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TECNOLOGÍA ULTRASÓNICA Y SUS APLICACIONES EN LA INDUSTRIA

Ediguer Enrique Franco G., Phd Depto. de Energética y Mecánica

Universidad Autónoma de Occidente

ContenidoContenido

1.Presentación del grupo de investigación.

2. Introducción a la tecnología ultrasónica

3.Aplicaciones

4.Trabajos de investigación realizados y en curso

5. Ideas y trabajos futuros

Presentación del grupo de investigaciónPresentación del grupo de investigación

GRUTTA – Research Group in Ultrasound Technology and Applications

Profesores:

Joao Luís Ealo, PhD (Universidad del valle)Ediguer E. Franco, PhD (Universidad autónoma de occidente)

Alumnos:

Maestría – 2, Pregrado – 3

Vínculos del grupo:

Académicos: Universidad Nacional (Colombia), Consejo Superior de Investigaciones Científicas (España), Universidad de São Paulo (Brasil)

Con empresa: Dasel Sistemas (España) y Elliptic Labs (Noruega).

Presentación del grupo de investigaciónPresentación del grupo de investigación

Líneas de investigación:

Desarrollo de transductores de ultrasonidos:Transductores piezoelectricos para inmersión y

contactoTransductores sin contacto (acoplados en aire)Multitransductores (arrays)

Caracterización y evaluación de materiales:Caracterización sin contacto de papel y textilesCaracterización de materiales de ingenieríaCaracterización de líquidos

IntroducciónIntroducción

Definición de ultrasonidoDefinición de ultrasonido

● Ondas acústicas con frecuencia mayor al rango audible por el ser humano (>20 kHz).

● Las ondas acústicas se presentan en sólidos, líquidos y gases.

Infrasonido

Umbral inferior

Umbral superior

Ultrasonido

20 Hz

20 kHz

En el mar, las ondas acústicas son la única manera de interacción a larga distancia.

Animales como ballenas y delfines desarrollaron poderosos sistemas ultrasónicos para detectar presas y comunicarse.

Los muerciélagos desarrollaron sonares ultrasónicos para localizar su presa en la oscuridad.

El ultrasonido en la naturalezaEl ultrasonido en la naturaleza

El accidente del Titanic en 1912 mostró la necesidad de un sistema para detectar los icebergs.

HistoriaHistoria

En la WW1, submarinos alemanes (U-Boats) hundían barcos y no había manera de detectarlos.

Trabajando en la Ecole de Physique et Chimie de París, usó el efecto piezoeléctrico de cristales de quartzo para desarrollar el primer hidrófono que fue usado para detectar icebergs y, posteriormente, submarinos.

HistoriaHistoria

Paul Langevin

En las décadas de 1930 y 1940, el científico austriaco Karl Dussik y el escosés Goerge Lewig generaron las primeras imágenes médica por ultrasonido.

Karl Dussik

Ventajas de ultrasonidoVentajas de ultrasonido

La gran cantidad de aplicaciones del ultrasonido se deben: ● Las ondas ultrasónicas viajan lentamente, aprox. 100.000 veces más lento que las ondas electromagnéticas. Esto permite mostrar información temporal, crear atrasos, etc..● Pueden penetrar materiales opacos, al contrario que otros tipos de radiación, como la luz visible. El ultrasonido es un método barato, sensitivo y confiable para testar y hacer imágenes del interior de materiales opacos.

¿Por qué investigar en ultrasonido?¿Por qué investigar en ultrasonido?

Hay muchas cosas aun por aprender: Por ejemplo, entender mejor como funcionan los sonares de los murciélagos y como se comunican los delfines. Como se propagan las ondas en materiales superconductores o en helio líquido, o en materiales anisotrópicos, medios periódicos, etc.

El ultrasonido tiene muchas aplicaciones y en muchas disciplinas: química, física, biología, ingeniería, industria alimenticia, medicina, oceanografía, sismología, etc.

Multidisciplinario: física, electrónica, ciencia de los materiales y computación.

Propagación de ondas acústicasPropagación de ondas acústicas

Ecuación de onda

Onda acústica: Es una perturbación de presión o tensión mecánica que se propaga en un medio elástico. Pueden propagarse en sólidos, líquidos y gases.

Compresión

Rarefracción

c: Velocidad de propagación de la onda

Longitud de onda (λ): distancia recorrida por la onda en un periodo de oscilación

Ondas acústicas en sólidosOndas acústicas en sólidos

Ondas de cuerpo Ondas de superficie

Ondas acústicas en líquidos y gasesOndas acústicas en líquidos y gases

En general, en medios líquidos y gaseosos solamente pueden propagarse ondas longitudinales o de presión.En la superficie libre de líquidos se propagan ondas.

Comportamiento de las ondas acústicasComportamiento de las ondas acústicas

Difracción: dispersión de la onda a medida que se propaga.

Reflexión y transmisión: las ondas se reflejan y atraviesan obstáculos dependiendo de las características físicas de los medios.

Interferencia: composición o suma que puede generar patrones complejos.

