INSTRUMENTAÇÃO PARA IMAGIOLOGIA · REFLEXÃO E REFRAC ÇÃO Reflexão e refrac ção dos ultra...
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Outubro de 08 Jaime Santos 1
INSTRUMENTAÇÃO PARA IMAGIOLOGIA
Licenciatura em Engenharia Biomédica
da
FACULDADE DE CIÊNCIAS E TECNOLOGIA
DA
UNIVERSIDADE DE COIMBRA
Produzido por:
JAIME BATISTA DOS SANTOS
DEEC - FCTUC
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TÉCNICAS DE IMAGEM POR ULTRA-SONS
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RESUMO
� Introdução
� Ultra-sons. Princípios Básicos.
� Propagação de ondas acústicas.
� Transdutores.
� Inspecção por Ultra-sons. Técnicas: “Pulso-eco” e “Modo transmissão” . Equipamento.
� Atenuação.
� Reflexão e Refracção.
� Aplicações.
� Representação dos resultados: A-scan; B-scan e C-scan.
� Sistemas de Imagem em aplicações clínicas: Imagens 2D; 3D e 4D. Doppler
� Vantagens e Limitações.
� Aplicações de diagnóstico.
� Aplicações terapeuticas
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�� ONDAS ACONDAS ACÚÚSTICAS COM FREQUÊNCIAS SUPERIORES STICAS COM FREQUÊNCIAS SUPERIORES ÀÀS S
DETECTADAS PELO OUVIDO HUMANO (DETECTADAS PELO OUVIDO HUMANO (aproxaprox. 20KHz ).. 20KHz ).
�� VIBRAVIBRAÇÇÃO MECÂNICA DE PARTÃO MECÂNICA DE PARTÍÍCULAS NUM MEIO CULAS NUM MEIO
(MATERIAL) (MATERIAL) –– PROPAGAPROPAGAÇÇÃO DA ENERGIA DA ONDA.ÃO DA ENERGIA DA ONDA.
� GAMA DE FREQUÊNCIAS USADAS EM TESTES: 100KHz A GAMA DE FREQUÊNCIAS USADAS EM TESTES: 100KHz A
CENTENAS DE MEGAHERTZCENTENAS DE MEGAHERTZ.
�MEDICINA: DIAGNÓSTICO USA FREQUÊNCIAS A PARTIR DE 3 MHz
Ultra-sons - Princípios Básicos
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�� COMPRIMENTO DE ONDACOMPRIMENTO DE ONDA, λλλλ:
� DistânciaDistância entre entre doisdois picospicos ouou doisdois vales vales ououtempo tempo queque a a fontefonte levaleva parapara executarexecutar umauma vibravibraççãoãocompletacompleta..
� FREQUÊNCIA, FREQUÊNCIA, f f ::
� NNúúmeromero de de oscilaoscilaççõesões porpor segundosegundo, , Hz.Hz.
� VELOCIDADE DA ONDAVELOCIDADE DA ONDA, v
� vv = = λλλλλλλλ f (f (mm//s)s)
Ultra-sons - Princípios Básicos(cont).
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�� DOIS TIPOS FUNDAMENTAISDOIS TIPOS FUNDAMENTAIS
��OndasOndas longitudinaislongitudinais ouou de de compressãocompressão
��OndasOndas ““shearshear”” ouou transversaistransversais
MODOS DE PROPAGAMODOS DE PROPAGAÇÇÃOÃO
Ondas longitudinaisOndas longitudinais
� OscilaOscilaççõesões nana direcdirecççãoão do do movimentomovimento
Movimento dos Movimento dos áátomostomos��������
DirecDirecçção ão da onda da onda
�
Ultra-sons - Princípios Básicos(cont).
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MODOS DE PROPAGAMODOS DE PROPAGAÇÇÃOÃO
�� Ondas Ondas ““shearshear””
� OscilaOscilaççõesões nana direcdirecççãoão perpendicular perpendicular aoao movimentomovimento dadaondaonda
Movimento dos Movimento dos áátomostomos�
DirecDirecçção ão da onda da onda
�
Ultra-sons - Princípios Básicos(cont).
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SistemaSistema de de inspecinspecççãoão UTUTConstituiConstituiççãoão::
GERAGERAÇÇÃO DE ULTRAÃO DE ULTRA--SONSSONS
“Pulser/ Receiver”, Transdutor(es) e dispositivo de visualização. � Pulser / Receiver : Dispositivo Electrónico que produz o pulso
eléctrico. � Transdutor : gera pulsos de alta frequência.
