Ensaio de Materiais - Cap. 21

7/21/2019 Ensaio de Materiais - Cap. 21

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Ultra-som

Introduo

Voc sabia que, por terem uma viso quase nula, os morcegos

se orientam pelo ultra-som?

Elesemitemondas ultra-snicas e quandorecebemo eco deretorno so capazes de identificar o que tm sua frente.

Os sons audveis pelo ouvido humano tambm possuem uma

fonte emissora, umareceptorae ummeio de propagao, que

o local por onde o som viaja da fonte emissora at receptora.

Portanto, o som se origina davibrao de um material. Esta

vibrao transmitida ao ar e levada, na forma de ondas

sonoras, at a fonte receptora.

Nesta aula estudaremos a realizao do ensaio por ultra-som.

Nesse ensaio, induzimos, por meio de um emissor, ondas ultra-

snicas que se propagam atravs do material que desejamos

analisar. Pelo eco captado no receptor, determina-se a existncia

ou no de descontinuidades.

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O ensaio por ultra-som um dos principais mtodos de ensaio

no destrutivo aplicados na indstria, porque permite inspecionar

todo o volume da pea.

Para compreender esse ensaio voc deve saber:

O que so ondas Como se classificam

Como se propagam

Quais so seus principais elementos

O que ultra-som

Como gerar o ultra-som.

Que tal comear pelas ondas?

O que so ondas?

Imagine a superfcie calma de uma lagoa. Se voc jogar uma

pedra no centro dessa lagoa, no ponto em que a pedra atingir

a gua ocorrer uma perturbao, que se propagar em todas

as direes da superfcie.

Onda uma perturbao que se propaga atravs de um meio.

Se voc puser uma rolha flutuando nessa lagoa e jogar de

novo uma pedra, observar que a rolha no sair do local.

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Apenas oscilar, acompanhando as molculas da gua, de

cima para baixo, enquanto a onda se movimenta

horizontalmente.

movimento oscilatrio da rolha na onda

Toda onda transmite energia, sem transportar matria.

Classificao das ondas

As ondas podem ser classificadas quanto suanaturezae

quanto aosentido de suas vibraes.

Quanto naturezapodem ser:

Mecnicas: necessitam de um meio material para se propagar.Exemplo: corda de violo. A onda, neste caso sonora,

propaga-se atravs do ar, at os nossos ouvidos.

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Se acionarmos uma

campainha no vcuo, no

haver som, pois a sua

vibrao no pode ser

transmitida.

Eletromagnticas: no necessitam de um meio material para

se propagar. Exemplo: luz, ondas de rdio, televiso, raios x,

raios gama etc.

Ao ligarmos uma lmpada no vcuo vemos sua luminosidade,

porque ela no depende de meio material para ser transmitida.

Leia com ateno

As partculas de um material (slido, lquido ou gasoso) esto

interligadas por foras de adeso. Ao vibrarmos uma partcula,

esta vibrao se transmite partcula vizinha. Produz-se ento

uma onda mecnica.

As ondas sonoras so ondas mecnicas. Dependem de ummeio material (slidos, lquidos ou gases) para serem

transmitidas.

Quanto aosentido da vibrao, as ondas classificam-se em:

Transversais: numa onda transversal, as partculas vibram em

direo perpendicular direo de propagao da onda. o

caso do movimento das cordas do violo.

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Longitudinais:as partculas

vibram na mesma direo

da propagao da onda.

A velocidade de propagao

de uma onda longitudinal maior do que a de uma onda

transversal.

Elementos de uma onda

O exemplo da pedra atirada lagoa timo para entendermos

algumas definies. Analise a figura a seguir e procure identificar

cada um dos elementos descritos:

Crista: so os pontos mais altos da onda (A, C, E, G).

Vales: so os pontos mais baixos da onda (B, D, F).

Comprimento: a distncia de uma crista outra (ou de um

vale a outro).

Amplitude: a altura da crista, medida a partir da superfcie

calma da lagoa (linha de repouso).

Freqncia: o nmero de ciclos pela unidade de tempo.

Dica

A unidade de medida de freqncia o hertz (Hz)

1 Hz = 1 ciclo/segundo

1 quilohertz (1 kHz) = 1.000 ciclos/segundo

1 megahertz (1 MHz) = 1.000.000 ciclos/segundo

Ciclo: movimento completo de um ponto qualquer da onda,

saindo de sua posio original e voltando a ela.

