BR112017008819B1 - Transdutor acústico eletromagnético, e, método para excitar vibrações ultrassônicas - Google Patents

Abstract

transdutor acústico eletromagnético, e, método para excitar vibrações ultrassônicas. um transdutor acústico eletromagnético (4) inclui um guia de fluxo (8) circundada por um ou mais ímãs permanentes (10) em contiguidade com faces laterais do guia de fluxo (8). o campo magnético dos ímãs permanentes (10) entra no guia de fluxo (8), em que a repulsão entre os campos magnéticos direciona pelo menos uma porção dos campos magnéticos em direção a uma face de teste em contiguidade com um objeto de teste (2). a densidade de fluxo na face de teste é maior que a densidade de fluxo dentro dos ímãs permanentes de origem (10). uma porção ativa de uma bobina (12) disposta entre o guia de fluxo (8) e o objeto de teste contém condutores que são substancialmente retos, paralelos e portam uma corrente na mesma direção a fim de fornecer excitação substancialmente de modo puro e polarizada de modo unidirecional de ondas de cisalhamento dentro do objeto de teste.

Description

[001] Essa descrição refere-se ao campo de transdutores acústicos eletromagnéticos.

[002] O teste ultrassônico convencional exige o uso de fluido de acoplamento entre o transdutor e a estrutura de teste. Os transdutores acústicos eletromagnéticos (EMATs) são atrativos, visto que não exigem fluidos de acoplamento, ou até mesmo contato direto, entre o transdutor e o objeto de teste. Tais características são vantajosas quando, por exemplo, o monitoramento pela corrosão durante a detecção através de camadas de proteção de corrosão (como tinta) é exigido. Entretanto, essas vantagens de EMATs são acompanhadas pela desvantagem de que EMATs têm tipicamente uma sensibilidade baixa. Para abordar essa sensibilidade baixa, uma abordagem é usar os sinais de excitação de potência e tensões de excitação altas dentro dos EMATS. Entretanto, essa abordagem pode não ser possível por questões de segurança em algumas instalações.

[003] Vista a partir de um aspecto, a presente descrição fornece um transdutor acústico eletromagnético para excitar vibrações ultrassônicas dentro de um objeto de teste, em que o dito transdutor acústico eletromagnético compreende: pelo menos um ímã configurado para gerar um campo magnético; um guia de fluxo que tem uma face de teste para ser colocada contra o dito objeto de teste, em que o dito guia de fluxo é conformada para receber o dito campo magnético do dito pelo menos um ímã e para direcionar o dito campo magnético de modo que a repulsão entre as linhas de campo magnético dentro de dito guia de fluxo direcione pelo menos parte do dito campo magnético em direção à dita face de teste; e uma bobina elétrica que compreende pelo menos: uma porção ativa da dita bobina elétrica disposta para cobrir a dita face de teste, em que dentro dos ditos condutores da porção ativa da dita bobina elétrica são substancialmente paralelos, retos e portam uma corrente em uma mesma direção, e uma porção adicional de dita bobina elétrica não disposta sobre dita face de teste, em que nos condutores da porção ativa adicional da dita bobina elétrica portam corrente em uma direção diferente para os condutores na porção ativa.

[004] A presente descrição reconhece que a sensibilidade do transdutor acústico eletromagnético pode ser melhorada se a densidade de fluxo na face de teste for aumentada em algumas modalidades, em que a densidade de fluxo na face de teste pode ser maior que o dobro da densidade de fluxo com o ímã (ou ímãs). Os ímãs permanentes convencionais são limitados na densidade de fluxo em que podem gerar individualmente. A presente descrição reconhece que usar um guia de fluxo apropriadamente conformada que recebe o campo magnético a partir dos um ou mais ímãs pode resultar em uma amplificação da densidade de fluxo na face de teste devido à repulsão entre linhas de campo magnético que direcionam o campo magnético em direção à face de teste.

[005] A excitação das ondas acústicas pelo transdutor é alcançada com uso de uma bobina elétrica com pelo menos parte dessa bobina elétrica disposta sobre a face de teste. Dentro da porção ativa da bobina entre a face de teste e o objeto de teste, o condutor da bobina elétrica é substancialmente paralelo, reto e porta corrente em uma mesma direção. Isso pode produzir ondas ultrassônicas de polaridade única (por exemplo, ondas de cisalhamento polarizadas em uma direção). Isso melhora a pureza de modo. A pureza de modo melhorada (por exemplo, um modo único excitado) pode fazer o processamento e a interpretação de sinais retornados de modo mais direto (por exemplo, evita ambiguidade e uma redução na resolução devido aos sinais de sobreposição recebidos correspondentes a modos diferentes (por exemplo, modos longitudinal e de onda de cisalhamento) recebidos ao mesmo tempo).

[006] As modalidades exemplificativas que foram constatadas como fornecendo desempenho satisfatório (por exemplo, sensibilidade) são aquelas nas quais a bobina elétrica é uma bobina borboleta que compreende duas bobinas espirais adjacentes enroladas em direções opostas. Tal bobina borboleta pode estar convenientemente localizada entre o guia de fluxo e o objeto de teste de modo que uma porção mediana da bobina borboleta entre as bobinas espirais adjacentes esteja disposta diretamente entre a face de teste e o objeto de teste. Isso pode permitir a geração de ondas de ultrassom com uma pureza de modo alto.

