Curso UT Nivel 2p

 

Ultrasonido

Currso de Ul Cu Ulttraso rason nido ido Nivel 2

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Ultrasonido

1. Introducción

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Ultrasonido

2. Principios Ultrasónicos

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Principios ultrasónicos n e en ensa sayo yo u ra rass n co u za zamo moss o qu quee se cono conoce ce como como vibraciónes ib ió ultrasónicas lt ó i y e emos emos cono conoce cerr dos factores acerca de una vibración: 1.- Una vibración es un movimien movimiento to que ocurre en un sentido y luego en el opuesto. 2.- Una vibración es energía en movimiento. movimiento. na epres n e una super c e es e su pos c n norma es es ama a desplazamiento d l de desplazamientos i t . Las vibraciones pasan a través de los materiales sólidos como una sucesión de las partículas que lo componen. Se puede visualizar de la siguiente forma:

  u u u u u u . Estas partículas tienen una posición normal o de reposo y pueden desplazarse de esta posición por medio de alguna fuerza. Cuando esta fuerza es retirada, las partículas tienden a retornar a su posición original. energía es energía es transmitida tr a ns m i ti da   ppequeños equeños desplazamientos d e s p l a z am i e n t o s   mismo material. 34

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Principios ultrasónicos

propiedades elásticas propiedades elásticas     material. Si se golpea la superficie de un metal la superficie se mueve hacia adentro causando un desplazamiento.

Como el material es elástico la superficie tiende a regresar a su posición original . La superficie también se mueve a través de su posición origin original al y llega a una distancia máxima en sentido opuesto. secuencia completa secuencia c o mp l e t a   cciclo i clo .

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Principios ultrasónicos El tiempo requerido para recorrer un ciclo completo es llamado Periodo. Se simboliza con la letra T y su unidad es el segundo [s].

Ejemplo: Si una pelota se mueve por un camino: ABCDE en un segundo, entonces el período es de un segundo.

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Principios ultrasónicos El numero de ciclos en una unidad dada de tiempo es llamada Frecuencia. Se la designa con la letra F y su unidad unidad es el Hertz [Hz]. F [s-1] = Hertz [Hz] = Ciclos / segundos Sus múltiplos son: (Kilo Hertz)= 1 KHz = 1000 Hz (Mega Hertz)= 1 MHz = 1 000 000 Hz (Giga Hertz)= 1 GHz = 1 000 000 000 Hz.

Ejemplo: Si una esfera realiza tres ciclos completos en un segundo, entonces la frecuencia es de 3 Hz. Si se toca un tambor, tambor, su frecuencia es baja, aproximadamente 50 Hz. Si se toca una nota aguda de piano, es a po r a en ener er una una re recu cuen encc a e apro aproxx ma amen amen e z.

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Principios ultrasónicos

Rango de frecuencias ultrasónicas Las ondas ultrasónicas son ondas acústicas de idéntica idéntica naturaleza (mecánica - elásticas) que las ondas sónicas y se caracterizan además, por operar con frecuencias por encima de la zona audible

Ondas Infrasónicas < 16 Hz (Hertz) Ondas Sónicas entre 16 Hz < Ondas Sónicas < 20 KHz dependiendo de su frecuencia e intensidad son audibles. Ondas Ultrasónicas > 20 KHz. En el ensayo de materiales la frecuencia de trabajo está comprendida en el rango de 0.2 MHz a 25 MHz. Estas ondas ultrasónicas ultrasónicas pueden propagarse en todo medio material material (que posee átomos o moléculas) moléculas) capaz de vibrar, por lo que tendrá lugar en sólidos, líquidos o gaseosos. No se transmiten ondas ultrasónicas en el vacío por no existir materia.

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Principios ultrasónicos El ensayo ultrasónico es el proceso de aplicar una vibración ultrasónica a una pieza y determinar la perdida de esa vibración, a través del espesor o alguna propiedad física de la pieza. Un transductor es un dispositivo que convierte energía de una forma a otra .

Ejemplo: Energía eléctrica en mecánica, o energía mecánica eléctrica. Un parlante de radio convierte energía eléctrica en un movimiento mecánico de atrás hacia adelante. Un micrófono transforma energía mecánica en eléctrica.

Transductor ultrasónico (palpador) 

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Principios ultrasónicos El esquema siguiente ilustra el efecto piezoeléctrico. El voltaje aplicado a través de 2 electrodos conectados a un cristal, causa la contracción o expansión del mismo, que luego produce una vibración.

ecto p ezoe ctr co 

Los términos cristal y transductor son usados indistintamente, así como también suele llamarse .

