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Teste ultra-sônico por ar acoplado

Durante a última década, os testes ultra-sônicos acoplados ao ar passaram de uma curiosidade laboratorial, de pouca aplicação prática, a um ponto em que é uma técnica viável para muitas inspeções de fabricação.

Com equipamento apropriado, é possível realizar inspecções sensíveis para defeitos tais como vazios, fissuras e des-ligações numa grande variedade de materiais incompatíveis com a água. Originalmente usado principalmente para compósitos aeroespaciais, as aplicações foram estendidas para cobrir uma variedade de materiais onde os métodos convencionais de END não são normalmente considerados adequados.

Diversas aplicações da técnica incluem madeira, espumas e propulsores de mísseis. Uma variedade de freqüências pode ser usada, permitindo a otimização para resolução ou penetração como com „ultra-som“ convencional.

A maioria das aplicações de ultra-som acoplado ao ar foram para sistemas de C-scan de canal único, testando painéis planos. Neste contexto, é normalmente utilizado como uma substituição directa de sondas „squirter“ acopladas à água, e a instalação de sondas acopladas a ar e instrumentação num sistema existente de modo a inspeccionar uma gama mais ampla de materiais é geralmente um procedimento simples. Os resultados são muitas vezes indistinguíveis daqueles obtidos com o acoplamento de água; A Figura 1 mostra os resultados da inspeção de um „nó“ na madeira.

Mais recentemente, o uso foi ampliado. Em particular, foram desenvolvidos sistemas multicanais que permitem a inspecção muito rápida de grandes painéis compósitos a uma taxa aproximada de 1 m2 por minuto.

O desafio atual é superar os requisitos para alta potência de transmissão, permitindo assim que um instrumento portátil de desempenho descomprometido seja desenvolvido.

Esta tecnologia mostra uma promessa considerável como uma solução para uma série de problemas de teste atualmente impraticável.

Teoria do Ultrasound Air-Coupled

Quando o som passa através de uma interface entre dois materiais, apenas uma proporção do som é transmitida, o resto do som é refletido. A proporção do som transmitido depende da proximidade da impedância acústica dos dois materiais. A água é uma combinação bastante boa para os materiais mais utilizados, por exemplo tipicamente cerca de metade da energia sonora é transmitida na interface entre a água e um laminado de carbono. Após quatro interfaces sólido-líquido (da sonda, para o acoplador, para a peça de teste, e depois para trás novamente) ainda há alguns por cento da energia original esquerda de medição tão exata é possível.

Por outro lado, se o som tiver de se deslocar entre o provete e o ar (que tem uma impedância acústica muito baixa), apenas cerca de 1% da energia sonora é transmitida. Assim, após quatro transições, resta muito pouca energia sonora. Tipicamente, a perda total do percurso pode ser 100 dB maior usando o ar como um acoplante, do que quando a água é usada. A perda do trajeto é significativamente mais elevada com os metais, que têm a impedância acústica elevada comparada aos plásticos que são mais baixos na impedância.

Por conseguinte, é evidente que temos de trabalhar arduamente para minimizar as perdas em todas as fases, se quisermos obter sinais aceitáveis de ruído para a inspecção.

Configurações de teste

Devido à tremenda diferença nas amplitudes de sinal transmitidas e recebidas, e às dificuldades inerentes na obtenção de isolamento e recuperação de transdutor / amplificador adequados, nenhum sistema de NDT acoplado a ar atua no modo de sonda única. Transdutores de transmissão e recepção separados são sempre utilizados.

Onde a imagem precisa de defeitos é requerida a configuração normal através da transmissão (Figura 4) é o mais apropriado, como usado para o teste ultra-sônico acoplado à água convencional.

Em alguns materiais, particularmente laminados, obtêm-se melhores resultados por desalinhamento das sondas e por inclinação ligeira, de modo que as ondas de cisalhamento são produzidas como mostrado na Figura 5.

Como não há acoplador para amortecer as vibrações superficiais, o acoplamento de ar se presta bem à produção de ondas de cordeiro ou placa como mostrado na Figura 6. Estas podem percorrer uma distância significativa em materiais adequados. Eles têm duas vantagens especiais:

•  É possível ter ambas as sondas de transmissão e de recepção no mesmo lado, ou ambas no exterior de uma parte fechada tal como um tubo.

• Como o teste verifica uma linha, em vez de um único ponto, é possível obter velocidades de processamento muito maiores em aplicativos onde uma imagem precisa não é necessária.

Efeito da freqüência

O ultra-som acoplado a ar opera tipicamente em freqüências abaixo de 1 MHz, acima disso a transmissão de som no ar reduz e, mais importante, as perdas de dispersão em muitos materiais tornam-se inaceitavelmente altas (tipicamente as perdas de dispersão aumentam com a quarta potência de freqüência) , 120 e 400 kHz. Os resultados a diferentes frequências estão resumidos na Tabela 1.

A maioria dos trabalhos realizados pela STARMANS foi a 400kHz, mas freqüências cada vez mais baixas estão sendo empregadas para testar materiais compósitos mais complexos.