[007] As dimensões do guia de fluxo em relação ao ímã (ou ímãs) são importantes para dotar um campo magnético forte de um transdutor compacto. A face de teste tem dimensões de modo que um menor raio de um círculo que contém totalmente uma projeção da face de teste em um plano normal para uma direção média de linhas de fluxo magnético que passam através da face de teste seja Ra. O ímã (ou ímãs) tem dimensões de modo que um menor raio de um círculo que contém totalmente um projeto do ímã (ou ímãs) no plano seja Rb e Ra/Rb esteja na faixa de 0,2 a 0,8, ou algumas modalidades estejam na faixa de 0,45 a 0,55.

[008] O valor de Ra pode estar convenientemente na faixa de 2,5 mm a 25 mm ou, nas mesmas modalidades, 5 mm a 10 mm.

[009] A altura H do guia de fluxo normal ao plano pode estar na faixa de 0,2 a 10Ra. Um desempenho satisfatório com um tamanho compacto pode ser alcançado quando H está na faixa de Ra a 4Ra ou na faixa de 5 mm a 50 mm.

[0010] Há uma variedade ampla de geometrias possíveis diferentes para o pelo menos um ímã e o guia de fluxo. Um grau desejável de amplificação na densidade de fluxo magnética na face de teste pode ser alcançado em algumas modalidades exemplificativas nas quais o pelo menos um ímã tem uma ou mais faces de ímã proximais ao guia de fluxo e o campo magnético passa entre as uma ou mais faces de ímã e do guia de fluxo em respectivas direções que são não normais para a face de teste. Tal disposição facilita a concentração do campo magnético em torno da face de teste.

[0011] Em algumas modalidades exemplificativas, as direções do normal para as faces de ímã podem estar dentro de uma faixa de 90 graus a 15 graus de um normal para a face de teste. Tal faixa de ângulos fornece uma geometria que rende uma amplificação útil na densidade de fluxo magnética. Em outras modalidades exemplificativas nas quais a amplificação é maior, as direções nas quais o campo magnético passa dos ímãs para o guia de fluxo podem estar dentro de uma faixa de 90 graus a 30 graus de um normal para a face de teste. As modalidades exemplificativas adicionais, nas quais uma amplificação vantajosa na densidade de fluxo se equilibrou contra uma forma compacta é particularmente forte, são aquelas nas quais as direções nas quais a linhas de campo magnético entram no guia de fluxo substancialmente perpendiculares a um normal para a face de teste.

[0012] Será notado que o guia de fluxo pode ter uma variedade de formas diferentes. Será possível para o guia de fluxo ter um formato de um cilindro com o ímã como um ímã único formado como um espaço anular que circunda esse cilindro. Em outras modalidades, o guia de fluxo tem o formato de um prisma ou tronco e a face de teste é uma fase de base poligonal desse prisma ou tronco. O guia de fluxo não é limitado ao formato de um prisma reto, prismas oblíquos, pirâmides e troncos também são possíveis; exemplos incluem prismas retos e triangulares oblíquos, por meio de pirâmides de base quadrada ou poligonal até troncos de base poligonal no limite que se aproxima de um cone afunilado. A face de base do guia de fluxo pode ter, em algumas modalidades, N bordas, em que N está na faixa 4 a 8.

[0013] Com tal disposição, o pelo menos um ímã pode ser convenientemente fornecido como uma pluralidade de ímãs com respectivas faces de pólo e o prisma ou tronco dotados de uma pluralidade de faces laterais que unem a face de teste com pelo menos algumas das faces de pólo dos ímãs em contiguidade com pelo menos algumas das faces laterais do prisma ou tronco. A mesma polaridade do pólo dos ímãs pode estar em contiguidade com todas as faces laterais do prisma ou tronco.

[0014] Uma densidade de fluxo aumentada na face de teste pode ser alcançada quando cada uma dentre a pluralidade de faces laterais estiver em contiguidade com uma das faces de pólo. A geometria e a formação do transdutor de modo a obter um campo regular podem ser melhoradas quando o prisma for um prisma reto.

[0015] Enquanto for notado que a face poligonal pode ter a forma de uma variedade ampla de polígonos regulares ou irregulares diferentes, algumas modalidades exemplificativas que fornecem um equilíbrio satisfatório entre desempenho e complexidade são aqueles nos quais a face de teste é um quadrilátero e o prisma é um cuboide. A simetria e a regularidade podem ser melhoradas quando a face de teste for um quadrado.

[0016] Uma embalagem conveniente do transdutor geral que possibilita a implantação simplificada e fixação do transdutor pode ser alcançada em modalidades exemplificativas nas quais uma área total ocupada pela bobina elétrica é contida dentro de uma área de corte transversal total ocupada pelo transdutor acústico eletromagnético projetado normalmente no objeto de teste. Nessa maneira, a bobina não se projeta além do transdutor e pode ser protegida e mantida dentro do corpo de transdutor em si.

[0017] A robustez contra o ruído e/ou o desempenho do transdutor podem ser melhorados em algumas modalidades exemplificativas fornecendo- se um protetor capacitivo disposto entre a bobina elétrica e o objeto de teste. Tal protetor capacitivo pode servir para bloquear pelo menos parcialmente um campo elétrico e passar substancialmente todos dentre um campo magnético dinâmico da bobina na transmissão e a partir de correntes parasitas mediante recepção. Nessa maneira, o campo magnético desejado pode ser passado e usado para excitar as vibrações ultrassônicas desejadas e tensões desejadas na bobina, enquanto um campo elétrico que pode introduzir o ruído no sistema é atenuado.