- Converte energia eléctrica em vibrações mecânicas (som) e vice-versa.- O transdutor tem a capacidade funcionar como transmissor e receptor
Ultra-sons - Princípios Básicos(cont).
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GERAGERAÇÇÃO DE ULTRAÃO DE ULTRA--SONS (CONT.)SONS (CONT.)
�� USO DE SINAIS ELUSO DE SINAIS ELÉÉCTRICOS DO TIPO:CTRICOS DO TIPO:
�� SINUSOIDAL ( trem de sinusSINUSOIDAL ( trem de sinusóóides).ides).
�� ““SPIKESPIKE””..
�� IMPULSO.IMPULSO.
�� Objectivo: Objectivo: ExcitaExcitaçção do transdutor. ão do transdutor.
�� Transforma a energia elTransforma a energia elééctrica em vibractrica em vibraçções ões
mecânicas e transmite essas vibramecânicas e transmite essas vibraçções para o ões para o
meio em que estmeio em que estáá inserido.inserido.
Ultra-sons - Princípios Básicos(cont).
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InspecInspecççãoão UltraUltra--ssóónicanica -- PrincPrincíípiospios
�As ondas ultra-sónicas são introduzidas no material, propagam-se ao longo deste com velocidade constante.
�Em interfaces (entre meios distintos) parte daenergia da onda é reflectida e parte é transmitida.
�A quantidade de energia reflectida ou transmitidapode ser detectada e providenciar informaçãoacerca do tamanho do reflector.
�O tempo de propagação da onda pode ser medido, proporcionando informação acerca da distânciapercorrida.
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� Inspecção por ultra-sons:
� Método de inspecção muito versátil.
� As inspecções podem ser realizadas com recurso a diferentes técnicas.
� As técnicas de inspecção por ultra-sons são emgeral divididas em três classificações primárias.
� Pulso-eco e Modo Transmissão.
� Feixe Normal e Feixe Angular
� Contacto e Imersão.
InspecInspecççãoão UltraUltra--ssóónicanica-- TTéécnicascnicas
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0 2 4 6 8 10
Pulsoinicial
Ecofissura
Eco superfícieoposta
Display de equipamento UT
Objecto
fissura
� O transdutor funciona como emissor e receptor.O transdutor funciona como emissor e receptor.
�� As ondas ultraAs ondas ultra--ssóónicas são reflectidas na face oposta da penicas são reflectidas na face oposta da peçça e na a e na descontinuidade na forma de ecos.descontinuidade na forma de ecos.
�� O tempo de propagaO tempo de propagaçção corresponde a duas vezes a espessura da ão corresponde a duas vezes a espessura da pepeçça.a.
InspecInspecççãoão UltraUltra--ssóónicanica-- TTéécnicascnicasTTÉÉCNICA PULSO CNICA PULSO -- ECOECO
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�� ÉÉ enviadoenviado um um pulsopulso de de curtacurta duraduraççãoão. .
�� O tempo de O tempo de propagapropagaççãoão ( ( idaida e e voltavolta ) do ) do pulsopulso éémedidomedido. .
Am
plit
ude
Am
plit
ude
Tempo (profundidade)Tempo (profundidade)
A-scanPulso de emissãoPulso de emissão
ecosecosA
B C
A
B
Cosciloscosciloscóópiopio
InspecInspecççãoão UltraUltra--ssóónicanica-- TTéécnicascnicasTTÉÉCNICA PULSO CNICA PULSO –– ECO (CONT)ECO (CONT)
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InspecInspecççãoão UltraUltra--ssóónicanica-- TTéécnicascnicasTTÉÉCNICA PULSO CNICA PULSO –– ECO (CONT)ECO (CONT)
EXEMPLOEXEMPLO
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ATENUAATENUAÇÇÃOÃO ULTRASSONORAULTRASSONORA
�� Os ultraOs ultra--sons sofrem dispersão e absorsons sofrem dispersão e absorçção ao ão ao
propagarempropagarem--se num dado meiose num dado meio::�� ReduReduçção em intensidade ão em intensidade éé designada por atenuadesignada por atenuaççãoão
� A variaA variaçção na intensidade ão na intensidade ∝∝∝∝∝∝∝∝ distânciadistância
� αααααααα = coeficiente de atenua= coeficiente de atenuaçção ão �������� depende do materialdepende do material
