8

2. ULTRASONIDO

2.1 CARACTERISTICAS Y GENERALIDADES

En el campo de los ensayos no destructivos, el ultrasonido es una de las técnicas de inspección de

mayor aplicación en la actualidad.

Las principales ventajas de este método son:

Elevada sensibilidad de detección. ♦

♦

♦

♦

♦

♦

♦

♦

Poca dependencia de la geometría de la pieza, bastando en la generalidad de los casos, el

acceso a una sola de las caras.

Posibilidad de inspeccionar volumétricamente el material, aún tratándose de grandes

espesores, del orden hasta de un metro en metales.

Rapidez de la inspección y resultado inmediato.

Utilización de aparatos manuales y de poco peso.

Muy poco gasto en materiales de consumo y energía eléctrica.

Posibilidad de utilizar el mismo equipo en distintos tipos de examen como, detección de

defectos y medición de espesores.

Ausencia de riesgos para el operador y el personal circundante.

Las desventajas de este método son:

♦ Pueden existir limitaciones en su uso ya sea por la naturaleza del material, el tipo de estructura

interna, las condiciones de la superficie, la geometría, etc.

♦ Para el ensayo ultrasónico es necesario un mayor entrenamiento del operador con respecto al

requerido para otros ensayos, como el radiográfico.

♦ La interpretación correcta de la información obtenida presenta una mayor dificultad.

2.2 PRINCIPIO FISICO Y OPERACION

La técnica ultrasónica está basada en el hecho de que los materiales sólidos son buenos

conductores de las ondas acústicas, por lo cual las ondas ultrasónicas, no sólo se reflejan en las

interfaces, sino que también lo hacen en las discontinuidades internas (separaciones del material,

inclusiones, etc). El efecto de la interacción de las ondas acústicas con los materiales es mejor

cuando se tienen longitudes de onda muy pequeñas, lo cual se traduce en altas frecuencias de

estas. Esto implica que las ondas ultrasónicas deban ser usadas en un rango de frecuencias entre

0.5 MHz y 25 MHz obteniéndose magnitudes de milímetros para la longitud de onda.

Limitándose a las pruebas en los objetos para determinar posibles discontinuidades en los

materiales, mediante la inspección ultrasónica se puede detectar, ubicar, evaluar y hacer un

diagnóstico de los defectos encontrados.

9

En la detección de discontinuidades la principal herramienta de la técnica ultrasónica es el

palpador o sonda, figuras 2.1a y 2.1b.

3

2

1

1

7 5

4 6

5

4

3

2

b) Palpador Angular (sección) a) Palpador Normal (sección)

1. Carcasa 2. Conector 3. Bloque de

amortiguamiento 4. Cristal 5. Elemento piezoeléctrico 6. Superficie protectora 7. Cuña plástica

Figura 2.1. Tipos principales de Palpadores.

El elemento piezoeléctrico (Oscilador) del palpador se excita por una descarga eléctrica

sumamente corta y transmite un pulso ultrasónico. El mismo elemento por otro lado genera una

señal eléctrica cuando recibe una señal ultrasónica, causando así su oscilación.

El palpador se coloca sobre la superficie del objeto de prueba, aplicando entre estos un líquido

acoplante con el propósito de que las ondas acústicas puedan ser transmitidas al material, luego el

inspector ultrasónico examina el objeto de prueba, moviendo el palpador a través de toda la

superficie, mientras observa en la pantalla del equipo (osciloscopio), las posibles señales causadas

por las reflexiones del haz en discontinuidades internas.

Figura 2.2. Detección de

discontinuidades a través de Ondas

En la figura 2.2 se muestra la

forma en la cual a través de ondas

ultrasónicas se pueden detectar

discontinuidades presentes en el

interior de los materiales.

2.3 NATURALEZA Y PROPIEDADES DE LAS ONDAS ULTRASONICAS Las ondas ultrasónicas son ondas acústicas de idéntica naturaleza que las ondas sónicas, las

cuales operan a una frecuencia por encima de la zona audible del espectro acústico (figura 2.3). En

dicho espectro se observan las tres bandas siguientes:

Infrasónica: f < 16 Hz

Sónica (audible): 16 Hz < f < 20 kHz ( el que una onda sea audible depende, además de su

frecuencia, de su intensidad).

10

Ultrasónica: f > 20 KHz, el límite superior de frecuencia no está definido físicamente, este

depende en la práctica de la posibilidad de su generación y recepción.

Las frecuencias utilizadas en los ensayos ultrasónicos, comienzan en la proximidad de la zona

audible (ensayo de hormigones) y se extiende hasta los 25 MHz. En el caso específico de los

materiales metálicos las frecuencias varían entre 0.5 MHz y 25 MHz.

