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ENSAIO DE ULTRA-SOMENSAIO DE ULTRA-SOM

Prof. Rigo

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OBJETIVOOBJETIVO

Método não destrutivo no qual um feixe Método não destrutivo no qual um feixe sônico de alta frequência é aplicado no sônico de alta frequência é aplicado no material a ser inspecionado com material a ser inspecionado com objetivo de detectar descontinuidades objetivo de detectar descontinuidades internas, porém, em alguns casos internas, porém, em alguns casos detectam-se também as detectam-se também as descontinuidades superficiais.descontinuidades superficiais.

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PRINCÍPIO BÁSICO DO ENSAIO PRINCÍPIO BÁSICO DO ENSAIO ULTRA-SÔNICOULTRA-SÔNICO

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- Detecção e avaliação de descontinuidades - Detecção e avaliação de descontinuidades internas;internas;

- Detecção de descontinuidades superficiais- Detecção de descontinuidades superficiais

- Medição de espessuras;- Medição de espessuras;

- Controle da taxa de corrosão;- Controle da taxa de corrosão;

- Determinação de certas propriedades - Determinação de certas propriedades físicas, características da micro e físicas, características da micro e macroestrutura e estimativa tamanho de macroestrutura e estimativa tamanho de grão.grão.

APLICAÇÕESAPLICAÇÕES

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• alta sensibilidade;alta sensibilidade;

• Rapidez na elaboração de laudos;Rapidez na elaboração de laudos;

• não requer cuidados específicos quanto não requer cuidados específicos quanto a segurança operacional;a segurança operacional;

• grandes espessuras não são limitantes grandes espessuras não são limitantes para o ensaio;para o ensaio;

• permite definir a profundidade e o permite definir a profundidade e o tamanho da descontinuidade.tamanho da descontinuidade.

VANTAGENSVANTAGENS

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• requer grande conhecimento teórico e requer grande conhecimento teórico e experiência por parte do inspetor;experiência por parte do inspetor;

• o registro permanente não é facilmente o registro permanente não é facilmente obtido;obtido;

• faixas de espessuras muito finas, faixas de espessuras muito finas, constituem uma dificuldade para a constituem uma dificuldade para a aplicação do métodoaplicação do método

• requer o preparo da superfície, e em requer o preparo da superfície, e em alguns casos existe a necessidade de alguns casos existe a necessidade de remover o reforço de solda.remover o reforço de solda.

LIMITAÇÕESLIMITAÇÕES

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ONDAS MECÂNICASONDAS MECÂNICAS

Denomina-se por onda mecânica a perturbação que se propaga em um meio material.

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ONDAS ONDAS MECÂNICASMECÂNICAS

As ondas mecânicas são originadas pela As ondas mecânicas são originadas pela deformação de uma região de um meio deformação de uma região de um meio elástico, que é perturbado por esta elástico, que é perturbado por esta deformação, e então, dá-se origem a uma deformação, e então, dá-se origem a uma onda.onda.

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Uma onda mecânica Uma onda mecânica transfere energia de transfere energia de um ponto a outro do um ponto a outro do meio em que se meio em que se propaga, sem propaga, sem contudo, transportar contudo, transportar massa entre esses massa entre esses locais.locais.

EXEMPLO DE CORTIÇA NUMA ONDA EXEMPLO DE CORTIÇA NUMA ONDA NA SUPERFÍCIE DE UM LÍQUIDONA SUPERFÍCIE DE UM LÍQUIDO

ONDAS MECÂNICASONDAS MECÂNICAS

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ONDAS MECÂNICAS PERIÓDICASONDAS MECÂNICAS PERIÓDICAS

- COMPRIMENTO DE ONDA

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- PERÍODO (P)- FREQUENCIA (f)- AMPLITUDE (A)- COMPRIMENTO DE ONDA ()- VELOCIDADE DE PROPAGAÇÃO (v)- IMPEDÂNCIA ACÚSTICA (Z)

fP

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PROPRIEDADES DAS ONDAS MECÂNICAS

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VELOCIDADE DE PROPAGAÇÃO DE VELOCIDADE DE PROPAGAÇÃO DE UMA ONDA MECÂNICAUMA ONDA MECÂNICA

•Definimos velocidade de propagação como sendo a distância percorrida pela onda na unidade de tempo (m/s)

