ultrasonidos1 - trabajo ultrasonidos

8/8/2019 Ultrasonidos1 - trabajo ultrasonidos

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TRANSDUCTORES

DE

ULTRASONIDOS

Jose M Lorente Gass


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Transductores de Ultrasonidos

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1.PRINCIPIOS BSICOS DE LOSULTRASONIDOS .........................................................3

a.Qu son los Ultrasonidos?...................................3b. Frecuencia, Periodo y Longitud de Onda..........3

c. Velocidad de Ultrasnidos y Longitud de Onda........................................................................................3

d. Propagacin de ondas y movimiento de

partculas......................................................................3

e. Aplicando Ultrasonidos........................................4

f. Sensibilidad y Resolucin.....................................4

2. DEFINICIONES AVAN- ZADAS.........................5

a. Forma de onda y espectro del transductor.........5

b. Impedancia acstica, reflectividad y

atenuacin....................................................................5

c. Campo de sonido....................................................6

d. Otros parmetros de la emisin de sonido.........6

Dimetro del la emisin .......................................6

Zona de enfoque ....................................................7

Dispersin de la emisin y semi-ngulo............7

2. CARACTERSTICAS DE LOSTRANSDUCTORES .....................................................7

a. Qu es un transductor ultrasnico?...................7

b. El elemento activo .................................................8

c. El apoyo...................................................................8

d. Placa protectora......................................................8

4. PRINCIPIOS DE LOS TRANSDUCTORESESPECFICOS ................................................................8

a. Transductores de elemento dual ..........................8b. Transductores de emisin angular ......................9

c. Transductores con lnea de demora ...................10

d. Transductores de inmersin ...............................10

Configuraciones de Enfoque .............................10

Variaciones de la Longitud de Enfoque debidas

a la Velocidad Acstica y a la Geometra de laParte en Prueba ....................................................11

Ganancia de Enfoque ..........................................11

Transductores de Onda Transversal deIncidencia Normal...............................................12

5. EXCITACIN DE TRANSDUCTORES............126. APLICACIONES Y EJEMPLOS .........................13

a. Medidores de Nivel y Deteccin de Objetos...13

b. SONAR .................................................................13

c. Soldadura ...............................................................14

d. Limpieza ................................................................14

e. Ensayos No-Destructivos (NDT) ......................14

f. Uso Mdico ...........................................................14

7. BIBLIOGRAFA / ENLACES..............................14


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1. PRINCIPIOS BSICOS DE

LOS ULTRASONIDOSa.Qu son los Ultrasonidos?.

Los sonidos generados por encima del rango percep-tible por el odo humano (tpicamente 20 KHz) son

llamados Ultrasonidos. Sin embargo, el rango defrecuencias normalmente empleado en ensayos no

destructivos y en medidas de espesor es de 100 KHza 500 MHz. Aunque los Ultrasonidos se comportande manera similar al sonido audible, tienen una

longitud de onda muchsimo menor. Esto significaque puede ser reflejada por superficies extremada-

mente pequeas como defectos en el interior dediversos materiales, lo que los hace muy apropiadospara ensayos no destructivos sobre tales materiales.

El Espectro Acstico (fig 1) divide el sonido en 3

rangos de frecuencias. Los Ultrasonidos, a su vez,son divididos en 3 subconjuntos.

b. Frecuencia, Periodo y Longitud de

Onda.

Las vibraciones viajan en forma de onda, similar a la

manera en que lo hace la luz. Sin embargo, al con-trario que las ondas de luz, que pueden viajar en el

vaco, los ultrasonidos requieren un medio elsticocomo un lquido o un slido. En la figura 2 se mues-tran los parmetros bsicos de una onda continua.

Estos parmetros incluyen la longitud de onda () yel periodo (T) de un ciclo completo.

El nmero de ciclos completos en un segundo es lafrecuencia (f) y se mide en Hertzios (Hz).

El tiempo necesario para completar un ciclo completo

es el periodo (T), medido en segundos. La relacinentre la frecuencia y el periodo de una onda continua

es la siguiente:

f=1/T

c. Velocidad de Ultrasnidos y Longi-

tud de Onda.