InspecInspecççãoão UltraUltra--ssóónicanica-- TTéécnicascnicas
x-e αo
II = � Io é a intensidade inicial
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Distância
Inte
nsi
dad
e
Io
ααααdecr
escen
te
ATENUAATENUAÇÇÃOÃO ULTRASSONORAULTRASSONORAInspecInspecççãoão UltraUltra--ssóónicanica-- TTéécnicascnicas
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COEFICIENTE DE ATENUACOEFICIENTE DE ATENUAÇÇÃO ÃO ((αααααααα))
�� RearranjandoRearranjando a a equaequaççãoão anterior anterior vemvem::
�� AplicandoAplicando logaritmoslogaritmos naturaisnaturais xI
I
o
ln α−=
xα−= eI
I
o
Np/m lnx
1-
=
oI
Iα
InspecInspecççãoão UltraUltra--ssóónicanica-- TTéécnicascnicas
1 Np = 8.685889638 dB
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ATENUAÇÃO EM FUNÇÃO DA FREQUÊNCIA
1.0 10 100 1000
Frequency (MHz)
0.1
1.0
10
100
1000
Att
enua
tion
Coe
ffic
ient
(dB
m-1
)
água
Hemog
lobina
baço
Pulmõe
speleai
r
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Dispersão dos Ultra-sons
� Mecanismos de atenuação:� absorção (dissipação de calor) � Dispersão (“scattering”)
� depende da relação entre o tamanho da partícula (a) e o comprimento de onda (λ)
Escala de Interacção
Dependênciada frequência
Tipo de dispersão
Exemplos
a >> λλλλRegiãogeométrica
f 0=1 (não hádependência) Forte
Diafragma, artérias, tecidos moles, ossos,quistos
a ~ λλλλRegiãoEstocástica
f2 Moderada Predominante,maiorparte das estruturas
a << λλλλ f4
Fraca Blood
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TTÉÉCNICA EM MODO TRANSMISSÃOCNICA EM MODO TRANSMISSÃO
Transdutor Transdutor emissor emissor
PePeçça a testara a testar
descontinuidadedescontinuidade
� Um transdutor funciona Um transdutor funciona como emissor e o outro como emissor e o outro receptor.receptor.
�� As ondas ultraAs ondas ultra--ssóónicas nicas são recebidas na face oposta são recebidas na face oposta pelo receptor e reflectidas pelo receptor e reflectidas na descontinuidade.na descontinuidade.
�� O tempo de propagaO tempo de propagaçção ão corresponde corresponde àà espessura da espessura da pepeçça.a.
Transdutor receptorTransdutor receptor
InspecInspecççãoão UltraUltra--ssóónicanica-- TTéécnicascnicas
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TTÉÉCNICA EM MODO TRANSMISSÃO (CONT.)CNICA EM MODO TRANSMISSÃO (CONT.)
InspecInspecççãoão UltraUltra--ssóónicanica-- TTéécnicascnicas
T R
T R
11
20 2 4 6 8 10
2
11
Ultra-sons parcialmente bloqueados Redução da amplitude do sinal recebido
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θθθθθθθθii θθθθθθθθrr
θθθθθθθθtt
Velocidade no meio 1= v1
Velocidade no meio 2= v2
i rθ = θ
REFLEXÃO E REFRACREFLEXÃO E REFRACÇÇÃO ÃO
� ReflexãoReflexão e e refracrefracççãoão dos ultrados ultra--sons de sons de modomodo semelhantesemelhante àà luzluz..
� Num interface Num interface planoplano entre entre doisdois meiosmeios de de propagapropagaççãoão::
� Parte do feixe é reflectida e o restante é transmitido.
� As leis de reflexão e refracção mantém-se.
Meio 1Meio 1
Meio 2Meio 2
Lei de Lei de SnellSnell
InspecInspecççãoão UltraUltra--ssóónicanica-- TTéécnicascnicas
2
1
V
V
t
i =θ
θ
sin
sin
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�� NumaNuma situasituaççãoão de de incidênciaincidência normal, a normal, a fracfracççãoão do do sinalsinal reflectidoreflectido
entre o entre o meiomeio 1 e o 1 e o meiomeio 2 2 éé funfunççãoão do do coeficientecoeficiente de de reflexãoreflexão,,
emem queque::
� Z é a impedância acústica dada por:� v é a velocidade dos ultra-sons e ρρρρ é a densidade
� Para mínima reflexão, as impedâncias dos meios devem ser o mais próximas possível.
� A fracção do sinal transmitido é:
2
1 2
1 2
Z ZR
Z Z
−=
+
Z v= ρ
( )1 2
2
1 2
4Z ZT
Z Z=
+
REFLEXÃO E REFRACREFLEXÃO E REFRACÇÇÃO (CONT.) ÃO (CONT.)
