Um ângulo de feixe precisa de uma definição antes de um número
O “ângulo de feixe” costuma ser tratado como uma propriedade fixa, mas um transdutor não projeta um cone de borda rígida. A pressão acústica varia continuamente com a direção e a distância. Um ângulo de catálogo pode ser medido entre pontos de -3 dB, de -6 dB, outro limiar ou os primeiros nulos; pode descrever a pressão de transmissão, a sensibilidade de recepção ou uma resposta combinada de pulso-eco. Essas definições produzem números diferentes para o mesmo dispositivo.
Antes de comparar dois transdutores ultrassônicos, solicite o critério de nível, o ângulo completo ou semiângulo, o plano de medição, a distância, o meio, a frequência, a montagem, o alvo ou receptor, a excitação e o processamento de sinal. Sem essas condições, “15 graus” e “20 graus” podem não representar uma diferença real de desempenho.
O feixe é uma resposta espacial
Uma abertura ativa contém muitos pontos vibrantes. Suas ondas se combinam de forma construtiva e destrutiva no espaço. No eixo, as contribuições podem se reforçar. Fora do eixo, as diferenças de fase reduzem a soma e podem criar nulos e lóbulos laterais. O campo resultante depende do comprimento de onda em relação à abertura efetiva e da distribuição de amplitude e fase nessa abertura.
Um pistão circular simples, com vibração uniforme, é útil para entender tendências, mas um transdutor comercial também inclui elemento piezoelétrico, camadas de acoplamento, retaguarda, encapsulamento, face protetora, adesivo, curvatura, amortecimento e o limite imposto pela montagem. Esses elementos podem alterar a abertura efetiva e introduzir comportamento não axialmente simétrico. Use o modelo de pistão como estimativa e, depois, meça o conjunto final.
Não misture convenções de ângulo de feixe
| Convenção | Significado | Uso comum | Risco de comparação |
|---|---|---|---|
| Pontos de -3 dB | A resposta cai para um nível especificado relacionado à meia potência, segundo a convenção de amplitude adotada | Relatórios no estilo de largura de banda e algumas fichas técnicas de sensores | A grandeza pode ser pressão, tensão, intensidade ou resposta combinada |
| Pontos de -6 dB | A resposta cai para metade da amplitude quando expressa como razão logarítmica de amplitude de 20 | Muitos gráficos de feixe ultrassônico e convenções de END | Não é intercambiável com -3 dB nem com um limiar de detecção |
| Ângulo do primeiro nulo | Direção do primeiro mínimo teórico ou medido ao lado do lóbulo principal | Teoria de abertura e estimativas de espalhamento do feixe | É muito mais largo que um feixe de meia potência e sensível ao comportamento real da abertura |
| Ângulo de detecção | Região angular em que um alvo especificado é detectado em um limiar declarado | Aplicações de detecção de objetos | Inclui tamanho do alvo, refletividade, alcance, ganho, limiar e processamento |
Sempre informe se o valor é o ângulo completo entre dois pontos simétricos ou o semiângulo do eixo até um ponto. Um ângulo completo de -6 dB de 20 graus e um semiângulo de -6 dB de 20 graus diferem por um fator de dois.
Frequência, comprimento de onda e abertura definem a tendência básica
O comprimento de onda é a velocidade do som no meio dividida pela frequência. Para o mesmo meio e a mesma abertura, aumentar a frequência encurta o comprimento de onda e, em geral, estreita o lóbulo principal. Aumentar a abertura efetiva na mesma frequência também tende a estreitá-lo. Por outro lado, uma abertura pequena em relação ao comprimento de onda produz um feixe mais amplo.
Essa tendência não é uma regra completa de seleção. Uma frequência mais alta pode sofrer maior atenuação no meio ou através de estruturas protetoras, enquanto uma abertura maior aumenta o tamanho do conjunto e pode estender a região de campo próximo. A frequência de operação real do transdutor pode se deslocar com a carga acústica e a montagem. Temperatura e composição do gás alteram a velocidade do som e, portanto, o comprimento de onda.
As expressões analíticas frequentemente contêm um coeficiente multiplicado pelo comprimento de onda e dividido pela abertura. O coeficiente muda conforme o critério de feixe e o modelo de abertura escolhidos. Usar um coeficiente do primeiro nulo para prever um ângulo de -6 dB é um erro de definição, não apenas uma aproximação. Para aberturas retangulares, as larguras de feixe diferem nos dois planos principais.
