Principios de Ultrasonido

Principios de ultrasonido Ingeniero Fabián Ricardo Muñoz Mora INSPECTOR SAUT

ULTRASONIDO El ultrasonido es una prueba no destructiva volumétrica, esta prueba nos proporciona información acerca de la sanidad interna de los materiales inspeccionados. La inspección ultrasónica actualmente se realiza por el método básico en el cual, el ultrasonido se transmite y se propaga dentro de una pieza hasta que es reflejado; el ultrasonido reflejado regresa a un receptor proporcionándole información acerca de su recorrido, la información proporcionada se basa en la cantidad de distancia recorrida por el ultrasonido. La inspección de materiales por ultrasonido se realiza en frecuencias entre

0.5 y 25

millones de ciclos segundo

Aplicaciones     

Caracterización de materiales Defectologia Metrología Limpieza de líquidos Sensores de caudal

Principios de ultrasonido Ingeniero Fabián Ricardo Muñoz Mora INSPECTOR SAUT ONDA ULTRASONICA La propagación del ultrasonido está dada por vibraciones mecánicas periódicas, las cuales se representan por movimientos ondulatorios (ondas sinusoidales).

Formula:

λ=

v f

λ =Longitud de onda V = Velocidad F = Frecuencia Del movimiento ondulatorio se mencionan varias características: Ciclo : Movimiento completo de la onda o partícula. Longitud de onda : Es la distancia que se requiere para completar un ciclo. Frecuencia : Número total de ciclos que pasan por un punto por una unidad de tiempo.

Velocidad acústica (V): en ultrasonido la velocidad acústica se define como la distancia total del viaje por unidad de tiempo. Es determinada principalmente por el módulo de elasticidad del material y su densidad. La velocidad es afectada por la temperatura del material y el modo de onda, la velocidad es independiente de la frecuencia.

Principios de ultrasonido Ingeniero Fabián Ricardo Muñoz Mora INSPECTOR SAUT Ejercicio1 Hallar la longitud de onda para el acero con un palpador normal de frecuencia 5 MHz Solución: Palpador normal = onda longitudinal

λ =? F= 5 MHz

λ=

5900 =1.18 x 10−3 mts /ciclos 5000000

λ=1.18 mm/ciclos

Formula: Tamaño de discontinuidad mínimo para detectar

tamaño discuntinuidad=

λ 2

Ejercicio 2 Tamaño mínimo de una discontinuidad en un aluminio con palpador de 1 MHz. Solución:

v tamaño discuntinuidad= = 2f

m s =3.16 ×10−3 mts=3.16 mm 6 ciclos 2(1× 10 ) seg 6320

Ejercicio 3 Si se tiene un defecto de 1mm en un acero, que palpador normal se debe escoger según su frecuencia.

5900 1 mm=

2f

m s


mm s =2.95 MHz 2 ×1 mm

5900 10 f=

−3

Se debe seleccionar un palpador con frecuencia mayor a 2.95 con el fin de obtener mayor definición para detectar la discontinuidad o el defecto. Formula: Velocidad (V) en relación a espesor (S) y tiempo (t)

x 2S V= = t t

Ejercicio 4 Si tenemos un material con un espesor de 25.4 mm, y se está utilizando una técnica de pulso de la cual tenemos un tiempo de respuesta de 8 μs , qué tipo de material se está inspeccionando.

V=

2 S 2 x (25,4 mm) mm mts = =6350000 =6350 −6 t seg seg 8 x 10

El material de inspección es Aluminio.

Ejercicio 5 Si se calibra un equipo de ultrasonido con una escalerilla 20º C y se lleva el equipo a una zona de inspección donde la tubería se encuentra a 180º C, cuál será el porcentaje de error, teniendo en cuenta que por cada

1

m s

hay 1º C de diferencia.

5900

Si la escalerilla es de acero a 20º tenemos que la velocidad por tabla será de tenemos un

Δ T =180 ºC−20 ºC=160ºC , y la información es que

1

m s

mts , seg

hay 1º C de


diferencia, por lo tanto la diferencia de

5900

m m m −160 =5740 s s s

por lo tanto el % de error

será:

Error=

5900−5740 x 100=2,71 5900

TIPOS DE ONDAS     

Ondas longitudinal o de compresión (longitudinal waves) Ondas transversales o de corte (Shear waves) Ondas de Rayleigh o superficiales (Rayleigh waves) Ondas de lamb: (Lamb waves) Ondas Creeping waves (Creeping waves)

Ondas longitudinales: la característica principal de estas ondas es que provocan que las partículas vibren en dirección paralela con respecto a la dirección de propagación de la onda supersónica.

