Software Sonelastic®
A Técnica de Excitação por Impulso é precisa e acurada na determinação dos módulos elásticos e do amortecimento de materiais, contudo depende de um software para ser prática e confiável. O software é responsável pela aquisição da resposta acústica, processamento do sinal, detecção das frequências e realização dos cálculos. Para isso a ATCP Engenharia Física desenvolveu o Software Sonelastic®, lançado em 2010 está na versão 6.0.
Telas do Software Sonelastic®, desenvolvido pela ATCP Engenharia Física para a determinação dos módulos elásticos e do amortecimento de materiais pela Técnica de Excitação por Impulso.
Módulos elásticos
O Software Sonelastic® é capaz de determinar os módulos elásticos de barras retangulares, cilindros, discos, anéis e barras engastadas. Para os cálculos, é necessário informar a massa, as dimensões e as respectivas incertezas do corpo de prova. Para barras retangulares e cilindros, o software calcula e informa automaticamente a posição e o espaçamento das linhas nodais para facilitar o posicionamento do corpo de prova, bem como o ponto para a excitação simultânea do modo torcional e flexional e a densidade aparente. A informação da densidade aparente é útil para o usuário detectar erros na inserção das dimensões ou da massa do corpo de prova. Nas imagens abaixo são mostrados os campos para a seleção da geometria e inserção dos dados do corpo de prova. Para a caracterização de discos, deve-se escolher a opção anel e informar o diâmetro interno igual a zero.
Campos do Software Sonelastic® para a seleção da geometria e inserção das dimensões e da massa do corpo de prova. Essas informações são necessárias para o cálculo dos módulos elásticos.
Com as informações do corpo de prova e após o processamento da resposta acústica, o software calcula os módulos elásticos de acordo com os modos de vibração envolvidos. Para barras retangulares e cilindros, o módulo de cisalhamento (G) é calculado com a frequência do modo torcional e o módulo de Young (E) com a frequência do modo de vibração flexional ou do modo longitudinal. O coeficiente de Poisson (μ) é calculado a partir de E e G. Para ensaios empregando somente o modo de vibração flexional ou somente o longitudinal, o resultado é limitado ao módulo de Young. Discos, anéis e barras engastadas são caracterizados no modo de vibração flexional sendo possível a determinação somente do módulo de Young. Nas imagens abaixo são apresentados exemplos de resultados reportados na aba Módulos Elásticos do software
Exemplos de resultados reportados na aba Módulos Elásticos do Software Sonelastic®. A primeira imagem é dos resultados de uma barra retangular cerâmica, a segunda de uma barra retangular metálica, a terceira de um corpo de prova de concreto e a última de um anel de cerâmica piezoelétrica (PZT-8).
As equações e os algoritmos empregados pelo Software Sonelastic® para os cálculos dependem da geometria do corpo de prova, sendo as frequências, as dimensões e a massa as variáveis principais. Na tabela abaixo estão listadas as normas das equações utilizadas. Os cálculos da incerteza dos resultados são detalhados no Apêndice B do manual do Software Sonelastic®.
Referências das equações empregadas pelo Software Sonelastic®.
| Geometria | Modos de vibração | Referência |
| Cilindros | Flexional | ASTM E1876-01 e ABNT NBR 8522-2:2021 |
| Longitudinal e torcional | ASTM E1876-01 | |
| Barras retangulares | Flexional e torcional | ASTM E1876-01 |
| Longitudinal | ASTM E1876-22 | |
| Barras engastadas | Flexional engastado | ASTM E756-05 |
O Software Sonelastic® também é capaz de estimar o módulo tangente inicial (Eci) de concretos de acordo com o Anexo B da ABNT NBR 8522-1:2021.
Amortecimento
A resposta acústica do corpo de prova à excitação por impulso contém duas informações principais: as frequências naturais de vibração e as respectivas taxas de amortecimento. Ao ser golpeado, o corpo de prova emite som durante um tempo finito até cessar a vibração por conta do amortecimento do material. Além de processar a resposta acústica para a identificação das frequências, o Software Sonelastic® também obtém as respectivas taxas de atenuação para o cálculo do amortecimento do material. Para tanto, conta com dois algoritmos, o tradicional ajuste de um decaimento exponencial sobre o sinal no domínio do tempo e um algoritmo alternativo, mais sofisticado, que aplica o ajuste de um decaimento exponencial na amplitude do pico de frequência. O algoritmo alternativo apresenta vantagens quando há frequências muito próximas. Nas imagens a seguir são mostrados dois exemplos de determinação do amortecimento do mesmo corpo de prova: na primeira imagem é pelo método tradicional de ajuste no domínio do tempo e na segunda imagem é pelo método de ajuste na amplitude do pico da frequência (domínio tempo-frequência).
Exemplos de resultados da aba Amortecimento e Amortecimento TF do Software Sonelastic® relativos ao mesmo corpo de prova. Na primeira imagem é pelo método tradicional de ajuste no domínio do tempo, na segunda é pelo método de ajuste na amplitude do pico da frequência.
Velocidade de ondas-P e ondas-S
O Software Sonelastic® calcula a velocidade de ondas-P e ondas-S a partir dos módulos elásticos (módulo de Young, módulo de cisalhamento e coeficiente de Poisson). Como o interesse por essa informação é restrito a Geólogos, sua apresentação junto aos módulos elásticos é opcional podendo ser controlada pelo usuário.