[0018] O protetor capacitivo pode ser formado como uma placa condutiva que tem um ou mais cortes na mesma, com aqueles cortes posicionados de modo a reduzir a indução de correntes parasitas na placa condutiva pela bobina elétrica. A forma da bobina elétrica controlará a direção de quaisquer correntes parasitas induzidas e os cortes podem ser posicionados em relação à bobina elétrica de modo a inibir a geração de correntes parasitas na placa condutiva.

[0019] O protetor capacitivo também pode servir, em algumas modalidades exemplificativas, como uma placa de desgaste que serve para proteger a bobina elétrica a qual pode ser um ambiente de implantação rígida.

[0020] O transdutor acústico eletromagnético de pelo menos algumas modalidades exemplares pode ser mantido no objeto de teste por um ou mais dentre a atração magnética entre o guia de fluxo/ímã (ou ímãs) e o objeto de teste, uma estrutura de preensão resiliente que acomoda a afixação a um objeto de teste não plano e uma prensa que circula um objeto de teste que é um cano. Na prática, a atração magnética forte entre um transdutor acústico eletromagnético em conformidade com os presentes conjuntos de procedimentos e um objeto de teste adequado simplifica de modo significante a fixação do transdutor ao objeto de teste e auxilia em resistir o deslocamento pelo qual o deslocamento do transdutor, de modo que a face de teste não esteja mais em contato próximo com o objeto de teste, pode ser resistido.

[0021] Um alojamento que circunda o guia de fluxo e o ímã (ou ímãs) pode ser “transparente” para o fluxo magnético, por exemplo, tem uma permeabilidade magnética menor que 2μo, em que μo é a permeabilidade de espaço livre.

[0022] Visto a partir de outro aspecto, a presente descrição fornece um transdutor acústico eletromagnético para excitar vibrações ultrassônicas dentro de um objeto de teste, em que o dito transdutor acústico eletromagnético compreende: pelo menos um ímã configurado para gerar um campo magnético; e um guia de fluxo que tem uma face de teste para ser colocada contra o dito objeto de teste, em que o dito guia de fluxo é conformada para receber o dito campo magnético do dito pelo menos um ímã e para direcionar o dito campo magnético de modo que a repulsão entre as linhas de campo magnético dentro de dito guia de fluxo direcione pelo menos parte do dito campo magnético em direção à dita face de teste; em que a dita face de teste tem dimensões de modo que um menor raio de um círculo que contém totalmente uma projeção da dita face de teste em um plano normal para uma direção média de linhas de campo magnético que passa através da dita face de teste seja Ra; o dito pelo menos um ímã tem dimensões de modo que um menor raio de um círculo que contém totalmente uma projeção do dito pelo menos um ímã no dito plano seja Rb; e Ra/Rb esteja na faixa de 0,2 a 0,8.

[0023] Visto a partir de um aspecto adicional, a presente descrição fornece um método de excitar vibrações ultrassônicas dentro de um objeto de teste com uso de um transdutor acústico eletromagnético, em que o dito método compreende as etapas de: colocar um guia de fluxo com uma face de teste contra o dito objeto de teste; gerar um campo magnético com pelo menos um ímã; receber no dito guia de fluxo o dito campo magnético do dito pelo menos um ímã; e direcionar o dito campo magnético dentro de dito guia de fluxo de modo que a repulsão entre linhas de campo magnético direcione pelo menos parte do dito campo magnético em direção à dita face de teste; dispor pelo menos uma porção ativa de uma bobina elétrica disposta para cobrir a dita face de teste, em que dentro dos ditos condutores da porção ativa da dita bobina elétrica são substancialmente paralelos, retos e portam uma corrente em uma mesma direção.

[0024] As modalidades exemplificativas da presente descrição serão descritas agora, apenas a título de exemplo, com referência aos desenhos anexos nos quais: A Figura 1 ilustra esquematicamente um transdutor acústico eletromagnético fixado a um objeto de teste na forma de um cano dentro de um sistema para realizar monitoramento remoto daquele cano (por exemplo, monitoramento de corrosão e/ou detecção de defeito); A Figura 2 é um diagrama que ilustra esquematicamente uma vista em perspectiva parcialmente transparente de um transdutor acústico eletromagnético; A Figura 3 é um diagrama que ilustra esquematicamente uma vista em recorte através do transdutor da Figura 2; A Figura 4 ilustra esquematicamente uma pluralidade de ímãs, um guia de fluxo e uma bobina para uso em um transdutor; A Figura 5 ilustra esquematicamente as linhas de campo magnético dentro do transdutor da Figura 2; A Figura 6A ilustra esquematicamente os ângulos diferentes nos quais as linhas de campo magnético podem inserir o guia de fluxo em relação ao normal para a face de teste; A Figura 6B ilustra esquematicamente a limitação da distância entre a face de teste do guia de fluxo e a face de contato entre o ímã (ou ímãs) e o guia de fluxo; A Figura 7 ilustra esquematicamente vários cortes transversais de prisma ou tronco de guia de fluxo exemplificativos; As Figuras 8A, 8B e 8C ilustram esquematicamente uma bobina borboleta, uma bobina em formato de D e uma bobina em formato de pista, respectivamente; A Figura 9 ilustra esquematicamente um protetor capacitivo para uso entre um objeto de teste e a bobina borboleta da Figura 8; As Figuras 10 a 18 ilustram esquematicamente o trajeto de linhas de campo magnético e a densidade de fluxo magnética na face de teste para guias de fluxo de uma variedade de alturas diferentes e com o campo magnético que passa entre o ímã permanente e o guia de fluxo em uma variedade de ângulos diferentes do normal para a face de teste; e As Figuras 19, 20 e 21 ilustram esquematicamente o comportamento diferente durante a excitação de sinais de modo puro e de não modo puro com formas diferentes de bobinas.

