A propagação do som

Entendendo a impedância acústica das ondas sonoras.

Vamos fazer uma viagem de volta alguns séculos no tempo. Sir John William Strutt, 3º Barão Rayleigh (1842 - 1919), foi um físico inglês que codescobriu o elemento argônio e recebeu o Prêmio Nobel por essa descoberta em 1904.

No entanto, Rayleigh também era conhecido por seus importantes trabalhos e contribuições nos campos da física quântica, óptica e teoria do som. Nomeado Professor Cavendish de Física Experimental em 1879, sua primeira publicação ocorreu dois anos antes, em 1877. Essa nova teoria esclareceu como o som é transmitido e emitido por diferentes meios. Ele fez referência e experimentou com cordas esticadas, sinos, placas de metal e membranas não apenas para mostrar, mas também para provar como as ondas sonoras são transmitidas através de diferentes meios, usando modelos matemáticos e discussões sobre as descobertas do experimento.

Sir John William Strutt, 3º Barão Rayleigh

Em sua publicação, Rayleigh afirma que "uma observação muito superficial muitas vezes basta para mostrar que os corpos sonoros estão em estado de vibração e que os fenômenos do som e da vibração estão intimamente ligados". Além disso, “Quando um sino ou corda vibrante é tocado com o dedo, o som cessa no mesmo instante em que a vibração é amortecida. Mas, para afetar o sentido da audição, não basta ter um instrumento vibrante; deve haver também uma comunicação ininterrupta entre o instrumento e o ouvido.”

O que produz ultrassom?

Muitas coisas produzem ultrassom, e é função do Analista de CBM identificar quais emissões ultrassônicas estão ocorrendo na área em que trabalhará, antes de coletar dados e ondas sonoras .

Cinco categorias comuns de emissões ultrassônicas são às vezes chamadas de FITEM : Atrito, Impacto, Turbulência, Ambiental e Artificial. Atrito, impacto e turbulência estão frequentemente relacionados diretamente a um problema fluido/elétrico/mecânico e, portanto, seriam exatamente o que você está tentando detectar. Por outro lado, as emissões ultrassônicas ambientais e artificiais são "antagônicas", o que significa que competem e entram em conflito com as frequências do problema em questão.

• Atrito: Pode ser gerado de diversas maneiras, como quando duas superfícies deslizam uma contra a outra, rolam uma sobre a outra ou quando um objeto se move através de um gás ou líquido.

• Impactando: Rajadas de energia de maior frequência e menor duração, causadas pelo choque entre superfícies.

• Turbulência: Ocorre apenas em gases ou líquidos quando interagem com diversas superfícies.

• Ambiental: A ocorrência natural de ultrassom não é incomum, mesmo em ambientes industriais, como ninhos de vespas e abrigos de morcegos.

• Objetos fabricados pelo homem: Sensores de movimento, repelentes de pragas, produtos de limpeza industrial, painéis de exibição, monitores e muitos outros objetos fabricados pelo homem podem emitir frequências ultrassônicas como um subproduto de sua função pretendida.

Como técnico de ultrassom, é importante lembrar que a onda sonora é uma vibração do meio em que se propaga . Esse meio deve ser elástico para que possa transferir sua energia sem interferências com o instrumento/módulo do técnico.

Lei do inverso do quadrado

A cada duplicação da distância da fonte sonora, a intensidade do som diminui em 6 dB. Esse conhecimento é crucial para a detecção de emissões ultrassônicas, pois a distância da fonte afeta diretamente as leituras. Supondo que estejamos a 30 cm da fonte, sem perda de dB, haveria uma perda de 6 dB a partir de 60 cm e de 32 dB a partir de 9 metros.

Agora sabemos em detalhes como a energia acústica se atenua ao longo da distância em um ambiente gasoso e como a influência atmosférica pode afetar a propagação de uma onda sonora nesse meio. No entanto, a Lei do Inverso do Quadrado (e as respectivas medições acima) pressupõem que o som esteja se propagando em um "campo livre", sem a influência de outros fatores externos. Na realidade, isso nem sempre ocorre. Veja abaixo 6 das impedâncias de energia sonora mais comuns.

Impedâncias acústicas - Ar

• Transmissão: Transmissões de ultrassom que se propagam através da atmosfera. Precisamos levar em consideração que o som se propaga a uma velocidade menor em uma atmosfera gasosa, em comparação com um meio sólido ou líquido . Por exemplo, um trem pode ser ouvido a quilômetros de distância colocando o ouvido nos trilhos ( sólido - partículas de alta densidade ). Baleias conseguem se comunicar umas com as outras a quilômetros de distância debaixo d'água com um atraso mínimo ( líquido - partículas de densidade moderada ). O som do trovão pode levar alguns segundos para ser ouvido após a queda de um raio ( gás - partículas de baixa densidade). Todos esses são exemplos de transmissão sonora.

• Reflexão: Ocorre quando uma onda sonora ricocheteia em uma superfície plana. O ponto de reflexão (também conhecido como ângulo de incidência) pode ser frequentemente confundido com a fonte original do ultrassom. Por exemplo, se você localizou uma emissão ultrassônica usando um detector ultrassônico, mas o local identificado não apresenta nenhuma fonte possível de ultrassom, você pode ter localizado um ponto de reflexão no qual a onda sonora ultrassônica original ricocheteou.

