ultrasonidos tablas de valores

rea de Ingeniera Mecnica - Mantenimiento Industrial Ultrasonidos

Prctica IX Hoja 1 de 45

1. INTRODUCCIN. PRINCIPIOS FSICOS DE LOS ULTRASONIDOS1.1 Ensayos no destructivosSon el conjunto de tcnicas destinadas al control de calidad de materiales, que no implican una alteracin de sus condiciones originales. El control de calidad tiene como finalidad la comprobacin del cumplimiento de unas caractersticas o condiciones exigidas y comprende dos aspectos: 1) Deteccin de heterogeneidades, verificacin de las condiciones fsicas o defectologa. 2) Medida de espesores, verificacin de condiciones geomtricas o metrologa.

1.2 Ensayo de ultrasonidosPara efectuar el control no destructivo de materiales, el ensayo de ultrasonidos emplea un principio fsico que es la capacidad de las ondas sonoras para propagarse a velocidad constante a travs de materiales homogneos. La tcnica del ensayo consiste bsicamente en la emisin de ondas sonoras o acsticas de elevada frecuencia (ultrasonidos) a travs de la pieza o material a verificar, que posteriormente son recogidas por un receptor. Cuando estas ondas se encuentran con algn tipo de heterogeneidad sufrirn alteraciones en su intensidad, direccin y sentido, que sern detectadas por el receptor, el cual, nos puede medir: la intensidad de sonido que le llega (transmitida o reflejada), el tiempo transcurrido, o ambas a la vez.

Fig. 1 Deteccin mediante seal transmitida

Fig. 2. Deteccin mediante seal reflejada

Si estos resultados los traducimos visualmente mediante un equipo de medicin adecuado, a travs de la interpretacin de stos, podremos determinar la condicin interna de la pieza y si esta se ajusta a las caractersticas exigidas.

1.3 Fsica de los ultrasonidos. Onda ultrasnica1.3.1 Onda UltrasnicaEl instrumento que utiliza el ensayo de ultrasonidos es la onda ultrasnica o ultrasonido. Los ultrasonidos son ondas sonoras que se encuentran dentro de la banda ultrasnica y por lo tanto, no audible, del espectro acstico: -banda infrasnica: frecuencia < 16 Hz. -banda snica (audible): 16 Hz < f < 20 KHz.



-banda ultrasnica: frecuencia> 20 KHz. En los ensayos de materiales se emplean frecuencias de entre 20 KHz. hasta 25 MHz., y para metales est entre los 0,2 -6 MHz. y los 25 MHz.

1.3.2 NaturalezaLas ondas sonoras o acsticas son de naturaleza mecnica, es decir slo se propagan a travs de medios elsticos donde existan fracciones de materia (tomos o molculas) capaces de vibrar. Por lo tanto, los ultrasonidos podrn propagarse por medios slidos, lquidos o gaseosos pero nunca en el vaco.

1.3.3 Comportamiento de las o.u.s. en medios ilimitados1.3.3.1 Propagacin En el estudio de las propiedades de las ondas mecnicas y su propagacin en medios slidos, se recurre al modelo de cuerpo elstico (fig.3). Todo cuerpo elstico en equilibrio est formado por partculas materiales que se mantienen en su posicin mediante fuerzas elsticas internas. Cuando comunicamos una presin exterior (perturbacin), bien sea normal o tangencial, sobre el plano de partculas superficiales, produciremos su desplazamiento respecto a la posicin inicial de equilibrio (deformacin elstica). A causa de las fuerzas elsticas que ligan a las partculas entre si, stas tienden a recuperar su posicin de equilibrio, pero debido a su inercia oscilarn en torno a dicha posicin. Este movimiento oscilatorio se transmite hacia las partculas vecinas del interior gracias a la elasticidad del medio. Esta propagacin a travs del medio de la perturbacin inicial en forma de oscilaciones peridicas de las partculas y a velocidad constante, constituye la onda elstica o mecnica. A causa del rozamiento interno, parte de la energa oscilatoria se transformar en calor con lo que la onda se amortigua y es absorbida finalmente por el material. 1.3.3.2 Tipos de onda -En medios ilimitados las o.u.s. se propagan en forma de: 1) Ondas longitudinales. Si la presin aplicada sobre la superficie es normal se producirn ondas longitudinales. Estas ondas se caracterizan porque la oscilacin de las partculas tiene lugar en la direccin de propagacin del movimiento.



