21AULA21 A U L A

IntroduçªoVocŒ sabia que, por terem uma visªo quase nula, os morcegos se orientam pelo ultra-som?

Eles emitem ondas ultra-sônicas e quando recebem o eco de retorno sªo capazes de identificar o que tŒm à sua frente.

Os sons audíveis pelo ouvido humano tambØm possuem uma fonte emissora, uma receptora e um meio de propagaçªo, que Ø o local por onde o som viaja da fonte emissora atØ à receptora.

Portanto, o som se origina da vibraçªo de um material. Esta vibraçªo Ø transmitida ao ar e levada, na forma de ondas sonoras, atØ a fonte receptora.

Nesta aula e na próxima estudaremos a realizaçªo do ensaio por ultra-som.

Nesse ensaio, induzimos, por meio de um emissor, ondas ultra-sônicas que se propagam atravØs do material que desejamos analisar. Pelo eco captado no receptor, determina-se a existŒncia ou nªo de descontinuidades.

O ensaio por ultra-som Ø um dos principais mØtodos de ensaio nªo destrutivo aplicados na indœstria, porque permite inspecionar todo o volume da peça.

Para compreender esse ensaio vocΠdeve saber:

•O que sªo ondas •Como se classificam

•Como se propagam

•Quais sªo seus principais elementos

•O que Ø ultra-som

•Como gerar o ultra-som.

Que tal começar pelas ondas?

Ultra-som

21 AULAO que sªo ondas?

Imagine a superfície calma de uma lagoa.

Se vocŒ jogar uma pedra no centro dessa lagoa, no ponto em que a pedra atingir a Ægua ocorrerÆ uma perturbaçªo, que se propagarÆ em todas as direçıes da superfície.

Se vocŒ puser uma rolha flutuando nessa lagoa e jogar de novo uma pedra, observarÆ que a rolha nªo sairÆ do local. Apenas oscilarÆ, acompanhando as molØculas da Ægua, de cima para baixo, enquanto a onda se movimenta horizontalmente.

Toda onda transmite energia, sem transportar matØria.

Classificaçªo das ondas

As ondas podem ser classificadas quanto à sua natureza e quanto ao sentido de suas vibraçıes.

Quanto à natureza podem ser:

•Mecânicas: necessitam de um meio material para se propagar. Exemplo: corda de violªo. A onda, neste caso sonora, propaga-se atravØs do ar, atØ os nossos ouvidos.

Nossa aula

Onda é uma perturbação que se propaga através de um meio.

21AULA Se acionarmos uma campainha no vÆ- cuo, nªo haverÆ som, pois a sua vibraçªo nªo pode ser transmitida.

•EletromagnØticas: nªo necessitam de um meio material para se propagar. Exemplo: luz, ondas de rÆdio, televisªo, raios x, raios gama etc.

Ao ligarmos uma lâmpada no vÆcuo vemos sua luminosidade, porque ela nªo depende de meio material para ser transmitida.

Leia com atençªo

As partículas de um material (sólido, líquido ou gasoso) estªo interligadas por forças de adesªo. Ao vibrarmos uma partícula, esta vibraçªo se transmite à partícula vizinha. Produz-se entªo uma onda mecânica.

As ondas sonoras sªo ondas mecânicas. Dependem de um meio material (sólidos, líquidos ou gases) para serem transmitidas.

Quanto ao sentido da vibraçªo, as ondas classificam-se em:

•Transversais: numa onda transversal, as partículas vibram em direçªo perpendicular à direçªo de propagaçªo da onda. É o caso do movimento das cordas do violªo.

•Longitudinais: as partículas vibram na mesma direçªo da propagaçªo da onda.

A velocidade de propagaçªo de uma onda longitudinal Ø maior do que a de uma onda transversal.

AULAElementos de uma onda

O exemplo da pedra atirada à lagoa Ø ótimo para entendermos algumas definiçıes. Analise a figura a seguir e procure identificar cada um dos elementos descritos:

•Crista: sªo os pontos mais altos da onda (A, C, E, G). •Vales: sªo os pontos mais baixos da onda (B, D, F).

•Comprimento: Ø a distância de uma crista à outra (ou de um vale a outro).

•Amplitude: Ø a altura da crista, medida a partir da superfície calma da lagoa (linha de repouso). •FreqüŒncia: Ø o nœmero de ciclos pela unidade de tempo.