La velocidad de los ultrasonidos (c) en un materialperfectamente elstico a una temperatura y presin

dadas permanece constante. La relacin entre c, f, yT es:

=c/f

y

=cT

donde: = Longitud de onda

c = Velocidad del sonido en el material

f = frecuencia

T = Periodo

d. Propagacin de ondas y movimien-

to de partculas.

Los mtodos ms comunes de examinacin con ultra-sonidos utilizan las ondas longitudinales y las ondastransversales. Otras formas de propagacin del soni-

do incluyen las ondas de superf icie y las ondas Lamb.

Las ondas longitudinales son ondas de com-presin en que el movimiento de las partcu-


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las se hace en la misma direccin que lapropagacin de la onda.

Las ondas transversales son aquellas en lasque el movimiento de la partcula es per-

pendicular a la direccin de la propagacin.

Las ondas de superficie (Rayleigh) tienenun movimiento elptico de las partculas y

viajan a travs de la superficie del material.Su velocidad es aproximadamente del 90%de la velocidad de las ondas transversales

en el mismo material y la profundidad depenetracin es aproximadamente igual a

una longitud de onda.

Las ondas Lamb tienen una vibracin com-pleja y ocurren en materiales donde el es-

pesor es menor que la longitud de onda delultrasonido introducido en l.

En la figura 3 se muestran ejemplos de ondastransversales y longitudinales.

e. Aplicando Ultrasonidos

Los ensayos no destructivos, introducen ondas desonido de alta frecuencia en los objetos a pruebapara obtener informacin sobre el objeto sin alterar-

lo o daarlo. Se han de tener en cuenta dos magnitu-des bsicas en los ensayos de ultrasonidos: el tiempo

que tarda la seal en viajar a travs de la muestra yla amplitud de la seal recibida. Basndonos en la

velocidad de un viaje de ida y vuelta de la seal a

travs del material podemos conocer el espesor delmismo como sigue:

T=cts/2

Donde:

T = Espesor del material

C = Velocidad del sonido del material

ts = Tiempo de viaje de la seal

Las medidas de los cambios relativos en la amplitud

de la seal pueden ser usados para medir el tamaode las grietas o la atenuacin del material. El cambio

relativo en la amplitud de la seal es medido comn-

mente en decibelios. Los decibelios son una medidalogartmica de la relacin entre la amplitud de dos

seales, calculado de la siguiente manera:

dB = 20 log10(A1/A2)

Donde:

dB = Decibelios

A1 = Amplitud de la seal 1

A2 = Amplitud de la seal 2

f. Sensibilidad y ResolucinLa sensibilidad es la habilidad de un sistema de ultra-sonidos para detectar defectos (o reflejos) a una pro-fundidad determinada en un material a prueba. Cuan-

to mayor es la seal recibida por estos reflejos, mssensible es el sistema transductor.

La resolucin axial es la habilidad de un sistema deultrasonidos para producir indicaciones simultaneas y

distintas de reflejos localizados cerca de la mismaposicin con respecto a la emisin del sonido.

La resolucin superficial es la habilidad del sistemade ultrasonidos de detectar reflejos localizados cercade la superficie de la pieza a prueba.


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2. DEFINICIONES AVAN- ZA-

DAS.

a. Forma de onda y espectro del

transductor

Las unidades tpicas para el anlisis en frecuencia

son los MHz, los s para el anlisis de la forma de

onda y los dB para medir la amplitud de la seal. Lafigura 4 ilustra la duracin de una onda a 14 dB o

20% de amplitud respecto al pico. La forma de ondade 40 dB, correspnde a un 1% de la amplitud de

pico. La figura 5 ilustra la frecuencia de pico, las

frecuencias superior e inferior a 6dB y el ancho debanda en MHz. La relacin entre el ancho de banda

en MHz y la duracin de la onda se muestra en lafigura 6. La dispersin es mayor a 40dB debido a

que el 1% de la onda contiene muy poca energa ypor tanto tiene muy poco efecto en el anlisis delancho de banda. La dispersin es ms apropiada

para especificar ondas en el dominio del tiempo (s)y el espectro en el dominio de la frecuencia.

b. Impedancia acstica, reflectividady atenuacin.