Frecuencia ( f ) Sónica Infra-

sónica Ultrasónica

100 MHz

Area normal de audición

10-4

10-3

10-1

10-2

1

10

103

102

10 MHz

1 MHz

100 KHz

10 KHz

100 1 KHz

1 10

104 Presión

(dinas/cm2)

Figura 2.3. El espectro acústico.

2.3.1 PROPAGACION DE LAS ONDAS ULTRASONICAS EN DIVERSOS MEDIOS

El péndulo resorte, mostrado en la figura 2.4, es un modelo representativo de una oscilación

elástica de una partícula de material. La naturaleza de esa oscilación es sinusoidal si la fuerza

suministrada por el resorte aumenta proporcionalmente con el desplazamiento. Esta fuerza se

conoce como fuerza elástica.

tiempo

Amplitud

Figura 2.4. Oscilaciónsinusoidal de unpéndulo de resorte.

A fin de facilitar el estudio de la propagación del ultrasonido en los sólidos se puede utilizar un

modelo constituido por esferas unidas entre sí por resortes como se indica en la figura 2.5; si se

imprime un desplazamiento longitudinal a la primera esfera del modelo está transmitirá su

11

desplazamiento a la segunda esfera a través del resorte y así sucesivamente se transmitirá el

desplazamiento inicial a lo largo de la cadena de esferas debido al vínculo elástico del resorte.

Figura 2.5. Modelo de vibración lineal.

Con el ultrasonido ocurre algo semejante al incidir la onda ultrasónica normalmente a la superficie

(figura 2.8) la compresión mecánica produce el desplazamiento longitudinal de las partículas y la

propagación de la perturbación en forma de onda longitudinal.

Para un tratamiento más completo puede considerarse un modelo en dos dimensiones (figura 2.6),

en el cual la propagación del desplazamiento aplicado a la primera esfera está influenciado no

sólo por los elementos dispuestos en sentido longitudinal sino también por los dispuestos en

sentido transversal. En el caso de la propagación del ultrasonido se debe considerar también,

como en el último modelo, la influencia de las partículas adyacentes en el sentido transversal.

Figura 2.6. Modelo de vibración bidimensional.

Supóngase que se excitan colectivamente todas las partículas del borde izquierdo del modelo

según una oscilación sinusoidal* (ver figura 2.7), de manera que todas las del primer plano oscilen

con la misma amplitud y la misma frecuencia. Las fuerzas elásticas transmitirán las oscilaciones a

las partículas del segundo plano, las cuales, a su vez, transmitirán el movimiento vibratorio al tercer

plano y así sucesivamente. tiempo

a) Excitación continua b) Excitación por impulsos

Figura 2.7. Modos de excitación.

Si todos los puntos estuvieran interconectados rígidamente, iniciarían su movimiento

simultáneamente y permanecerían constantemente en el mismo estado de movimiento, es decir,

en la misma fase. No es este el caso de un material elástico; el movimiento requiere un cierto

* Mientras no se indique lo contrario, se supone que esta excitación de carácter sinusoidal es continua, es decir, que se mantiene durante un largo periodo de tiempo (figura 2.7 (a)). En los ensayos no destructivos se utilizan primordialmente excitaciones por impulsos, cuyo tiempo de duración es corto y su amplitud de oscilación no uniforme (figura 2.7 (b))

12

tiempo para ser transmitido y los planos sucesivos alcanzan el movimiento con retardo de fase en

relación con los primeramente excitados.

El modelo de péndulo resorte, mostrado en la figura 2.4, no puede aplicarse a líquidos o gases, ya

que las partículas individuales no están sujetas a una posición con relación a las restantes, sino

que son libres. No obstante los líquidos y gases ofrecen cierta resistencia cuando son comprimidos

o expandidos, tal como ocurre, por ejemplo, en una bomba de aire. Por lo tanto pueden transmitir

ondas elásticas, interpretando fácilmente, la propagación de estas ondas en un fluido si se tiene en

cuenta que las moléculas de las zonas comprimidas tratarán de llenar los vacíos de las zonas

inmediatas que se encuentran descomprimidas a fin de restablecer el equilibrio perturbado y lograr

la igualdad de presión en todas las direcciones y restablecerlas a su posición de equilibrio. El

comportamiento de las moléculas del fluido, en las zonas comprimidas y descomprimidas, se

puede comparar en cierta aproximación, al modelo que se presenta en la figura 2.8.

2.3.2 PARAMETROS DE LAS ONDAS ULTRASONICAS Para poder entender y describir el comportamiento de las ondas ultrasónicas, es necesario definir

los siguientes parámetros:

Frecuencia, es el número de oscilaciones por segundo de una partícula dada, dentro de una

misma onda esta es igual para todas las partículas que participen en la vibración, su magnitud

está dada por el generador del ultrasonido, el cual se puede elegir arbitrariamente.

