REFLEXÃO E REFRACÇÃO A presença de defeitos ou outras anomalias em materiais pode ser detectada através da variação da impedância acústica.

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1 REFLEXÃO E REFRACÇÃO A presença de defeitos ou outras anomalias em materiais pode ser detectada através da variação da impedância acústica. Z V [R] Numa interface entre materiais diferentes existe sempre uma onda reflectida e uma onda transmitida. Os coeficientes de reflexão e transmissão em termos de pressão acústica são dados por R Z Z 1 Z Z 1 T Z Z Z 1 Para minimizar reflexão, as impedâncias dos meios devem ser o mais próximas possível. INSTRUMENTAÇÃO PARA IMAGIOLOGIA MÉDICA TÉCNICAS DE IMAGEM POR ULTRA-SONS 5

2 REFLEXÃO E REFRACÇÃO Exemplo: Transmissão de uma onda plana do aço (Z 1 =45 R) para a água (Z =1,5 R) 1,5 45 R 0,935 T 1,5 45 (a) 1,5 1,5 45 0,065 Se a transmissão for da água para o aço (b): R=0,935 T=1,935 O facto da pressão acústica no meio, para o caso (b), exceder a pressão da onda incidente não contraria o principio da conservação de energia na interface, pois a intensidade de energia depende do quadrado da pressão, mas também é inversamente proporcional à impedância acústica. INSTRUMENTAÇÃO PARA IMAGIOLOGIA MÉDICA TÉCNICAS DE IMAGEM POR ULTRA-SONS 6

3 REFLEXÃO E REFRACÇÃO Coeficientes de reflexão e transmissão em termos de intensidade de potência acústica ( Z Z1) 4Z1Z R T ( Z Z ) ( Z 1 Z ) 1 Pode provar-se a validade das expressões R e T, tanto em termos de pressão como em termos intensidade de potência acústica Pressão Tem de existir continuidade na interface: p i +p r =p t Intensidade de potência acústica Tem de existir conservação de energia: J i =J r +J t INSTRUMENTAÇÃO PARA IMAGIOLOGIA MÉDICA TÉCNICAS DE IMAGEM POR ULTRA-SONS 7

4 REFLEXÃO E REFRACÇÃO Incidência obliqua Reflexão e refracção dos ultra-sons de modo semelhante à luz. Num interface plano entre dois meios de propagação: Parte do feixe é reflectida e o restante é transmitido. As leis de reflexão e refracção mantêm-se. Lei de Snell Meio 1 Velocidade no meio 1= v 1 Velocidade no meio = v i r i sini sin t r V V 1 Meio t Neste caso o cálculo da pressão acústica é bem mais complexo INSTRUMENTAÇÃO PARA IMAGIOLOGIA MÉDICA TÉCNICAS DE IMAGEM POR ULTRA-SONS 8

5 RESPOSTA EM FREQUÊNCIA DE TRANSDUTORES Os transdutores comerciais normalmente vêm acompanhados por especificações tais como: frequência central, curva de resposta em frequência, diâmetro do cristal, etc. Aspecto típico da resposta de transdutores: a) Baixo amortecimento, amplitude elevada, elevado Q e banda estreita. b) Elevado amortecimento, amplitude baixa, baixo Q e banda larga. Factor de qualidade Q f f0 f 1 f 1 e f : frequências a -3 db f 0 : frequência central INSTRUMENTAÇÃO PARA IMAGIOLOGIA MÉDICA TÉCNICAS DE IMAGEM POR ULTRA-SONS 9

6 CAMPO ACÚSTICO DE UM TRANSDUTOR Na banda áudio, as dimensões das fontes são normalmente muito menores do que os comprimentos de onda. Para os transdutores ultra-sónicos essas dimensões são muito maiores que o comprimento de onda, dando origem a zonas distintas do campo acústico: Campo próximo Campo distante Campo próximo: Muitas interferências de várias ondas com fases diferentes D N 4 D 4 D Diâmetro da fonte Campo distante: É divergente com um ângulo dado por 1, sen D INSTRUMENTAÇÃO PARA IMAGIOLOGIA MÉDICA TÉCNICAS DE IMAGEM POR ULTRA-SONS 30