La impedancia acstica de un material es la oposicinal desplazamiento de sus partculas por el sonido. Se

calcula como sigue:

Z=C

Donde:

Z = Impedancia acstica

C = Velocidad del sonido en el material

= Densidad del material

La frontera entre dos materiales de diferentes imp e-dancias es llamada interfase acstica. Cuando elsonido choca contra esta interfase acstica con una

incidencia normal, parte de la energa del sonido esreflejada parte es transmitida a travs de dicha fron-

tera. Los dB de energa perdidos en la transmisin dela seal del medio 1 al medio 2 son calculados por:

dB perdidos = 10 Log10 [4Z1Z2/(Z1+Z2)2]

donde:

Z1 = Impedancia acstica del primer mate-rial.

Z2 = Impedancia acstica del segundo mate-rial.

La perdida de dB de energa del eco producido por laseal en el medio 1 reflejando en la frontera con el

medio 2 viene dada por:

dB perdidos = 10 Log10 [(Z1-Z2)2/(Z1+Z2)

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Por ejemplo: Los dB perdidos en la transmisin delagua (Z = 1,48) al acero (Z=45,41) es de 9,13dB;esta perdida es la misma que transmitiendo desde el

acero al agua. Los dB perdidos por el eco del aceroen el agua son 0,57dB, lo mismo que si se transmi-

tiera del acero al agua. La onda del eco es invertidacuando Z2


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Donde:

DE = Dimetro de la emisin

F = Longitud del foco

c = Velocidad del sonido en el material

D = Dimetro del elemento

SF = Longitud del foco normalizada

Zona de enfoque

Los puntos de comienzo y fin de la zona focal estnlocalizados donde la amplitud de la seal pulso-ecoaxial cae a 6dB de la amplitud en el punto de enfo-

que. La longitud de la zona de enfoque est dada porla siguiente ecuacin:

Fz=N*SF2[2/1+0,5SF)]

Donde:

Fz = Zona focal

N = Campo prximo

SF = Longitud del foco normalizada

La figura 9 muestra el punto de comienzo (SB) y

final (SE) de la zona focal de 6dB respecto el factor

de enfoque.

Dispersin de la emisin y semi-ngulo

Todas las emisiones de ultrasonidos divergen. Enotras palabras, todos los transductores dispersan sus

emisiones. La figura 10 da una visin simplificadade la emisin del sonido de un transductor plano. En

el campo prximo, la emisin tiene un complejocontorno que se va estrechando. En el campo lejano,la emisin diverge.

Para el transductor plano mostrado en la figura 10, elpulso-eco de 6dB tiene un ngulo dado por la si-guiente ecuacin:

Sen(/2)=0,514c/fD

Donde:

/2 = Semi-ngulo de dispersin entre pun-tos de 6dB

De esta ecuacin se puede deducir que la dispersin

de un transductor puede ser reducida seleccionandoun transductor con una mayor frecuencia o un mayor

dimetro o ambos.

2. CARACTERSTICAS DE

LOS TRANSDUCTORES

a. Qu es un transductor ultrasni-co?

Un transductor es un dispositivo que convierte unaforma de energa en otra. Un transductor ultrasnicoconvierte energa elctrica en energa mecnica, en

forma de sonido y viceversa. Los componentes prin-cipales son el elemento activo, el apoyo (backing) yuna placa protectora (wear plate).


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b. El elemento activo

El elemento activo, es un material piezo o ferroelc-

trico, que convierte la energa elctrica de un pulsode excitacin en energa ultrasnica.

Los materiales usados comnmente son cermicas

polarizadas que son cortadas en numerosas maneraspara producir diferentes formas de onda. Actualmen-te se estn utilizando nuevos materiales como piezo-

polmeros y compuestos.

Hojas de datos de materiales piezoelctricos: Des-cripcin de diversos materiales piezoelctricos del

catlogo de PHILIPS , donde podemos ver las

caractersticas mecnicas, las tensiones de trabajo yel rango de temperaturas.