InspecInspecççãoão UltraUltra--ssóónicanica-- TTéécnicascnicas
21
22ZZ
ZT
+=
21
12
ZZ
ZZR
+
−=
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IMPEDÂNCIAS ACIMPEDÂNCIAS ACÚÚSTICASSTICAS
Material Impedance, Z(kg m-2 s-1)
Ar 0.0004 × 106
Aço 1.61× 106
Acrílico 1.38× 106
Tecido humano 1.63× 106
Músculo 1.70× 106
Água 1.48× 106
InspecInspecççãoão UltraUltra--ssóónicanica-- TTéécnicascnicas
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VELOCIDADE DE PROPAGAÇÃO EM ALGUNS MEIOS
00 10001000 20002000 30003000 40004000 50005000 60006000
bonebonenatural rubbernatural rubber
gall stonegall stone
toothtooth brassbrass
glassglass
steelsteelgelatine (10%)gelatine (10%)
PerspexPerspexdry dry airair
lunglung
4080Crânio
1620Globo ocular
1585Musculo
1570Sangue
1561Rim
1549Fígado
1541Cérebro
1540Tecidos moles e água
Velocity at 25°C (m/s)Corpo humano
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INCIDÊNCIA NORMAL E INCIDÊNCIA ANGULARINCIDÊNCIA NORMAL E INCIDÊNCIA ANGULAR
InspecInspecççãoão UltraUltra--ssóónicanica-- TTéécnicascnicas
A A escolhaescolha entre entre inspecinspecççãoão porpor incidênciaincidência
normal e normal e inspecinspecççãoão porpor incidênciaincidência angular, angular,
dependedepende emem geralgeral de de duasduas consideraconsideraççõesões::
�������� DaDa orientaorientaççãoão do do objectoobjecto de de interesseinteresse
a a inspeccionarinspeccionar –– o o somsom devedeve ser ser dirigidodirigido
de de modomodo a a produzirproduzir a a maiormaior reflexãoreflexão a a
partirpartir do do objectoobjecto..
�������� EventuaisEventuais obstruobstruççõesões existentesexistentes nana
superfsuperfííciecie dada pepeççaa a a inspeccionarinspeccionar..
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1 2
Defeito 0 2 4 6 8 10
FWE
BWE
1IP
0 2 4 6 8 10
FWE
BWEDE
2IP
•• Para Para mmááximaxima transferênciatransferência de de energiaenergia, o , o arar existenteexistente entre o entre o transdutortransdutor e o e o material a material a inspeccionarinspeccionar tem de ser tem de ser removidoremovido. .
AcoplamentoAcoplamento..
•• EmEm inspecinspecççãoão porpor contactocontacto,, (mostrado em slides anteriores) é usado um acoplante tais como a água, óleo ou gel que é aplicado entre o transdutor e o meio a inspeccionar.
•• EmEm inspecinspecççãoão porpor imersãoimersão,, o material e o transdutor são colocados num banhode água. Esta configuração, permite deslocar o transdutor sobre a peçaobjecto de inspecção, mantendo sempre um acoplamento consistente.
• No teste por imersão, surge um eco adicional proveniente da superfície frontal da peça.
IP = Pulso Emissão
FWE = Eco Frontal
DE = Eco do Defecto
BWE = Eco de Fundo
InspecInspecççãoão UltraUltra--ssóónicanica-- TTéécnicascnicasContacto versus Imersão
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APLICAAPLICAÇÇÕES ÕES
� CaracterizaCaracterizaçção de materiais e estruturas:ão de materiais e estruturas:
�� DetecDetecçção e caracterizaão e caracterizaçção de defeitosão de defeitos: : fissuras, inclusões, porosidade, etc.
� Avaliação de erosão e corrosão medição de espessuras. (A(A--SCAN)SCAN)
�� CaracterizaCaracterizaçção da microestrutura (estimaão da microestrutura (estimaçção do tamanho de grão em ão do tamanho de grão em metais).metais).
�� Inspecção da integridade de ligações em componentes soldados oucolados.
�� Estimação da integridade de compósitos (delaminações após impacto) e plásticos (C(C--SCAN)SCAN)
�� Medicina:Medicina:
�� Tratamentos Tratamentos �������� FisioterapiaFisioterapia
�� diagndiagnóóstico de doenstico de doençças as �������� realizarealizaçção de imagens (Bão de imagens (B--SCAN) SCAN) ((ecografiasecografias))
InspecInspecççãoão UltraUltra--ssóónicanica -- TTéécnicascnicas
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RepresentaRepresentaçção ão AA--ScanScan
InspecInspecççãoão UltraUltra--ssóónicanica
Time
Am
plit
ud
e d
o s
inal
Tempo
Am
plit
ud
e d
o s
inal
� Representação A-scan: visualização da
amplitude do sinal ultra-sónico recebido pelo
transdutor em função do tempo. � O tamanho da descontinuidade (ou
defeito) pode ser estimado comparando a
amplitude do sinal recebido com um de referência (reflector).
