ENSAIOS QUANTITATIVOS NÃO-DESTRUTIVOS UTILIZANDO MEDIÇÃO DE IMPEDÂNCIA ACÚSTICA COM TRANSDUTOR PIEZOELÉTRICO RADIAL

Abstract

The mechanical properties and composition of materials can be better understood through ultrasonic non-destructive testing. Ultrasound is a valuable tool for characterizing elastic moduli, material microstructure, morphological conditions, and correlated acoustical-mechanical properties. Although ultrasound measurement techniques like transmission and reflection are well-established, there is a growing demand for new technologies to facilitate automated inspection and enhance the widespread application of this method. This paper presents a novel approach to evaluate the characteristic acoustic impedance of a sample using measurements of reflected spherical waves. Employing a spherical sound source makes the energy distribution more uniform in all directions, minimizing measurement errors caused by system alignment. Additionally, that configuration aids in determining the experiment's geometry. The impedance was evaluated by analysis of the spherically reflected Gaussian-modulated sinusoidal pulses, which are less susceptible to noise interference. The acquired signal is fitted into a mathematical model to calculate the acoustic impedance, considering the decrease in sound pressure amplitude at the spherical wavefront according to the inverse distance law. Materials with a wide range of impedances (2 MRayl < Z < 46 MRayl) were measured to validate the method. The experimental impedances exhibited statistically significant agreement with values obtained via through-transmission impedance evaluation. Linear regression indicates a systematic error of 1.0 % for the proposed method with a standard error of 1.4 %. This experimental setup holds promise for accurately assessing submerged structures, offering potential advantages for quantitative inspection.

As propriedades mecânicas e a composição dos materiais podem mais bem compreendidas por meio de testes ultrassônicos não destrutivos. O ultrassom serve como uma ferramenta valiosa para caracterizar módulos elásticos, microestrutura de materiais, condições morfológicas e propriedades acústico-mecânicas correlacionadas. Embora as técnicas de medição por ultrassom, como transmissão e reflexão, estejam bem estabelecidas, há uma demanda crescente por novas tecnologias para facilitar a inspeção automatizada e melhorar a aplicação generalizada desta tecnologia. Este trabalho apresenta uma nova abordagem para avaliar a impedância acústica característica de uma amostra utilizando medições de ondas esféricas refletidas. Ao empregar uma fonte sonora esférica, a distribuição de energia torna-se mais uniforme em todas as direções, minimizando erros de medição causados pelo alinhamento do sistema. Além disso, esta configuração auxilia na determinação da geometria experimental. A impedância foi avaliada pela análise de pulsos senoidais modulados por uma envoltória gaussiana refletidos esfericamente, que são menos suscetíveis à interferência de ruído. O sinal adquirido é ajustado em um modelo matemático para cálculo da impedância acústica, levando em consideração a diminuição da amplitude da pressão sonora na frente de onda esférica de acordo com a lei do inverso da distância. Materiais com uma ampla faixa de impedâncias acústicas (2 MRayl < Z < 46 MRayl) foram medidos para validar o método. As impedâncias experimentais exibiram concordância estatisticamente significativa com os valores obtidos por meio da avaliação da impedância utilizando o método estabelecido de transmissão; em que a onda ultrassônica atravessa a amostra. A regressão linear indica, para o método proposto, um erro sistemático de 1,0 % com um erro padrão total de 1,4 %. Esta configuração experimental é promissora para avaliar com precisão estruturas submersas, oferecendo vantagens potenciais para inspeção quantitativa.