[0025] A Figura 1 ilustra esquematicamente um objeto de teste exemplificativo 2, na forma de um cano de aço, o qual deve ser submetido ao monitoramento de corrosão interna, detecção de defeitos e semelhantes com uso de um transdutor acústico eletromagnético 4 mantido na superfície do cano 2 por um ou mais dentre atração magnética, preensão resiliente à superfície curvada do cano 2 e/ou uma prensa de circulação que passa em torno do cano 2. O transdutor 4 é alimentado por bateria (rede de energia elétrica ou colheita de energia também podem ser usados) e está em comunicação sem fio com um sistema de monitoramento remoto 6, o qual recebe e interpreta os resultados dos testes ultrassônicos periodicamente realizados pelo transdutor 4 mediante o cano 2. O cano 2 pode ter um revestimento eletricamente não condutivo de modo a inibir a corrosão externa. Por exemplo, o cano 2 pode ser pintado com tal revestimento. O transdutor acústico eletromagnético 4 pode excitar e detectar sinais ultrassônicos dentro do cano 2 independente desse revestimento não condutivo.

[0026] Será entendido que o transdutor acústico eletromagnético 4 não é limitado ao uso em monitoramento remoto, por exemplo, também pode ser usado com propósitos de inspeção padrão ou outros usos.

[0027] A Figura 2 é uma vista em perspectiva parcialmente transparente do transdutor 4. O transdutor 4 inclui um guia de fluxo 8 circundada por uma pluralidade de ímãs permanentes fortes 10. Uma bobina borboleta 12 é disposta entre uma face de teste na base do guia de fluxo 8 e do objeto de teste 2. Um protetor capacitivo 14 (que consiste em uma placa condutiva com cortes) é disposto entre a bobina borboleta 12 e o objeto de teste. O protetor capacitivo 14 serve para passar campos magnéticos e atenuar campos elétricos. O protetor capacitivo 14 também serve como uma placa de desgaste para resistir o dano à bobina borboleta 12. O transdutor é contido dentro de um alojamento 9 que tem uma permeabilidade magnética μ em que μ é menor que 2 μo e μo é a permeabilidade de espaço livre. O alojamento 9 tem, desse modo, um impacto baixo mediante o campo magnético.

[0028] Será visto a partir da Figura 2 que a bobina borboleta 12 ocupa uma área que é contida dentro de uma área de corte transversal total ocupada pelo transdutor 4 projetada normalmente no objeto de teste 2. Desse modo, a bobina elétrica 12 pode ser completamente contida dentro do transdutor 4 e protegida pelo corpo de transdutor. Também é possível que, em outras modalidades, a bobina elétrica 12 possa se estender fora da disposição de ímã e do corpo de transdutor.

[0029] Os ímãs permanentes 10 e o guia de fluxo 8, nessa modalidade exemplificativa, têm uma altura de 40 mm e uma largura de 20 mm. Conforme será notado, outras dimensões podem ser usadas e tipicamente a altura das guias de fluxo e dos ímãs será maior ou igual a 0,001 metros e menor ou igual a 0,1 metros.

[0030] A Figura 3 é um diagrama de recorte parcial do transdutor 4 da Figura 2. Conforme será visto na Figura 3, o guia de fluxo 8 compreende um prisma reto com uma face poligonal quadrada que forma a face de teste 11 que é colocada contra o objeto de teste 2 (embora possa haver estruturas de intervenção, como a bobina 12 e o protetor capacitivo 14). A face de teste 11 pode, em algumas modalidades, ser a projeção do corte transversal de guia de fluxo no objeto de teste. Os ímãs permanentes 10 têm faces de ímã que estão em contiguidade com as faces laterais do guia de fluxo 8, de modo que o campo magnético nessa modalidade exemplificativa passe dos ímãs permanentes 10 para o guia de fluxo 8 através de uma face com um normal que é substancialmente perpendicular ao normal para a face de teste 11. A maioria das linhas de campo magnético deixa o guia de fluxo 8 através da face de teste 11 e, então, entra no objeto de teste 2.

[0031] O guia de fluxo 8 tem dimensões de modo que um menor raio de um círculo que contém totalmente uma projeção da face de teste 11 em um local normal para a direção média de linhas de campo magnético que passam através da face de teste seja Ra (conforme mostrado). Ra pode estar na faixa de 2,5 mm a 25 mm ou, em algumas modalidades, 5 mm a 10 mm. Os ímãs 10 têm dimensões de modo que um menor raio de um círculo que contém totalmente uma projeção dos ímãs 10 seja Rb e Ra/Rb está na faixa de 0,2 a 0,8 ou, em algumas modalidades, na faixa de 0,45 a 0,55.