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Velocidade de propagao: a velocidade de propagao de

uma onda funo do meio que ela percorre. Para

diferentes materiais temos diferentes velocidades de

propagao.

A velocidade do som no ar de aproximadamente 330 metrospor segundo. No caso de um slido, ou de um lquido, esta

velocidade bem maior, pois sua estrutura mais compacta,

facilitando a propagao. No ao, a velocidade de propagao

do som de 5.900 metros por segundo.

A tabela a seguir informa a velocidade de propagao das

ondas sonoras em alguns materiais de uso comum na

indstria.

Tabela -1 Velocidade de propagao do som

Material Velocidade (m/s)

Onda longitudinal Onda transversal

Alumnio 6.300 3.100

Chumbo 2.160 700

Ao 5.900 3.250

Ferro fundido 3.500 a 5.600 2.200 a 3.200

Lato 3.830 2.050

Vidro 5.570 3520

Acrlico 2.730 1.430

E o que ultra-som?

O som audvel pelo ouvido humano est compreendido entre as

freqncias de 20 a 20.000 Hz.

Alguns animais so capazes de ouvir ultra-sons. o caso dos

ces, que chegam a perceber sons com 25.000 vibraes por

segundo (25 kHz). Os morcegos captam sons de at 50.000

vibraes por segundo (50 kHz).

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Os sons com freqnciasabaixode 20 Hz so chamadosde

infra-sons. Os sons com freqnciaacimade 20.000 Hz so

chamados deultra-sons.

Produo do ultra-som

A forma mais comum de produzir o ultra-som para os ensaiosno destrutivos a que utiliza os cristaispiezeltricos, como o

sulfato de ltio, o titanato de brio, o quartzo etc.

Voc quer saber o que um cristal piezeltrico? Ento leia o

prximo tpico.

Incio das pesquisas

Em 1880, os irmos Curie (Pierre e Jacques) descobriram o

efeito piezeltrico de certos materiais. Observaram que

determinados materiais (como o quartzo) cortados em lminas,

quando submetidos a cargas mecnicas geravam cargas

eltricas em sua superfcie.

No ano seguinte, G. Lippmann descobriu que o inverso da

observao dos irmos Curie tambm era verdadeiro. Aplicando-

se cargas eltricas na superfcie dos cristais piezeltricos,

originavam-se deformaes no cristal.

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Quando se aplica corrente eltrica alternada, h uma vibrao no

cristal, na mesma freqncia da corrente.

Esse princpio utilizado na gerao e na recepo do ultra-som.

Ao se aplicar corrente alternada de alta freqncia num cristal

piezeltrico, ele vibrar na mesma freqncia, gerando o ultra-

som.

Na recepo, ocorre o inverso: o ultra-som far vibrar o cristal,

gerando um sinal eltrico de alta freqncia.

Em geral, para os ensaios no destrutivos utilizam-se freqncias

na faixa de 0,5 a 25 MHz (500.000 a 25.000.000 Hz).

Vantagens e desvantagens do ensaio por ultra-som

O ensaio por ultra-som, comparado com outros mtodos no

destrutivos, apresenta as seguintes vantagens:

localizao precisa das descontinuidades existentes nas

peas, sem processos intermedirios, como, por exemplo, a

revelao de filmes;

alta sensibilidade ao detectar pequenas descontinuidades; maior penetrao para detectar descontinuidades internas na

pea;

respostas imediatas pelo uso de equipamento eletrnico.

Como desvantagens podemos citar:

exigncia de bons conhecimentos tcnicos do operador;

ateno durante todo o ensaio;

obedincia a padres para calibrao do equipamento;

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necessidade de aplicar substncias que faam a ligao entre

o equipamento de ensaio e a pea (acoplantes).

Aplicando o ultra-som

O uso do ultra-som como ensaio no destrutivo largamentedifundido nas indstrias para detectar descontinuidades em

todo o volume do material a analisar, tanto em metais (ferrosos

ou no ferrosos) como em no metais.

O ensaio consiste em fazer com que o ultra-som, emitido por

umtransdutor, percorra o material a ser ensaiado, efetuando-

se a verificao dos ecos recebidos de volta, pelo mesmo ou

por outro transdutor.

O que transdutor?