Dica

A unidade de medida de freqüŒncia Ø o hertz (Hz) 1 Hz = 1 ciclo/segundo 1 quilohertz (1 kHz) = 1.0 ciclos/segundo 1 megahertz (1 MHz) = 1.0.0 ciclos/segundo

•Ciclo: movimento completo de um ponto qualquer da onda, saindo de sua posiçªo original e voltando a ela.

•Velocidade de propagaçªo: a velocidade de propagaçªo de uma onda

Ø funçªo do meio que ela percorre. Para diferentes materiais temos diferentes velocidades de propagaçªo.

A velocidade do som no ar Ø de aproximadamente 330 metros por segundo.

No caso de um sólido, ou de um líquido, esta velocidade Ø bem maior, pois sua estrutura Ø mais compacta, facilitando a propagaçªo. No aço, a velocidade de propagaçªo do som Ø de 5.900 metros por segundo.

A tabela a seguir informa a velocidade de propagaçªo das ondas sonoras em alguns materiais de uso comum na indœstria.

TABELA 1 - VELOCIDADE DE PROPAGAO DO SOM MATERIAL VELOCIDADE (M/ S)

Alumínio Chumbo

Aço

Ferro fundido

Latªo Vidro Acrílico

AULAE o que Ø ultra-som?

O som audível pelo ouvido humano estÆ compreendido entre as freqüŒncias de 20 a 20.0 Hz.

Alguns animais sªo capazes de ouvir ultra-sons. É o caso dos cªes, que chegam a perceber sons com 25.0 vibraçıes por segundo (25 kHz). Os morcegos captam sons de atØ 50.0 vibraçıes por segundo (50 kHz).

Produçªo do ultra-som

A forma mais comum de produzir o ultra-som para os ensaios nªo destrutivos

Ø a que utiliza os cristais piezelØtricos, como o sulfato de lítio, o titanato de bÆrio, o quartzo etc.

VocŒ quer saber o que Ø um cristal piezelØtrico? Entªo leia o próximo tópico.

Início das pesquisas

Em 1880, os irmªos Curie

(Pierre e Jacques) descobriram o efeito piezelØtrico de certos materiais. Observaram que determinados materiais (como o quartzo) cortados em lâminas, quando submetidos a cargas mecânicas geravam cargas elØtricas em sua superfície.

No ano seguinte, G. Lippmann descobriu que o inverso da observaçªo dos irmªos Curie tambØm era verdadeiro. Aplicando-se cargas elØtricas na superfície dos cristais piezelØtricos, originavam-se deformaçıes no cristal.

Quando se aplica corrente elØtrica alternada, hÆ uma vibraçªo no cristal, na mesma frequŒncia da corrente.

Esse princípio Ø utilizado na geraçªo e na recepçªo do ultra-som.

Ao se aplicar corrente alternada de alta freqüŒncia num cristal piezelØtrico, ele vibrarÆ na mesma freqüŒncia, gerando o ultra-som.

Na recepçªo, ocorre o inverso: o ultra-som farÆ vibrar o cristal, gerando um sinal elØtrico de alta freqüŒncia.

Em geral, para os ensaios nªo destrutivos utilizam-se freqüŒncias na faixa de 0,5 a 25 MHz (500.0 a 25.0.0 Hz).

Os sons com freqüências abaixo de 20 Hz são chamados de infra-sons .

Os sons com frequência acima de 20.0 Hz são chamados de ultrasons.

AULAVantagens e desvantagens do ensaio por ultra-som

O ensaio por ultra-som, comparado com outros mØtodos nªo destrutivos, apresenta as seguintes vantagens: -localizaçªo precisa das descontinuidades existentes nas peças, sem processos intermediÆrios, como, por exemplo, a revelaçªo de filmes; -alta sensibilidade ao detectar pequenas descontinuidades;

-maior penetraçªo para detectar descontinuidades internas na peça;

-respostas imediatas pelo uso de equipamento eletrônico.

Como desvantagens podemos citar: -exigŒncia de bons conhecimentos tØcnicos do operador;

-atençªo durante todo o ensaio;

-obediŒncia a padrıes para calibraçªo do equipamento;

-necessidade de aplicar substâncias que façam a ligaçªo entre o equipamento de ensaio e a peça (acoplantes).

Aplicando o ultra-som

O uso do ultra-som como ensaio nªo destrutivo Ø largamente difundido nas indœstrias para detectar descontinuidades em todo o volume do material a analisar, tanto em metais (ferrosos ou nªo ferrosos) como em nªo metais.

O ensaio consiste em fazer com que o ultra-som, emitido por um transdutor, percorra o material a ser ensaiado, efetuando-se a verificaçªo dos ecos recebidos de volta, pelo mesmo ou por outro transdutor.