[0032] O guia de fluxo 8 pode ser feito de um material magnético suave, como ferro ou ferro laminado, de modo a reduzir correntes parasitas em sua superfície devido à bobina. Os ímãs permanentes 10 podem ser ímãs fortes que podem ter densidades de fluxo magnético em excesso de 1 Tesla. Conforme será visto, nessa modalidade exemplificativa, todos os ímãs permanentes são dispostos de modo que seus pólos inferiores façam contato com o guia de fluxo 10. O campo magnético que entra no guia de fluxo 8 a partir de cada um dentre os ímãs permanentes 10 será consequentemente repelido do campo magnético (ou campo magnéticos) que entra a partir do restante dos ímãs 10. Isso tem o efeito de direcionar os campos magnéticos em direção à face de teste 11 (ou pelo menos parte dos campos magnéticos) em uma maneira que resulta em um aumento na densidade de fluxo na face de teste 11 acima daquela dentro dos ímãs permanentes 10 sozinhos. Na prática, uma amplificação da densidade de fluxo aproximadamente da ordem de x3 pode ser alcançada. Isso melhora a sensibilidade do transdutor acústico eletromagnético 4 cuja sensibilidade pode ser aproximadamente proporcional ao quadrado da densidade de fluxo na face de teste.

[0033] Será notado que o transdutor 4 conterá tipicamente muitos componentes eletrônicos para acionar a bobina 12 assim como receber os sinais na bobina 12. Esses componentes eletrônicos foram omitidos a partir das Figuras presentes por questões de clareza, mas podem tomar uma forma substancialmente convencional, conforme será familiar para aqueles no campo de transdutores acústicos eletromagnéticos.

[0034] A face de teste nessa modalidade exemplificativa compreende a face poligonal quadrada na base do guia de fluxo 8. Uma diagonal através dessa face de teste quadrada representa a maior dimensão da face de teste. Os presentes conjuntos de procedimentos podem ser usados com transdutores de uma variedade de escalas diferentes e tipicamente a face de teste terá uma dimensão máxima (por exemplo, diagonal) que reside na faixa maior ou igual a 0,001 metro e menor ou igual a 0,1 metro. Em algumas modalidades, essa dimensão (2Ra) pode estar na faixa 5 mm a 50 mm ou na faixa de 10 mm a 20 mm.

[0035] A Figura 4 ilustra esquematicamente uma vista em perspectiva dos ímãs permanentes 10, o guia de fluxo 8 e a bobina 12 que formam parte  do transdutor 4. Conforme mostrado nesse exemplo, as faces laterais do guia de fluxo 10 estão em contiguidade com um pólo sul de um ímã permanente 10. A repulsão entre as linhas de campo magnético que entram no guia de fluxo 8 a partir dos ímãs permanentes 10 serve para direcionar pelo menos uma porção dessas linhas de campo magnético em direção à face de teste na extremidade do guia de fluxo 10 que está em contiguidade com o objeto de teste 2. A bobina borboleta 12 está disposta entre essa face de teste e o objeto de teste 2. A altura H do guia de fluxo 8 pode estar na faixa de 0,2Ra a 10Ra e, em algumas modalidades, na faixa de Ra a 4Ra ou na faixa de 5 mm a 50 mm.

[0036] A Figura 5 ilustra esquematicamente um corte transversal através do transdutor 4 e o objeto de teste 2 que ilustra o trajeto de linhas de campo magnético que entram no guia de fluxo 8 a partir de dois ímãs permanentes 10 dispostos mediante lados opostos do guia de fluxo 8. Conforme será visto, as faces de ímã são substancialmente perpendiculares ao normal da face de teste na base do guia de fluxo 8. As linhas de campo magnético que entram a partir de lados opostos do guia de fluxo 8 se repelem e são direcionados para a face de teste para que possam entrar no objeto de teste 2. O objeto de teste 2 fornece um trajeto de retorno para as guias de campo magnético para seus respectivos ímãs 10. O trajeto de retorno através do objeto de teste 2 pode fornecer um trajeto de retorno preferencial dependendo das propriedades magnéticas pelo material do qual o objeto de teste 2 é formado e a geometria do objeto de teste 2 (por exemplo, um cano de aço que forma o objeto de teste 2 pode fornecer um trajeto de retorno pronto para as linhas de campo magnético). A geometria do transdutor 4 se dá de modo que uma resistência relativamente alta ao deslocamento do transdutor 4 (ímãs) da superfície do objeto de teste 2 seja fornecida. Desse modo, um distúrbio menor do transdutor 4 a partir de um contato ideal com o objeto de teste 2 não tem um efeito negativo indevido mediante o desempenho do transdutor 4, por exemplo, sua sensibilidade. Isso torna o desempenho do transdutor 4 menos sensível ao uso em objetos de teste curvados, por exemplo, canos com diâmetros diferentes/pequenos. Isso é ilustrado na Figura 6B, conforme discutido abaixo.

[0037] A Figura 6A ilustra esquematicamente um corte transversal através de um guia de fluxo 8 e um ímã 10 em um lado de um eixo geométrico central 16 do guia de fluxo 8. Esse exemplo ilustra como a face lateral 18 do guia de fluxo 8 na qual a face de ímã do ímã 10 é colocada pode ter um normal com um ângulo para o normal da face de teste 20 que reside dentro de uma faixa de ângulos. Conforme ilustrado, o desempenho aceitável pode ser alcançado quando o ângulo reside na faixa maior ou igual a 15 graus ou menor ou igual a 90 graus. O desempenho melhor é alcançado quando esse ângulo é maior ou igual a 30 graus ou menor ou igual a 90 graus. Um ângulo de substancialmente 90 graus é conveniente para fabricação e embalagem e está em conformidade com a modalidade exemplificativa ilustrada nas Figuras 2, 3, 4 e 5.

[0038] A Figura 6B ilustra esquematicamente um corte transversal através do guia de fluxo 8 e do ímã (ou ímãs) 10. A fim de reduzir a suscetibilidade ao “deslocamento” do transdutor 4 a partir do objeto de teste 2 que reduz o desempenho (densidade de fluxo na face de teste 20), a distância entre a face de teste 20 e o contato entre o ímã (ou ímãs) 10 e o guia de fluxo 8 pode ser limitada para ser menor ou igual a 6 mm.