7 CAMPO ACÚSTICO DE UM TRANSDUTOR Campo próximo Campo distante Pressão acústica ao longo do eixo do transdutor 1 D p p0sen( kz 1 ( ) 1) z Expressão aproximada: p p 0 N z (onda esférica) z Distância ao transdutor D - Diâmetro k nº de onda (argumento do sen em Rad) INSTRUMENTAÇÃO PARA IMAGIOLOGIA MÉDICA TÉCNICAS DE IMAGEM POR ULTRA-SONS 31

8 CAMPO ACÚSTICO DE UM TRANSDUTOR P N Pressão acústica em função do ângulo medido em relação ao eixo p J X ) p ( 1 z X J 1 (X) Função de Bessel de 1ª ordem D X sen p z Pressão no eixo Vamos ver a evolução deste traçado com a alteração das dimensões da fonte INSTRUMENTAÇÃO PARA IMAGIOLOGIA MÉDICA TÉCNICAS DE IMAGEM POR ULTRA-SONS 3

9 CAMPO ACÚSTICO DE UM TRANSDUTOR INSTRUMENTAÇÃO PARA IMAGIOLOGIA MÉDICA TÉCNICAS DE IMAGEM POR ULTRA-SONS 33

10 CAMPO ACÚSTICO DE UM TRANSDUTOR INSTRUMENTAÇÃO PARA IMAGIOLOGIA MÉDICA TÉCNICAS DE IMAGEM POR ULTRA-SONS 34

11 INCIDÊNCIA NORMAL E INCIDÊNCIA ANGULAR A escolha entre inspecção por incidência normal e inspecção por incidência angular, depende em geral de duas considerações: Da orientação do objecto de interesse a inspeccionar o feixe deve ser dirigido de modo a produzir a maior reflexão a partir do objecto. Eventuais obstruções existentes na superfície da peça a a inspeccionar. INSTRUMENTAÇÃO PARA IMAGIOLOGIA MÉDICA TÉCNICAS DE IMAGEM POR ULTRA-SONS 35

12 CONTACTO VERSUS IMERSÃO Para máxima m transferência de energia, o ar existente entre o transdutor e o material a inspeccionar tem de ser removido. Acoplamento. Em inspecção por contacto, (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. Em inspecção por imersão, o material e o transdutor são colocados num banho de água. Esta configuração, permite deslocar o transdutor sobre a peça objecto de inspecção, mantendo sempre um acoplamento consistente. No teste por imersão, surge um eco adicional proveniente da superfície frontal da peça. 1 IP FWE BWE Defeito IP FWE BWE DE IP = Pulso Emissão FWE = Eco Frontal DE = Eco do Defeito BWE = Eco de Fundo INSTRUMENTAÇÃO PARA IMAGIOLOGIA MÉDICA TÉCNICAS DE IMAGEM POR ULTRA-SONS 36

13 APLICAÇÕES Caracterização de materiais e estruturas: Detecção e caracterização de defeitos: fissuras, inclusões, porosidade, etc. Avaliação de erosão e corrosão medição de espessuras (A-SCAN). Caracterização da microestrutura (estimação do tamanho de grão em metais). Inspecção da integridade de ligações em componentes soldados ou colados. Estimação da integridade de compósitos (delaminações após impacto) e plásticos (C-SCAN) Medicina: Tratamentos Fisioterapia diagnóstico de doenças realização de imagens (B-SCAN) (ecografias) INSTRUMENTAÇÃO PARA IMAGIOLOGIA MÉDICA TÉCNICAS DE IMAGEM POR ULTRA-SONS 37