Atenuación: la onda pierde energía a medida que se propaga, debido a procesos irreversibles a nivel molecular.

Conversión de modo: ondas longitudinales pueden convertirse en trasversales, y viceversa, en procesos de transmisión-reflexión con sólidos.

Transductores ultrasónicosTransductores ultrasónicos

Son los dispositivos encargados de generar y recibir las ondas acústicas.

Principios de funcionamiento: piezoelectricidad magnetostricción, campo electrostático

Características de un transductor ultrasónicoCaracterísticas de un transductor ultrasónico

Dominio del tiempo Dominio de la frecuencia

Tipo de onda: longitudinal, trasversal, de superfície.

Frecuencia de trabajo: 1 MHz, 5 MHz, etc.

Superficie irradiante: área y geometría (circular, rectangular, etc.)

Ancho de banda:

Tipos de transductores ultrasónicosTipos de transductores ultrasónicos

Multitransductores (arrays)Monoelemento

Campo acústico generado por transductores ultrasónicosCampo acústico generado por transductores ultrasónicos

Fuente: www.ndt-ed.orgFuente: www.ndt-ed.org

1 MHz

4 MHz

8 MHz

Campo irradiado por un transductor circular plano (φ 0,75 inch)

Funcionamiento en modo pulso-eco.

Funcionamiento en modo transmisión-recepción.

Modos de funcionamientoModos de funcionamiento

Tipos de acoplamientoTipos de acoplamiento

Fluido acoplante entre el transductor y la pieza.

Acoplamiento por inmersión.

Dedido a la baja impedancia acústica del aire, las ondas no se propagan del transductor al material sin la presencia de una sustancia acoplante.

Generación y adquisición de U.T.Generación y adquisición de U.T.

Osciloscopio

Pulsador/receptor Transductor

Montaje sencillo de laboratório

Equipo portátil de uso industrial

(fuente: Krautkramer)

Aplicaciones delAplicaciones delultrasonidoultrasonido

Ensayos no destructivos por ultrasonidoEnsayos no destructivos por ultrasonido

Principio de detección de fallas en piezas mecánicas:

plate

crack

0 2 4 6 8 10

initial pulse

crack echo

back surface echo

Discontinuidades en el material o cambios de sus propiedades causan ecos o atenuación que modifican la propagación de la onda. La técnica es importante en los programas

de mantenimiento preventivo. Totalmente no invasiva.

Ensayos no destructivos por ultrasonidoEnsayos no destructivos por ultrasonido

Sistema de inspección de soldaduras circunferenciales (fuente: Olympus NDT)

Sistema para inspeccionar oleoductos en busca de corrosión (pigs ultrasónicos)

Robot usado para inspeccionar cascos de barco por debajo de la línea de flotación

Aplicaciones de defensa

Aplicaciones civiles

SonarSonar

Eco-localización en cuerpos de agua: defensa, pesca, geología, etc.

El ultrasonido en la medicinaEl ultrasonido en la medicinaLa ecografía es la aplicación más ampliamente conocida.

Los ecógrafos son equipos sofisticados, que usan un hardware complejo y su costo es muy alto. Sin embargo, estos equipos se han vuelto esenciales en la medicina moderna.

Existen otras aplicaciones como fisioterapia (especialmente en medicina deportiva) y tratamientos estéticos.

EcografíaFisioterapia

Eliminación de cálculos

renales

Imagen ultrasónica de un chip semiconductor

Microscopio ultrasónico

Imágenes y microscopía ultrasónicaImágenes y microscopía ultrasónica

Imagen producida usando el eco reflejado por la superficie

Imagen producida usando el eco reflejado por el fondo

Ultrasonido de potenciaUltrasonido de potencia● Se usan campos acústicos de alta intensidad para realizar

tareas como limpieza de piezas mecánicas, soldadura de tejidos sintéticos, levitación acústica, entre otras aplicaciones.

Reducción temporal de la viscosidad:

Ultrasonido de potenciaUltrasonido de potencia

Fuente: Cavitus Pty Ltd., AustraliaFuente: Cavitus Pty Ltd., Australia

Extracción:


Fuente: Cavitus Pty Ltd., AustraliaFuente: Cavitus Pty Ltd., Australia

Eliminación de espuma:


Fuente: Pulsonics Inc., USAFuente: Pulsonics Inc., USA

Eliminación de espuma:


Fuente: Ultratecno – Ultrasonidos Lover S.A., EspañaFuente: Ultratecno – Ultrasonidos Lover S.A., España

Trabajos de investigaciónTrabajos de investigaciónrealizados y en cursorealizados y en curso

Caracterización de papelCaracterización de papel• Caracterización sin contacto de papel y membranas de microfiltración usando ultrasonido.

•

Propiedades medidas: densidad, espesor, velocidad de propagación y atenuación.

Montaje Experimental:

1- Equipo ultrasonido2 - Transductor emisor 3 - Transductor receptor 4 - Muestra de papel 5 - Computador.