Las ondas longitudinales pueden propagarse a través de sólidos, líquidos y gases, además son empleadas para realizar inspecciones por el método de inmersión. Ondas l ongitudinales con palpador normal (usualmente para medición de espesores). Ondas transversales: están caracterizadas por que las partículas vibran en dirección perpendicular con respecto a la dirección de propagación de la onda supersónica. Estas ondas se presentan únicamente en sólidos y su velocidad es aproximadamente la mitad de las ondas longitudinales.

Principios de ultrasonido Ingeniero Fabián Ricardo Muñoz Mora INSPECTOR SAUT En las onda transversales son de mayor detección de para los defectos y son utilizadas con palpador angular.

Ondas de Rayleigh: Son ondas superficiales que originan que las partículas de la superficie o cercanas a ellas vibren en forma elíptica, su movimiento se asemeja al de las olas del agua, estas ondas recorren en el contorno geométrico de la pieza son importando su irregularidad geométrica, la velocidad de la ondas de Rayleigh es aproximadamente el 90% que la velocidad transversal.

Ondas de lamb: Ocupan todo el volumen del espesor En ondas lamb el espesor de inspección debe ser La velocidad de la ondas lamb varía según     

Frecuencia de la onda Tipo de onda Angulo de incidencia Material Espesor

s=≤ 3 λ


Creeping waves: Es aproximadamente la velocidad longitudinal.

Transductor Las vibraciones mecánicas son producidas pos los transductores o palpadores, en general el palpador o transductor es un accesorio que transforma energía de una forma a otra. El diseño del palpador depende según la aplicación y algunas consideraciones básicas son.    

Material del cristal piezoeléctrico Espesor del cristal piezoeléctrico Forma del palpador Grado de amortiguamiento del material de respaldo



Carcaza externa



Cristal piezoeléctrico



Conector

Principios de ultrasonido Ingeniero Fabián Ricardo Muñoz Mora INSPECTOR SAUT 

Conexiones eléctricas y electrodos



Placa protectora o de contacto



Barra acústica



Material de respaldo

Efecto piezoeléctrico: es la propiedad que tiene los materiales para transformar energía eléctrica en mecánica y viceversa, algunos materiales cristalinos y cerámicos se expanden o contraen bajo la influencia de campos eléctricos variables (efecto piezoeléctrico inverso), produciendo un movimiento similar a la oscilación de un pistón, este fenómeno puede ser reversible, un esfuerzo mecánico (una presión que provoca deformación), crea una señal eléctrica de salida (efecto piezoeléctrico directo).

CARACTERÍSTICAS DE PROPAGACIÓN DE LA ONDA ULTRASÓNICA. La propagación del haz ultrasónico es influenciada por las propiedades acústicas del medio por el cual de propaga. Impedancia Acústica : La resistencia que oponen los materiales a la propagación del sonido, propiedad de los materiales, se denomina como (Z), y es el producto de la densidad del elemento y la velocidad del ultrasonido dentro de él, este valor se encuentra en tablas.

Z

gramos cm =densidad del material x velocidad de propagacion ( ( cmgramos ) ( ) seg ) −seg cm 2

3

Interface acústica: es el límite entre dos materiales o medios con diferente impedancia acústica. EFECTOS DE INTERFACES ACÚSTICAS Las variaciones en las propiedades acústicas del medio en que se propaga el haz ultrasónico pueden producir: reflexión, refracción, conversión de modo y difracción del haz, o combinaciones de estos efectos, los factores típicos que producen la variación en los efectos son: la rugosidad

Principios de ultrasonido Ingeniero Fabián Ricardo Muñoz Mora INSPECTOR SAUT superficial, la curvatura de la pieza, variaciones en la estructura, la forma irregular de la discontinuidades y las características no uniformes del haz ultrasónico. Reflexión: Una onda supersónica es “reflejada” cuando encuentra un cambio en el material, una interface acústica. 

Cuando la onda que incide es perpendicular a la interface acústica (conocido como incidencia normal) la onda es reflejada hacia la fuente que fue emitida, en la misma dirección en sentido contrario.

En muchos casos no toda la energía de la onda que incide es reflejada cuando encuentra cambio de medio, el porcentaje de energía reflejada depende de la relación de impedancias acústicas de los medios (

Z1 ). Z2

Z1

Onda incidente

Onda reflejada

Z2

Onda transmitida

2

Onda Reflejada=

( Z 2−Z 1 )

2

(Z 2+ Z 1 )

×100

Ondatransmitida=1−Ondareflejada

Ejercicio 6

Principios de ultrasonido Ingeniero Fabián Ricardo Muñoz Mora INSPECTOR SAUT Cuál es el porcentaje de reflexión y de transmisión en dos medios (agua-acero).

Onda Reflejada=

(4.5−1.5)2 ×100=25 ( 4.5+1.5)2

Onda transmitida=100−25=75



Cuando la onda que incide es transversal u oblicua a la interface acústica (un ángulo diferente a 0º con respecto a la normal a la interface acústica es conocida como. Incidencia angular), la onda es reflejada a un Angulo igual al de incidencia.

REFLEXIÓN Y REFRACCIÓN DE ONDAS CON INCIDENCIA ANGULAR SOBRE UNA INTERFASE La refracción es otro efecto que puede darse durante la propagación de una onda ultrasónica, es: es el cambio de dirección de una onda ultrasónica cuando pasa de un medio a otro medio con distintas velocidades, y con ángulo de incidencia diferente a 0º con respecto a la normal de la interface.

La incidencia de onda angular sobre una interface, con un ángulo diferente a 0º produce una onda refractada en el segundo medio, con un ángulo diferente al ángulo de incidencia, el cual puede ser calculado mediante la ley de Snell.

Principios de ultrasonido Ingeniero Fabián Ricardo Muñoz Mora INSPECTOR SAUT LEY DE SNELL: Establece una relación matemática la cual relaciona el ángulo de incidencia con el ángulo refractado, en función de las velocidades acústicas de cada medio.

senα senθ = V1 V2 α θ V1 V2

= es el ángulo entre la línea normal a la interface y la onda que incide en el medio 1. = es el ángulo entre la línea normal a la interface y la onda refractada en el medio 2. = es la velocidad acústica del medio 1. = es la velocidad acústica del medio 2.

CONVERSIÓN DE MODO La incidencia de una onda sobre una interface, con un ángulo diferente a 0º, produce una conversión en otros modos de vibración o tipos de ondas en el segundo medio (una onda longitudinal y otra transversal), con ángulos diferentes al de incidencia.


Primer ángulo crítico: es el valor del ángulo de incidencia ∝ con el cual la onda longitudinal es refractada a 90º ( θ L =0) con respecto a la normal. A un ángulo de incidencia mayor al primer ángulo critico no se tienen ondas longitudinales refractadas en el medio 2, solamente existirán ondas transversales refractadas.

Ejercicio 7 Hallar el primer ángulo crítico (ángulo de incidencia) y el ángulo refractado de la onda transversal para el plexiglás y el acero.

c

senα sen 90 = 2730 5900 ∝=sin

−1

(

( 2730 )

senα sen θT = V1 V2

sen 27,56 ° sen θT = 2730 5900 θT =sin

−1

(

( 3230 )

27,56 ° ( sen2730 ))=33,19 °

( sen590090 ))=27,56°

Principios de ultrasonido Ingeniero Fabián Ricardo Muñoz Mora INSPECTOR SAUT Segundo ángulo crítico: Es el valor del ángulo de incidencia ( ∝¿ con la cual la onda de corte es refractada a 90 ° respecto a la normal. A un ángulo mayor de incidencia mayor al segundo ángulo critico no se encuentra onda de corte refractadas en el medio 2, si es empleado un ángulo de incidencia ligeramente mayor al segundo ángulo critico (5 ° - 10 ° ) son generadas ondas superficiales.

Ejercicio 8 Hallar el segundo ángulo crítico (ángulo de incidencia) para el plexiglás y el acero

senα sen θT = V1 V2 senα sen 90 = V1 V2

(

∝=sen−1 ( 2730 )

( sin323090 ))=57,7°

Para trabajar con ondas transversales el rango del ángulo de incidencia se deberá encontrar entre 33 ° - 57 ° . Atenuación = perdida de la energía atreves del material a inspeccionar, entre mayor sea el recorrido mayor es la perdida de la atenuación


20 log ⁡( Atenuacion=

A2 ) A1

2x

A2/A1 = diferencia en decibeles (cuantos decibeles “cuantificación de energía también conocido como ganancia” pierde por el recorrido). La atenuación se debe a varios mecanismos de perdida, que son. 

Acoplamiento: Debido a perdidas en donde en la interface acústica, parte de la energía es reflejada y la otra transmitida y otras perdidas como la condición del acabado superficial, se debe aplicar una cantidad de acoplanté para que permita la mayor energía posible.



Divergencia del haz ultrasónico: en materiales homogéneos de grano fino y con propiedades elásticas isotrópicas (condiciones ideales), la energía ultrasónica es afectada por la naturaleza de su fuente y sus patrones de directividad.

