68

6. FACTORES INFLUYENTES EN LA DETECCION DE HETEROGENEIDADES

La naturaleza, forma, magnitud y orientación de los defectos resultan factores influyentes en las

condiciones de detección y localización de los mismos. La posición óptima de detección resulta

cuando el haz ultrasónico incide normalmente sobre la superficie del defecto y, más

concretamente, en un punto medio. Bajo tales condiciones aquél actúa como un reflector,

consiguiéndose la máxima sensibilidad de detección, así como señales de máxima amplitud

conocidas como ecos. De acuerdo con las propiedades de los campos próximo y lejano (Figura

6.1) se supone un defecto que se encuentra a una distancia L' del origen de salida del haz, si d representa la distancia a que se puede ir separando el defecto del eje acústico, resulta la siguiente

expresión:

DKsentgsen'Ltg'Ld'Ldtgλαα

ααα⋅==⋅=⋅==

;

}D

'LKd λ⋅⋅=

(en la que, como vemos, puede sustituirse la tangente por el seno), siendo D el diámetro del cristal.

La mencionada posición óptima de detección resulta ser para d=0 (posición del defecto en el eje

del haz), obteniéndose la máxima sensibilidad dada por el valor K=0.

Figura 6.1. Sensibilidad de detección.

Aumentando la separación d también aumenta K y disminuye la sensibilidad. Los valores de K

calculados a partir de la expresión anterior serán distintos para cada una de las características del

palpador. Al presentarse las respuestas -ecos- en la pantalla podría suceder que un defecto se

encontrara muy próximo a la salida del haz y que la anchura del impulso de emisión enmascare su

presencia, como se ve en la figura 6.2.

De aquí que la elección del palpador, cuando se teme esa proximidad, debe hacerse con mucho

cuidado, para poder escoger dentro del campo de frecuencias posibles, el tipo de palpador que

conduzca a un impulso de emisión de estrecha abertura.

Figura 6.2. Enmascaramiento

de pequeños defectos.

69

En líneas generales puede decirse que para que el eco o señal de un defecto sea visible en la

pantalla es necesario que pueda apreciarse la fracción de energía reflejada por aquél y que

captada por el emisor-receptor la traduzca en una deflexión vertical. Para que esto sea posible hay

que considerar las condiciones impuestas por el mismo, es decir: naturaleza, forma y dimensiones.

También están las condiciones de ensayo, interviniendo: características del palpador (diámetro del

cristal, frecuencias, campos acústicos), divergencia del haz y, finalmente, refiriéndonos al equipo

empleado, las condiciones de potencia de emisión, amplificación, escalas, etc.

6.1 Condiciones Geométricas: Ley de las Distancias.

Parte de las condiciones geométricas se han manifestado a través de la figura 6.1 para conocer la

máxima sensibilidad de detección de aquellos defectos situados en el campo lejano, referidas a la

distancia entre defecto-palpador y la distancia defecto-eje del haz. No debe olvidarse las grandes

variaciones experimentadas por la presión acústica al comienzo del campo próximo, alcanzando su

máximo al final del mismo y principio del campo lejano.

Es a partir de dicho límite que la presión experimenta un decrecimiento más uniforme de acuerdo

con la distancia L y según la relación 1/L. Cuanto mayor sea L (distancia a que esté localizado el

defecto), será menor la energía reflejada, también de acuerdo con las características y,

especialmente, la magnitud del defecto.

En el ejemplo que se expone, referido a un mismo reflector situado a distancias que disminuyen

sucesivamente, puede verse cómo va aumentando la amplitud de la señal del eco correspondiente

o viceversa (Fig. 6.3).

2A 4A

L/2

Palpador

L/4

L

A

Figura 6.3. Variación del eco con la distancia defecto-palpador.

Se han considerado reflectores grandes. Para reflectores pequeños la ley de variación de

amplitudes viene dada por 1/L2. De acuerdo con estas leyes de variación se deduce que dos

defectos, uno pequeño y otro mayor, darán ecos de la misma altura, estando el primero situado a

una distancia menor que el otro (Figura 6.4).

70

h

h

Figura 6.4. Igualdad de altura de ecos en dos reflectores de distinta magnitud.

La localización de los mismos no ofrece ninguna dificultad, pero no sucede lo mismo cuando

tratamos de determinar su magnitud. La altura del eco en comparación con la del eco de fondo es

un dato de cierta aproximación. En estas condiciones la relación entre las alturas del eco del

defecto y el eco de fondo, h1, y h2, será proporcional a la que existe con relación a los diámetros

Dd,, y Dc, del defecto y del cristal del palpador (o con relación a sus secciones):

21 hhDD cd =

Expresión que resulta válida cuando se trata de medidas en espesores de material de pocos

centímetros. Para mayores dimensiones hay que tener presente la atenuación y, como

consecuencia, la disminución de la señal del eco en altura. Los pequeños defectos dan lugar a

efectos de refracción y dispersión traduciéndose la disminución de altura según el cuadrado de la

distancia.

Parecen ser más fiables los resultados conseguidos utilizando, en lugar del eco de fondo, el qué

proporciona un disco del mismo material a examinar y de igual superficie de una probeta del mismo

medio: así se obtiene lo que se conoce como “defecto equivalente”.

La presencia de defectos de cierta importancia y que no se encuentran a distancia del cristal,

demasiado grandes, exige el uso de correcciones en la amplificación, calibrada en decibelios, que

dan la relación de los ecos según la conocida expresión: dB=20 log P1/P2, tomando la relación de

alturas leídas h1/h2 correspondientes a las presiones. Estas medidas son idóneas en el caso de la

detección de defectos de laminación en chapas, reflectores planos y de cierta extensión.

Existe un método de evaluación que consiste en encontrar una posición del palpador que conduzca

a obtener el eco de máxima altura h. En ese momento, representado (Figura 6.5) por la primera

posición del palpador, éste habrá recibido todo el haz (así como su presión, energía o intensidad).

Desplazado a la nueva posición de la izquierda solamente incide sobre el reflector la mitad del haz:

la señal del eco habrá reducido su altura a la mitad, sucediendo análogamente con los restantes

parámetros.

71

De acuerdo con la expresión que define al decibelio, sustituyendo la relación entre presiones por la

de alturas, resultará:

20 log(h/ ½h ) = 20 log 2 = 6 dB

Valor que se define como caída de eco con relación a la máxima altura anterior; bajo tal condición

el eje del haz coincide con el borde del reflector. Esta medida se conoce como método de -6dB.

- 20 dB

0.1h h

- 6 dB

h/2 h

Figura 6.5. Resultados según posición del palpador.

También se hace referencia al método de -20dB, que consiste en desplazar el palpador desde la

primera posición inicial (captación de todo el haz) hasta quedar el haz prácticamente fuera de la

zona del reflector, limitando con su borde. Una caída de -20 dB se traduce en una reducción de los

parámetros a la décima parte del valor inicial:

20 log(h/ 0,1 h) = 20 log 10 = 20 dB

La posición del borde del reflector queda determinada en este caso introduciendo una corrección

de la posición del palpador en un valor que corresponde con el ancho del haz. Cabe anotar que

tratándose de reflectores pequeños el método no es viable en ninguno de los dos casos expuestos.

Diagramas AVG.

Se denomina así al método del “defecto equivalente” en comparación con un defecto ideal

utilizando un disco normal a la dirección del haz. El diagrama AVG, diseñado por Krautkramer,

permite determinar de una forma sencilla el diámetro de un defecto. Las siglas AVG (Abstrand

Verstärkung und Groesse) responden a los términos: Distancia (A), Amplificación (V), y Tamaño o

Valor reducido del defecto (G); en español curvas DAT.