Hojas de datos de elementos: Descripcin de diver-sos elementos activos, del catlogo de PHILIPS,donde se describen las geometras, capacitancias,

etc

Descripcin del funcionamiento de los materialespiezoelctricos: Teora de los mismos descrita desde

el nivel molecular de los cristales cermicos y comose genera la vibracin mecnica que genera los pul-

sos ultrasnicos.

c. El apoyo

El apoyo es usualmente un fuerte atenuador, unmaterial de alta densidad usado para controlar lasvibraciones del transductor absorbiendo la energa

radiada por la cara trasera del elemento activo.Cuando la impedancia acstica del apoyo se iguala

con la impedancia acstica del elemento activo, elresultado ser un transductor fuertemente amorti-guado, con un buen rango de resolucin pero con

una baja amplitud de seal. Si existe diferencia entrela impedancia acstica del elemento activo y el

apoyo, mayor energa de sonido ser emitida haciael material en prueba. Este ltimo resultado ser untransductor con menor resolucin debido a la mayor

duracin de la onda, pero con una mayor amplitudde seal o sensibilidad.

d. Placa protectora

El propsito bsico de la placa protectora es prote-

ger el elemento transductor del entorno. En el caso

de transductores de contacto, la placa protectora debeser duradera y resistente a la corrosin.

Para algunos transductores, como los de inmersin,los de emisin angular (angle beam) y los de lnea dedemora (delay line), la placa protectora tiene el pro-psito adicional de servir de transformador acstico

entre la alta impedancia acstica del elemento activoy el agua, la cua (wedge) o la lnea de demora (delay

line). Esto se consigue seleccionando una capa de un

espesor de de la longitud de onda emitida (/4) y

de la deseada impedancia acstica (el elemento activoes nominalmente de de longitud de onda). La elec-cin de la superficie de la placa estar basada en la

idea de la superposicin, que permite que las ondasgeneradas por el elemento activo estn en fase con la

onda reverberando en la capa de unin.

Cuando las seales estn en fase, sus amplitudes sesuman, dando una onda de mayor amplitud que pene-tra el la pieza a prueba. En la figura 12 se muestra el

elemento activo y la placa protectora, y cuando estnen fase. Si un transductor no est firmemente contro-

lado o diseado con cuidado y los materiales no sonapropiados y las ondas de sonido no estn en fase,

causar una ruptura en el frente de las ondas sonoras.

4. PRINCIPIOS DE LOS TRANS-

DUCTORES ESPECFICOS

a. Transductores de elemento dual

Los transductores de elemento dual utilizan elemen-tos separados como emisores y receptores, montadoscon cabezas lineales, usualmente en ngulo de corte.

sta configuracin mejora la resolucin cerca de la


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superficie eliminado los problemas de recuperacindel golpe sonoro principal. Adicionalmente, el dis e-o de emisores cruzados, provee de un seudo-foco

que hace a los elementos duales ms sensibles a losecos de reflectantes irregulares como la corrosin o

superficies rugosas.

Una consecuencia del diseo de elementos duales,es una curva de amplitud-distancia ntidamente

definida. En general, con un decremento en el ngu-lo de los transductores o con el incremento del ta-mao de los mismos, se obtiene un cambio en la

distancia seudo-focal y un incremento en el rango deuso, como se muestra en la figura 13.

b. Transductores de emisin angular

Los transductores de emisin angular usan el princi-pio de refraccin para producir una onda transversalo longitudinal refractada en el material a prueba,

como se muestra en la figura 14.

El ngulo de incidencia necesario para producir la

refracin deseada (p.e. una onda a 45 en acero) sepuede calcular con la siguiente ecuacin:

Seni / ci = Senrl / crl = Senrs / crs

Donde:

i = ngulo de incidencia de la cua

rl = ngulo de la onda longitudinal refrac-tada

rs = ngulo de la onda transversal refracta-

da

ci = Velocidad del sonido en el material in-cidente

crl = Velocidad del sonido en el material

(ondas longitudinales)

crs = Velocidad del sonido en el material(ondas transversales)

Debido a los efectos de la dispersin de la emisin,

esta ecuacin no se cumple en bajas frecuencias ycon elementos de pequeo tamao.