Longitud de onda, es la distancia entre dos planos en los que las partículas se encuentran en

el mismo estado de movimiento, por ejemplo dos zonas de compresión.

Velocidad acústica, es la velocidad de propagación de la onda para una condición dada. Esta

velocidad es una característica del material y en general, es constante para un material dado,

independientemente de la frecuencia y de la longitud de onda.

Amplitud de la oscilación, es el desplazamiento máximo de una partícula desde su posición

cero o de equilibrio.

Velocidad instantánea de vibración, es la propia de la partícula en su movimiento oscilatorio.

Presión acústica, está presente no sólo en los gases sino también en los líquidos y sólidos y

el mayor valor de esta, que la onda alcanza, se conoce como amplitud de la presión acústica y

está íntimamente ligada con la amplitud de la oscilación.

13

2.3.2.1 Unidades Físicas Para Caracterizar las Ondas Libres y las Constantes Elásticas de los Materiales Existe una dependencia entre las propiedades de las ondas y las características del material

transmisor. La siguiente lista define las cantidades más frecuentemente usadas, sus símbolos y

unidades.

ω Frecuencia angular rad/s

ƒ Frecuencia Hz=s-1

λ Longitud de onda m

ξ Desplazamiento de la partícula m

A Amplitud máxima de oscilación m

C Velocidad acústica m/s

ν Velocidad de la partícula m/s

V Velocidad máxima de vibración (= ωA)

m/s

ρ Densidad del material Kg/m3

F Fuerza N

P Presión acústica Pa

µ 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

Frecuencia, Longitud de Onda y Velocidad Acústica.

La siguiente relación entre la velocidad del sonido, la longitud de onda y la frecuencia, es válida

para toda clase de ondas :

C = λƒ

En lugar de las unidades Hertz y metro, usualmente se usan sus múltiplos MHz y mm para la

frecuencia y la longitud de onda respectivamente.

En la tabla 2.1 se muestran los valores de longitud de onda en el acero y el agua en el rango de

frecuencias de 0.5 a 10 MHz.

14

Longitud de onda en el acero (mm) Frecuencia MHZ

Ondas longitudinales

CL= 5.9 Km/s

Ondas transversales

Ct=3.2 Km/s

Longitud de onda en el

agua (mm)

C= 1.5 Km/s

0.5 12 6.5 3

1 6 3 1.5

2 3 1.6 0.8

4 1.5 0.8 0.4

6 1 0.6 0.25

10 0.6 0.3 0.15

El p

acús

La i

pose

pequ

defo

elem

ofre

reso

débi

reso

opon

impe

es ta

La i

que

La p

Tabla 2.1. Valores de longitud de onda para el acero y el agua en función de la frecuencia.

Impedancia Acústica (Z).

roducto de la densidad y la velocidad de propagación del sonido se denomina impedancia

tica y se representa por :

Z = ρc mpedancia acústica es una resistencia que se opone a la vibración de la onda. Si un medio

e una impedancia baja, sus elementos de masa vibrarán a gran velocidad, con sólo un

eño cambio de presión acústica; es decir el medio ofrecerá poca resistencia a las

rmaciones elásticas causadas por la onda. Si por el contrario, la impedancia es elevada, sus

entos de masa vibrarán lentamente, aunque la presión acústica sea elevada, ya que el medio

ce gran resistencia a las deformaciones elásticas. Refiriéndose al modelo del péndulo de

rte de la figura 2.4, el primer caso corresponderá a una masa pequeña sujeta a un resorte

l, mientras que en el segundo caso se estará hablando de una masa grande sujeta a un

rte con un valor de constante elástica mayor. Es importante aclarar que la impedancia se

e a la vibración de los elementos de masa, pero no a la propagación de la onda. Ya que la

dancia acústica es función de dos propiedades (la densidad y la velocidad acústica), entonces

mbién una constante para cada material.

mpedancia en los cuerpos sólidos es en general mayor que en los líquidos y, en éstos mayor

en los gases.

Presión Acústica.

resión acústica, y la amplitud máxima de oscilación están relacionadas por:

P = ZV = ZωA = ρCωA (N/m2)

15

De esta fórmula se deduce que para las ondas longitudinales, la presión acústica como fuerza por

unidad de superficie normal al frente de la onda y, para las ondas transversales, la fuerza cortante

por unidad de superficie paralela al frente de la onda.

Energía Acústica Específica.

La propagación de una onda se caracteriza por un transporte de energía y no de masa. La energía

presente en la unidad de volumen del medio (que avanza con la velocidad acústica) se denomina

energía específica Ee de la onda y se expresa: 1 1 = = =

P 2

Cρ 2 2 A1

2 2ρω 2 Vρ

2

1 2 [ZC 2

P 2 Ws ] 3 m/ = Ee

La energía específica es pues proporcional al cuadrado de la amplitud de la presión acústica.

Intensidad Acústica.