La figura 6.6 representa el diagrama más generalizado, existiendo otros para cada tipo de palpador

atendiendo a las características propias de los mismos. En las ordenadas figuran las

amplificaciones y en las abscisas las distancias; los valores reducidos G del defecto están

representadas por la familia de curvas hasta el límite de la curva ∞ de ecos de fondo para

reflectores grandes.

72

∞

Figura 6.6. Diagrama AVG.

Si se parte del examen de cierto material y con un palpador idóneo aquél debe realizarse de la

siguiente forma (Figura 6.7):

b)

mm

V [dB]

D D’

G ∆V

Curva de reflectores

∞

Curva de ecos de fondo

c) a)

3/5 3/5

D D’

Figura 6.7. Utilización práctica del diagrama AVG. 1. En una zona sana del material, indicada por (a) en la figura 45, se obtendrá un destacado eco

de fondo. En la pantalla del instrumento (osciloscopio), se lleva la amplificación en dB a una altura

de referencia de la señal del eco, por ejemplo a 3/5 de la pantalla, tomando nota del valor V1 de la

amplificación. En la pantalla aparece el eco de fondo a una distancia que representa el valor del

espesor y que se situara en el diagrama sobre el eje de las abscisas determinando el punto D.

Desde dicho punto se levanta una vertical hasta su intersección con la curva superior ∞ que sigue

la ley 1/L.

2. Desplazar el palpador desde la posición (a) hasta la posición (c) mostrada en la figura 6.7 y en la

cual se ha detectado la presencia de un defecto, localizado a la profundidad D'. La altura del eco

correspondiente se eleva, igual que antes, a 3/5 de la pantalla por medio del amplificador, tomando

73

nota del valor de la nueva amplificación V2 y trasladando la distancia D' al eje de abscisas del

diagrama, levantando desde allí otra nueva vertical. La diferencia de amplificaciones V=V1−V2

determina un punto desde el que trazamos una paralela al eje de abscisas y su intercesión con la

vertical trazada desde D' determina un punto. La curva más próxima al mismo proporciona el valor

G correspondiente.

Estas curvas representan las magnitudes de los reflectores de referencia. Siendo Dc, el diámetro

del cristal del palpador y Dd, el del defecto resulta ser G=Dd /Dc ; si Dc=10 mm y la curva elegida es

G=0.2, el diámetro del defecto será de 2 mm aproximadamente.

En el empleo de palpadores debe conocerse el alcance o campo próximo de los mismos para no

operar en él, ya que, como se sabe, es una región en la que existen grandes variaciones de

presión que conducirían a resultados erróneos en el caso de reflectores pequeños. Es a partir de

dicho campo cuando las curvas de reflectores presentan una uniformidad, motivo por el que deben

efectuarse las medidas en el campo lejano. Los diagramas AVG permiten comprobar la ley de

distancias. Si en el examen de una pieza de 80 mm de espesor obtenemos el primer y segundo

eco de fondo, es evidente que el recorrido habrá sido para este último de 160 mm y resultará:

20 log(160/80) = 20 log 2 = 6 dB

Confirmando dicha ley. El resultado puede expresarse gráficamente, referidos a la curva de ecos

de fondo (reflectores grandes).

Tratándose de reflectores pequeños hay que referirse a las otras curvas G. En este caso la ley de

variación de distancias 1/L2 conduciría, examinando un espesor de 30 mm, a unas distancias de 30

y 60 mm y amplificaciones V1 y V2 que, con las verticales correspondientes, determinan la curva de

reflectores de 1 mm y, por lo tanto,

V = V1 − V2 = 20 log (60/30)2 = 20 log 4 = 12 dB

Las representaciones (a) y (b) de la figura 6.8 complementan la función del diagrama AVG al

confirmar la ley de las distancias. Puede recurrirse a patrones de acero con taladros de diámetros

diferentes y a distintas profundidades, para confirmar esas relaciones.

Figura 6.8. Comprobación de la ley de las distancias.