•é uma característica do meio, sendo constante independente da freqüência

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RELAÇÃO ENTRE AMPLITUDE E INTENSIDADE RELAÇÃO ENTRE AMPLITUDE E INTENSIDADE SONORA DE ONDA MECÂNICASONORA DE ONDA MECÂNICA

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RELAÇÃO ENTRE AMPLITUDE E INTENSIDADE RELAÇÃO ENTRE AMPLITUDE E INTENSIDADE SONORA DE ONDA MECÂNICASONORA DE ONDA MECÂNICA

Intensidades sonoras típicas do nosso cotidiano

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TIPOS DE ONDAS ULTRA SÔNICAS TIPOS DE ONDAS ULTRA SÔNICAS (ULTRA-SOM TRADICIONAL)(ULTRA-SOM TRADICIONAL)

Ondas Longitudinais ou ondas de compressão: se propagam nos sólidos, líquidos e gases. É a onda de maior velocidade de propagação.

Ondas Transversais ou de cizalhamento: se propagam somente nos sólidos. Sua velocidade é aproximadamente 50% da onda Longitudinal.

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ONDAS LONGITUDINAISONDAS LONGITUDINAIS

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VELOCIDADE DE VELOCIDADE DE PROPAGAÇÃO PROPAGAÇÃO DAS ONDAS DAS ONDAS LONGITUDINAISLONGITUDINAIS

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ONDAS TRANSVERSAISONDAS TRANSVERSAIS

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VELOCIDADE DE VELOCIDADE DE PROPAGAÇÃO PROPAGAÇÃO DAS ONDAS DAS ONDAS TRANSVERSAISTRANSVERSAIS

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CLASSIFICAÇÃO DAS FREQUÊNCIAS

- Abaixo 20 Hz (Infra-Som)- De 20 a 20.000 Hz (Som) - Acima de 20.000 Hz (Ultra-Som)

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FREQUÊNCIAS USUAIS APLICADAS FREQUÊNCIAS USUAIS APLICADAS PELOS APARELHOS DE ULTRA-SOM PELOS APARELHOS DE ULTRA-SOM INDUSTRIAIS:INDUSTRIAIS:

- Faixa utilizada: de 0,5 a 25 MHz- Faixa utilizada: de 0,5 a 25 MHz

- Freqüências mais utilizadas: 2, 4 e 5 MHz- Freqüências mais utilizadas: 2, 4 e 5 MHz

FREQUÊNCIAS DE ENSAIOFREQUÊNCIAS DE ENSAIO

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PRINCÍPIO FÍSICO PRINCÍPIO FÍSICO FUNDAMENTAL PARA O FUNDAMENTAL PARA O ESTUDO DAS ONDASESTUDO DAS ONDAS

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EXEMPLO: Uma onda Longitudinal, com freqüência de 2 MHz, no aço apresentará um comprimento de onda de?

= V / F = 5920 / 2 x 10 6 (metros)

= 2950 x 10 -6 ou 2,95 mm

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IMPORTANTE:

Em geral, o menor tamanho de uma descontinuidade que pode ser detectada pelo ensaio de ultra-som é da ordem de /2.

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Exemplo:Exemplo: Se inspecionarmos uma peça de aço Se inspecionarmos uma peça de aço carbono comum (carbono comum (v v = 5900 m/s) com um = 5900 m/s) com um transdutor de freqüência 2 MHz para uma onda transdutor de freqüência 2 MHz para uma onda longitudinal, qual será o menor tamanho de longitudinal, qual será o menor tamanho de descontinuidade que será detectada?descontinuidade que será detectada?

mmmf

V

fV

9,20029,02000000

5900

mm45,12

9,2

2

Menor tamanho de descontinuidade será aproximadamente de

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IMPEDÂNCIA ACÚSTICA IMPEDÂNCIA ACÚSTICA (z)(z)

É definida como o produto da DENSIDADE pela velocidade sônica do material e é utilizado no ensaio por ultra-som para calcular as quantidades de energia refletida e transmitida quando ocorre a incidência de um feixe ultra-sônico em uma interface.

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IMPEDÂNCIA ACÚSTICA IMPEDÂNCIA ACÚSTICA (z)(z)

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Na prática, quanto maior for a Na prática, quanto maior for a diferença entre as impedâncias diferença entre as impedâncias acústicas de dois meios, menor é acústicas de dois meios, menor é probabilidade de uma onda ser probabilidade de uma onda ser transmitida ou refratada.transmitida ou refratada.

