Tendo trabalhado na indústria de ultra-som / NDT industrial (embora tenha sido há cerca de 30 anos :)), tentarei acrescentar aos excelentes conselhos que você já recebeu.
Kaz argumenta muito bem que você deve usar um osciloscópio. Esse é um projeto potencialmente muito difícil e você precisa fazer a pesquisa e o desenvolvimento necessários na ultrassônica antes de fazer muito projeto de circuito.
Existem alguns problemas com os transdutores de 40 kHz que você pode ou não conseguir superar. Primeiro, como apontado por Andy aka, o tempo para a ultra-sonografia passar pelo concreto não é muito diferente do período de uma onda de 40 kHz. Você pode superar isso medindo a fase do sinal recebido em relação ao sinal transmitido. Segundo, seus transdutores foram projetados para serem usados no ar. Devido à grande alteração de densidade quando o ultrassom entra e sai do concreto, você perde a maior parte do seu sinal devido a reflexões. Pode não haver sinal suficiente no receptor. Como essa é provavelmente a sua solução mais simples, vale a pena testar com um osciloscópio.
Agora as coisas ficam mais complexas. Pode ser necessário um acoplamento que não seja o ar para diminuir a falta de correspondência de densidade. O acoplador é o meio entre os transdutores e o material que está sendo testado. Se você pode mergulhar sua amostra, a água é provavelmente a melhor escolha. Se você não puder mergulhar a amostra, poderá usar graxa, vaselina, óleo mineral ou algum tipo de gel (eu conhecia um engenheiro de aplicações de ultra-som que jurou pelo gel de cabelo Dippity-Do, mas não acho que seja feito) não mais). Seus transdutores de 40 kHz podem não ser compatíveis com acopladores que não sejam o ar. O acoplador de fluido deve substituir todo o ar entre a superfície do transdutor e a amostra que está sendo testada.
Andy aka também fez a sugestão de transdutores de frequência mais alta. Você deve estar ciente de que, quando chegar à faixa de Mhz, definitivamente precisará de um acoplamento que não seja o ar, porque o ultrassom nessas frequências atenua muito rapidamente no ar. Eu estive fora dos negócios e não estou mais familiarizado com preços ou fontes de transdutores, mas o Google ajudará nisso. Edit: A partir de pesquisas adicionais, vejo que as frequências adequadas para inspeção de concreto normalmente caem na faixa de 24kHz a 200kHz (consulte "Pesquisa adicional" abaixo).
Esses transdutores de frequência mais alta normalmente são pulsados com um pulso de alta voltagem muito rápido, tipicamente talvez 300V ou mais em <10ns (quanto mais rápido, melhor). Isso geralmente é alcançado com um SCR rápido ou, dependendo da tensão, circuitos envolvendo vários SCRs em série. É como tocar uma campainha com um martelo.
Com relação à medição de volocidade: Se seus transdutores não estiverem em contato com a amostra, você precisará subtrair o tempo de viagem pelo acoplador (água ou ar ou qualquer outra coisa). A velocidade do som no acoplamento pode variar devido a vários fatores (como temperatura e contaminantes); portanto, para obter melhor precisão, você pode medi-lo sem o concreto instalado, conhecendo a separação entre os transdutores. Em seguida, é necessário subtrair a espessura do concreto da separação do transdutor para determinar a distância percorrida através do acoplamento, sabendo a distância através do acoplamento e a velocidade do som através do acoplamento, você pode calcular o tempo gasto viajando pelo acoplamento.
Em relação ao relógio de amostra e à resolução da medição de velocidade: Uma técnica usada na indústria de ultrassom para "efetivamente" aumentar a resolução é usar relógios assíncronos separados. Um relógio para derivar o gatilho do seu pulso de transmissão e um relógio diferente para a medição do tempo. Você faz a média de muitas medições. Obviamente, se você precisar apenas de uma resolução de 1 μs no seu timer, isso não será necessário.
Acabei de encontrar o teste ultra-sônico de velocidade de pulso de concreto no youtube. Não há muitas informações técnicas sobre os ultrassônicos, mas elas podem fornecer algumas informações úteis. Há também links para outros vídeos relacionados. Vejo que eles usam contato direto entre os transdutores e o concreto, recomendando graxa ou vaselina como acoplador.
O NDT Resource Center também possui muitas informações úteis sobre testes ultrassônicos.
Editar ... Pesquisa adicional :
De acordo com os transdutores de pulso curto de baixa frequência ultra-sônicos com contato de ponto seco. Desenvolvimento e aplicação. :
O teste ultrassônico de concreto e ferroconcreto é possível nas frequências que não ultrapassam os 150 - 200 kHz.
Este artigo discute um transdutor de "contato de ponto seco" (DPC) que aparentemente não usa acoplamento.
Não sei se você encontrará algo útil aqui, mas é bom conhecer abordagens alternativas.
A MELHORIA DO APARELHO ULTRASSÔNICO PARA A INSPEÇÃO ROTINA DO CONCRETO é um artigo muito informativo sobre o assunto. De interesse particular são:
- 2.3 Técnicas de inspeção concretas e não destrutivas (discute várias técnicas ultrassônicas e outras técnicas alternativas)
- 2.4 O equipamento de teste PUNDIT (discute os blocos que compõem o projeto do equipamento ultrassônico usado, bem como os transdutores utilizados)
Este artigo também discute as frequências usadas para testes de concreto:
Diferentes tamanhos de elemento elétrico piezo e caixa permitem uma faixa de frequências centrais do transdutor de 24kHz a 200kHz, adequada para testes de concreto.
Nota final: Como o uso de transdutores e pulsos de alta tensão caros pode estar fora do seu orçamento, tanto em tempo quanto em dinheiro para um projeto de um estudante, se você não se importa em arriscar alguns transdutores em alguma pesquisa e desenvolvimento, sugiro que você faça algumas tentativas de modificar alguns transdutores de ar baratos de 40kHz para permitir o uso de um acoplador. Use transmissão direta com contato direto no concreto (de uma espessura conhecida) e veja se você pode receber um sinal. Há muita ajuda na Web sobre circuitos para esses transdutores. Você pode começar em Como conectar o transdutor ultrassônico