14 REPRESENTAÇÃO A-SCANA 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). Amplitude do sinal Amplitude do sinal Time Objecto fissura Tempo INSTRUMENTAÇÃO PARA IMAGIOLOGIA MÉDICA TÉCNICAS DE IMAGEM POR ULTRA-SONS 38

15 REPRESENTAÇÃO B-SCAN B (TRANSDUTORES MULTI-ELEMENTO) Uma das características fundamentais dos agregados lineares é a possibilidade de permitirem a focalização do feixe ultra-sónico num ponto especifico através s da aplicação a cada um dos elementos do agregado sinais com atrasos devidamente calculados. Se for associado à focalização um varrimento sectorial podemos obter uma imagem tipo B-scan. Este processo de focalização e inclinação do feixe é chamado beamforming. Pulso eléctrico Atrasos variáveis D 1 D D 3 D 4 D 5 D 6 D 7 D 8 D 9 Array de transdutores Frente de onda focalizada INSTRUMENTAÇÃO PARA IMAGIOLOGIA MÉDICA TÉCNICAS DE IMAGEM POR ULTRA-SONS 39

16 REPRESENTAÇÃO B-SCAN B (TRANSDUTORES MULTI-ELEMENTO) Sistema de atrasos e soma de sinais ultra-sónicos usado no beamforming de agregados lineares. Diagrama de blocos de um sistema de imagiologia ultra-sónica baseado num agregado linear. INSTRUMENTAÇÃO PARA IMAGIOLOGIA MÉDICA TÉCNICAS DE IMAGEM POR ULTRA-SONS 40

17 REPRESENTAÇÃO B-SCAN B (TRANSDUTORES MULTI-ELEMENTO) Usando um transdutor multi-elemento, pode ser formada uma imagem -D designada por imagem modo B Sistema de imagem B-Scan X Transducer array X Y Y Computer display INSTRUMENTAÇÃO PARA IMAGIOLOGIA MÉDICA TÉCNICAS DE IMAGEM POR ULTRA-SONS 41

18 REPRESENTAÇÃO B-SCAN B (EXEMPLO) Imagem cardíaca aca quatro cavidades INSTRUMENTAÇÃO PARA IMAGIOLOGIA MÉDICA TÉCNICAS DE IMAGEM POR ULTRA-SONS 4

19 REPRESENTAÇÃO C-SCAN C (AMPLITUDE E TOF) A representação C-scan: visualização de uma secção da peça perpendicular ao feixe ultra-sónico. As representações (imagens) C-scan são produzidas com recurso a um sistema automático de aquisição de dados: varrimento por imersão. O uso do A-scan em associação com o C-scan é necessário quando se pretenda conhecer a profundidade. Sistema Three-axes com system 3 eixos Tanque com água Water tank INSTRUMENTAÇÃO PARA IMAGIOLOGIA MÉDICA TÉCNICAS DE IMAGEM POR ULTRA-SONS 43

20 REPRESENTAÇÃO C-SCAN C (AMPLITUDE E TOF) Exemplo: Imagens C-Scan: Compósitos Laminados sujeitos a Impacto Sequência das camadas: A) (0,90,0,90) s ; B) (0,90) 8 (i) impact of 1,5 J; (ii) impact of J;(iii) impact of,5 J (iv) impact of 3 J A B (i) (ii) (iii) (iv) INSTRUMENTAÇÃO PARA IMAGIOLOGIA MÉDICA TÉCNICAS DE IMAGEM POR ULTRA-SONS 44

21 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. INSTRUMENTAÇÃO PARA IMAGIOLOGIA MÉDICA TÉCNICAS DE IMAGEM POR ULTRA-SONS 45

22 LIMITAÇÕES As superfícies têm de estar acessíveis para a transmissão dos ultra-sons. Normalmente requer 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 heterogéneos são difíceis de inspeccionar. Materiais com estruturas de grão grosseiro são difíceis de inspeccionar devido 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. INSTRUMENTAÇÃO PARA IMAGIOLOGIA MÉDICA TÉCNICAS DE IMAGEM POR ULTRA-SONS 46