Blog

Características de feixe de som em testes ultrassônicas

Devido ao elevado número de oscilações (MHz) de uma onda ultrassônica e ao comprimento de onda correspondentemente pequeno, as fontes de ultrassom têm uma forte característica direcional. As amplitudes de pressão sonora dignas de menção só podem ser confirmadas em um pequeno setor do espaço. A parte essencial e, para o teste, a mais significativa do campo sonoro encontra-se dentro de um setor estreito do campo e este setor é conhecido como feixe sonoro.

Para compreender esse efeito direcional, a superfície do transdutor é considerada um conjunto de pontos irradiantes de som. Cada onda sonora irradiada de tal ponto se propaga esfericamente. Eles atingem um ponto Q no espaço em diferentes tempos de trânsito (fig. 20). Ali, as ondas separadas se sobrepõem, interferem e, de acordo com a fase e a amplitude, dão a pressão sonora total no ponto Q. Dependendo da posição de Q, os efeitos da interferência podem ser muito diferentes. A Fig. 21 mostra como o som é agrupado em um setor estreito, devido à interferência, com um cristal em que D/ λ= 10. Na zona imediatamente à frente do transdutor existe uma área com fortes variações de pressão sonora, ou seja, o “campo próximo”. A pressão máxima mais distante do transdutor marca o fim do campo próximo. Nesse ponto, o feixe sonoro está concentrado ao máximo. Cada fonte de som tem um campo próximo cuja forma, no entanto, é influenciada pela forma do transdutor.

Ao testar materiais, é muito importante saber qual parte do feixe sonoro é adequada para o teste, ou seja, a faixa de trabalho da sonda. Frequentemente, é feita a pergunta: onde, com um transdutor plano em forma de disco, são as bordas do feixe nas quais um eco de um refletor pontual não diminui mais do que um valor definido abaixo da pressão máxima no eixo. Se uma sonda tem um fator direcional R = 1 no eixo acústico, então ela gera, em um ponto Q fora do eixo, uma pressão R < 1.

Uma onda sonora refletida a partir daí é captada pela mesma sonda com o mesmo valor reduzido R < 1. O sinal de retorno, independente do refletor (ponto), está localizado com o fator direcional R² em comparação com o eixo acústico. No sistema dB.

Uma queda de amplitude de 20 dB de um eco refletor pontual significa uma diminuição do campo livre em 20/2 dB = 10 dB. A Fig. 22 mostra essa limitação do feixe no campo distante com precisão e no campo próximo como envolvente. Não há nenhuma pressão sonora digna de menção fora desse feixe. A Fig. 22 é o modelo para a radiação sonora de uma Sonda.

O campo próximo mostra um feixe com o diâmetro aproximado do cristal. Porém, ele é reduzido até o final do campo próximo para metade do diâmetro do cristal.

O ângulo de divergência γ é constante porque a amplitude da pressão sonora p normal ao eixo acústico para o cristal em forma de disco segue a seguinte equação

Para cristais retangulares, aplica-se o seguinte.

Em que para s usa-se o lado a ou b do cristal. Conforme equações 10 e 11 e fig. 23, os seguintes ângulos de refração γ₆ e γ₂₀ também pertencem aos casos importantes de quedas de amplitude em 6 dB e 20 dB

Para osciladores de disco:

γ₆ = arco seno 0,51 λ/D

γ₂₀ = arco s em 0,87 λ/D

Para osciladores retangulares:

γ₆ = arco seno 0,44 λ/s

γ₂₀ = arco seno 0,74 λ/s

(s = um lado opcional (a ou b) do oscilador.)

Com a distância z do transdutor, a pressão sonora p também muda. O seguinte se aplica a um transdutor em forma de disco:

(Diâmetro do transdutor D, distância z) Para distâncias maiores, a equação z (12) pode ser aproximada por

No sistema dE3, isso se torna:

O seguinte se aplica a todos os transdutores, independentemente do seu formato: para grandes distâncias, a amplitude da pressão sonora diminui proporcionalmente à distância (equação 13) ou: a curva de pressão sonora traçada em relação ao logaritmo da distância (equação 14) é uma linha reta. A área à qual essa relação se aplica é conhecida como “campo distante”. O intervalo entre o campo próximo e o campo distante é conhecido como "intervalo de transição". A lei da distância para um transdutor quadrado, que não pode ser descrita tão facilmente como na equação 12, é dada na fig. 25.

A Tabela 4 é uma tabela auxiliar para estimativa da largura do feixe sonoro para campo livre e operação de eco com transdutores planos em forma de disco e retangulares. A largura do feixe (medida a partir do eixo) é calculada da seguinte forma: