modulo 1 ultrasonidos

8/19/2019 Modulo 1 Ultrasonidos

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ULTRASONIDOSUT


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Ing. RICARDO A.SALAZAR M.


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ULTRASONIDO

Es una de las técnicas de inspección no destructiva que másevolución a presentado y una de las mas requeridas, ya quepermite localizar y cuantificar el tamaño de los defectos internospara diferentes tipos de geometrías y materiales. No representa

riesgo para el inspector o para el material.


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HISTORIA DE LOS UTLos orígenes del método se remonta al ensayo

de percusión de la muestra con un martillo y lapercepción del oído del sonido emitido

1870 - Galton investigó los límites de laaudición humana, fijando la frecuencia

máxima a la que podía oír una persona.1880 – Aparecieron las primeras fuentes, Los

hermanos Jacques y Pierre Curie fueron losprimeros en descubrir el efectopiezoeléctrico, o cambio de la distribución delas cargas eléctricas de ciertos materialescristalinos tras un impacto mecánico.

En esta misma década; Lippmann y Voigtexperimentaron con el llamado efecto

piezoeléctrico inverso.


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HISTORIA DE LOS UT Roentgen que participó en los primeros experimentos

con ultrasonidos y publicó varios trabajos en los quedescribía sus experiencias con sonidos de altafrecuencia.


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HISTORIA DE LOS UT (CONT)

A lo largo del siglo XX, se han producidograndes avances en el estudio de losultrasonidos, especialmente en lo relacionadocon las aplicaciones: acústicas, subacuáticas,medicina, industria, etc.

Langevin lo empleó durante la primera GuerraMundial para sondeos subacuáticos, realizandoun sencillo procesado de las ondas y sus ecos.

Richardson y Fessenden, en la década de losańos 10 idearon un método para localizar

icebergs, con un procedimiento similar alutilizado hoy en día (método de impulsos).Mulhauser y Firestones entre 1933 y 1942

aplicaron los ultrasonidos a la industria y a lainspección de materiales.


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ENSAYO ULTRASÓNICO

Ensayo no destructivo basado en laspropiedades de: propagación, reflexión, yrefracción de vibraciones mecánicas, cuyasfrecuencias varían entre 20 KHz y 25MHz (para materiales metálicos 0.2 – 25MHz).

Es cualquier sonido por encima de loaudible por el ser humano.

Las ondas ultrasónicas son “ondasacústicas” de idéntica naturaleza que lasondas sónicas (mecánicas o acústicas).


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APLICACIONES ULTRASONIDO

Biología Medicina Fotografía Navegación Metrología Química Comunicaciones Pesca Industria química Ensayos de laboratorio Industria de soldadura


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PRINCIPIO

La inspección por ultrasonido mide en variospuntos el efecto del paso de las ondasacústicas de alta frecuencia a través delmaterial de la pieza que se evalúa. Dicha

propagación se controla electrónicamentepor pulsos que un transductor convierte enenergía acústica que se aplica en puntos

específicos. Posteriormente, el mismotransductor u otro similar, recibe el reflejo deesa onda acústica y la convierte nuevamenteen una señal eléctrica.


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Frecuencia ( f )

100

MHz

1 10 100 1

KHz

10

KHz

100

KHz

1

MHz

10

MHz

102

103

10

1

10-210-1

10-3

10-4

104

Areanormal deaudición

Infra-sónica

Sónica Ultrasónica

Presión(dinas/cm2)

Espectro Acústico

FUNDAMENTOS DE LA TECNICA NODESTRUCTIVA DE ULTRASONIDO


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ESPECTRO ACÚSTICO (CONT.)

INFRASONIDO: Pertenece a las Vibraciones y ondas del SONIDOcuya FRECUENCIA es demasiado baja para seroída por el ser humano, por debajo deaproximadamente 20 Hz. El término también seusa para describir cualquier sonido de frecuenciabaja.

AUDIO FRECUENCIA (zona audible):

Pertenece a cualquier FRECUENCIA del RANGOaudible, normalmente entre 20 y 20,000 Hz.


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ESPECTRO ACÚSTICO (CONT.)

ULTRASONIDO:Pertenece a los sonidos cuyas frecuencias están porencima del rango audible del ser humano, es decirsobre 20 kHz.No obstante, en la naturaleza existen muchos ejemplos

de especies que se pueden transcribir (transmitir yrecibir) por ultrasonidos. Los murciélagos y algunosinsectos tienen órganos sensoriales ultrasónicos muydesarrollados que funcionan aproximadamente a 120Khz.


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PROPIEDADES DE LAS ONDAS

SONORAS

Las ondas sonoras son vibracionesmecánicas que se propagan en casi todos losmateriales. Su velocidad dependefundamentalmente de la densidad y laspropiedades elásticas del medio en el que sepropagan. Las ondas de ultrasonido songeneradas y detectadas generalmente por

transductores piezoeléctricos; El efectopiezoeléctrico consiste en la conversión deuna señal eléctrica en mecánica y viceversa


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PARÁMETROS DE LAS ONDASULTRASÓNICAS

Sím b o lo Parám etr o Un id ad es

Frecuencia angular rad/s

Frecuencia Hz=s-1

Longitud de onda m

Desplazamiento de la partícula m

A Amplitud máxima de oscilación m

C Velocidad acústica m/s

Velocidad de la partícula m/s

V Velocidad máxima de vibración (= A) m/s

Densidad del material Kg/m3

F Fuerza N

P Presión acústica Pa

Módulo de Poisson

E Módulo de elasticidad N/m2

G Módulo de rigidez N/m2

Z Impedancia acústica Ns/ m3

P Potencia acústica W

I Intensidad acústica W/ m2


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CARACTERISTICAS DE LA ONDA

El período, es el tiempo que toma una partícula en realizar

un ciclo completo.

La frecuencia, es el número de oscilaciones de una

partícula por segundo, su unidad es el Hertzio (1 Hz = 1

ciclo/seg.)

Fase. Condición instantánea dentro de una oscilación

cuando se comparan dos oscilaciones.


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CARACTERISTICAS DE LA ONDA La amplitud, es el máximo desplazamiento que realiza

la partícula sometida a vibración.

La longitud de onda, es la distancia entre dos planos en

los que las partículas se encuentran en el mismo estado

de movimiento.

V= .f =V/f


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TIPOS DE ONDAS

Ondas longitudinales o de compresión.

Ondas transversales o cortantes.

Ondas superficiales o de Rayleigh

Ondas de Lamb u ondas guiadas u ondas deplaca.


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TIPOS DE ONDAS ULTRASÓNICAS

Ondas Longitudinales: Cuando ladirección de oscilación de las partículases paralela a la dirección de

propagación de la onda, donde cadapartícula al vibrar empuja ao hala a laspartículas adyacentes y estas

transmiten a las partículas vecinas,este tipo de onda se propaga en lossólidos, líquidos y gases.


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TIPOS DE ONDAS ULTRASÓNICAS

Palpador

DIRECCION DE VIBRACIÓN

DIRECCION DE PROPAGACIÓN


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TIPOS DE ONDAS ULTRASÓNICAS (CONT.)

Ondas Transversales o de cizalladura: Elsentido de y dirección de oscilación de laspartículas es perpendicular a la dirección depropagación de la onda ultrasónica; éstas se

propagan en los sólidos.Los líquidos altamente viscosos que poseen

ciertos “modulo complejo de rigidez” puedepropagar andas transversales.

Las ondas transversales tienen longitud deonda menor que las longitudes, a una mismafrecuencia. POSEEN MAYORSENSIBILIDAD que las ondas longitudinale


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DIRECCION DE PROPAGACIÓN DIRECCION DE VIBRACIÓN

Palpador


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Ondas Superficiales (o de Rayleigh): Cuando el haz de ondas ultrasónicas sepropaga exclusivamente en la superficie delmaterial siguiendo el perfil del cuerpo, y lo

penetran a una profundidad equivalente auna longitud de onda. SONEQUIVALENTES A LAS ONDAS DECORTE. Estas se propagan en los sólidos.

Penetración máxima 1.5 mm o , Excelente para detectar fisuras

superficiales. Vel de propagación aprox. 90% de onda

transversal.


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DIRECCION DE PROPAGACIÓNDIRECCION DE VIBRACIÓN

Palpador


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Las ondassuperficiales seobtienen cuando el

ángulo de incidenciadel haz ultrasónicosobre el materialtiene un valor tal que

se alcanza el segundoángulo crítico derefracción.


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Ondas de Lamb: Se propagan de varios modosde acuerdo al sentido de vibración de laspartículas pero se propagan en dos modos:

Onda simétrica o de dilatación – Las partículas de

la zona media se comportan según oscilacionespuramente longitudinales.Onda asimétrica o de flexión – Las partículas de la

zona media se comportan según oscilacionespuramente transversales.


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Cuando el espesor del material es del mismo ordenque la longitud de onda se producen ondas LAMB(ONDAS CREEPING). Estas son un tipo deondas superficiales.

La obtención de estas ondas para cada caso deespesor y frecuencia se consigue variando alángulo de refracción del haz


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ONDAS DE LAMB. Palpador

Movimiento de laspartículas

Ondas simétricas de

compresión

Ondas asimétricas de flexión Dirección de la propagación


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VELOCIDAD DE PROPAGACIÓN DE LAS ONDAS:

Cada onda ultrasónica tiene diferente velocidadde propagación que depende en cada caso de lascaracterísticas elásticas del medio y esindependiente de la frecuencia.

La velocidad de propagación de las ondas esproporcional al módulo de elasticidad delmaterial.


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VELOCIDAD DE PROPAGACION DE LAS ONDAS.

Velocidad de las Ondas Longitudinales,Transversales y Superficiales. Velocidad de ondas

de lamb

211

1

E c

l

G E c

t

12

1

12

21l t

c c

121

121870 E ..c

s

1

121870 ..c c

t s


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EFECTO FOTOELÉCTRICO

DENSIDADES VELOCIDADES


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DENSIDADES, VELOCIDADES,IMPEDANCIAS ACÚSTICAS DE MATERIALES



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DENSIDADES, VELOCIDADES,IMPEDANCIAS ACÚSTICAS DE MATERIALES (CONT.)



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DENSIDADES, VELOCIDADES,IMPEDANCIAS ACÚSTICAS DE MATERIALES (CONT.)


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INCIDENCIA NORMAL

REFLEXION Y TRANSMISION.Tan pronto como una onda sónica alcance un materialcon diferentes características, ej. La superficie de unapieza o una inclusión interna, la propagación de laonda cambiara también.

medio 1 medio 2

Onda incidente

Onda reflejada

Onda transmitida

Interfase


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COMPORTAMIENTO DE LAS ONDASULTRASÓNICAS EN SUPERFICIES LÍMITES .

Incidencia Perpendicular o Normal.

Superficie Límite Única o Normal.

Material 1 Material 2

Z1 = 1·c1

Onda incidente

Z2 = 2·c2

Onda transmitida

Onda reflejada

Interfase

Ii

Ir

It


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COMPORTAMIENTO DE LAS ONDAS UT EN SUPERFICIES LIMITES

Balance de Energía: I i = Ir + I t

R= Ir/I i , T = I t / I i

R+T=1


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De la teoría de la propagación de las ondasacústicas:

(Z2 – Z1) 4Z1Z2(Z1 + Z2) (Z1 + Z2)

Para la presión acústica:T´= Pt/Pi R´= Pr/Pi

Z2 – Z1 2Z2Z2 + Z1 Z2 + Z1

R = T =2

2

2

R´ = T´ =


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ULTRASÓNICAS EN SUPERFICIESLÍMITES .

T : Coeficiente de transmisión de la intensidad del haz. R : Coeficiente de reflexión de la intensidad del haz . I : Intensidad del haz sonoro incidente. It : Intensidad del haz sonoro transmitido.

Ir : Intensidad del haz sonoro reflejado. Z1 : Impedancia acústica del medio 1. Z2 : Impedancia acústica del medio 2,

2

21

2

12

)()(

Z Z

Z Z

I

I R

i

r


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INCIDENCIA ANGULAR

Un haz longitudinal con incidencia angular, alhacer contacto con la superficie limite, producirátres haces:

Haz longitudinal reflejado. Haz longitudinal refractado. Haz transversal refractado.


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COMPORTAMIENTO DE LAS ONDASULTRASÓNICAS EN SUPERFICIES LÍMITES .

Incidencia Angular.

1

2

t

i r i = ángulo de incidenciar = ángulo de

reflexión

t = ángulo de transmisión o

refracción


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INCIDENCIA ANGULAR

LOS ÁNGULOS CRÍTICOS son aquellos queproducen tanto la onda longitudinal refractada(primer ángulo crítico), como la ondatransversal refractada (segundo ángulo crítico),

en la superficie límite o interfase.

DIFRACCION. Habilidad o la tendencia quetienen las ondas a rodear obstáculos con

dimensiones comparables a la longitud de onda


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LEYES DE REFLEXION YREFRACCION La ley de Snell establece que:El seno del ángulo de incidencia es igual al seno del

ángulo de reflexión.

La relación entre los senos de los ángulos deincidencia y refracción, es directamenteproporcional a la relación entre las velocidades delos medios en interfase.


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ANGULOS CRITICOS


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PRIMER ANGULO CRITICO

hasta que el haz longitudinal ( longitudinal) se propague en lasuperficie límite. El ángulo de incidencia ( incidente), para el

cual se cumple que el ángulo de refracción del haz longitudinal

( longitudinal) sea igual a 90°, se conoce como Primer Angula

Crítico.


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SEGUNDO ANGULO CRITICO

Con aumentos progresivos (el ángulo de incidencia porencima del primer ángulo crítico), llegaremos al casoen que el haz transversal se propague también en lasuperficie límite. Este ángulo es conocido comosegundo ángulo crítico

Ó É


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TRANSMISIÓN DEL UT A TRAVÉS DE LA SUPERFICIE DE EXPLORACIÓN.

Medio acoplante.