Meio 1

Meio 2

Onda Onda incidenteincidente

Onda refletidaOnda refletida

Onda transmitida ou Onda transmitida ou refratadarefratada

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Para estimar o percentual de energia que Para estimar o percentual de energia que será refletida ou transmitida, aplicam-se será refletida ou transmitida, aplicam-se as seguintes relações:as seguintes relações:

%1002

12

212

ZZ

ZZR

%100

42

12

12

ZZ

ZZT

Percentual de energia refletida (R)

Percentual de energia transmitida (T)

%100TRLembrando que:

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ExemploExemplo: Determinar a parcela de energia : Determinar a parcela de energia refletida e refratada, numa condição tal que, um refletida e refratada, numa condição tal que, um transdutor emite ondas longitudinais sobre uma transdutor emite ondas longitudinais sobre uma lamina de água que está sob uma peça de aço?lamina de água que está sob uma peça de aço?

%88

%10048,146

48,146

%100

2

2

212

212

R

R

ZZ

ZZR

%12

%100%88

%100

T

T

TR

O aço e a água possuem impedâncias 46,0x105 e 1,48x105 kg/m2s, respectivamente.

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TRANSDUTORESTRANSDUTORES

A função de um transdutor é tanto de emitir pulsos ultra-sônicos quanto recebê-los.

O principal elemento de um transdutor é o cristal piezelétrico.

transdutor

Aparelho tradicional

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TRANSDUTORESTRANSDUTORES

Classificação dos transdutores ultra-sônicos com relação a:

receptoremissor

receptor

emissor

/

a) Funçãoangular

normalb) Tipo de incidência

c) Número de

cristais imersão

diretod) Tipo de contato

Monocristal

Duplocristal

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CABEÇOTE NORMALCABEÇOTE NORMAL

Um cabeçote ou transdutor normal somente emite ondas mecânicas longitudinais.

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CABEÇOTE NORMAL: CABEÇOTE NORMAL: INCIDÊNCIA NORMALINCIDÊNCIA NORMAL

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CABEÇOTE NORMAL: CABEÇOTE NORMAL: INCIDÊNCIA NORMALINCIDÊNCIA NORMAL

• A quantidade de energia refletida ou transmitida depende da diferença entre as impedâncias do meio 1 e meio 2;

• quanto maior a diferença menor a transmissão.

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CABEÇOTE DUPLO CRISTAL CABEÇOTE DUPLO CRISTAL OU SEOU SE

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CABEÇOTE DUPLO CRISTAL: CABEÇOTE DUPLO CRISTAL: INCIDÊNCIA LEVEMENTE OBLÍQUA INCIDÊNCIA LEVEMENTE OBLÍQUA

Para os transdutores Para os transdutores duplo cristal, as duplo cristal, as ondas emitidas são ondas emitidas são do tipo longitudinal.do tipo longitudinal.

peça

emissor receptor

trasndutor

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CABEÇOTE ANGULARCABEÇOTE ANGULAR

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CABEÇOTE ANGULAR: CABEÇOTE ANGULAR: INCIDÊNCIA OBLÍQUAINCIDÊNCIA OBLÍQUA

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CABEÇOTE ANGULAR: CABEÇOTE ANGULAR: INCIDÊNCIA OBLÍQUA INCIDÊNCIA OBLÍQUA

Nos cabeçotes ou transdutores angulares, os fabricantes posicionam o cristal em um ângulo crítico tal que as ondas longitudinais se tornem superficiais, minimizando assim as interferências na recepção do sinal. Portanto, um cabeçote angular somente emite ondas transversais.

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LEI DE SNELL (INCIDÊNCIA OBLÍQUA)LEI DE SNELL (INCIDÊNCIA OBLÍQUA)

2

2

1

1

V

sen

V

sen

- V1 é a velocidade de propagação da onda incidente;- V2 é a velocidade de propagação da onda refratada.

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Exemplo: um cristal piezelétrico emite ondas Exemplo: um cristal piezelétrico emite ondas longitudinais na água e estas ondas refratam numa longitudinais na água e estas ondas refratam numa peça de aço. Sabe-se que o ângulo de incidência das peça de aço. Sabe-se que o ângulo de incidência das ondas longitudinais sobre a superfície de aço é de 6 ondas longitudinais sobre a superfície de aço é de 6 graus, determine então os ângulos de refração para os graus, determine então os ângulos de refração para os

modos de vibração longitudinal e transversal?modos de vibração longitudinal e transversal?