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Principios ultrasónicos La energía transmitida por un transductor puede ser pulsada o continua. El ultrasonido pulsado es definido como un trozo corto de vibración transmitida, antes y después del cual el transductor puede actuar como receptor. En aceite, agua y acero se puede transmitir el ultrasonido muy muy bien, pero el aire presenta serios problemas.

El aire es un pobre transmisor del ultrasonido debido a que la densidad de sus partículas es baja, lo que dificulta la transmisión de la energía sónica de partícula a partícula. Por lo tanto, es necesario colocar algún agente acoplante (agua, aceite, grasa, carboximetil celulósico, celulósico, glicerina, vaselina, etc) entre el cristal y el material a inspeccionar. inspeccionar. La densidad de partículas de un material y su módulo de elasticidad es muy importante para determinar la velocidad de propagación de un material. 41

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Principios ultrasónicos En la siguiente figura las esferas que se muestran representan la estructura del aire, agua y acero. El movimiento del impulso a través de la fila de esferas puede ser comparado a un pulso de una onda ultrasónica.

Una onda tardará 4 veces mas de tiempo viajando en el agua que en el acero, esto es porque la velocidad del sonido en agua es de aproximadamente cuatro veces menor que en acero.

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Principios ultrasónicos

Lo Longitud Long ngititud ud de onda onda que se encuentran partículas en igual estado de oscilación (igual velocidad y dirección). Se la simboliza con la letra λ (Lambda) y su unidad es el milímetro [mm].

Longitud de onda se llama a la distancia entre dos puntos medios de dos zonas consecutivas en las que se encuentran partículas en igual estado de oscilación (igual velocidad y dirección). Se la simboliza con la letra λ (Lambda) y su unidad es el milímetro [mm].

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Principios ultrasónicos   sónicas dentro de la pieza.

  . La longitud de onda puede ser cambiada si la frecuencia de la vibración del transductor cambia.   

Cmm mm / us 

Se puede acortar la longitud de onda mediante el incremento de la frecuencia. La menor discontinuidad que puede ser detectada mediante un ensayo ultrasónico es de alrededor de /2 . , , altas frecuencias.

Ejercicio: ¿Cual es la menor discontinuidad que se puede detectar en una pieza de acero, que tiene una

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Ultrasonido

3. Equipo ultrasónico

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Equipo ultrasónico

El instrumento ultrasónico de pulso-eco genera un pulso de alta tensión de muy corta duración. Este pulso es aplicado al transductor el cual, convierte esto en vibraciones mecánicas que se propagan a través de la pieza. 46

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Equipo ultrasónico En el dibujo anterior se muestra el esquema de funcionamiento funcionamiento de un equipo de ultrasonido. La reloj realiza el sincronismo de todo el conjunto. El generador de barrido dibuja la base de tiempo en el tubo de rayos catódicos, lo que permite representar los ecos. El pulsador envía al palpador el impulso eléctrico de excitación. (100 a 400 V generalmente) El sonido recibido en la parte posterior del transductor es convertido en pulsos eléctricos, los que llegan al amplificador como señales débiles para se amplificadas y luego representadas en la pantalla del equipo como pulsos verticales. En una representación tipo scan A se representa en el eje horizontal la profundidad y en el eje vertical la amplitud del sonido reflejado. La amplitud es una medida relativa de la cantidad de energía reflejada.

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Equipo ultrasónico Los dos sistemas básicos de ensayos ultrasónicos son los de pulso eco y transmisión.

El sistema ultrasónico más utilizado es el de pulso-eco o de reflexión. Dentro del material a ensayar son transmitidos pulsos cortos, iguales y sincronizados. Estos pulsos se reflejan desde las discontinuidades que se encuentren en su camino o desde cualquier superficie en la que se reflejen. Las reflexiones son representadas El mismo transductor es usado recibidas como transmisor y receptor.en la pantalla del equipo.

La gran ventaja que posee es que puede conocerse la profundidad en la que se encuentra una indicación. 48

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Equipo ultrasónico

El sistema de transmisión o transparencia requiere el uso de dos palpadores, uno para emitir y otro para recibir. Dentro del material se transmiten ondas ultrasónicas continuas o pulsos. La calidad del material se mide en términos de energía perdida por el haz ultrasónico en su viaje a través del material.

Presenta como desventaja que no se puede conocer la profundidad del defecto y se necesita acceso de ambos lados de la pieza.

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Equipo ultrasónico Los dos técnicas de ensayo normalmente utilizadas son: ENSAYO DE CO NTACTO: El transductor es acoplado al material mediante una fina capa de acople. ENSAYO DE INMERSION: El material y el transductor son sumergidos en un tanque lleno de un medio de acople (generalmente agua).

Para determinar la ubicación de las discontinuidades dentro de la parte a ensayar ensayar,, la pantalla del equipo de ultrasonido tiene dividida su escala horizontal en unidades convenientes tales como centímetro, pulgadas, etc.