• Refração: Semelhante à reflexão, a refração ocorre quando uma onda sonora passa de um meio para outro. Enquanto a reflexão acontece em uma superfície sólida, a refração geralmente ocorre em líquidos (um estado da matéria que permite a passagem da energia sonora). A onda sonora refratada sofrerá a influência da elasticidade e da densidade do novo meio (também conhecido como índice de refração). Isso pode ser usado para calcular o efeito do material na velocidade da energia do novo som ao se propagar pelo novo meio em comparação com a velocidade no meio original, utilizando a Lei de Snell.

• Difração: O redirecionamento de uma onda sonora ao contornar, espalhar-se ou passar por um espaço estreito. A difração geralmente ocorre quando uma onda sonora passa por uma abertura muito pequena. Ouvir alguém falar do outro lado de uma esquina também é um exemplo comum de difração, pois a onda sonora contorna e atravessa o espaço até chegar ao ouvido do ouvinte.

• Absorção: A absorção acústica refere-se à capacidade de um meio capturar uma porção da energia sonora recebida . Materiais sólidos e porosos, como espuma ou fibra de vidro, são exemplos comuns de materiais que absorvem o som. A porção absorvida da onda sonora original é transformada em uma forma de energia completamente nova (geralmente calor) e é transmitida para fora do material. A porção restante da onda sonora que não foi absorvida é refletida .

• Dispersão: O processo de uma onda sonora interagindo com uma superfície particularmente rugosa, resultando em múltiplas novas ondas sonoras com energia reduzida. Essas ondas sonoras resultantes têm direções e amplitudes imprevisíveis, tornando a dispersão um obstáculo difícil de superar na detecção ultrassônica.

Impedâncias acústicas - Efeito da densidade:

Além dos fatores mencionados acima, a velocidade real de uma onda mecânica (sonora) que se propaga em um meio é diretamente proporcional à temperatura, elasticidade e densidade desse meio. Diferentes meios causarão diferentes níveis de atraso devido às suas propriedades de absorção e reemissão.

Quanto mais quente e denso for o material, mais próximos os átomos estarão e mais rápido o som se propagará nesse meio. É por isso que ondas mecânicas, como o som, não podem existir no espaço. Ondas mecânicas precisam de um meio físico para se propagarem. O espaço é um vácuo , onde os átomos estão tão distantes uns dos outros que a propagação do som não ocorre. Veja abaixo as velocidades do som em diversos materiais comuns.

Da propagação do som à detecção de vazamentos por ultrassom

Agora que aprendemos mais sobre fatores externos e ambientais e impedâncias, existem algumas dicas gerais e boas práticas que devem ser utilizadas ao realizar a detecção ultrassônica. Os ambientes industriais onde os problemas ultrassônicos são comumente encontrados são frequentemente ruidosos, caóticos e repletos de ondas sonoras que abrangem todo o espectro acústico. É importante saber como neutralizar o ultrassom antagonista e os ruídos concorrentes e coletar dados precisos.

1. Antes de iniciar o processo de detecção, faça um teste de acústica no ambiente para obter uma melhor compreensão inicial do espaço e determinar a localização aproximada de quaisquer anomalias ultrassônicas.

2. Se você estiver lidando com um vazamento de ar comprimido, existem algumas dicas comuns que podem ajudar a identificar a origem do problema:

   1. Confirme se os sistemas estão totalmente pressurizados.

   2. Acompanhe o fluxo da tubulação a partir do compressor.

   3. Confirme se todas as válvulas relevantes estão abertas.

3. Se você estiver usando o PROSARIS OL2 Puck para centralizar a localização da origem, é importante implementar as seguintes práticas recomendadas:

   1. Reduza fisicamente a distância da fonte. Assim que começar a localizar a origem do som, o próximo passo óbvio é aproximar-se para obter uma localização mais precisa. No entanto, lembre-se de ajustar o controle deslizante de Distância no aplicativo PROSARIS em seu tablet quando estiver a menos de 1,8 metro (6 pés) de distância. Isso garantirá que os cálculos de gravação estejam corretos.

   2. Examine todas as direções ao redor da fonte da emissão. Não é incomum que outros vazamentos estejam próximos. Esses vazamentos podem ser confundidos com o vazamento principal, a menos que você se aproxime o suficiente para confirmar a presença de múltiplas fontes.

4. Se você estiver com dificuldades para localizar o vazamento — seja ele causado por outros vazamentos ou por ultrassom antagonista em geral —, tente implementar uma técnica de blindagem. A maneira mais simples de fazer isso é posicionar-se entre a fonte alvo e as outras emissões ultrassônicas indesejadas.

   1. Em último caso, você pode até usar um pedaço de papelão ou uma prancheta para bloquear temporariamente quaisquer fontes de ultrassom antagônicas restantes.

   2. Amarrar um pano de oficina sobre um vazamento também ajuda a atenuar o som na área. Isso facilita o isolamento, especialmente para vazamentos em níveis mais baixos.

O conhecimento é um dos itens mais valiosos em seu conjunto de ferramentas quando se trata de realizar um trabalho de detecção ultrassônica com sucesso. Compreender a ciência por trás do som sempre lhe indicará quais técnicas, estratégias e ferramentas são mais adequadas para o trabalho.