[0039] Será notado que o guia de fluxo 8 pode ter a forma de um prisma ou tronco. Isso pode, por exemplo, ser um prisma reto. A face poligonal em uma extremidade desse prisma reto ou tronco pode ter uma variedade de formatos conforme ilustrado na Figura 7. Esses formatos incluem, por exemplo, um triângulo equilátero, um quadrado, um hexágono regular, um retângulo e um triângulo isósceles. Em um caso limitante, à medida que o número de lados do polígono que forma a face de extremidade do prisma reto aumenta, a face de extremidade do prisma se tornará um círculo e o prisma se tornará um cilindro (ou, no caso de um tronco, um tronco cônico). Em tais modalidades, o ímã pode tomar a forma de um ímã anular no qual a face interna que faz contato com a face lateral do cilindro compreende um pólo do ímã com a face oposta do espaço anular que compreende o outro pólo do ímã. Tal ímã anular pode ser, por exemplo, formado fixando-se juntos uma pluralidade de segmentos individualmente formados e polarizados do espaço anular para formar o espaço anular completo. Em algumas modalidades, a face de teste TF do guia de fluxo 8 é um polígono com vários lados N na faixa de 4 a 8.

[0040] A Figura 8A ilustra esquematicamente uma bobina elétrica na forma de uma bobina borboleta 12. Essa bobina borboleta 12 compreende duas bobinas espirais enroladas em sentidos opostos, isto é, uma no sentido horário e uma no sentido anti-horário quando vistos de cima ou de baixo. A porção mediana da bobina borboleta 12 em que as bordas das duas bobinas espirais estão em contiguidade se dá de modo que a corrente através dos fios que formam as espirais esteja passando na mesma direção da porção mediana (que contém a porção ativa disposta entre a face de teste e o objeto de teste). Os fios (condutores) na porção mediana são substancialmente retos, paralelos e passam a corrente em uma mesma direção. Isso pode gerar ondas de uma polarização única que melhora, então, a pureza de modo nas vibrações geradas/recebidas (isso é discutido adicionalmente abaixo). Isso induz uma corrente parasita forte no objeto de teste subjacente à porção mediana e consequentemente, quando interage com o campo magnético, pode ser utilizada para gerar vibrações ultrassônicas. Conforme ilustrado na Figura 8A, a bobina borboleta 12 é inteiramente contida dentro de uma projeção normal do transdutor 4 na superfície do objeto de teste 2. Será entendido que outras formas de bobina elétrica também podem ser utilizadas, como bobinas em formato de panqueca. Em algumas modalidades a bobina borboleta 12 pode se estender fora da projeção normal do transdutor 4. A bobina borboleta 12 também pode ser feita com um começo no centro de uma bobina e uma extremidade no centro da outra bobina, visto que isso evita cruzar as linhas na região central.

[0041] A Figura 8B ilustra outra bobina exemplificativa na forma de uma bobina em formato de D 13. Essa bobina em formato de D 13 tem novamente uma porção ativa disposta para cobrir a face de teste do guia de fluxo 8. Os condutores (fios) dentro da porção ativa são substancialmente retos, paralelos e portam a corrente na mesma direção.

[0042] A Figura 8C ilustra outra bobina exemplificativa na forma de uma bobina em formato de pista 15. Essa bobina em formato de pista 15 tem novamente uma porção ativa disposta para cobrir a face de teste do guia de fluxo 8. Os condutores (fios) dentro da porção ativa são substancialmente retos, paralelos e portam a corrente na mesma direção. Os desvios pequenos de uma disposição reta e paralela das várias bobinas 12, 13, 15 são possíveis enquanto ainda é garantido que as ondas excitadas estejam substancialmente dentro de um modo único.

[0043] A Figura 9 ilustra esquematicamente o protetor capacitivo 14. Isso toma a forma de uma placa condutiva na qual os cortes 24 foram feitos de modo a reduzir as correntes parasitas induzidas dentro das placas capacitivas por proximidade com a bobina borboleta 12. No desenho, apenas dois cortes são mostrados - mais cortes podem ser usados e isso pode melhorar o desempenho. O efeito do protetor capacitivo é que serve para atenuar (bloquear) campos elétricos que passam entre a bobina borboleta 12 e o objeto de teste 2 enquanto é permitido que os campos magnéticos passem entre o objeto de teste 2 e a bobina borboleta 12. O protetor capacitivo 14 também serve como uma placa de desgaste para proteger a bobina borboleta 12 de danos físicos.

[0044] As Figuras 10 a 18 ilustram esquematicamente as linhas de fluxo e as densidades de fluxo radial e axial dentro do objeto de teste 2 que podem ser alcançadas com uso de guias de fluxo 8 de alturas diferentes normais para a superfície do objeto de teste 2 e com faces laterais através das quais o campo magnético entra no guia de fluxo 8 que tem ângulos diferentes em relação a um normal para o objeto de teste 2. O ímã permanente 10 ilustrado será, na prática, disposto em oposição a outro ímã permanente 10 no outro lado do guia de fluxo 8, mas isso não é ilustrado nas Figuras 10 a 18. Os exemplos das Figuras 10 a 18 pertencem a sistemas com simetria cilíndrica.