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Equipo ultrasónico A una dada sensibilidad (ganancia), la amplitud del eco es determinada por la tensión de la señal generada por la onda ultrasónica reflejada. Así, la pantalla del equipo de ultrasonido provee dos tipos de información: 1.- La distancia (tiempo) de la discontinu discontinuidad idad al transductor. transductor. 2.- Magnitud rel relativa ativa de la energía reflejada. Los controles de sensibilidad o ganancia, determinan la cantidad de amplificación (similar al control de volumen de audio) que se le da a la señal que se recibe desde la discontinuidad. discontinuidad. Incrementando la sensibilidad (ganancia) (ganancia) incrementa la amplitud de los ecos sobre la pantalla del equipo. Dos controles: “Longitud de barrido y “Retardo de barrido" regulan que porción de la pieza es proyectada en la pantalla del equipo.

La longitud de barrido (rango ) expande o comprime la imagen de los ecos e cos en la pantalla de equipo. 51

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Equipo ultrasónico El retardo de barrido (control del cero) permite el movimiento de la pantalla a lo largo del espesor de la pieza, sin modificar las distancias entre distintos ecos. En el ensayo de inmersión, el retardo del barrido puede ser usado para sacar eell pulso inicial de la pantalla.

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Equipo ultrasónico La frecuencia de repetición de pulsos PRF , regula cuantos pulsos son aplicados por segundo al transductor. En los equipos modernos se puede varia esta frecuencia desde 50 a 10000 PRF. Cuando la longitud de barrido es grande , la repetición de los pulsos debe ser baja , para dar el tiempo suficiente, y así lograr el barrido en la pantalla antes que otro pulso sea transmitido. En algunos instrumentos, la repetición de los pulsos se ajustan automáticamente.

Aumentando la tensión del pulso , se incrementa la cantidad de energía del sonido aplicado en la parte bajo ensayo, pero decrece el poder de resolución del sistema . La energía de pulso se debe incrementar para obtener una mayor profundidad de penetración en materiales de grano grueso. El control de supresión (REJECT) es usado para eliminar o reducir señales de muy pequeña amplitud (ruido de fondo, pasto) a lo largo de la base de tiempo. Este control puede afectar la linealidad vertical de la representación. Un sistema de alarma de falla o circuito monitor (GATE ), es usado para establecer zonas a lo largó de la base de tiempo en el cual los ecos de amplitud predeterminada puede activar una alarma o un sistema de registro.

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Equipo ultrasónico  

.

En el modo RF, se muestra la parte positiva y negativa de la señal ultrasónica.

En este modo solo se muestra la parte negativa de la señal pero en sentido opuesto

En este modo solo se muestran las 2 partes de la señal rectificadas.

MO D O R F

R E C T I FI C A C I O N D E ½ O N D A N E G A T I V A

R EC TI F I C A C I O N C O M P LE TA

Para la inspección de soldaduras se utiliza el modo de rectificación completa.  

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.

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Modos de onda ultrasónica

4. Modos de onda ultrasónica

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Modos de onda ultrasónica La velocidad puede ser definida como la distancia que una onda, que se propaga a través de un medio, recorre en la unidad de tiempo, usualmente un segundo. La velocidad de una onda permanece constante a través de un medio dado. Cada material tiene su propia velocidad y esta se mantiene constante. A fin de realizar cálculos básicos ultrasónicos, a continu continuación ación se da una tabla que contiene: la impedancia, velocidad y densidad de alguno materiales comunes:

Propiedades acústicas de materiales mas comunes Material

L

T

Impedancia acústica

m/s

m/s

Z .

56

Agua

147 3

-

1 . 48

Aire

330

-

0.00041

Aluminio

629 9

3150

1 7. 0

Bronce

353 1

2235

3 1. 3

Níquel

563 9

2972

5 0. 0

Plástico

276 9

1448

3. 5

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Modos de onda ultrasónica Las ondas ultrasónicas son reflejadas cuando ellas encuentran un medio de diferente impedancia acústica. La superficie en la cual ocurre la reflexión es llamada interfase. La interfase es el límite común entre dos materiales o fases, tal como aire-acero, aluminio-acero o agua-acero. El haz energético que alcanza una interfase se denomina "onda incidente". El ángulo con el cual la onda incide sobre la interfase es conocido como ángulo de incidencia.

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Modos de onda ultrasónica La onda incidente se denomina normal cuando su dirección de propagación es perpendicular a la interfase. Como el ángulo de incidencia se comienza a contar desde la normal, el ángulo de incidencia de un haz normal es cero.

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Modos de onda ultrasónica Parte de la energía de la onda que incide a la interfase puede ser transmitida a través de ella y es reflejada con el mismo ángulo que la onda incidente. La cantidad de haz reflejado depende de la impedancia acústica de los dos medios involucrados.