La figura 15 muestra la relacin entre el ngulo deincidencia y las amplitudes relativas de la onda re-

fractada longitudinal, transversal y de superficie quepueden ser producidas por una cua de plstico en el

acero.

Las emisiones de stos transductores son usualmente

usadas para localizar grietas con una orientacin no-

paralela a la superficie del material a prueba. En lasiguiente figura se muestran algunos trminos comu-

nes y formulas usadas en la deteccin de grietas ofallas.


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c. Transductores con lnea de demo-

ra

Los transductores con lnea de demora tienen un

nico elemento de onda longitudinal en conjuntocon una lnea de demora reemplazable (placa pro-

tectora).

Una de las razones para elegir estos transductores, esque cerca de la superficie, la resolucin puede ser

mejorada. La lnea de demora permite que el ele-mento deje de vibrar antes de que la seal de vueltareflejada sea recibida. Cuando se usa un transductor

con lnea de demora, se reciben mltiples ecos desdeel extremo de la lnea y es importante tener esto en

cuenta.

Otro uso de los transductores de demora son lasaplicaciones en las que el material a prueba est auna temperatura elevada.

d. Transductores de inmersin

Los transductores de inmersin ofrecen principal-mente tres ventajas sobre los transductores de con-tacto:

El acoplamiento uniforme reduce las varia-

ciones de sensibilidad.

La reduccin del tiempo de escaneo.

El enfoque de los transductores de inmersin

incrementa la sensibilidad de los pequeosreflectantes.

Configuraciones de Enfoque

Los transductores de inmersin estn disponibles entres configuraciones diferentes: sin enfoque (pla-

nos), de enfoque esfrico (punto) y de enfoquecilndrico (lnea). El enfoque es consigue mediantelentes o curvando el propio elemento. La adicin de

lentes es la manera ms comn de realizar el enfoquede un transductor.

Un transductor no enfocado puede ser usado en apli-

caciones generales o para penetrar en materialesdelgados. Los transductores de enfoque esfrico son

comnmente usados para mejorar la sensibilidad depequeas grietas y los de enfoque cilndrico son usa-dos tpicamente para la inspeccin de tuberas. En la

figura 17 se muestran ejemplos de enfoques esfricoy cilndrico.

Por definicin, la longitud de enfoque de un transduc-tor es la distancia hasta el punto donde est localizada

la mxima amplitud de la seal ultrasnica. En untransductor sin enfoque esta distancia es aproxima-damente equivalente al campo de enfoque cercano.

Debido a que el ltimo mximo de la seal ocurre auna distancia equivalente al campo de enfoque cerca-

no, un transductor, por definicin no puede ser acs-ticamente enfocado a una distancia mayor que sucampo cercano.

Cuando se enfoca un transductor, el tipo de enfoque

(esfrico o cilndrico), la longitud de enfoque, y el

tipo de objetivo (un punto o una superficie plana),


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necesitan ser especificados. Basndose en esta in-formacin, puede calcularse la curvatura de la lentenecesaria. En pruebas, la medida de la longitud de

enfoque debe estar fuera del objetivo a medir.

Hay limitaciones respecto a las longitudes de enfo-que para transductores de determinadas frecuencias

y dimetros del elemento combinados con diferentestipos de objetivos. La mxima longitud de enfoque

para un objetivo determinado es 0,8 * Y+0 (Longituddel Campo Cercano). Los transductores con longi-tudes de enfoque por encima de estos mximos, pero

por debajo de la longitud del campo cercano, sonllamados unidades de enfoque dbil. Adicionalmen-

te a las limitaciones a la mxima longitud de enfo-que, existen limitaciones a la mnima distancia deenfoque. stas limitaciones son tpicamente debidas

a limitaciones mecnicas del propio transductor.