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EFEITO PIEZOELÉTRICOEFEITO PIEZOELÉTRICO

Efeito Piezelétrico é caracterizado pela Efeito Piezelétrico é caracterizado pela propriedade de certos cristais de transformarpropriedade de certos cristais de transformarenergia elétrica em mecânica ou vice–versa.energia elétrica em mecânica ou vice–versa.

ENERGIA MECÂNICA

ENERGIA ELÉTRICA

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EFEITO PIEZOELÉTRICOEFEITO PIEZOELÉTRICO

Esquema mostrando efeito piezelétrico sob ação aplicação de voltagens características.

Observação: os cristais com o uso e os efeitos do tempo envelhecem, ou seja, estes elementos perdem sua capacidade piezelétrica.

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MATERIAIS PARA MATERIAIS PARA CONFECÇÃO DE CRISTAIS CONFECÇÃO DE CRISTAIS PIEZOELÉTRICOSPIEZOELÉTRICOS

Materiais Piezelétricos comuns são:Materiais Piezelétricos comuns são:

- Quartzo (cristal natural)- Quartzo (cristal natural) - Sulfato de Lítio (hidratado)- Sulfato de Lítio (hidratado) - Titanato de Bário (sintetizado)- Titanato de Bário (sintetizado) - Metaniobato de Chumbo (sintetizado)- Metaniobato de Chumbo (sintetizado) - Titanato Zirconato de Chumbo- Titanato Zirconato de Chumbo (sintetizado)(sintetizado)

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Efeito Piezelétrico Direto e IndiretoEfeito Piezelétrico Direto e Indireto

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PRODUÇÃO DE ONDAS SÔNICAS PRODUÇÃO DE ONDAS SÔNICAS POR MEIO DE UM CRISTALPOR MEIO DE UM CRISTAL

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Para se avaliar a capacidade de detecção de um transdutor é conveniente analisarem-se as seguintes características:

- Sensibilidade- Sensibilidade

- Resolução- Resolução

- Eficiência- Eficiência

CAPACIDADE DE CAPACIDADE DE DETECÇÃODETECÇÃO

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PROPAGAÇÃO DAS PROPAGAÇÃO DAS ONDAS SONORAS NOS ONDAS SONORAS NOS MATERIAISMATERIAIS- Um feixe sônico não apresenta uma

forma uniforme quando se propaga num meio material. Ele é divergente e sua intensidade varia conforme a distância do transdutor.- A velocidade de propagação das ondas - A velocidade de propagação das ondas e sua freqüência não são alteradas com o e sua freqüência não são alteradas com o aumento da distância ao cristal;aumento da distância ao cristal;- Quanto mais distante do transdutor, Quanto mais distante do transdutor, menor será a sua intensidade feixe menor será a sua intensidade feixe sônico.sônico.

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PROPAGAÇÃO DAS PROPAGAÇÃO DAS ONDAS SONORAS NOS ONDAS SONORAS NOS MATERIAISMATERIAIS

51

PROPAGAÇÃO DAS PROPAGAÇÃO DAS ONDAS SONORAS NOS ONDAS SONORAS NOS MATERIAISMATERIAIS

52

EFEITOS DA EFEITOS DA DIVERGÊNCIA SOBRE A DIVERGÊNCIA SOBRE A DETECÇÃODETECÇÃO

53

ZONA DE FRESNEL OU ZONA DE FRESNEL OU CAMPO PRÓXIMOCAMPO PRÓXIMO

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COMPRIMENTO DA ZONA DE COMPRIMENTO DA ZONA DE FRESNEL OU DO CAMPO FRESNEL OU DO CAMPO PRÓXIMOPRÓXIMO

V

fDN EF 4

2

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Exemplo: Calcule o comprimento do campo próximo de um transdutor normal com diâmetro 10 mm e freqüência de 4 MHz, quando inspecionando aço.

mmN

V

fDN EF

161059004

104)1097,0(

4

3

62

2

56

CLASSIFICAÇÃO DAS CLASSIFICAÇÃO DAS ZONAS SÔNICASZONAS SÔNICAS

- Região (1) - onde pequenas descontinuidades são difíceis de serem detectadas (campo próximo);

- Região (2), as descontinuidades maiores que o comprimento de onda podem ser detectadas (zona de transição);

- Região (3) onde qualquer descontinuidade compatível com a metade do valor do comprimento de onda pode ser detectada (campo distante).

