Cabeçotes Ultrassônicos

A transmissão e recepção das ondas sônicas são feitas através de cabeçotes que operam conectados no aparelho de ultrassom por meio de cabos coaxiais.

Um cabeçote padrão (figura 1) é composto das seguintes partes:


· Cristal piezelétrico

· Bloco amortecedor

· Face protetora ou bloco de retardamento

· Conectores elétricos

· Carcaça


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Figura 1 - Cabeçote padrão

O cabeçote pode conter um ou mais transdutores piezelétricos (cristais), os quais convertem energia elétrica em ondas acústicas e vice-versa.


TIPOS DE CABEÇOTES ULTRASSÔNICOS


Basicamente os cabeçotes podem ser divididos em duas categorias:


· Cabeçotes de incidência normal

· Cabeçotes de incidência angular


Ambos podem ter somente um cristal (cabeçote monocristal) ou dois cristais (cabeçote duplo cristal).

Os cabeçotes podem ser classificados também quanto ao modo de transmissão do pulso sônico para a peça, em:


· Cabeçotes de contato direto

· Cabeçotes de imersão


Outra classificação possível é quanto à focalização. Existem cabeçotes focalizados e não focalizados.


CABEÇOTE NORMAL


A figura 2 mostra um cabeçote normal. O cabeçote mos­trado, usando-se as possibilidades de classificação acima apresentadas, é considerado como:

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Figura 2 - Cabeçote normal

· Incidência normal

· Monocristal

· Contato direto

· Não focalizado


Este tipo de cabeçote é o mais usual na

inspeção ultrassônica industrial, onde tem inúmeras aplicações.

O cabeçote normal emite ondas longitudinais que penetram na peça de maneira perpendicular (normal) à superfície.

A desvantagem do cabeçote normal é o fato de que o pulso inicial sempre é mostrado na tela do aparelho (figura 3).

Por este motivo, descontinuidades próximas da superfície da peça não são detectadas.


O pulso inicial mostrado na tela do aparelho é característica de sistemas de inspeção que trabalham pelo método pulso-eco, onde parte das vibrações do cristal, que estão sendo transmitidas para a peça, também gera sinal elétrico, que é convertido em imagem gráfica na tela do aparelho.

Analisando-se a variação da intensidade ao longo do feixe sônico emitido pelo cabeçote normal, obteremos o resultado mos­trado na figura 3.

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Figura 3 - Variação da intensidade sônica no feixe do cabeçote normal

CABEÇOTE ANGULAR


O cabeçote angular mostrado na figura 4 tem a seguinte classificação:


· Monocristal

· Contato direto

· Não focalizado


Nos cabeçotes angulares, um segundo bloco de amortecimento é montado em frente da sapata de acrílico, com o objetivo de absorver qualquer onda sônica de interferência que tenha sido refletida na interface acrílico/peça em ensaio.


A onda sônica gerada pelo cristal piezelétrico é do tipo longitudinal.

Entretanto, quando esta onda passa da sapata acrílica para o material em ensaio (geralmente material metálico), ocorre a conversão de modo e a refração da onda, passando então a ser do tipo transversal.


O ângulo da sapata de acrílico deve ser usinado com grande precisão, de modo a se obter o ângulo de incidência correio para produzir a onda refratada desejada na peça em ensaio.

O ângulo de incidência é calculado através da lei de Snell.

 

De acordo com a lei de refração, somente podem ha­ver ondas transversais, transmitidas pelos cabeçotes angulares a partir de um certo ângulo mínimo de refração, que é relacionado com o primeiro ângulo crítico.

 

Para aços de baixa liga o ângulo mínimo do cabeçote é de 33°, motivo pelo qual somente existirem cabeçotes disponíveis comercialmente com ângulo a partir de 35°.


É importante destacar que o ângulo do cabeçote é sempre o ângulo formado pela onda refratada no material em ensaio com a normal à superfície e nunca o ângulo de incidência (figura 5).


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Figura 4 - Cabeçote angular

Os pulsos sônicos são transmitidos e recebidos somente na direção definida pelo ângulo do cabeçote angular.

Assim, descontinuidades volumétricas ou planares, posicionadas perpendicularmente à direção do feixe sônico, podem ser detectados.

 

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Figura 5 - Ângulo do cabeçote

Para algumas aplicações (inspeção de materiais que possuem granulação grosseira, como, por exemplo, os aços inoxidáveis austeníticos, existem cabeçotes angulares de ondas longitudinais.