Condiciones de la superficie y acabado Curvatura superficial. Frecuencia y diámetro del cristal


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ATENUACION

Los materiales sólidos dan lugar a un efecto, mas omenos pronunciado, de atenuación que se traduce en ladebilidad del haz ultrasónico, debido a dos causas:

La absorción y la dispersión, constituyendo ambas a la

atenuación (denominada también amortiguación oextinción).Si >D entonces la atenuaciones considerable por

fricción interna de las partículasD = tamaño de grano


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ABSORCION

La absorción es causada por laconversión de energía mecánica encalor. La absorción es un efecto de

frenado de la oscilación de laspartículas, lo cual explicaría por queuna oscilación rápida pierde mas

energía que una oscilación lenta. Laabsorción aumenta con la frecuenciapero en menor gado que la dispersión.


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DISPERSIÓN La dispersión se produce por la no homogeneidad del

material bajo prueba, la presencia de pequeñasheterogeneidades, que actúan como focos dispersores.Por todas razones, es posible que produzcan señalespequeñas y numerosas, que puedan ocultar las

indicaciones de discontinuidades reales. La dispersión produce ecos parásitos denominada

“grama” que pueden ocultar ecos reales.

Si < D/3 hay dispersión considerable.


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DIFRACCIÓN

Si el obstáculo es realmente mayor

que la longitud de onda y tiene unaimpedancia acústica muy diferente almedio, se presenta reflexión y

difracción de la onda.


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HAZ ULTRASONICO

En el ensayo de ultrasonido, la anchura del hazsonoro es, generalmente, considerado constante entoda su longitud. En realidad, el haz no es totalmenterecto. Si medimos la intensidad del haz sonoro avarias distancias del palpador, veremos que es posible

distinguir tres zonas diferentes,


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HAZ ULTRASONICO

ZONA MUERTA

La zona muerta se debe a la interferenciaproducida por las vibraciones del cristal; y supresencia en el haz, está determinada por eltiempo de oscilación, o sea, el tiempo requeridopor el cristal para generar el pulso de vibración.


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CAMPO CERCANO

La energía es irradiada en todas la direcciones, apartir del punto de origen, y la presión acústica varíapresentándose con máximos y mínimos; sin embargo,el haz tendría una forma totalmente esferoidal, de noser por la existencia de los lóbulos laterales osecundarios, que no son mas que zonas de fluctuación

de la intensidad, producidas por efecto de los bordesdel cristal, según el principio de Huygens


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CAMPO CERCANO

La longitud de la Zona de Fresnel, varía deacuerdo con la longitud de onda y las dimensionesdel cristal. Para palpadores con cristales

circulares, la longitud de campo cercano vienedada por la siguiente ecuación:

Def = 0,97 D

Para palpadores con cristales de forma rectangular, donde la

diferencia entre los lados no supera el 12 %., la longitud de la zona

de campo cercano, será:

3,1

2

V

f A

N

ef


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CAMPO LEJANO

Inmediatamente después de la zona deinterferencia, o zona de campo cercano,comienza la zona de campo lejano, o Zona deFraunhofer. En ésta zona, la intensidad o lapresión sonora se estabiliza, teniendo

mayor magnitud alrededor del eje imaginariodel haz, y va disminuyendo hacia los límitesdel mismo. De la misma forma, conaumentos de la distancia, desde el límiteentre las zonas de campo cercano y lejano, la

presión disminuirá exponencialmente porefecto de varios factores productores depérdidas. Uno de éstos factores sedenomina: divergencia del haz.


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CAMPO LEJANO

L di i d l h d l


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La divergencia del haz, se produce por lo queconocemos como el "Factor de Difracción deFraunhofer", El área cubierta por el haz sonoro,

en la zona de campo lejano, aumentará con ladistancia, lo que se traducirá como dispersión dela presión acústica. La divergencia haz, o el ángulode divergencia del haz, se calcula mediante lasiguiente ecuación:

22,1)(

22,1)(

f DV sen

D sen

f

V


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REFLEXIÓN DEL HAZ ULTRASÓNICO

Cuando un haz ultrasónico que se propagaen un medio alcanza una superficie límite(interfase), se produce su reflexión con un

comportamiento análogo al del hazluminoso que se refleja en un espacio.La cantidad de energía reflejada dependede la impedancia acústica (Z) de los

materiales, la cual caracteriza laresistencia del medio al paso delultrasonido.

Ó Ó


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REFLEXIÓN DEL HAZ ULTRASÓNICO (CONT.)

Z = δ * Vδ: Densidad del material

V: Velocidad de propagaciónLa energía ultrasónica incidente, es igual a la

energía reflejada más la energía transmitida.I = rI + tIR + t = 1r: Coeficiente de reflexión

t: Coeficiente de transmisiónr para acero y aluminio es 1 cuando el otro medioes aire.

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