Quando as ondas sônicas que percorrem um material atingem a interface com um segundo material, parte da energia acústica incidente é refletida de volta para o primeiro meio e a energia restante é transmitida para o segundo meio (figura 1).
A característica que determina a quantidade de energia refletida ou transmitida é a impedância acústica dos materiais que compõem a interface.
Se as impedâncias acústicas dos dois materiais forem iguais, não haverá reflexão, e toda a energia será transmitida; se as impedâncias forem muito diferentes (como na interface metal-ar, por exemplo), haverá apenas reflexão.
Esta característica é usada no ensaio por ultrassom para calcular as quantidades de energia refletida e transmitida por descontinuidades e para selecionar materiais adequados para uma efetiva transmissão de energia acústica entre componentes em sistemas de inspeção.
A impedância acústica é definida como o produto da massa específica pela velocidade sônica do material, conforme expresso abaixo:
Z = ρ.V
Onde:
Z = impedância acústica (kg/m²s)
ρ = massa específica (kg/m³)
V = velocidade do sim (ms)
As propriedades acústicas de diversos metais e não-metais estão relacionadas na tabela 1. As propriedades acústicas dos metais e ligas são influenciadas por variações na estrutura e condições metalúrgicas.
Consequentemente, para uma determinada peça, as propriedades podem ser algo diferente dos valores da tabela 1.
A porcentagem da energia acústica incidente que será refletida pela interface depende da razão entre as impedâncias acústicas (Z₂/Z₁) e do ângulo de incidência (α).
Tabela 1 - Propriedades acústicas dos materiais
A velocidade do som depende da massa específica, do módulo de elasticidade, do coeficiente de Poisson e do módulo de rigidez do material.
É possível calcular a velocidade sônica nos materiais através das expressões a seguir:
Ondas longitudinais:
Ondas transversais:
Onde:
Vւ = velocidade da onda longitudinal (m/s)
Vт = velocidade da onda transversal (m/s)
G = módulo de rigidez (kg/ms²)
E = módulo de elasticidade (kg/ms²)
μ= coeficiente de Poisson
ρ = massa específica (kg/m³)
Incidência normal
Quando o ângulo de incidência é 0° (incidência normal na interface), o coeficiente de reflexão (R) que é a razão entre intensidade do feixe incidente e a intensidade do feixe refletido, e o coeficiente de transmissão (T), que é a razão entre a intensidade do feixe incidente e a intensidade do feixe transmitido, podem ser expressos por:
Onde:
R = coeficiente de reflexão
T = coeficiente de transmissão
I𝑖 = intensidade do feixe incidente
I𝒓 = intensidade do feixe refletido
I𝑡 = intensidade do feixe transmitido
Z₁= impedância acústica meio 1 (kg/m²s)
Z₂ = impedância acústica meio 2 (kg/m²s)
Em razão de que toda a energia incidente é transformada em energia refletida e transmitida, um dos coeficientes pode também ser obtido através da expressão R +T = 1.
Os coeficientes são normalmente expressos em porcentagens.
Calculando-se os coeficientes de reflexão e transmissão para a interface aço-água, como exemplo, teremos:
Z(aço) = 46 x IO⁶ kg/m²s
Z(água) = 1,5 x lO⁶ kg/m²
T = 1 - 0,88 = 0,12
Assim, teremos apenas 12% da intensidade sônica que chega na interface sendo transmitida para o segundo meio. Os restantes 88% serão refletidos.
As equações acima referem-se ao cálculo da intensidade sônica, que é definida como a quantidade de energia transmitida por unidade de área (W/m²).
Pode-se também calcular os coeficientes de reflexão e transmissão para a pressão sônica que é a amplitude de pressão exercida no material pela passagem do som (N/m²).
Em termos práticos, a pressão sônica é a energia mecânica recebida pelo cabeçote e transformada em energia elétrica.
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