Patrones cerrados (ángulos de divergencia pequeños), pero tienen mayor recorrido Patrones abiertos (ángulos de divergencia grandes), pero cubren una mayor área

Dispersión= Porcentaje de energía que se regresa o no pasa, que es dispersada en varias direcciones debido a elementos distribuidos al azar (porosidades, inclusiones, tamaño grano) del material, los efectos por atenuación sobre las anteriores indicaciones se pueden compensar parcialmente, utilizando ondas más largas (frecuencias bajas), pero teniendo como consecuencia la disminución de sensibilidad y resolución.

Las frecuencias bajas son utilizadas para minimizar la atenuación del sonido como resultado de un tamaño grueso o para distancias largas, frecuencias mayores son utilizadas en aplicaciones donde se requiere alta sensibilidad y donde la atenuación no es un problema.

Principios de ultrasonido Ingeniero Fabián Ricardo Muñoz Mora INSPECTOR SAUT Absorción: Perdida de energía debido al calor, por esta razón la inspección por ultrasonido de tales materiales está limitada por espesores delgados. Difracción: Son ondas ultrasónicas planas que avanzan atreves del medio en patrones rectos a menos que encuentren un cambio en las propiedades del medio. Cuando la onda encuentra un reflector pequeño, la onda es redirigida con un frente de onda esférico.

Cuando una onda plana encuentra los extremos de interfaces reflectoras tales como grietas por fatiga, ocurre reflexión a lo largo de la superficie plana de la grieta y en los extremos se forman ondas cilíndricas.

CARACTERÍSTICAS DEL HAZ ULTRASÓNICO El haz ultrasónico no tiene un comportamiento recto ni intensidad uniforme. Como resultado de los efectos de difracción, el haz ultrasónico se ha dividido en zonas diferentes debido a sus diferentes características.


Campo muerto o zona muerta: es la zona donde no se puede inspeccionar debido a que el pulso inicial en la pantalla es demasiado grande para poder ser observada, debido a esto no se puede realizar inspección de discontinuidades cercanas a la superficie. Eje central o acústico: es la línea central a lo largo del haz ultrasónico donde se encuentra la energía, (donde se encuentra el 100% de la intensidad de acuerdo a la distancia desde el transductor). Zona o campo cercano: Área donde se caracteriza por las variaciones en la intensidad del haz ultrasónico, esto se debe por la distribución de presiones que varían constantemente. 2

N=

2

D D ×F A = = 4λ 4V πλ

N = Longitud del campo cercano D = Diámetro del transductor F = Frecuencia del palpador V = Velocidad de la onda ultrasónica λ = Longitud de la onda A= Área de la superficie de contacto del transductor Zona o campo lejano: En este campo la intensidad del haz ultrasónico, la distribución de presiones acústicas, decaen de manera exponencial conforme se incrementa la distancia desde la cara del transductor. Divergencia del haz: en el campo cercano el haz ultrasónico se propaga de forma recta desde la cara del palpador, en el campo lejano el sonido se esparce hacia afuera (presenta divergencia)


A una frecuencia dada, entre mayor sea el diámetro del transductor el haz será más recto, y entre menor sea el diámetro del transductor el haz tendrá una mayor divergencia y a la ves entre mayor se a la frecuencia menor será la divergencia del haz. El ángulo de divergencia se puede calcular únicamente en el campo lejano su ecuación es:

sin θ=1.22

λ V =1.22 D D× F

(Punto limite 0%, 0 db)

sin θ=1.08

λ V =1.08 D D×F

(10%, 20 db)

sin θ=0.88

λ V =0.88 D D×F

(32%, 10 db)

sin θ=0.70

λ V =0.70 D D×F

(50%, 6 db)

θ = mitad del angulo de divergencia D = Diámetro del transductor F = frecuencia del transductor V= velocidad de la onda ultrasónica λ = longitud de onda TABLAS Y NOTAS


MATERIAL Steel Aluminum Plexiglas Water Quartz

Velocidad longitudinal (m/s) 5900 6320 2730 1483 5800

Velocidad transversal (m/s) 3230 3130 1430 ----2200

impedancia acústica (Z) 4.5 1.7 3.2 1.5 15.2

Curvas para corregir perdidas por atenuación DAC: corrige la ganancia para cada defecto. TCG: Corrección que suma ganancia a cada señal para llegar al 80%, se utiliza en phase array debido a que está relacionado con la paleta de colores.

Nota. Zero= retardo de transmisión entre los accesorios de transmisión de la señal como el cable acoplanté la zapata etc. y el material Presión acústica = Cantidad de energía que se devuelve al equipo. Periodo = Tiempo en recorrer la longitud de onda Sensibilidad = habilidad del palpador de detectar ecos de discontinuidades pequeñas.

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