[0045] O efeito dos dois ímãs permanentes 10 em tal proximidade é o de que as linhas de campo de ímã dentro do guia de fluxo 8 se repelem e são direcionadas à face de teste do guia de fluxo 8 a partir das quais entram no objeto de teste 2. O objeto de teste 2 pode fornecer um trajeto de retorno relativamente pronto para essas linhas de campo magnético para o ímã permanente 10, por exemplo, se o objeto de teste 2 for feito de um material ferromagnético. No exemplo ilustrado, o ímã permanente 10 pode ter uma densidade de fluxo magnética dentro de seu corpo menor que 1 Tesla, enquanto será visto que as densidades de fluxo de ímã alcançadas dentro do objeto de teste 2 podem ser maiores do que o dobro desse nível. Mesmo que o objeto de teste 2 não seja ferromagnético, um aumento na densidade de fluxo em que o campo magnético passa entre o guia de fluxo 8 e o objeto de teste 2 pode ser alcançado.

[0046] As Figuras 10 a 18 ilustram os trajetos de linha de campo magnético e as densidades de fluxo magnético alcançadas para uma variedade de alturas diferentes do guia de fluxo 8 junto com uma variedade de ângulos diferentes nos quais os ímãs permanentes 10 estão em contiguidade com o guia de fluxo 8. A amplificação aceitável da densidade de fluxo magnética que entra no objeto de teste 10 pode ser alcançada quando os ângulos residem na faixa de 15 graus a 90 graus. A amplificação melhor é alcançada quando os ângulos estão na faixa de 30 graus a 90 graus. Várias alturas de guia de fluxo 8 podem ser empregadas conforme ilustrado.

[0047] Conforme será notado, as Figuras 10 a 18 demonstram que o guia de fluxo 8 pode ter uma variedade de formatos e formas diferentes enquanto é alcançado o efeito de utilizar a repulsão entre o campo magnético dentro do guia de fluxo 8 para direcionar aquele campo magnético em direção à face de teste e o objeto de teste de modo que a densidade de fluxo magnética na face de teste seja maior que aquela alcançada dentro do ímã permanente 10 sozinho.

[0048] A Figura 19 ilustra esquematicamente uma abertura de raio Ra correspondente a uma porção ativa de uma bobina entre uma face de teste e um objeto de teste. Dentro da porção ativa, as ondas elásticas (ondas ultrassônicas) são excitadas devido ao mecanismo de força Lorentz, o qual é um resultado da interação de correntes parasitas induzidas no objeto de teste (eletricamente condutivo) e o campo magnético de desvio. Quando os condutores são substancialmente paralelos através da abertura, conforme mostrado na parte esquerda da Figura 19, as forças atuam em paralelo com direção única resultante na excitação de uma onda de cisalhamento pura de modo. Em contraste, se a bobina formar um laço na porção ativa, conforme mostrado na porção direita da Figura 19, então, isso resulta nas forças de superfície que se estiram radialmente e comprimem radialmente a superfície que resulta em uma pureza de modo mais insatisfatória, isto é, a excitação de onda longitudinal em direção a uma porção de centro do laço.

[0049] A Figura 20 ilustra esquematicamente a excitação de sinais puros de modo em 2 MHz em uma face (face de excitação) de placas de aço de respectivas espessuras e os sinais refletidos recebidos (de ordens diferentes de reflexão) a partir da face oposta (face de reflexão). A Figura 21 ilustra esquematicamente a excitação de sinais puros de não modo em 2 MHz em uma face (face de excitação) de placas de aço de respectivas espessuras e os sinais refletidos recebidos (de ordens diferentes de reflexão) a partir da face oposta (face de reflexão). Comparando-se os sinais recebidos na Figura 20 com aqueles da Figura 21, será visto que ondas excitadas puras de modo resultam em sinais recebidos mais claramente separados e mais prontamente distinguidos (ondas refletidas).

[0050] Embora as modalidades ilustrativas da invenção tenham sido descritas em detalhes no presente documento com referência aos desenhos anexos, deve ser entendido que a invenção não é limitada àquelas modalidades precisas e que várias mudanças, adições e modificações podem ser efetuadas na mesma por uma pessoa versada na técnica sem se afastar do escopo e espírito da invenção, conforme definido pelas reivindicações anexas. Por exemplo, várias combinações dos recursos das reivindicações dependentes podem ser feitas com os recursos das reivindicações independentes sem se afastar do escopo da presente invenção.

Claims (16)

1. Transdutor acústico eletromagnético (4) para excitar vibrações ultrassônicas dentro de um objeto de teste (2), dito transdutor acústico eletromagnético (4) caracterizado pelo fato de que compreende: pelo menos um ímã (10) configurado para gerar um campo magnético; um guia de fluxo (8) que tem uma face de teste (11) para ser colocada contra o dito objeto de teste (2), dito guia de fluxo (8) é conformado para receber o dito campo magnético do dito pelo menos um ímã (10) e para direcionar o dito campo magnético de modo que a repulsão entre as linhas de campo magnético dentro de dito guia de fluxo (8) direcione pelo menos parte do dito campo magnético em direção à dita face de teste (11); e uma bobina elétrica (12, 13, 15) que compreende pelo menos: uma porção ativa da dita bobina elétrica (12, 13, 15) disposta para cobrir a dita face de teste (11), em que dentro de ditos condutores da porção ativa da dita bobina elétrica (12, 13, 15) são substancialmente paralelos, retos e portam uma corrente em uma mesma direção, e uma porção adicional de dita bobina elétrica (12, 13, 15) não disposta sobre dita face de teste (11), em que nos condutores da porção ativa da dita bobina elétrica portam corrente em uma direção diferente para os condutores na porção ativa; em que o dito guia de fluxo (8) tem um formato de um prisma ou tronco e a dita face de teste (11) é uma face de base poligonal do dito prisma ou tronco; uma face do dito pelo menos um ímã (10) está pelo menos parcialmente em contiguidade com uma face lateral (18) do guia de fluxo (8); e o dito transdutor acústico eletromagnético (4) compreende um componente de acionamento para acionar uma corrente elétrica através da bobina elétrica (12, 14, 15) para excitar as vibrações ultrassônicas dentro do objeto de teste (2).