Estes cabeçotes transmitem simultaneamente ondas longitudinais e transversais, porém estas últimas ficam com um menor ângulo de refração. Devido à existência simultânea dos dois tipos de onda, a interpretação dos sinais requer pessoal com maior experiência.


Da mesma forma que os cabeçotes normais, os cabeçotes angulares também apresentam problemas de detectabilidade de descontinuidades próximas à superfície, devido à zona morta.





Porém, devido à existência da sapata acrílica, que retarda a entra­da do eco na peça, este efeito é menos significativo. A figura 6 mostra o perfil longitudinal do feixe sônico.

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Figura 6 - Variação da intensidade sônica no feixe do cabeçote angular

CABEÇOTES DUPLO CRISTAL


A dificuldade de detecção de descontinuidades próximas à superfície foi superada com os cabeçotes duplo cristal. Nestes cabeçotes dois cristais, elétrica e acusticamente separados, atuam independentemente, um como emissor e outro como receptor (figura 7 e figura 8).

Figura 8

Figura 7

Existem cabeçotes duplo cristal de incidência normal (figura 9) e de incidência angular.

Os cabeçotes duplo cristal também são conhecidos por cabeçotes emissores-receptores ou SE, iniciais do termo emissor (Sender) e receptor (Empfanger) em alemão.



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Figura 9 - Cabeçote duplo cristal

Nos cabeçotes duplo cristal as funções de emissão e recepção do pulso sônico são executadas separadamente pelos cristais.

 

Em razão disso, as vibrações remanescentes no cristal, após a emissão do pulso sônico (que geravam o pulso inicial e a zona morta nos cabeçotes monocristal), não são captadas pelo cristal de recepção que está isolado elétrica e acusticamente.

 

Além disso, os cristais são posicionados em blocos de retardamento, que, além de servirem para o correto posicionamento dos cristais, ser­vem para conter parte do campo próximo do feixe sônico emitido (figura 10).

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Campo sônico no cabeçote duplo cristal

O posicionamento dos cristais, geralmente de forma inclinada, é feito com o objetivo de focalizar o feixe sônico, obtendo-se assim uma sensibilidade máxima no ponto focal, possibilitando a detecção de descontinuidades muito pequenas.



A figura 11 mostra um cabeçote duplo cristal de incidência normal com o seu campo sônico característico.


Embora os cristais sejam separados acusticamente, ocorre às vezes, a passagem de frações pequenas de som através da superfície da peça para o cristal receptor. Este som gera ecos de baixa amplitude na tela do aparelho, que são chamados de cross talk echos e estão mostrados na figura 12.


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Figura 11 - Focalização do feixe sônico no cabeçote duplo cristal

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Figura 12 - Geração do cross talk echo no cabeçote duplo cristal

No uso dos cabeçotes duplo cristal deve ser tomada uma certa atenção para a possibilidade de erro na medição de espessuras e determinação de profundidade de descontinuidades, conhecido como "erro do caminho em V".



O erro ocorre quando o aparelho é calibrado em uma determinada espessura e o dimensionamento posterior é feito em espessuras muito diferentes (maior que ± 25% da espessura usada na calibração).

A variação do caminho percorrido pelo som devido ao percurso em V é diferente da mudança da espessura, originando o erro mostra­do na figura 13.


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Figura 13 - "Erro do caminho em V" no uso do cabeçote duplo cristal

A localização e avaliação de descontinuidades somente podem ser feitas até o primeiro eco de fundo, porque após ocorrem numerosos ecos de interferência devidos à conversão de modo, além dos ecos múltiplos.

Em razão de o percurso sônico ser em forma de V e não perpendicular, em grande parte dos casos não aparecem ecos múltiplos na tela do aparelho (figura 14), obrigando, também por este motivo, a calibração do aparelho utilizando-se duas espessuras diferentes.

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Figura 14 - Reflexões múltiplas com percurso em V no uso do cabeçote duplo cristal

Os cabeçotes duplo cristal, por suas particularidades construtivas e alta sensibilidade, requerem um conhecimento adequado para uma correia utilização.

Os usos mais comuns destes cabeçotes na inspeção ultrassônica industrial são:


· Medição de espessuras

· Detecção de corrosão

· Detecção, localização e avaliação de descontinuidades

· Dimensionamento de grandes descontinuidades



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