Transdutor, tambm conhecido como cabeote, todo

dispositivo que converte um tipo de energia em outro.Conhecemos vrios tipos de transdutores, entre eles o

microfone e o alto-falante.

No ensaio de ultra-som, os transdutores so necessrios para

converter energia eltrica em energia mecnica de vibrao

(ultra-som) e vice-versa.

Parmetros dos transdutores

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No ensaio por ultra-som, existe grande variedade de

transdutores para atender a diversas aplicaes.

So subdivididos em categorias: quanto ao ngulo de

emisso/recepo do ultra-som e quanto funo (emissor ou

receptor ou emissor/receptor).

Quanto ao ngulo de emisso/recepo do ultra-som os

transdutores podem ser:

Normais: emitem e/ou recebem o ultra-som

perpendicularmente sua superfcie.

Angulares: emitem e/ou recebem o ultra-som obliquamente

sua superfcie.

Quanto funo, os transdutores podem ser:

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Monocristal: possuem apenas um cristal piezeltrico.

H trs modalidades:

s emissor de ondas ultra-snicas;

s receptor de ondas ultra-snicas (este tipo deve trabalhar

junto com o primeiro);

emissor e receptor de ondas ultra-snicas (o mesmo cristalemite e recebe os ecos ultra-snicos de maneira

sincronizada).

Duplo cristal: o mesmo transdutor possui um cristal para

recepo e outro para emisso do ultra-som.

Caractersticas dos transdutores

Os elementos que caracterizam os transdutores so:

Tamanho do cristal piezeltrico: os transdutores normais

mais utilizados possuem de 5 a 25mm de dimetro. Em

geral, nos transdutores angulares utilizam-se cristais

retangulares.

Freqncia: devido s diferentes aplicaes, existem

transdutores com freqncia de 0,5 a 25 MHz. Os mais

usuais vo de 1 a 6 MHz.

Amortecimento mecnico: o elemento amortecedor suprime

no transdutor todas as vibraes indesejveis do cristal.

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Face protetora: so elementos de contato com a pea. Em

geral, so pelculas de material plstico.

Carcaa: elemento com forma apropriada para acomodar todo

o conjunto e, ao mesmo tempo, facilitar seu manuseio.

Elementos eltricos: so contatos eltricos ligando o cristal

piezeltrico ao elemento de engate do cabo coaxial e

bobina geradora de freqncia.

Acoplante

Como o ultra-som deve passar do transdutor para a pea com

o mnimo de interferncia, h necessidade de colocar um

elemento, o acoplante, que faa esta ligao, evitando o mau

contato.

Este acoplante pode ser leo, gua, glicerina, graxa etc.

Mtodo de ensaio

Quanto ao tipo de acoplamento, o ensaio por ultra-som pode

ser classificado em dois grupos:

Ensaio por contato direto: o acoplante colocado em

pequena quantidade entre a pea e o cabeote, formando

uma pelcula.

acoplamento pea - transdutor

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Ensaio por imerso: a pea e o cabeote so mergulhados

num lquido, geralmente gua, obtendo-se um acoplamento

perfeito.

A aplicao deste mtodo requer a construo de dispositivosadaptados ao tipo de pea a ensaiar.

Agora voc j sabe o que uma onda sonora, como as ondas se

propagam, o que o ultra-som, os tipos de transdutores e as

tcnicas de acoplamento, o prximo passo a realizao do

ensaio.

Que tal verificar o aprendizado dos assuntos desta aula?

Exerccios

1.As ondas so classificadas quanto sua natureza

em ............................. e ............................. e quanto ao

sentido de vibrao em .............................

e .............................

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2.Os sons com freqncia acima de 20.000 Hz so

denominados ................................

3.A velocidade de propagao de uma onda .............................

maior do que a de uma onda .............................

4.Para analisar materiais diferentes devemos sempre calibrar o

aparelho, pois a velocidade de ............................. muda de

um ............................. para outro.

5.Os cristais piezeltricos ............................. quando

submetidos a uma ............................. alternada.

6.Os transdutores podem ser classificados quanto ao ngulo de

emisso/recepo do ultra-som em .............................

e ............................. e quanto funo

em ............................. e .............................

Gabarito

1.mecnicas e eletromagnticas/transversais e longitudinais

2.ultra-som

3.longitudinal / transversal

4.propagao / material

5.deformam-se / corrente

6.normais e angulares/ monocristal e duplocristal

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Ensaio de Materiais - Cap. 21

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