Caracterización de papelCaracterización de papel

Señales adquiridas Modelo adquirido

Espectro de la primera resonancia del modo espesor para la muestra de 115 g/m2

Medidas PreliminaresMuestra (Densidad superficial )

Espesor (μm)

Densidad Volumétrica (Kg/m3)

75 105 72290 125 737115 150 762150 205 746

Muestras de papel producido por PROPAL S.A.

Densidad superficial (gramaje) determinada por ultrasonido frente a la del

fabricante

Caracterización de papelCaracterización de papel

• Extensible a la caracterización de hojas de plantas, especialmente para la determinación de su contenido de humedad.

Caracterización ultrasónica de materialesCaracterización ultrasónica de materiales

Materiales isotrópicos:

Medición del módulo elástico y el módulo Poisson en materiales puros (aluminio, cobre) y otros materiales de ingeniería (acero y vidrio) con desvíos menores al 3,0%.

Montaje experimentalDispositivo de medición

Caracterización ultrasónica de materialesCaracterización ultrasónica de materiales

Materiales anisotrópicos:

El mismo montaje experimental usado para materiales isotrópicos permite caracterizar materiales anisotrópicos, como materiales compuestos y cristalinos, de gran importancia en la industria.

Inspección por ultrasonido de materiales de ingeniería.

Materiales compuestosen un avión comercial

Diseño de transductores cónicos para mapeo sin contacto de superficies

Diseño de transductores cónicosDiseño de transductores cónicos

Ventajas: Profundidad de foco Resolución lateral

• Generación y caracterización de vórtices usando polímeros piezoeléctricos

Generación de vórtices acústicosGeneración de vórtices acústicos

Características del haz:Capacidad de

autoreconstrucción y robustez en medios heterogéneos o ante obstrucción parcial. Útil para entender

fenómenos ópticos y de la mecánica cuántica. Transporta momento

angular (trans. De partículas). Control de rotación de objetos en un “tweezer”. Posibilidad de usar el haz

para propósitos de alineamiento.


• Generación de vórtices en aire con multitransductores:

Deflexión y focalización


Inspección ultrasónica y sin contacto de textilesInspección ultrasónica y sin contacto de textiles

Detección de perdida de fibrastextiles

• Diseño, fabricación y caracterización de un multi-transductor basado en ferroelectretos para inspección sin contacto de textiles.

• Diseño, fabricación y caracterización de un multi-transductor cóncavo basado en ferroelectretos para inspección sin contacto de textiles.

Inspección ultrasónica y sin contacto de textilesInspección ultrasónica y sin contacto de textiles

Tela pintada

Imagen por ultrasonido

Interacción sin contacto con dispositivos electrónicosInteracción sin contacto con dispositivos electrónicos

Lentes especiales diseñadas.

Fuente: Elliptic Labs.

Medición de viscosidad por ultrasonidoMedición de viscosidad por ultrasonido

Viscosidad de aceite de olivamedido por ultrasonido a

Diferentes frecuencias

Aplicaciones con emulsión agua-aceiteAplicaciones con emulsión agua-aceite

Determinación de la presencia de aceite en agua:

Celda de mediciónMontaje experimental

Resultados para una adición de 0,5%de aceite motor en agua

Posibles aplicaciones:

Monitorización de la calidad del agua en ciclos térmicos.

Detección de vertimientos en ríos (Ing. Ambiental).

Desarrollo de transductores convencionalesDesarrollo de transductores convencionales

Un transductor de ultrasonido convencional, como los usados en END, puede costar entre 200 y 1500 dólares, y su parte central es una cerámica piezoeléctrica que cuesta 5 dólares.

Ideas y trabajos futurosIdeas y trabajos futuros

1. Aproximación a la medición sin contacto de suavidad/rugosidad en papel tisue con ultrasonidos en aire.

2. Caracterización de materiales especiales empleando espectroscopíaultrasónica por incidencia oblicua.

3. Implementación de la medición de vibración de ondas de placa (Lamb Waves) empleando métodos híbridos (acusto ópticos).

4. Implementación de un laboratorio para la inspección ultrasónica No Destructiva de componentes mecánicos en concordacia con las normas ASTM E-797, E-1001, E-273, E-114 y E-1901.

5. Caracterización de fenómenos de fricción por métodos acústicos. 6. Diseño de un actuador Langevin para aplicación en tamizado de finos.7. Estudio y análisis de no lineal de resonancias en actuadores electroacústicos (nonlinear

resonance analysis).8. Desarrollo y caracterización de acelerómetros para medición de vibraciones empleando

ferroelectretos celulares.9. Desarrollo y caracterización de multitransductores para inspección por inmersión

empleando sistemas Phased Array.10. Caracterización sin contacto de fenómenos de desgaste por emisión acústica.11. Estudio detallado de la estrategias de control activo de ruido

proveniente de la líneas de embotellado.12. Implementación de un laboratorio de control activo de vibraciones.

Ideas y trabajos futurosIdeas y trabajos futuros

Muchas gracias por su atenciónMuchas gracias por su atención

¿Preguntas?¿Preguntas?

Contacto:

Joao Luís Ealo – Universidad del Valle, [email protected]

Enrique Franco G. – Universidad Autónoma de occidente, [email protected]

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