Software Sonelastic®

A Técnica de Excitação por Impulso é precisa e acurada na caracterização 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 esse fim, a ATCP Engenharia Física desenvolveu o Software Sonelastic®. Lançado em 2010, está na versão 5.0.

Telas do Software Sonelastic® 5.0, desenvolvido pela ATCP Engenharia Física para a caracterização dos módulos elásticos e do amortecimento de materiais pela Técnica de Excitação por Impulso.

Telas do Software Sonelastic® 5.0, desenvolvido pela ATCP Engenharia Física para a caracterização 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.

  • Campo Sonelastic para geometrias retangulares
  • 1
  • 2
  • 3
  • 4

Campos do Software Sonelastic® 5.0 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

  • Resultado dos módulos de elasticidade para barra retangular de alumina
  • 1
  • 2
  • 3
  • 4

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®.

GeometriaModos de vibraçãoReferência
CilindrosTodosASTM E1876-01
Barras retangularesFlexional e torcionalASTM E1876-01
LongitudinalASTM E1876-15
Barras engastadasFlexional engastadoASTM E756-05

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).

  • Exemplo de resultado, da aba de amortecimento, pelo método tradicional de ajuste no domínio do tempo
  • 1
  • 2

Exemplos de resultados da aba Amortecimento e Amortecimento TF do Software Sonelastic® 5.0 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.

  • Exemplo de espectro para cilindros.
  • 1
  • 2

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® 5.0 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.

Janela do Software Sonelastic® 5.0 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.

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® 5.0 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® 5.0 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. Nas imagens abaixo é mostrada a planilha de resultados do Software Sonelastic® e o espectrograma 3D de uma resposta acústica.

  • Espectro da resposta acústica em 3D
  • 1
  • 2

Exemplos de resultados disponibilizados pelo Software Sonelastic®. Na primeira imagem é mostrado o espectro 3D de uma resposta acústica e na segunda a planilha de resultados e gráficos de uma série de medições automáticas em função da temperatura.

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.


Manual do Software

Manual do Software

Manual do Software Sonelastic® 5.0

Catálogo Sonelastic®

Catálogo Sonolastic®

Catálogo técnico dos Sistemas Sonelastic®.