Ondas ultrassônicas são ondas mecânicas (diferentes, por exemplo, das ondas de luz ou raios X que são ondas eletromagnéticas), que consistem na oscilação de partÃculas atômicas ou moleculares de uma substância, em torno de sua posição de equilÃbrio.
Se estas vibrações repetem-se periodicamente durante um certo tempo (com uma certa frequência), o som pode ser classificado em infrassom, som audÃvel e ultrassom.
Esta classificação é feita com referência ao ser humano que consegue ouvir som com frequência na ordem de 20 a 20.000 Hz (Hertz = ciclos por segundo = l/s).
A figura 01 mostra o espectro de frequências sonoras.
As ondas ultrassônicas comportam-se da mesma forma que as ondas sônicas audÃveis. Elas propagam-se em meios elásticos, os quais podem ser sólidos, lÃquidos ou gasosos, mas nunca no vácuo.
Em muitos aspectos, o feixe sônico é semelhante a um feixe de luz. Ambos são ondas e obedecem aos mesmos princÃpios. Cada um viaja na sua velocidade caracterÃstica em um meio homogêneo, a velocidade depende das propriedades do meio e não das propriedades da onda.
Da mesma forma que um feixe de luz, o feixe ultrassônico é refletido nas superfÃcies, refratado quando atravessa a interface entre duas substâncias que têm diferentes velocidades sônicas e é difratado em bordas ou ao redor de obstáculos.
O espalhamento em superfÃcies rugosas reduz a energia do feixe sônico, da mesma maneira que reduz a intensidade de um feixe de luz.
As caracterÃsticas gerais das ondas sônicas ou ultrassônicas são convenientemente ilustradas por analogia com o comportaÂmento das ondas produzidas para um objeto jogado na água. Uma observação rápida pode levar a uma conclusão errada de que as ondas circulares que vão se formando transportam a água para fora do ponto de impacto.
O fato de que a água não é transportaÂda pode ser facilmente comprovado se observado um pequeno objeto flutuando na água, que não se move em relação ao ponto de impacto, mas apenas sobe e desce.
As ondas movem-se para fora somente no sentido de que as cristas e vales (as quais podem ser comparadas com a compressão e rarefação das ondas sônicas nos meios elásticos) e a energia associada com as ondas propagam-se radialmente. As partÃculas de água permanecem no lugar, e apenas oscilam para cima e para baixo a partir de suas posições de descanso.
Continuando a analogia, a distância entre duas cristas ou vales sucessivos é o comprimento de onda (λ). A queda a partir de uma crista até o vale e a subsequente subida até a próxima crista chama-se ciclo. O número de ciclos em uma unidade de tempo é denominado de frequência (f) das ondas. A altura das cristas ou a profundidade dos vales em relação à superfÃcie de equilÃbrio é a amplitude das ondas (figura 2).
A velocidade das ondas e a taxa com que a amplitude e a energia da onda decresce durante a propagação são constantes e são caracterÃsticas do meio em que a onda está se movendo. Duas pedras de igual tamanho e massa, jogadas na água e no óleo com a mesma força, irão gerar ondas que viajarão com diferentes velocidades.
Pedras de tamanho e massa diferentes, jogadas num mesmo meio, irão gerar ondas com amplitudes diversas, porém com a mesma velocidade de propagação.
As caracterÃsticas acima se aplicam similarmente à s ondas sônicas e ultrassônicas, propagando-se em meios elásticos.
As partÃculas nos meios elásticos movem-se, mas não saem de suas órbitas espaciais; somente a energia viaja através do meio.
A amplitude e energia das ondas sônicas em um meio elástico deÂpendem da energia fornecida. A velocidade e atenuação (perda gradual de amplitude e energia) das ondas sônicas dependem das propriedades do meio no qual a onda se propaga.
PROPAGAÇÃO DAS ONDAS
As ondas ultrassônicas propagam-se nos meios elásticos. Quando partÃculas atômicas ou moleculares são removidas de suas posições de equilÃbrio por qualquer força externa, tensões internas agem para recolocar as partÃculas em suas posições originais.
Em razão das forças Inter atômicas existentes entre partÃculas adjacentes, o deslocamento de uma partÃcula induz a um deslocamento de partÃculas vizinhas, e assim por diante, propagando desta maneira uma onda elástica.
O deslocamento real de matéria que ocorre nas ondas ultrassônicas é extremamente pequeno.
A amplitude, modo de vibração e velocidade das ondas diferem nos sólidos, lÃquidos e gases em função da grande diferença na distância média entre as partÃculas nestes diferentes tipos de matéria.
Estas diferenças influenciam as forças de atração entre as partÃculas e o comportamento elástico dos materiais.
Os conceitos de comprimento de onda, ciclo, frequência, amplitude, velocidade e atenuação, descritos acima, são aplicáveis às ondas ultrassônicas e outras ondas sônicas.
A relação entre a velocidade do som, a frequência e o comprimento de onda são dados pela equação:
V = f x λ
Sendo: V = velocidade do som (m/s)
f = frequência (ciclo/s = Hz = 1/s)
λ = comprimento de onda (m)
Com base no modo de deslocamento das partÃculas, as ondas ultrassônicas são classificadas em ondas longitudinais, ondas transversais, ondas superficiais (Rayleigh e Creeping) e ondas de Lamb.
Ondas Longitudinais
Também chamadas de ondas de compressão, essas ondas são as mais utilizadas na inspeção de materiais metálicos.
Elas perÂcorrem os metais como uma série alternada de zonas de comÂpressão e rarefação nas quais as partÃculas transmitem a vibração, movendo-se para frente e para trás no mesmo sentido do de propagação da onda.
Para melhor exemplificar este tipo de onda, pode-se imaginar o primeiro plano de partÃculas próximo à superfÃcie sendo acionado perpendicularmente a esta, defletindo e transferindo sua energia cinética aos planos subsequentes. Como a interligação entre as partÃculas é elástica, haverá um atraso desde o momento do impacto inicial, passando de plano a plano, conforme ilustrado na figura 3.
As ondas longitudinais propagam-se facilmente em lÃquidos e gases tanto quanto em sólidos elásticos.
Em lÃquidos e gases as ondas propagam-se na forma de mudanças locais na densidade (flutuação da pressão) pela colisão entre uma molécula com a adjacente.
A velocidade das ondas longitudinais é de aproximadamente 6.000 m/s no aço, 1.500 m/s na água e 330 m/s no ar.
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