“El ángulo de reflexión en la interfase, es igual al ángulo de incidencia.” 59

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Modos de onda ultrasónica Las vibraciones ultrasónicas viajan de varios modos y las mas comunes son: 1.- Longitudi Longitudinal nal (compresión). 2.- Transversal (corte). 3.- Superficial (Rayleigh). 4.- Chapa Chapa (Lamb). (Lamb). Cada modo de onda tiene su función específica en la inspección ultrasónica y es importante que se comprenda completamente completamente la función de cada modo. Las ondas de compresión u longitudinales tienen la vibración de las partículas en el mismo sentido que la dirección de propagación de la onda.

  C  L     1    1 2  Ec Ecua uaci ción ón de ve velo loci cida dad d de on onda dass lo lon n it itud udina inale les  s  E= Módulo de elasticidad o de Young (N/m 2  ).  = Módulo de Poisson.   = Densidad (kg/m 3  ) 

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Modos de onda ultrasónica Las ondas transversales o de corte tienen un movimiento de las partículas perpendicular a la dirección de propagación de la onda. La fuerza que la genera es de corte, en lugar de compresión.

C T  

 E 

1

   21



Ecuación de velocidad de ondas transversales 

En algunos materiales, la velocidad de las ondas transversales es de aproximadamente la mitad que la de as on as on ong u na es or o an o a o on ng u e on a es mas cor a cer cerca e a m a , o que perm e localizar discontinuidades mas pequeñas. 61

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Modos de onda ultrasónica

Los Looss modos modos de conversión conv conver ersi sión ón

  diferentes con un ángulo distinto a 90º. El modo de conversión presentado, produce dos haces reflejados: Uno consiste en una onda longitudinal longitudinal..  

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.

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Modos de onda ultrasónica   . transmitida es generalmente utilizada generalmente generalmente en varias técnicas de Inspección. El ángulo de refracción es el ángulo formado entre el haz transmitido en el segundo medio y la normal a la interfase.

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Modos de onda ultrasónica Se puede utilizar la ley de Snell o ley de los senos para determinar las relaciones entre los ángulos del haz incidente, del haz reflejado y del haz refractado.

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Seno  1 

C 1

Seno  2

C2  US Nivel 2 - Ing. Carballal C - Ing. Bavarisco P

 

Modos de onda ultrasónica En el siguiente ejemplo, se calcula el ángulo de refracción y de reflexión cuando una onda longitudinal pasa a través de la interfase agua-acero. Angulo de incidencia=10º incidencia=10º CL en agua =1500 m/seg CL en acero = 5900 m/seg CT en acero = 3200 m/seg

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Modos de onda ultrasónica Cuando el ángulo de incidencia se incrementa, el ángulo de refracción también se incrementa. Cuando el ángulo de refracción de la onda longitudinal alcanza 90º, la onda emergente desde el segundo medio viaja paralelo a la interfase o superficie. Este es el llamado Primer ángulo crítico y es de aproximadamente 28º en la interfase plástico-acero. Solamente la onda de corte es generada y transmitida en el segundo medio.

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Modos de onda ultrasónica Cuando el ángulo de refracción de la onda de corte es de 90º, se dice que se alcanzo el “segundo ángulo crítico”, en el cual se genera ondas superficiales. En el segundo ángulo crítico , es cuando se produce la reflexión total para las ondas longitudin longitudinales ales y transversales. En la interfase plástico-acero, esto ocurre en aproximadamente a los 58º.

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Modos de onda ultrasónica Cuando el haz incidente está en el segundo ángulo crítico, un tercer tipo de onda se desarrolla y se llaman ondas superficiales o de Rayleigh. Este tipo de onda se propaga mediante un movimiento elípt elíptico ico de sus partículas.

C S  

0.87   1.12   E 

1

Ecuación de velocidad de ondas superficiales 

La velocidad de las ondas superficiales en acero y aluminio es aproximadamente C S= 0.9 C T

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Modos de onda ultrasónica   , , cuando, el cambio del contorno sea suave y no brusco. Sin embargo, la onda superficial puede ser completamente absorbida absorbida por el exceso de acoplante o por tocar ccon on el dedo la superficie que se encuentra por delante del palpador palpador..

Las ondas superficiales son utilizadas para detectar discontinuid discontinuidades ades superficiales, pero solamente penetran en el medio una longitud de onda aproximadamente.