Variaciones de la Longitud de Enfoque debidas a

la Velocidad Acstica y a la Geometra de la

Parte en Prueba

La medida de la longitud de enfoque de un transduc-tor tambin depende del material que est siendo

medido. Esto se debe al hecho de que diferentesmateriales tienen diferente velocidad de propagacin

del sonido. Cuando se especifica la longitud deenfoque de un transductor, se hace tpicamente parael agua. Dado que muchos materiales tienen mayor

velocidad de propagacin del sonido que el agua, lalongitud de enfoque es reducida efectivamente. Este

efecto es causado por la refraccin (de acuerdo a laLey de Snell) y se muestra en la figura 18:

Este cambio en la longitud de enfoque se puede

determinar por la siguiente ecuacin:

WP=F-MP(c tm/cw)

Donde:

WP = distancia recorrida en el agua.

MP = distancia recorrida en el material.

F = longitud de enfoque en el agua.

ctm = velocidad del sonido en el material

cw = velocidad del sonido en el agua.

Por ejemplo, dado una longitud de enfoque particulary un determinado recorrido en un material a prueba,

esta ecuacin puede ser usada para determinar elrecorrido en el agua necesario para compensar el

efecto de enfoque en el material a prueba.

Adicionalmente, la curvatura de la superficie de unapieza a prueba, puede afectar el enfoque. Dependien-

do de que la superficie a prueba sea cncava o con-vexa, la emisin de sonido puede converger ms omenos rpido que en una superficie plana.

Ganancia de Enfoque

Los transductores de inmersin usan lentes acsticaspara cambiar Y+0 (distancia del campo prximo o N)

hacia la superficie del transductor. El resultado final

puede ser un dramtico incremento de la sensibilidad.La figura 19 ilustra el incremento relativo en la am-

plitud de la seal para pequeos defectos debidos alenfoque donde SF es la longitud de enfoque normali-

zada dada por la siguiente ecuacin:

SF=F/N

Donde:

SF = longitud de enfoque normalizada

F = longitud de enfoque

N = distancia del campo prximoLa amplitud de un pequeo defecto no puede excederla amplitud del eco de una placa plana.


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Por ejemplo, la tabla puede ser usada para determi-nar el incremento de la sensitividad de un pulso-eco

axial de 225Mhz, para un transductor de un dime-tro de elemento de 1cm que es enfocado a 4cm. Lalongitud del campo prximo de este transductor es

de 955cm, y la longitud de enfoque normalizada es042 (4cm/955cm). De la tabla podemos deducir un

incremento en la sensitividad de aproximadamente21dB.

La ganancia de enfoque (dB) para enfoques cilndri-cos puede ser estimada como de la ganancia para

enfoques esfricos.

Transductores de Onda Transversal de Inciden-

cia Normal

Los transductores de Onda Transversal de Inciden-cia Normal incorporan un cristal de ondas transver-

sales en contacto con el forro del propio transductor.En lugar de usar los principios de la refraccin,como con los transductores de emisin angular, para

producir las ondas transversales en un material, es elcristal mismo el que produce dichas ondas.

Tpicamente estos transductores son usados para

hacer medidas de la velocidad transversal de losmateriales. Esta medida, junto con la de la velocidadlongitudinal, puede ser usada para calcular el ratio

de Poisson, el mdulo de Young y el mdulo trans-versal, como se hace en las siguientes ecuaciones:

= 1-2(VT/VL)2

2-2(VT/VL)2

E = VL2(1+)(1-2)

(1-)

G = VT2

Donde:

= Ratio de Poisson

VL = Velocidad longitudinal

VT = Velocidad transversal

= Densidad del material

E = Mdulo de Young

G = Mdulo transversal

Debido a que las ondas transversales no se propaganen lquidos, es necesario usar una unin muy viscosapara hacer medidas con ellos. Cuando se usa este tipo

de transductores en aplicaciones de tipo transmisin,es importante que la direccin de la polaridad de

estos transductores est alineada una con otra. Si las

polaridades forman un ngulo mayor de 90, el recep-tor no recibir la seal del transmisor.