� A profundidade da descontinuidade pode
ser determinada medindo o tempo de
propagação do eco (posição do sinal no varrimento horizontal).
Objectofissura
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� UltraUltra--sons sons focalizadosfocalizados..
�� OO tempo de tempo de chegadachegada dos dos pulsospulsos a a cadacada transdutortransdutor ddáá a a direcdirecççãoão de de propagapropagaççãoão..
D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9
FrenteFrente de de ondaonda focalizadafocalizada
Pulso eléctrico
Atrasos variáveis
“Array” de transdutores
RepresentaRepresentaçção ão BB--ScanScan -- TransdutoresTransdutores multimulti--elementoelemento
InspecInspecççãoão UltraUltra--ssóónicanica
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� Usando um transdutor multi-elemento, pode ser formada uma imagem 2-D designada por imagem modo B
Sistema de imagem B-Scan
TransducerTransducerarrayarray
XX
YY
X
Y
Computer displayComputer display
RepresentaRepresentaçção ão BB--ScanScan
InspecInspecççãoão UltraUltra--ssóónicanica
Outubro de 08 Jaime Santos 32
RepresentaRepresentaçção ão BB--ScanScan -- ExemploExemploInspecInspecççãoão UltraUltra--ssóónicanica
Imagem cardImagem cardííaca aca –– quatro cavidades.quatro cavidades.
Outubro de 08 Jaime Santos 33
Three-axesThree-axessystemsystem
Water tankWater tank
Sistema com 3 eixos
Tanque com água
RepresentaRepresentaçção ão CC--ScanScan –– Amplitude e TOFAmplitude e TOF
InspecInspecççãoão UltraUltra--ssóónicanica
� A representação C-scan: visualização de uma secção da peça perpendicular aofeixe ultra-sónico.� As representações (imagens) C-scan são produzidas com recurso a um sistemaautomático de aquisição de dados: varrimento por imersão. � O uso do A-scan em associação com o C-scan é necessário quando se pretendaconhecer a profundidade.
Outubro de 08 Jaime Santos 34
RepresentaRepresentaçção ão CC--ScanScan –– TimeTime--ofof--flightflight (TOF)(TOF)
InspecInspecççãoão UltraUltra--ssóónicanica
ImagensImagens CC--Scan:Scan: CompCompóósitossitos LaminadosLaminados sujeitossujeitos a a ImpactoImpacto
Sequência das camadas: A) (0,90,0,90)2s; B) (0,90)8
(i) impact of 1,5 J; (ii) impact of 2 J;(iii) impact of 2,5 J
(iv) impact of 3 J
AA
BB
(i)(i) ((iiii)) ((iiiiii)) ((iviv))
Outubro de 08 Jaime Santos 35
InspecInspecççãoão UltraUltra--ssóónicanicaVantagens Vantagens
� A profundidade de penetração, para a detecção ou quantificação de defeitos é
superior a outros métodos.
� É necessário ter, apenas, acesso a um dos lados quando é usada a técnica pulso-
eco.
� Elevada exactidão na determinação da posição dos defeitos bem como na
estimação do seu tamanho e forma.
� Requerem um preparação mínima das peças a inspeccionar.
� Os equipamentos electrónicos disponíveis proporcionam resultados
praticamente instantâneos.
� Podem ser produzidas imagens detalhadas com sistemas automáticos.
� Proporciona, também, a medição de espessuras.
Outubro de 08 Jaime Santos 36
� As superfícies têm de estar acessíveis para a transmissão dos ultra-sons.
� Normalmente requere um meio de acoplamento para promover a transferência de energia para o material em inspecção.
� Materiais que sejam irregular na sua forma, demasiado pequenos, excepcionalmente finos e muito heterogénios são difíceis de inspeccionar.
� Materiais com estruturas de grão grosseiro são difíceis de inspeccionardevido à limitada propagação e elevado ruído no sinal.
� Fissuras orientadas paralelamente à propagação do feixe, podem não ser detectadas.
� Padrões são necessários para a calibração dos equipamentos e eventualmente para a caracterização dos defeitos.
InspecInspecççãoão UltraUltra--ssóónicanicaLimitaLimitaçções ões