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Modos de onda ultrasónica

onda ondass de Lamb ondas Lamb  

aproximadamente del orden de la longitud de onda , y prácticamente en materiales con espesores comprendidos entre 0,1 y 30 mm, en los cuales c uales intervienen en la propagación del haz ultrasónico, la totalidad del material, vibrando la lámina en su conjunto. Para un espesor o diámetro . Las ondas de Lamb se propagan en sentido paralelo a la superficie del medio material y en la dirección del impulso recibido. Existen dos formas fundamentales fundamentales de ondas de Lamb: Lamb: - On Onda dass simé simétr tric icas as de co com m re resi sión ón.. - Ondas asimétricas asimétricas de flexión. En los modelos simétricos y asimétricos el movimiento de las partículas en la superficie es elíptico. En las ondas simétricas aparece una onda de compresión, con movimiento lon longitudinal gitudinal en el eje neu euttro mientras  ue en las asimétricas existen ondas de flexión o corte a ue las artículas tienen un movimiento transversal sobre el eje.

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Generación y detección de las ondas ultrasónicas

5. Generación y detección de las ondas ultrasónicas

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Generación y detección de las ondas ultrasónicas Los transductores son una pieza fundamental para la aplicación de las técnicas de ultrasonido.

Tr Transductores ansductores piezoeléctricos Losconvertir materiales materiales iezoe icos de udeformaciones so mu mu común comúnmecánicas ara señale señales de de ul ultrason trasonido ido tiene tienen n la la ca caracter racterístic ísticaa de una iezoeléctr señalléctricos eléctrica en uso ysviceversa.

Entrada: señal

Salida: señal

Salida: vibración mecánica

Entrada: vibración mecánica

Como emisor , una señal eléctrica oscilatoria induce vibraciones de alta frecuencia en el transductor, transductor, las cuales se transmiten como ondas de ultrasonido en el material a inspeccionar. 72

Como receptor , las vibraciones sonoras se envían del objeto al transductor, transformándose transformándose en una señal eléctrica que puede ser almacenada y analizada. US Nivel 2 - Ing. Carballal C - Ing. Bavarisco P

 

Generación y detección de las ondas ultrasónicas

Materiales Piezoeléctricos Cristal de Cuarzo

El cuarzo SiO es el más anti uo de todo todoss se obti obtiene ene a artir de crist cristales ales natur naturales. ales. Es tran transs arente y muy duro. Su temperatura critica es de 576º C. Sus propiedades piezoeléctricas son altamente anisotrópicas, por lo que dependen de la orientación con la que se corte el cristal. Un cristal cristal cortado cortado en dirección dirección X vibr vibraa rinci alme almente nte con tendencia tendencia er endicular endicular al corte, corte, or lo ue produce ondas de compresión cuando se acopla al objeto de inspección. Por el contrario, un cristal cortado en la dirección Y Y,, vibra en la dirección transversal, por lo que genera ondas cortantes sin necesidad de la conversión de modo. Ventajas - Electrónica y térmicamente térmicamente estable. - Insoluble en casi cualquier líquido. líquido. - Alta resistencia resistencia mecánica. mecánica. - Tolerancia al desg desgaste aste y envejecimiento. Desventajas - Posee un modulo iezoeléctrico ba o lo ue lo califica como mal emisor. emisor. - La conversión de de modo afecta su desempeño. - Requiere de un alto voltaje voltaje para excitar vibraciones de baja frecuencia. frecuencia. 73

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Generación y detección de las ondas ultrasónicas Sulfato de litio

Es otro material monocristalino que se utiliza ampliamente como transductor de ultrasonido resultando ser un excelente transductor receptor. receptor. Ventajas - Constante de presión piezoeléctrica piezoeléctrica elevada, lo que lo califica como el mejor receptor receptor.. - Fácilmente amortiguado, amortiguado, muy buena resolución. resolución. - No es afectado afectado or la interacción entre modos. - Buena resistencia resistencia al envejecimiento. Desventajas - Al Alta ta ffra ra il ilid idad ad.. - Poca tolerancia tolerancia a la temperatura temperatura (hasta 75°C) - Es soluble soluble en agua. agua.

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Generación y detección de las ondas ultrasónicas

Cerámicas polarizadas El Titanato de bario (TiO3Ba) y el Metaniobato de plomo (Nb2O6Pb), al igual que numerosos materiales de base Titanato-zirconato-plomo Titanato-zirconato-plomo (PZT), se obtienen por sinterización, ya que por cristalización no se ueden obtener cristales randes. Se deben ues olarizar durante su roceso de fabricación. Son de color blanco amarillento y poseen menor dureza y resistencia al desgate que el cuarzo. Titanato de bario: Como material cerámico polarizado, posee un módulo piezoeléctrico elevado lo que

lo califica califica como un mu buen emisor emisor, ero a efecto efectoss de aco lami lamiento ento amorti amorti uación uación es el eor debido a su impedancia acústica elevada. Debido a su resistencia mecánica baja y a su frecuencia característica fundamental relativamente baja, su empleo está restringido para frecuencias por debajo de 15 MHz. La conversión de modo afecta su desempeño. Metaniobato de plomo: Posee también un módulo piezoeléctrico elevado, lo que le califica como buen