Estimativa de frequências
O Software Sonelastic® conta com um estimador de frequências para facilitar a correta identificação da frequência torcional e da longitudinal, e também para dimensionar os corpos de prova. Para utilizar esse recurso é necessário que o usuário conheça a ordem de grandeza do módulo de Young do material.
A seleção da frequência para o cálculo do módulo de Young é fácil para barras retangulares e cilindros excitados no modo flexional, nestes casos, o espectro é simples e a frequência é sempre a primeira e de maior amplitude. Porém, a identificação da frequência flexional e da longitudinal de barras retangulares delgadas pode ser um desafio por conta da presença de frequências harmônicas. Nas ilustrações abaixo são mostrados dois exemplos de espectros típicos: o primeiro é de um corpo de prova cilíndrico de concreto de 200 x 100 mm, e o segundo, de um corpo de prova cerâmico (ZTA) de 83 x 8 x 5 mm. O espectro do cilindro contém apenas a frequência flexional enquanto o da barra cerâmica possui 10 picos relevantes. No espectro da barra, a frequência flexional também é a primeira relevante (marcada com o disco verde), porém a frequência torcional é o sétimo pico (marcada com o quadrado vermelho) o que torna a identificação difícil.
Exemplos de espectros típicos para cilindros e barras delgadas. Na primeira ilustração é mostrado o espectro de um corpo de prova de concreto excitado no modo flexional; na segunda ilustração é mostrado o espectro de uma barra cerâmica delgada excitada simultaneamente no modo flexional e torcional. A frequência flexional é sempre a primeira relevante e está marcada com um círculo verde nos espectros.
A imagem a seguir mostra a estimativa de frequência pelo Software Sonelastic® para uma barra cerâmica delgada cujo espectro foi mostrado na segunda ilustração do módulo de imagens anterior. Foi considerado o módulo de Young aproximado de 330 GPa e a razão de Poisson de 0,25. A estimativa para o modo flexional é de aproximadamente 27 kHz, entretanto, nessa região do gráfico há um pico em 27,4 e outro em 27,7 kHz. Para identificar qual dos dois picos é o torcional, o usuário deve variar as condições de contorno, por exemplo, excitar e captar a resposta acústica no centro (o pico que for o torcional desaparecerá porque esta não é uma condição de contorno favorável para este modo).
Janela do Software Sonelastic® para a estimativa das frequências. Esse recurso é útil para identificar corretamente as frequências torcional e longitudinal, e dimensionar corpos de prova de pequeno porte para que as frequências não fiquem acima do máximo mensurável.
O estimador de frequência também é empregado no dimensionamento de corpos de prova. Quanto menor o corpo de prova, mais alta serão as frequências. Para materiais de alta rigidez, pode acontecer da frequência do corpo de prova ficar acima do máximo mensurável pelo Sistema Sonelastic® do usuário. Esse limite varia entre 22,5 e 96 kHz, dependendo da taxa de amostragem do módulo ou placa de aquisição de sinais do sistema.
Medições automáticas em função do tempo e da temperatura
O Software Sonelastic® possui um modo de operação para medições automáticas que permite programar o número de medições e o intervalo. Essa função é útil para o acompanhamento de processos de cura e caracterizações em função da temperatura. Na imagem a seguir são mostrados os campos de configuração deste modo de operação.
Campo do Software Sonelastic® para a programação das medições automáticas em função do tempo e da temperatura.
Para a correta detecção de frequências durante as medições automáticas, o Software Sonelastic® conta com recursos como faixas de análise programáveis e ajuste adaptativo da intensidade da excitação. Durante as medições em função do tempo, o software é capaz de ler e salvar informações de temperatura.
Exportação de resultados e curvas
Os resultados proporcionados pela Técnica de Excitação por Impulso e pelo Software Sonelastic® são extensos. Por exemplo, na caracterização de uma barra retangular, temos o sinal no domínio do tempo, o espectro de frequências, a lista de frequências, os módulos elásticos, o amortecimento, a temperatura e o momento no tempo no qual a aquisição foi realizada. O Software Sonelastic® é capaz de exportar todos estes dados para a arquivos espaçados por vírgula (formato .csv), que são amigáveis para importação e edição pelo MS Excel. Também é capaz de gerar relatório de ensaio em formato pdf. Nas imagens abaixo é mostrada a planilha de resultados do Software Sonelastic® e o espectrograma 3D de uma resposta acústica.
Exemplos de resultados disponibilizados pelo Software Sonelastic®. Na primeira imagem é mostrado o espectro 3D de uma resposta acústica, na segunda a planilha de resultados e gráficos de uma série de medições automáticas, e na terceira é mostrado um relatório de ensaio.
Além dos arquivos csv, o do Software Sonelastic® também é capaz de salvar as medições com a informação da resposta acústica para eventual reprocessamento posterior.
Cadastro de corpos de prova
Com o objetivo de agilizar ensaios em larga escala, foi incorporado na versão 6.0 do Software Sonelastic® um módulo para o pré-cadastro da massa e das dimensões de corpos de prova. A seguir é mostrada a interface desse módulo e o botão de acesso localizado na aba AQUISIÇÃO.
Cadastro de corpos de prova.