Campo próximo: por que um cone bem definido engana perto da face
Perto do transdutor, as ondas oriundas de diferentes partes da abertura interferem por trajetos que mudam rapidamente. Essa região de Fresnel, ou campo próximo, pode conter máximos e mínimos locais; a pressão não diminui simplesmente de forma suave com a distância. Para um pistão circular simples, uma estimativa de campo próximo muito usada é proporcional ao quadrado do diâmetro da abertura dividido pelo comprimento de onda. O limite exato e o padrão medido dependem da abertura real e da definição adotada.
No campo distante, o padrão angular se torna mais estável e o lóbulo principal se espalha. Um alvo colocado dentro ou próximo da transição pode apresentar grandes variações devido a um pequeno deslocamento. Portanto, um ângulo de feixe medido a uma curta distância não deve ser projetado automaticamente para longo alcance. Um sensor de distância também possui uma região cega prática, determinada pela ressonância residual e pela recuperação do receptor, que difere do campo próximo acústico, embora as duas regiões possam se sobrepor.
Lóbulos laterais criam detecções fora do eixo
A interferência destrutiva cria nulos, mas a interferência construtiva pode reaparecer mais distante do eixo como lóbulos laterais. Um lóbulo lateral pode detectar uma parede de tanque, suporte, tubulação, meio-fio ou estrutura de máquina fora do lóbulo principal. Aumentar o limiar pode suprimir alguns ecos fracos de lóbulos laterais, mas também pode eliminar o alvo fraco pretendido. Defletores mecânicos ou corneta acústica podem remodelar o campo, ao mesmo tempo que acrescentam ressonâncias ou sensibilidade ambiental.
Um ângulo de feixe estreito destacado não garante níveis baixos de lóbulos laterais. Solicite um gráfico de resposta angular em uma faixa suficientemente ampla e na frequência relevante. Para detecção de objetos, teste o encapsulamento completo e as estruturas próximas, pois uma moldura ou rebaixo pode refletir e difratar o som.
O alvo altera a zona de detecção aparente
Uma chapa plana grande, normal ao eixo, devolve mais energia do que um objeto pequeno, macio, inclinado, curvo, poroso ou irregular. Um alvo pode estar dentro do lóbulo principal e ainda não ser detectado, ou estar fora do ângulo nominal e mesmo assim produzir um eco especular ou de lóbulo lateral. Alcance, atenuação atmosférica, turbulência, gradientes de temperatura, movimento da superfície, ganho, ganho variável no tempo e limiar influenciam a zona observada.
Na medição de nível, uma superfície líquida calma difere de espuma, de uma pilha granular inclinada ou de uma superfície com estruturas internas próximas. Na detecção de estacionamento, uma parede difere de um poste ou meio-fio. Em um sistema de transmissão direta, a grandeza relevante pode ser o acoplamento entre transmissor e receptor, e não o eco de um alvo. O alvo de teste deve representar a decisão da aplicação.
Como medir a resposta angular
- Defina se o teste é de transmissão, recepção, transmissão direta ou pulso-eco e especifique a grandeza de resposta.
- Escolha o meio e a temperatura e documente a velocidade do som ou os dados usados para determiná-la.
- Monte o transdutor em seu encapsulamento final ou representativo em um dispositivo de rotação rígido, com o centro acústico referenciado ao eixo de rotação.
- Use um receptor calibrado ou um alvo definido a uma distância controlada. Selecione uma distância e uma janela temporal que separem a chegada desejada das reflexões do dispositivo e da sala.
- Fixe frequência, forma de onda, tensão nos terminais, número de ciclos, ganho de recepção, largura de banda, filtragem, janela e limiar.
- Varra o ângulo com passo declarado, ao menos nos planos principais exigidos. Repita o ponto no eixo durante o ensaio para detectar deriva.
- Normalize somente depois de preservar a resposta absoluta ou bruta. Relate o critério, o ângulo completo ou semiângulo, nulos, lóbulos laterais, distância e incerteza.
O guia de testes de transdutores ultrassônicos apresenta uma estrutura mais ampla para dispositivo, forma de onda, repetibilidade e aceitação. O material da NDE-Ed sobre campos irradiados e espalhamento do feixe do transdutor ilustra as relações entre abertura, campo próximo e divergência. Aplique suas fórmulas somente com as premissas e definições declaradas.