emisor. Al igual que el cuarzo, presenta estabilidad térmica, siendo indicado para ensayos a emisor. temperatura; posee elevado coeficiente de amortiguación interna, lo que le califica como el mejor material ara enerar im ulsos cortos. Su frecuencia característica fundamental es la más ba a de los cuatro, lo que, unido a su baja resistencia mecánica, limita su empleo a frecuencias altas. Otra limitación es la interacción que se produce entre varios modos de vibración. Titanato Titanat o zirconato plomo PZT): ) Es el me or emisor emisor o tr transm ansmisor isor de u ultraso ltrasonido nido,, ero ssu u de desem sem eño

como receptor no es tan bueno. El PZT posee buena resistencia a las altas temperaturas y al envejecimiento. 75

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Generación y detección de las ondas ultrasónicas rop e a es e os ma er a es p ezoe c r cos Mat eri al

Ef i ci en ci a T

R

T/ R

I m peda nci a (Z)

Temp. Critica (ºC)

Módulo Piezo (d33)

Const. Presión (g33)

Factor de calidad (Q)

Cuarzo uarzo PZT 4

65

0 . 23

1 5. 4

. 33

190-400

. 150-593

2- 4

90-400

Titanato de bario

8. 4

-

-

31. 2

115-150

125-190

1 4- 2 1

-

MNP

32

-

-

20. 5

550

80.85

32-42

15

Sulfato de litio

6. 9

2

-

11. 2

75

15- 16

156-175

Niobato de litio

2. 8

0 . 54

1 . 51

34

-

6

23

-

PVDF

6. 9

1 . 35

9. 3

4. 1

165-180

14

140-210

< 15

 

1000

Modulo piezoeléctrico: Expresa la capacidad del material para deformarse bajo la acción de la tensión eléctrica. Es el parámetro mas directamente relacionado con la capacidad de un material para actuar como emisor emisor..

Constante de presión piezoeléctrica: Expresa la capacidad del material para generar una tensión eléctrica entre sus caras cuan o es some

o a una e ormac n e s ca.

Temperatura crítica: Se llama también temperatura de Curie y es el limite por encima del cual el material pierde su carácter piezoeléctrico por despolarización.

Factor de calidad: Esta relacionado con la capacidad del transductor de generar impulso cortos. Mientras mas bajo sea este valor mejor será el poder de resolución del palpador. 76

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Generación y detección de las ondas ultrasónicas Detalle constructivo de un transductor

onec o

a e

Carcasa Resina Epoxy Cable con señal

Bloque amortiguador

Tierra

Electrodos

Suela protectora Elemento

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Generación y detección de las ondas ultrasónicas Tr Transductores ansductores normales o de haz recto  Se denominan así a los cabezales monocristal generadores de ondas longitudinales longitudinales perpendiculares a la superficie de acople.

Los transducto trans ductores resonorm normales ales se const constru en libre a artir un cristal cristalcon iezoeléctr iezo eléctrico ico ad unto a un un b blo loo resina ue rígido denominad denominado amortiguador. amortiguador . Su ru parte estádeprotegida una membrana de caucho especial. El bloque amortiguador amortiguador tiene la función de ser servir vir de apoyo para el cristal y absorber las ondas emitidas por la cara unida al mismo. El transduct transductor or emite un im ulso ultr ultrasóni asónico co ue atraviesa atraviesa el mater material ial a ins ins eccionar eccionar refle a en en las interfases, originando lo que se denomina ecos. Estos ecos vuelven al transductor y generan la señal eléctrica correspondiente en el mismo. La cara de contacto del transductor con la pieza debe estar protegida del desgaste mecánico, udiéndos udié ndosee usar ara ello memb membranas ranas finas resistentes resistentes de cauch caucho o o ca as fi as de e oxi enri uecido uecido con óxido de aluminio.

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Generación y detección de las ondas ultrasónicas Tr Transductores ansductores angulares  angu lares  En rigor, rigor, difieren de los transductores rectos o normales por el hecho que el cristal forma un determinado ángulo con la superficie del material. El ángulo se obtiene insertando una cuña de plástico entre el cristal cristal iezoeléctr iezoeléctrico ico la su erficie. erficie. La cuña uede ser fi a siendo siendo encer encerrada rada or la carc carcasa asa o intercambiable. intercambiab le. En este último caso se trata de un transductor normal que está fijado con bulones que sujetan la cuña a la carcasa. Como en la práctica se opera normalmente con diversos ángulos (de 35°, 45°, 60°, 70° y 80°), esta

solución es más económica a ue un único transductor con varias cuñas tiene tiene un costo m más ás ba o, sin embargo, necesita mayores cuidados en su manipulación. El ángulo nominal sobre el cual el haz ultrasónico penetra en el material es válido solamente para la inspección de piezas de acero. Si el material fuera otro, se debe calcular el ángulo real de enetración utilizando utilizando la le de Snell. El cambio cambio del án ulo se debe al cambio cambio de velocidad en el medio.