5. EXCITACIN DE TRANS-

DUCTORES

El mximo voltaje de excitacin debe estar limitado aaproximadamente 50 voltios por milsima de pulgada

del grosor del piezoelctrico. Los elementos de bajafrecuencia suelen ser ms gruesos, y los elementos dealtas frecuencias ms delgados. Una diferencia de

potencial de 600 voltios, durante un breve periodo detiempo suele ser usada a travs de los terminales de

un transductor de 5,0MHz y frecuencias menores.Para transductores de 10MHz, la diferencia de poten-cial est alrededor de 300 voltios medidos a travs de

los terminales.

Aunque se recomiendan los picos de excitacin nega-tivos, pueden usarse igualmente ondas continuas o

rfagas de excitacin. En primer lugar, la potenciamedia disipada por el transductor no debe exceder de

126mW para evitar el sobrecalentamiento del trans-ductor y la despolarizacin del cristal. Dado que la


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potencia media depende de cierto nmero de facto-res como el voltaje, el ciclo til de funcionamiento yla impedancia elctrica del elemento, se pueden usar

las siguientes ecuaciones para estimar la duracin dela excitacin mxima, as como el nmero de ciclos

de una rfaga para mantenerse dentro de las limita-ciones mximas de potencia:

Vrms = (0,707)Vp-p

Ptot = (CUF)(Vrms )2cos()/ Z

Craf = fCUF/Trep

Donde:

Vp-p = Voltaje de pico a pico

Pto t = Potencia total

Craf =Ciclos de rfaga

CUF = Ciclos de funcionamiento til

Trep =Tasa de repeticin

= Fase del ngulo

El siguiente ejemplo muestra el uso de las ecuacio-nes anteriores, para el transductor V310-SU de Pa-

nametrics, Inc :

V310-SU: 5.0MHz, 0.635 cm de dimetro del ele-mento, no enfocado.

Asumiendo: 100V de pico a pico50 de impedancia nominal de entrada

(Nota: este valor puede variar de trans-ductor a transductor y debe ser medida),

= -45 y 5KHz de Trep.

Paso 1: Calculo de VrmsVrms = (0.707)Vp-pVrms = (0.707)(100) = 35.35V

Paso 2: Reordenamos la 2 ecuacin para resolverlos Ciclos de funcionamiento til. Usa-remos 0.125mW como Ptot , que es la po-

tencia mxima recomendada para cual-quier transductor.

CUF = Z*Pto t/(Vrms2)cos() =

(50)(0.125)/(35.35)2(cos 45) = 0.007s/sEsto significa 7 milisegundos de excita-

cin cada 1000ms.

Paso 3: El n de ciclos en la rfaga puede ser ahora

calculada por la ltima ecuacin:

Craf = (F)(CUF)/Trep =(5*106)*(0.007)/5*103Craf= 7

6. APLICACIONES Y EJEMPLOS

a. Medidores de Nivel y Deteccin de

Objetos

Los ultrasonidos son muy prcticos para medir nive-les de materiales donde otros sensores no puedenactuar, como en ambientes con polvo o vapores, o

incluso objetos transparentes, donde los sensoresfotoelctricos no pueden actuar. As se pueden em-plear para medir silos de grano o arena, para determi-

nar la altura de lquido en depsitos o calcular laaltura de diversos objetos.

Ejemplos:

Detector de nivel hasta 3m (KAB Instruments)

Medidores de nivel (KAB Instruments)

Hoja de caractersticas del "sm602" : Transductor de

SUPERPROX de 500KHz, para medicin de nive-les y deteccin de objetos.

Hoja de caractersticas del "sm906": Transductor de

SUPERPROX .

Datos del G-170710: Transductor de FESTO DI-DACTIC , de 40KHz de frecuencia de trabajo.

Especificaciones del Q45UR: Transductor de BAN-

NER , para deteccin de proximidad (de 50-250mm).

Ultrasound Research Center: Transductores que ope-

ran en la gama de 4-7MHz.

b. SONAR

SONAR es el acrnimo ingls de SOundNAvigationandRanging, y con ella se hace referencia al mtodo

y al equipo necesario para determinar por medio del

sonido la presencia, localizacin o naturaleza deobjetos en el mar.

Tanto en el aire como en el vaco se utiliza la radia-

cin electromagntica, pero este tipo de radiacin noes eficaz en el agua porque el medio acutico es un

excelente conductor elctrico, por lo cual se produce


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una rpida transformacin de la energa del campoelctrico provocando una atenuacin mucho mayorque l a radiacin acstica de naturaleza mecnica.