O que Ø transdutor?

Transdutor, tambØm conhecido como cabeçote, Ø todo dispositivo que converte um tipo de energia em outro. Conhecemos vÆrios tipos de transdutores, entre eles o microfone e o alto-falante.

No ensaio de ultra-som, os transdutores sªo necessÆrios para converter energia elØtrica em energia mecânica de vibraçªo (ultra-som) e vice-versa.

Parâmetros dos transdutores

No ensaio por ultra-som, existe grande variedade de transdutores para atender a diversas aplicaçıes.

Sªo subdivididos em categorias: quanto ao ângulo de emissªo/recepçªo do ultra-som e quanto à funçªo (emissor ou receptor ou emissor/receptor).

AULAQuanto ao ângulo de emissªo/recepçªo do ultra-som os transdutores podem ser:

•Normais: emitem e/ou recebem o ultrasom perpendicularmente à sua superfície.

•Angulares: emitem e/ou recebem o ultra-som obliquamente à sua superfície.

Quanto à funçªo, os transdutores podem ser:

•Monocristal: possuem apenas um cristal piezelØtrico.

HÆ trŒs modalidades: -só emissor de ondas ultra-sônicas;

-só receptor de ondas ultra-sônicas (este tipo deve trabalhar junto com o primeiro); -emissor e receptor de ondas ultra-sônicas (o mesmo cristal emite e recebe os ecos ultra-sônicos de maneira sincronizada).

•Duplo cristal: o mesmo transdutor possui um cristal para recepçªo e outro para emissªo do ultra-som.

Características dos transdutores Os elementos que caracterizam os transdutores sªo:

•Tamanho do cristal piezelØtrico: os transdutores normais mais utilizados possuem de 5 a 25 m de diâmetro. Em geral, nos transdutores angulares utilizam-se cristais retangulares.

AULA•FreqüŒncia: devido às diferentes aplicaçıes, existem transdutores com freqüŒncia de 0,5 a 25 MHz. Os mais usuais vªo de 1 a 6 MHz.

•Amortecimento mecânico: o elemento amortecedor suprime no transdutor todas as vibraçıes indesejÆveis do cristal.

•Face protetora: sªo elementos de contato com a peça. Em geral, sªo películas de material plÆstico.

•Carcaça: elemento com forma apropriada para acomodar todo o conjunto e, ao mesmo tempo, facilitar seu manuseio.

•Elementos elØtricos: sªo contatos elØtricos ligando o cristal piezelØtrico ao elemento de engate do cabo coaxial e à bobina geradora de freqüŒncia.

Acoplante

Como o ultra-som deve passar do transdutor para a peça com o mínimo de interferŒncia, hÆ necessidade de colocar um elemento, o acoplante, que faça esta ligaçªo, evitando o mau contato.

Este acoplante pode ser óleo, Ægua, glicerina, graxa etc.

MØtodo de ensaio

Quanto ao tipo de acoplamento, o ensaio por ultra-som pode ser classificado em dois grupos:

•Ensaio por contato direto: o acoplante Ø colocado em pequena quantidade entre a peça e o cabeçote, formando uma película.

•Ensaio por imersªo: a peça e o cabeçote sªo mergulhados num líquido, geralmente Ægua, obtendo-se um acoplamento perfeito.

A aplicaçªo deste mØtodo requer a construçªo de dispositivos adaptados ao tipo de peça a ensaiar.

Agora que vocŒ jÆ sabe o que Ø uma onda sonora, como as ondas se propagam, o que Ø o ultra-som, os tipos de transdutores e as tØcnicas de acoplamento, o próximo passo Ø a realizaçªo do ensaio.

Mas antes, que tal verificar o aprendizado dos assuntos desta aula?

As ondas sªo classificadas quanto à sua natureza em
ee quanto ao sentido de vibraçªo em .............................
e

AULAExercício 1

Os sons com freqüŒncia acima de 20.0 Hz sªo denominados

Exercício 2

A velocidade de propagaçªo de uma ondaØ maior do que
a de uma onda

Exercício 3

Exercício 4

a velocidade demuda de um ............................. para outro.

Para analisar materiais diferentes devemos sempre calibrar o aparelho, pois

Os cristais piezelØtricosquando submetidos a uma
alternada.

Exercício 5

Exercício 6

recepçªo do ultra-som eme ............................. e quanto
à funçªo eme .............................

Os transdutores podem ser classificados quanto ao ângulo de emissªo/ Exercícios

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