Selecione o feixe a partir do cenário, não da ideia de que “mais estreito é melhor”
| Necessidade da aplicação | Implicação para o feixe | Outra condição a verificar |
|---|---|---|
| Isolar um alvo pequeno entre estruturas próximas | Um lóbulo principal mais estreito e lóbulos laterais controlados podem ajudar | Refletividade do alvo, tolerância de alinhamento, vibração e tamanho da abertura |
| Cobrir uma zona ampla de detecção | Uma resposta mais ampla pode reduzir a sensibilidade ao apontamento | Múltiplos ecos, lógica de limiar e rejeição de alvos falsos |
| Medição de distância de longo alcance | A diretividade pode concentrar energia | Atenuação, limites de excitação, ruído do receptor, alvo e gradientes ambientais |
| Abertura pequena de tanque ou tubo vertical | O feixe deve ultrapassar o gargalo e os acessórios internos | Campo próximo, ressonância residual, condensação, geometria do bocal e ecos de parede |
| Sensoriamento pareado por transmissão direta | Os padrões de transmissão e recepção devem se sobrepor dentro da tolerância de montagem | Repetibilidade do dispositivo, atraso do cabo, temperatura e deslocamento mecânico |
Para selecionar produtos de medição de distância, combine os dados do feixe com o guia de alcance e frequência para sensores ultrassônicos de distância e o guia de transdutores de distância de 14 kHz a 400 kHz. Para medições no ar afetadas pela temperatura, consulte também o guia de compensação de temperatura para medição ultrassônica de distância; para trabalho subaquático, consulte o guia de seleção de frequência para transdutores de profundidade subaquáticos. Frequência, alcance, feixe, zona cega, invólucro, saída e alvo devem ser selecionados como um único sistema.
Informações a solicitar ao fornecedor
- Gráficos angulares nos planos requeridos, e não apenas um único ângulo.
- Definição do nível de resposta, ângulo completo ou semiângulo, frequência, meio, temperatura, distância e montagem.
- Método de medição de transmissão, recepção ou combinado, e alvo ou receptor de referência.
- Largura do lóbulo principal, primeiros nulos, níveis relevantes de lóbulos laterais, variação entre amostras e tolerância.
- Efeitos do encapsulamento final, face protetora, corneta, rebaixo, cabo e torque de montagem.
- Dados brutos ou relatório de teste quando o feixe for um parâmetro crítico de aceitação.
Perguntas frequentes
Uma frequência mais alta sempre produz um feixe mais estreito?
Para a mesma abertura efetiva e o mesmo meio, ela geralmente estreita o lóbulo principal, mas o conjunto final, os modos, a carga, a atenuação e a frequência de operação podem alterar o resultado. Meça o projeto concluído.
Campo próximo é o mesmo que zona cega?
Não. Campo próximo descreve a interferência espacial perto de uma abertura. Zona cega é a região mínima de medição utilizável produzida por ressonância residual, comutação, recuperação do receptor, limiar, alvo e geometria. Elas podem se sobrepor, mas não são idênticas.
É possível calcular o ângulo de feixe pela frequência e pelo diâmetro?
Um modelo pode estimar um critério específico para uma abertura presumida, mas não consegue representar todo encapsulamento, modo, camada de acoplamento ou lóbulo lateral. Informe o modelo e a definição e, em seguida, verifique por medição.
Por que um alvo é detectado fora do ângulo especificado?
A especificação pode usar outro critério de nível, enquanto o alvo real pode retornar por lóbulos laterais, difração ou reflexões próximas. O ganho e o limiar de detecção também expandem ou contraem a zona prática de detecção.
Defina o feixe necessário para a análise de engenharia
Para analisar uma aplicação com a Deep Minds Ultrasonic, envie o meio, a faixa de frequência, as dimensões e o material do alvo, as distâncias mínima e máxima, o campo de visão permitido, as estruturas próximas, a abertura de montagem, o encapsulamento, a temperatura, as configurações de transmissão e recepção, o critério de feixe necessário, o método de teste e a quantidade. Um cenário de alvo e uma definição de aceitação são mais acionáveis do que pedir apenas o transdutor “mais estreito”.