2. Transdutor acústico eletromagnético (4) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a dita bobina elétrica é uma bobina borboleta (12) que compreende duas bobinas espirais adjacentes enroladas em sentidos opostos.

3. Transdutor acústico eletromagnético (4) de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que uma porção mediana da dita bobina borboleta (12) entre as ditas bobinas espirais adjacentes é a dita porção ativa e está disposta entre a dita face de teste (11) e o dito objeto de teste (2).

4. Transdutor acústico eletromagnético (4) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que a dita face de teste (11) tem dimensões de modo que um menor raio de um círculo que contém totalmente uma projeção da dita face de teste (11) em um plano normal para uma direção média de linhas de campo magnético que passa através da dita face de teste (11) seja Ra.

5. Transdutor acústico eletromagnético (4) de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o dito pelo menos um ímã (10) tem dimensões de modo que um menor raio de um círculo que contém totalmente uma projeção do dito pelo menos um ímã (10) no dito plano seja Rb; e Ra/Rb esteja na faixa de 0,2 a 0,8.

6. Transdutor acústico eletromagnético (4) de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que Ra/Rb está na faixa 0,45 a 0,55.

7. Transdutor acústico eletromagnético (4) de acordo com qualquer uma das reivindicações 4 a 6, caracterizado pelo fato de que Ra está na faixa de 2,5 mm a 25 mm.

8. Transdutor acústico eletromagnético (4) de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que Ra está na faixa de 5 mm a 10 mm.

9. Transdutor acústico eletromagnético (4) de acordo com qualquer uma das reivindicações 4 a 8, caracterizado pelo fato de que o dito guia de fluxo (8) tem uma altura normal para o dito plano de H e H está na faixa de um dentre; 0,2Ra a 10Ra; e Ra a 4Ra.

10. Transdutor acústico eletromagnético (4) de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que H está na faixa de 5 mm a 50 mm.

11. Transdutor acústico eletromagnético (4) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado pelo fato de que o dito pelo menos um ímã (10) tem uma ou mais faces de ímã proximais ao dito guia de fluxo (8) e o dito campo magnético passa entre as ditas uma ou mais faces de ímã e o dito guia de fluxo (8) em respectivas direções que são não normais para a dita face de teste (11).

12. Transdutor acústico eletromagnético (4) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizado pelo fato de que a dita repulsão das ditas linhas de campo magnético aumenta a densidade de fluxo dentro de dito guia de fluxo (8) e da dita face de teste (11) acima daquela dentro do dito pelo menos um ímã (10).

13. Transdutor acústico eletromagnético de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que a densidade de fluxo dentro de dito guia de fluxo (8) e da dita face de teste (11) é mais do que o dobro da densidade de fluxo dentro do dito pelo menos um ímã (10).

14. Transdutor acústico eletromagnético (4) de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a dita fase de base poligonal é um polígono de N lados, em que N está na faixa de 4 a 8.

15. Transdutor acústico eletromagnético (4) de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que compreende um alojamento (9) que circunda o dito pelo menos um ímã (10) e o dito guia de fluxo (8), em que o dito alojamento (9) tem uma permeabilidade magnética μ, em que μ é menor que 2μo e μo é a permeabilidade de espaço livre.

16. Método para excitar vibrações ultrassônicas dentro de um objeto de teste (2) com uso de um transdutor acústico eletromagnético (4), dito método caracterizado pelo fato de que compreende as etapas de: colocar um guia de fluxo (8) com uma face de teste (11) contra o dito objeto de teste (2); gerar um campo magnético com pelo menos um ímã (10); receber no dito guia de fluxo (8) o dito campo magnético do dito pelo menos um ímã (10); e direcionar o dito campo magnético dentro de dito guia de fluxo (8) de modo que a repulsão entre linhas de campo magnético direcione pelo menos parte do dito campo magnético em direção à dita face de teste (11); fornecer pelo menos uma porção ativa de uma bobina elétrica (12, 14, 15) disposta para cobrir a dita face de teste (11), e uma porção adicional da dita bobina elétrica (12, 13, 15) não disposta sobre a dita face de teste (11), em que, dentro dos ditos condutores da porção ativa da dita bobina elétrica (12, 13, 15) sejam substancialmente paralelos, retos e portem corrente em uma mesma direção, e nos condutores de porção adicionais da dita bobina elétrica (12, 13, 15) portem corrente em uma direção diferente para os condutores na porção ativa; e acionar uma corrente elétrica através da dita bobina (12, 13, 15) para excitar onda de cisalhamento substancialmente de modo puro e polarizada de modo unidirecional no dito objeto de teste (2); em que o dito guia de fluxo (8) tem um formato de um prisma ou tronco e a dita face de teste (11) é uma face de base poligonal do dito prisma ou tronco; e uma face do dito pelo menos um ímã (10) está pelo menos parcialmente em contiguidade com uma face lateral (18) do guia de fluxo (8).

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