Para una frecuencia de 1 Khz. la prdida es de 1428dB/Km., mientras que la atenuacin de la energa

acstica es de 0,06 dB/Km. para la misma frecuen-cia. Cabra la posibilidad de usar radiacin electro-magntica de frecuencia muy baja para conseguir

una menor atenuacin, pero presenta inconvenientesimportantes debido a la gran cantidad de potencia

que se debe suministrar al transmisor, a la necesidadde antenas de cientos de Kms. de longitud y a lapobre resolucin.

El trmino SONAR no solo designa aquellos senso-res que usan el agua como medio de transmisin,sino que ste puede ser tambin un medio areo.

Wirz Electronics Polaroid Sonar Kit: SONAR de

medicin de distancias y deteccin de objetos, parasu uso en robtica.

Hoja de caractersticas del modelo 6500 de Polaroid,

rango de frecuencias 20-100KHz.

Construccin de un SONAR de deteccin de distan-cias: Esquemas para construir un SONAR con un

par de transductores y un PIC, as como unos cuan-tos componentes simples. Se incluye cdigo ensam-blador para el PIC.

c. Soldadura

Otro de los usos de los ultrasonidos, es la soldadurade materiales plsticos.

Transductores ultrasnicos para soldadura: Datos deILSAN SUNTEK , con frecuencias de trabajo de

15-40KHz.

d. Limpieza

Los ultrasonidos se suelen usar tambin en la elimi-nacin de polvo y grasa de objetos como piezas

mecnicas, joyera, etc evitando productos dainoscomo sosa o cidos.

Tanques de limpieza: Ejemplo de un tanque de lim-pieza de L&R con ultrasonidos, aunque con poca

informacin tcnica.

e. Ensayos No-Destructivos (NDT)

Los NDT (Non Destructive Test) o Ensayos No-

Destructivos, son otra de las principales aplicacionesde los ultrasonidos. Gracias a la capacidad de las

ondas sonoras de propagarse a travs de medios els-ticos, son especialmente apropiadas para el examende cuerpos slidos para la deteccin de defectos de

fabricacin, grietas o fisuras, daos en los cimientosy estructura de los edificios, etc.

Catlogo de PANAMETRICS: Amplsimo catlogo,

con multitud de ejemplos de transductores para NDT.As como tablas de velocidad del sonido en diversosmateriales.

Corrosin y ultrasonidos: Aplicacin de los ultraso-nidos para determinar la corrosin superficial en losmetales.

f. Uso Mdico

En este apartado se incluye el uso de los ultrasonidosen aplicaciones mdicas, que permite el examen delinterior del cuerpo humano para detectar tumores o

fracturas, sin tener que emplear radiaciones electro-

magnticas, perjudiciales para los tejidos de los seresvivos.

Y no solo son usados como medio de exploracin,sino incluso como herramienta teraputica para cier-tas enfermedades.

Ultrasonidos teraputicos: Ejemplo de ultrasonidos

de la gama de 1-3MHz, para uso teraputico, princi-palmente aplicado a musculos, tendones y articula-

ciones.

7. BIBLIOGRAFA / ENLACESCSIC - Acstica: Hoja con diversas monografas ypublicaciones del CSIC.

www.panametrics.com: Pgina web de uno de losprincipales fabricantes.

www.massa.com: Web de otro importante fabricante

de SONAR tanto areo como martimo.

www.interphase-tech.com/: web de otro fabricanteespecializado en SONAR.


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www.siemens.es : Pgina de SIEMENS, contienebastante informacin sobre los ultrasonidos para usomdico.

www.lrultrasonics.com/: Ultrasonidos usados paralimpieza.

www.ia.csic.es/Ultrasonidos/ultrasonidos.htm: P-gina del CSIC dedicada a los ultrasonidos.

http://www.national.com/catalog/: Web de National

Semiconductors. Descripciones de todo tipo desensores.

ultrasonidos1 - trabajo ultrasonidos

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