pulso elétrico.
Os tipos de transdutores mais utilizados para END por ultrassom possuem as seguintes propriedades funcionais:
Tipo — O transdutor será identificado de acordo com a função do tipo de contato, linha de atraso, feixe angular ou imersão. As características do material inspecionado, como rugosidade da superfície, temperatura e acessibilidade, bem como a posição de um defeito no material e a velocidade da inspeção, influenciam a seleção do tipo de transdutor.
Diâmetro — Diâmetro do elemento do transdutor ativo, que normalmente fica alojado em uma estrutura um pouco maior.
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 da banda — A parte da resposta da frequência que se enquadra nos limites especificados da amplitude. Neste contexto, deve-se notar que os transdutores típicos de END não geram ondas sonoras com uma única frequência pura, mas sobre uma variação de frequências centradas na designação nominal da frequência. O padrão da indústria especificou a largura da banda a –6 dB (ou metade da amplitude).
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 impactam na duração da forma da onda.
Sensibilidade — A relação entre a amplitude do pulso de excitação e o eco recebido a partir de um alvo designado.
Como uma aproximação de trabalho, o feixe típico de um disco de transdutor desfocado é muitas vezes considerado como uma coluna de energia proveniente da área do elemento ativo que se expande em diâmetro e eventualmente se dissipa.
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.
O campo sonoro de um transdutor é dividido em duas áreas, área próxima e área distante. O campo próximo é a região próxima do transdutor onde a pressão do som passa por uma série de máximas e mínimas e termina na última máxima no eixo, na distância N da face. A distância do campo próximo N representa o foco natural do transdutor.
O campo distante é a região além de N onde a pressão sonora gradualmente cai para zero, o diâmetro do feixe expande e a energia se dissipa. A distância do campo próximo é uma função da frequência e diâmetro do transdutor e da velocidade do som no meio de teste, e pode ser calculada da seguinte forma para os elementos circulares mais comumente usados na detecção de falhas por ultrassom: |
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— Devido às variações de pressão do som no campo próximo, pode ser difícil avaliar com precisão os defeitos utilizando as técnicas de amplitude (embora a medição de espessura do campo próximo não seja um problema). Além disso, N representa a maior distância que o feixe do transdutor pode ser focado por intermédio de uma lente acústica ou técnicas de faseamento. 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 acentuados, pois concentra a energia do som em uma área pequena e melhora a resposta ao eco.