Estas oscilaciones de las partculas se traducen en una variacin peridica de la presin del medio, al crearse zonas de sobrepresin y depresin alternadas, por lo que reciben el nombre de ondas de presin. La variacin de presin debida a la propagacin de la onda sonora, que se produce junto a la oscilacin es un parmetro muy importante en el ensayo de ultrasonidos y se conoce como Presin acstica. Esta se define como la fuerza en direccin normal por unidad de superficie. Las ondas longitudinales se propagan en todo tipo de medios: slido, lquido o gaseoso. 2) Ondas transversales. (fig.5) Si la presin aplicada sobre la superficie es tangencial se producirn ondas transversales. Estas ondas se caracterizan porque las oscilaciones de las partculas son perpendiculares o transversales a la direccin de propagacin del movimiento. En este caso, la presin acstica de la onda longitudinal se reemplaza por la tensin cortante peridica. Como la nica diferencia entre presin y tensin tangencial es la direccin de aplicacin, que en esta ltima es paralela a la superficie considerada, al referimos a la tensin tangencial en la onda transversal daremos la denominacin general de presin acstica. Las ondas transversales slo podrn propagarse en medios que sean capaces de transmitir esfuerzos de cizalladura, esto es, en slidos y en lquidos muy viscosos. Por lo tanto, los lquidos y en mucha menor medida los gases, son prcticamente incapaces de transmitir ondas transversales porque sus molculas ofrecen poca resistencia al deslizamiento transversal al no existir un fuerte vinculo elstico que las liguen a una posicin fija. -medios semi-limitados. 3) Ondas de superficie o de Rayleigh.(fig.6) Son un tipo especial de ondas transversales. Estas se propagan solamente en la periferia de un slido finito, siguiendo su contorno o las irregularidades de la superficie. -Estos tres tipos pueden ser a su vez: segn su longitud: ondas continuas: longitud ilimitada. ondas por impulsos: longitud limitada. 1.3.3.3 Parmetros. 1) Generales. (fig.7) segn la forma del frente de onda: planas, esfricas, cilndricas.



Si representamos las variaciones de posicin de las partculas respecto de su posicin de reposo, en funcin del espacio y del tiempo; o lo que es lo mismo, la presin acstica respecto al espacio y el tiempo; obtendremos los parmetros generales que son comunes a toda onda: -Frecuencia (ciclos/s; osc./seg; Hz.): Es el nmero de oscilaciones de una partcula por segundo. Dentro de la misma onda ser la misma para todas ellas e igual a la frecuencia del foco de perturbacin que la gener. -Periodo (seg.): El tiempo que tarda en dar una oscilacin completa: T = 1/f -Longitud de onda (m): Es la distancia entre dos planos consecutivos en los que las partculas se encuentren en el mismo estado de movimiento. -Amplitud de oscilacin o de la presin A (m. N/m2): Es el desplazamiento mximo de una partcula respecto a su posicin de equilibrio o el valor mximo de la presin. 2) Especficos: Dependen del material (Tabla 1) -velocidad acstica c(m/s.): Es la velocidad de propagacin de la onda a travs del material. Es una caracterstica de cada material y se puede calcular a partir de sus caractersticas fsicas ya que es proporcional a la elasticidad del medio e inversamente proporcional a su densidad. E = mdulo de elasticidad (N/m2)

= coeficiente de Poisson (adimensional) = densidad (kg/m3)G= E mdulo de elasticidad transversal (N/m2) 2(1 + )

ONDA LONGITUDINAL: cL = ONDA TRANSVERSAL: cT = Relacin:

E (1 ) G (1 + )(1 2 ) E 1 G = 2(1 + )

cL =

E 2(1 ) 2(1 ) = cT G 2(1 + )(1 2 ) (1 2 )

ACERO: E = 2106 Kg/cm2 = 1,961011 N/m2

= 0,3cL = 1, 87cT 2cT La velocidad est relacionada con la frecuencia y la longitud de onda:



c = / T = f como c es una constante del material, los valores de f y tambin lo sern.-Impedancia acstica Z (kg/m2s) Es una constante del material. Es la resistencia que opone un medio a la vibracin de la onda, es decir a las deformaciones elsticas causadas por sta. Por tanto, la impedancia acstica se opone a la vibracin de las partculas materiales del medio, pero no a la propagacin de la onda. Impedancia baja: las partculas del material vibrarn a elevada velocidad para pequeos cambios de presin.

Z = c-Presin acstica P (N/m2)

Zslidos>Zlquidos>Zgases

Es la presin alterna peridica debida a la onda acstica. Se define: -ondas longitudinales: fuerza por unidad de superficie, normal a la superficie de la onda. onda. -ondas transversales: fuerza cortante por unidad de superficie, paralela a la superficie de la

-Intensidad acstica I (W/m2) Las ondas mecnicas transportan energa, pero no masa. La intensidad acstica se define como la cantidad de energa que pasa por unidad de rea en la unidad de tiempo.