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ATENUAÇÃO SÔNICAATENUAÇÃO SÔNICA

A onda sônica ao percorrer um material A onda sônica ao percorrer um material qualquer sofre perdas de energia ou qualquer sofre perdas de energia ou intensidade sonora em funçãointensidade sonora em função da:

- Dispersão do feixe sônico: ocorre em razão do desvio de partes do feixe por pequenos refletores existentes no interior dos materiais tais como grãos, vazios, inclusões, etc.

- Absorção: uma parte da energia ultra-sônica é perdida por atrito, transformando-se em calor. Esse "atrito interno" aumenta com o aumento da freqüência da onda.

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ATENUAÇÃO SÔNICAATENUAÇÃO SÔNICA

A ATENUAÇÃO SÔNICA É A PRINCIPAL RESPONSÁVEL PELAS PERDAS DE ENERGIA QUE OBSERVAMOS NA TELA DE UM APARELHO DE ULTRA-SOM, OS ECOS DE RETORNO SÃO CHAMADOS DE GANHO.

GANHO DE 50% GANHO DE 20%

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CONSIDERAÇÕES FINAIS CONSIDERAÇÕES FINAIS SOBRE DIVERGÊNCIA E SOBRE DIVERGÊNCIA E ATENUAÇÃOATENUAÇÃO

- Quanto menor o diâmetro do cristal, maior será a divergência;- Os transdutores de baixa freqüência possuem menor capacidade de detectar descontinuidades que os de alta freqüência, e ainda apresentam maior divergência;- Os transdutores de alta freqüência normalmente apresentam maiores atenuações sônicas e interferências nos sinais de retorno.

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Espessura = Tempo do pulso sônico x Velocidade do som

2

MEDIÇÃO DE MEDIÇÃO DE ESPESSURAESPESSURA

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BLOCO DE CALIBRAÇÃO PARA BLOCO DE CALIBRAÇÃO PARA MEDIÇÃO DE ESPESSURAMEDIÇÃO DE ESPESSURA

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ULTRA-SOM CONVENCIONALULTRA-SOM CONVENCIONAL

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ULTRA-SOM CONVENCIONAL: ULTRA-SOM CONVENCIONAL: TÉCNICA PULSO - ECOTÉCNICA PULSO - ECO

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ULTRA-SOM CONVENCIONAL: ULTRA-SOM CONVENCIONAL: TÉCNICA DA TRANSPARÊNCIATÉCNICA DA TRANSPARÊNCIA

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TRANSPARÊNCIA VERSUS PULSO ECOTRANSPARÊNCIA VERSUS PULSO ECO

• Pulso Eco - permite avaliar a morfologia e localização da descontinuidade (tipo, profundidade e tamanho)

• Transparência - só é possível monitorar a existência de uma descontinuidade pelo comportamento do eco de fundo, não sendo possível localizar ou avaliar a descontinuidade. Para se manter a correta posição dos transdutores é necessário um sistema de varredura mecanizado.

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ULTRA-SOM CONVENCIONAL: TÉCNICA ULTRA-SOM CONVENCIONAL: TÉCNICA DO IMPULSO-ECO POR IMERSÃODO IMPULSO-ECO POR IMERSÃO

A - Eco da interface Água-peça

B - Eco da descontinuidade

C - Eco de fundo da peça

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ULTRA-SOM CONVENCIONAL: ULTRA-SOM CONVENCIONAL: TELA A-SCANTELA A-SCAN

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CALIBRAÇÃO: BLOCO PADRÃO V1CALIBRAÇÃO: BLOCO PADRÃO V1

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CALIBRAÇÃO: BLOCO PADRÃO V2CALIBRAÇÃO: BLOCO PADRÃO V2

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REFLEXÃO

FIM!

"A cada dia que vivo, mais me convenço de "A cada dia que vivo, mais me convenço de que o desperdício da vida está no amor que que o desperdício da vida está no amor que não damos, nas forças que não usamos, na não damos, nas forças que não usamos, na prudência egoísta que nada arrisca, e que, prudência egoísta que nada arrisca, e que, esquivando-se do sofrimento, perdemos esquivando-se do sofrimento, perdemos também a felicidade." também a felicidade." Carlos Drummond de AndradeCarlos Drummond de Andrade