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Generación y detección de las ondas ultrasónicas Tr Transductores ansductores duales  dual es  Cuando se trata de inspeccionar o medir materiales de poco espesor, espesor, o cuando se desea detectar discontinuidades discontinui dades debajo de la superficie del material, la "zona muerta" impide una respuesta clara.

El cristal cristal amortiguado iezoeléctr iezoeléctrico ico suficientemente recibe recibe una "res uesta" uesta " en un eríod eríodo corto dessólo uéspuede de la emisi emisión ónunno habiendo amortigu ado sus vibraciones. Enoeste caso ay ayudar udar transductor que separe la emisión de la recepción. Para eso se desarrolló un transductor de doble cristal, en el que en la misma carcasa se incorporaron dos cristales separados por un material acústico acúst ico aislante aislante levemente levemente incl inclinad inados os res ecto a la la su su erfici erficiee de contacto. contacto. Se conectan al equipo de ultrasonido por un cable doble, por lo que el equipo debe ser ajustado para trabajar con dos cristales que se montan sobre bloques de plástico especial de baja atenuación.

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Generación y detección de las ondas ultrasónicas Debido a esta inclinación, los transductores dobles no se pueden usar para cualquier distancia (profundidad). (profundid ad). Siempre tienen una banda de inspección óptima que debe ser observada, fuera de esta zona la sensibilidad se reduce. En ciertos casos estos transductores dobles se utilizan con "focalización" es decir el haz es concentrado concentrado en una determinada zona del material ara el ue se necesita la máxima sensibilidad. El transductor de doble cristal es el más indicado y utilizado en los procedimientos de medición de espesores por ultrasonido.

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Generación y detección de las ondas ultrasónicas

Cables de conexión de los palpadores

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Generación y detección de las ondas ultrasónicas

Prop Prropagación opag agac ació iónn de las las ondas ondas dentro dent dentro ro del del material mate materi rial al Campo Cercano o Zona de Fresnel

Para entender los fenómenos que se describirán a continuación continuación,, se debe imaginar que el cristal piezoeléctrico generador de ondas ultrasónicas está formado por infinitos puntos oscilantes de . Tal como una piedra cayendo en un lago de aguas calmas, producirá ondas circulares en la superficie. Cada punto del cristal piezoeléctrico también se comportará de la misma forma, o sea, producirá ondas esféricas en el medio de propagación, según se muestra en las siguientes figuras.

Cristal piezoeléctr

Región con gran interferencia ondulatoria

Los puntos seleccionados 1, 2 y 3 del cristal emiten ondas esféricas que se propagan en el medio. Se observa que en las cercanías del cristal existe   muy grande entre las ondas provenientes de los puntos 1, 2 y 3 del cristal. A medida que el alejamiento del cristal es mayor, las interferencias van disminuyendo y

denominada Campo Cercano simbolizada por N

desapareciendo, volviéndose un solo frente de onda.

diámetro “D”

1 2

N

Frente de ondas

3

83

Máximo

N

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Generación y detección de las ondas ultrasónicas

Cristal

Foco

Angulo de divergencia

Eje acustico

D0

N

Campo cercano

Campo lejano

a reg n pr x ma a crs a on e se man es an os en menos menc ona os prev amen e se denomina campo cercano con una extensión N que depende del diámetro del cristal y de la longitud de onda l de la vibración, pudiéndose pudiéndose calcular según la fórmula: 2

 N 

ef

4   

2



N 

ef

 

4  C 

Def es el diámetro efectivo, este es el área acústicamente efectiva y depende el tamaño del cristal y de su forma. Para cristales rectangulares Def=0,97 x la mitad del largo del lado mayor del cristal. Para 84 cristales circulares Def=0,97 x diámetro del cristal. US Nivel 2 - Ing. Carballal C - Ing. Bavarisco P

 

Generación y detección de las ondas ultrasónicas C ampo Lejano L j o Zona Z de d Fraunhofer F h f

La región que sigue al campo próximo es la del campo lejano. En esta región la onda sónica ssee dispersa igual que el haz de luz de una linterna con respecto al eje central. Además, la onda disminuye su intensidad a la inversa del cuadrado de la distancia.