1 P2 I= 2 ZEn el ensayo de ultrasonidos es muy importante la relacin entre presin e intensidad acstica, ya que la magnitud de las indicaciones proporcionadas por un equipo de ultrasonidos son proporcionales a la I y por tanto, a P2.

1.4 Comportamiento de las o.u.s. en medios limitados.1.4.1 Superficies. Lmites.La propagacin ideal de los u.s. en medios ilimitados se produca en forma de ondas longitudinales o transversales que no sufran alteracin alguna salvo su amortiguamiento y absorcin por el material. Pero cuando la o.u.s. alcanza los lmites del medio en que se propaga sufrir alteraciones de su direccin e intensidad; e incluso se producirn transformaciones de unos tipos de onda en otros. Las superficies lmite son aquellas que separan dos medios materiales de distintas propiedades elsticas, como los contornos de la pieza o de una discontinuidad. Dependiendo de la orientacin de la onda al incidir sobre las superficies lmites tendremos dos tipos de comportamiento: -incidencia normal: da lugar a la reflexin. -incidencia angular: da lugar a refraccin y transformacin de ondas.



Material Acero (baja aleacin) Acero inox. Austentico(18 8) Acero inox. Martenstico 13 Cr Aluminio Aleacin Al-Cu = AL L 3120 Fundicin (Hierro-Carbono) Hierro Inconel (laminado) Latn (Cu-Zn) Metal duro Monel Niquel Plomo 6% antimonio Cristales piezoelctricos Cuarzo (SiO2) Corte X Metaniobato de plomo Pb(PbNb2O6) Sulfato de Litio Li2SO4 Titanato de Bario BaTiO3 Perpex (Polimetacriato de metilo) Plexiglas Tefln Araldit Baquelita Aceite (SAE 20 a 30) Agua destilada (20 C) Glicerina (20 C) Alcohol etlico (20 C) Aire (20 C)

Densidad 103 Kg/m3

Velocidades Acsticas 103 m/s cL cT 3,19 3,12 2,99 3,08 3,10 2,2-3,2 3,23 3,02 2,05 4,0-4,7 2,72 2,96 0,81 1,43 1,1 5,82 5,66 7,39 6,32 6,25 3,5-5,6 5,85 7,82 3,83 6,8-7,3 6,02 5,63 2,6 5,76 2,8 4,72 4,40 2,73 1,35 2,5-2,8 2,59 1,74 1,483 1,92 1,17 0,33

IMPEDANCIA ACUSTICA EN 106Kg/m2s ( Z = cL ) 45,7 45,5 56,7 17,1 17,4 25-40 45 64,5 33 75-110 53,1 50 23,6 15,3 16 8,6 11,2 3,2 3,0 2,8-3,7 3,6 1,5-1,7 1,48 2,4 0,92 0,00043

7,85 8,03 7,67 2,71 2,78 7,2 7,7 8,25 8,6 11-15 8,83 8,9 10,9 2,65 5,8 2,06 5,7 1,18 2,2 1,15-1,3 1,4 0,89-0,96 1,0 1,26 0,79 0,0012

TABLA 1. Densidades, velocidades e impedancias acsticas de distintos materiales

1.4.2 Incidencia normal. ReflexinAl incidir una o.u.s. perpendicularmente sobre la superficie lmite que separa dos medios de diferentes propiedades elsticas, una parte se transmitir al segundo medio manteniendo su direccin y sentido y otra parte se reflejar volviendo al primer medio con la misma direccin que la incidente pero en sentido contrario. (fig.8) Si efectuamos un balance energtico en la superficie lmite, tendremos: Einicial = Efinal Iincidente

= Ireflejada + Itransmitida

Esta evaluacin es independiente del lado de la superficie lmite sobre el que incide la onda. La cantidad de sonido reflejada y transmitida



respecto a la que incide, depender de la impedancia acstica de los medios. La cuantificacin de estas cantidades se efecta mediante los factores de transmisin y de reflexin, que se definen de la siguiente forma: -factor de transmisin (T): es la fraccin de la presin acstica de la onda incidente, transmitida del primer medio al segundo. Nos indica: si T>l : la onda transmitida es de mayor amplitud que la incidente si TZ2: medio 2 acsticamente blando (fig.9) R = -0,4545. Se refleja el 45,45% de la onda incidente, el signo (-) indica que la onda incidente y la reflejada estn desfasadas. T = 0,5455. Se transmite al aluminio el 54,55% de la onda incidente. Como las ondas incidente y reflejada estn desfasadas, las presiones acsticas se restan.



2) Secuencia: ALUMINIO(Z1) -+ ACERO(Z2): Z1

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