Aplicações

Produtos de madeira

Conforme observado anteriormente, a indústria de madeira estava entre as primeiras que empregavam o ultra-som acoplado ao ar comercialmente. Aplicações de ultra-som acoplado a ar se dividem em quatro grupos principais:

• Avaliação de madeira a granel para decomposição interna e vazios antes do processamento. Isto requer uma penetração extremamente elevada. Atualmente a inspeção totalmente acoplada ao ar não forneceu uma relação sinal / ruído adequada, embora a tecnologia tenha sido aplicada com sucesso em breve em conjunto com acoplamento de pressão seca.

• Detecção de delaminação e fissuração em produtos de madeira compósitos ou processados, tais como painéis de partículas e madeira prensada. Isso normalmente envolve alguma forma de varredura, embora um único teste de linha às vezes é aceitável. Usando uma onda de cordeiro pode ser possível testar toda a largura de uma placa, permitindo efetivamente 100% de inspeção.

• Avaliação da qualidade da madeira através da medição da velocidade de transmissão do som. Isto tem sido bastante bem sucedido, embora o burst de tom limite a precisão da medição de tempo.

• Inspeção em serviço de produtos de madeira para decomposição e rachaduras internas, por exemplo vigas estruturais e postes de serviço.

Muitas configurações diferentes são usadas, com painéis de madeira fina podem ser usadas altas freqüências, e imagens extremamente boas podem ser obtidas, como mostrado na Figura 8.

Compósitos

Os materiais compósitos, particularmente na indústria aeroespacial, têm sido uma área primária de aplicação para métodos de teste acoplados a ar (e acoplados a seco). Os seguintes são alguns dos exemplos de resultados da inspeção de peças compostas. Estes são todos através de scans de transmissão C obtendo resultados que será razoavelmente familiar para os usuários de convencional de testes ultra-sônicos, no entanto muitas inspeções de produção podem convenientemente usar uma configuração de onda de placa, dando simples „go / no go“ avaliações de qualidade. Isto tem sido particularmente aplicado a compósitos pultrudidos.

Partes de metal

A impedância acústica extremamente elevada dos metais e os correspondentes coeficientes de transmissão pobres para o som do ar, significa que os metais são geralmente pobres candidatos para a inspecção acoplada ao ar, no entanto, quando outras circunstâncias são favoráveis ​​resultados aceitáveis ​​podem ser obtidos. Atualmente, um sistema está sendo fabricado para inspecionar as ligações em um tubo de aço laminado fino (2 mm) que é destinado a uma aplicação aeroespacial.

Medição precisa do tempo usando o ultra-som Air-Coupled

As propriedades físicas relevantes de um material podem muitas vezes ser correlacionadas com a velocidade do som. Isto pode ser calculado medindo o tempo de trânsito através de uma seção razoavelmente longa do material. A água seria incompatível com muitos dos materiais (por exemplo, madeira, onde as propriedades são significativamente afectadas pela humidade). As ondas de cordeiro acopladas a ar conduzem-se bem a isto, uma vez que os resultados são razoavelmente previsíveis, não existem disposições de acoplamento para interferir com a velocidade de produção, e o arranjo experimental pode muitas vezes ser disposto de modo a que uma distância bastante longa no material possa ser medida, Minimizando assim o erro. No entanto, como observado anteriormente, a duração da burst de tom pode ser um fator limitante na precisão de medição. Para reduzir isto, é necessário utilizar uma sonda „convencional“ amortecida com um impulso de espícula ou de onda quadrada. Isso reduz significativamente a eficiência geral. Para neutralizar esta potência extremamente alta pode ser usado (um pulsador de 1200 V foi testado, e uma unidade de 4 kV está sendo desenvolvida). Uma vez que estas aplicações não requerem tipicamente uma taxa de amostragem rápida, o processamento de sinal pode ser utilizado para melhorar ainda mais a relação sinal / ruído.

Varredura de Área Grande

Conforme observado acima, a taxa de varrimento de ultra-sons acoplados a ar é limitada pelo PRF relativamente baixo o que é possível com os longos tempos de trânsito no ar. Normalmente é possível um PRF de cerca de 200 Hz. Se aceitarmos um passo de varredura relativamente grosseiro de 3 mm como aceitável para um ensaio de produção, isto implica uma velocidade linear máxima de 600 mm / s e em duas dimensões, um tempo absoluto mínimo de cerca de 10 minutos para varrer um metro quadrado. A montagem de varrimento ilustrada na Figura 15 combina os resultados de 8 canais, cada um dos quais realiza um teste de transmissão contínua. O software personalizado „monta“ os resultados de cada sonda em uma única imagem. O resultado final é uma taxa de transferência combinada de cerca de 1 metro quadrado por minuto, capaz de acompanhar uma linha de produção de alto volume para painéis compostos.

Equipment for non-contact testing of rockets

Equipamento para teste de ultra-sons sem contato da madeira

Sistema de 16 canais não / contato para inspeção de placas LSL 13. O sistema avalida defeitos em tempo real usando algoritmos de análise de cluster.