Campo cercano

1

Campo lejano

2

3

  - Zona 1: Las pequeñas discontinuidades discontinuidades son difíciles de detectar (campo cercano cercano). ). - Zona 2: Las discontinuidades discontinuidades mayores mayores se pueden detectar más fácilmente. - Zona 3: Se puede detectar cualquier discontinuidad discontinuidad compatib compatible le con la longitud de onda. , vibración sónica en estas regiones. 85

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Generación y detección de las ondas ultrasónicas

Sensibilidad, Resolución y Amortiguación de señales. Sensibilidad

La sensibilidad espequeñas. la ca acidad ue tiene un transductor ara detectar los señales rovenientes de discontinui discontinuidades dades Se mide por la amplitud que se obtiene de una discontinuidad artifi artificial cial en un patrón de calibración.

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Generación y detección de las ondas ultrasónicas Resolución

Es la capacidad para detectar y separar las señales de dos pequeñas discontinuidades que se encuentran muy cercanas unas de otras.

eso u ucc n

xa 

Resolución Lateral 

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Generación y detección de las ondas ultrasónicas Amortiguación de señales

Para algunos casos es necesario amortiguar las oscilaciones propias del transductor para limitar el tiem o mínimo mínimo de recibida recibida de un eco la su er osición osición de estas señales señales de esa manera manera me orar la resolución. El amortiguamiento se puede cambiar de dos maneras, físicamente, cambiando el transductor, pues cada tipo tiene asociado una masa amortiguadora sobre el cristal. Eléctricam Eléct ricamente, ente, desde el e ui o lo ue se h hace ace se actua actuarr sobre sobre la red red eléctric eléctricaa donde donde se conecta conecta el transductor. Pulso de palpador

Bajo amortiguamiento

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Alto amortiguamiento

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Energía ultrasónica e impedancia acústica

6. Energía ultrasónica e Impedancia Acústica

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Energía ultrasónica e impedancia acústica La propagación de una onda acústica, en cualquier material que presenta superficies límites ó contornos (cuerpo), sufrirá una alteración. Consideramos superficie límite a aquella que separa dos medios, con propiedades elásticas diferentes dife fere rent ntes es ve velo cida dade des s de ro ación ación . límite entre dos medios ‚esta será reflejada, transmitida ó Sidi un frente deloci onda alcanza unaa superficie refractada en forma parcial o total.

Reflexión y Transmisión ( Incidencia Normal ) Si una onda incide en forma normal a una superficie plana y suave (especular), que separa dos medios diferentes, una parte de la energía de la onda se refleja y vuelve en la misma dirección y la otra parte se transmite al otro medio manteniendo su dirección y sentido.

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Energía ultrasónica e impedancia acústica La proporción de onda transmitida transmitida y reflejada dependerá de la Impedancia acústica Z de los medios Z1 = ρ.C1

Z2 = ρ.C2

Poniendo en juego la intensidad acústica (I) de la onda ultrasónica incidente podremos calcular la cantidad de energía que es reflejada multiplicando la intensidad acústica por el coeficiente de reflexión (R), como también conocer la energía transmitida al segundo medio, multiplicando la intensidad acústica por relación el coeficiente de transmisión (T). Ambos coeficientes son adimensionales y se expresan en %, como a la Intensidad de la onda incidente.

 R 

Ireflejada

T 

 

Itransmitida

 

incidente

incidente

El balance de energía puesto en juego estará dado por la siguiente expresión: Ii=Ir+It donde la relación de coeficientes será: R + T = 1. A través de la teoría de la propagación de ondas acústicas, se obtienen, los valores de los coeficientes según las impedancias acústicas de la manera siguiente:



( Z1  Z 2 )2 ( Z1  Z 2 )2

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

4   Z1  Z 2 ( Z1  Z 2 )2 US Nivel 2 - Ing. Carballal C - Ing. Bavarisco P

Energía ultrasónica e impedancia acústica Una primera conclusión que se deduce es que, desde el punto de vista de las intensidades acústicas, es indiferente el lado de la superficie límite sobre el cual incide la onda, ya que los valores de R y T no cambian al permutarse entre sí Z1 y Z2.

No ocurre lo mismo con la presión acústica:

 R´

Preflejada Pincidente

  Z  Z 1  R´ 2  Z1  Z 2

La presión acústica reflejada será de la misma amplitud, cualquiera sea el lado de la superficie límite sobre cual decir, decir, independiente la la secuencia de ambos si bien, el casoelde serincide Z2 > Zla1, onda, R' seráespositivo, lo que índicade que onda incidente y la materiales; reflejada están en laen  , , , ' , onda reflejada con relación a la incidente. 92

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Energía ultrasónica e impedancia acústica   , , independiente de la secuencia de los dos materiales, de manera que si Z2 > Z1, T' > 1, lo que indica que su amplitud será mayor que la de la onda incidente y een n caso contrario (Z2 < Z1, T'