Es la cantidad de energía que pasa por unidad de área en la unidad de tiempo. Viene dada por el

producto de la energía específica y la velocidad acústica:

I CV ZV Z A PZ

= = = =12

12

12

12

2 2 2 22

ρ ω

Es importante la relación entre la energía específica Ee y la intensidad acústica I con la presión

acústica, ya que la altura de la indicación de un eco, en la pantalla del oscilograma de un equipo de

impulso-eco, es proporcional a la presión acústica.

Amplitud Máxima de Oscilación

De las ecuaciones antes mostradas se puede deducir:

A ICλ π ρ

=2 2 3

Expresión de la que se puede obtener una idea de los valores que se presentan en la práctica. Así

por ejemplo, en el aire, con densidad ρ = 1.3 kg/m3 y velocidad acústica de 330 m/s, sólo se

alcanza un valor de A/λ del 10% para intensidades acústicas de 107 W/m2, que son los valores más

altos alcanzados hasta el presente y sólo en períodos muy breves.

Con estas intensidades, las amplitudes son mucho menores en lo líquidos y en los sólidos. Por

ejemplo en el agua sería del 0.04% de la longitud de onda.

En los ensayos no destructivos de materiales, una intensidad de 10 W/m2, que es un valor

considerado alto, sólo genera una amplitud del orden de dos millonésimas de la longitud de onda.

16

2.4 TIPOS DE ONDAS ULTRASONICAS

Todo material con propiedades elásticas puede ser sede de la propagación de ondas sónicas y

ultrasónicas, en tanto las fuerzas elásticas son capaces de retraer las partículas a su posición de

reposo.

En los cuerpos que poseen una estructura cristalina (por ejemplo metales en estado sólido) las

partículas que forman la red pueden ser desplazadas de sus posiciones de equilibrio describiendo

oscilaciones con trayectorias diversas, en función de la energía mecánica aplicada, originando

distintos tipos de ondas ultrasónicas: Ondas longitudinales, Ondas transversales, Ondas superficiales, Ondas de lamb

2.4.1 Ondas Longitudinales.

Se tienen ondas longitudinales cuando la dirección de oscilación de las partículas es paralela a la

dirección de propagación de la onda.

En los líquidos y los gases sólo es posible la propagación de este tipo de ondas mecánicas.

En la figura 2.8, se esquematiza la propagación del ultrasonido mediante ondas longitudinales. Se

observa que si la onda ultrasónica incide normalmente a la superficie, la propagación de la misma

dentro del material provocará la oscilación de las partículas alrededor de su posición de equilibrio

pero en la misma dirección de propagación. En un instante dado podríamos imaginar que la

posición de las partículas en el material sería la que se indica en la parte inferior de la figura 8, en

la cual se observan zonas en que las partículas se han alejado entre sí y zonas en que se han

acercado, esto se debe a que el cambio de fase de las oscilaciones crea zonas donde las

partículas se aproximan entre sí, de forma particularmente densa, alternándose estas zonas de

compresión con zonas enrarecidas. Una imagen cronológica de la onda mostraría que estas zonas

se crean constantemente a partir del borde de excitación y que viajan a través del cuerpo a una

velocidad constante y a intervalos constantes hacia la derecha.

Palpador

DIRECCION DE VIBRACIÓN

Figura 2.8. Representación esquemática de la propagación de ondas longitudinales.

DIRECCION DE PROPAGACIÓN λ

17

La distancia entre dos puntos medios de dos zonas consecutivas de igual concentración de

partículas corresponde a la longitud de onda del haz ultrasónico.

2.4.2 Ondas Transversales.

Se tienen ondas transversales cuando la dirección de oscilación de las partículas es perpendicular

a la dirección de propagación de la onda ultrasónica.

Esto se verifica en los materiales sólidos cuando la onda ultrasónica penetra en el material con un

cierto ángulo respecto a la superficie.

En la figura 2.9 se ha esquematizado la propagación de las ondas transversales. En este caso se

observa que las partículas se alejan y acercan a su posición de equilibrio en dirección normal a la

propagación de la onda manteniendo constante sus distancias relativas.

La longitud de onda λ está dada por la distancia entre dos puntos consecutivos que han alcanzado

su máximo alejamiento de la posición de equilibrio en un mismo sentido.

Los gases y líquidos no pueden transmitir ondas transversales (excepto líquidos altamente

viscosos, en los que se pueden transmitir pero de forma altamente amortiguada), ya que sus

moléculas apenas ofrecen resistencia al deslizamiento transversal y por lo tanto no existen

vínculos elásticos que los liguen a su posición cero.

DIRECCION DE PROPAGACIÓN

Palpador

λDIRECCION DE VIBRACIÓN

Figura 2.9. Representación esquemática de la propogación de ondas transversales. 2.4.3 Ondas Superficiales.

Se habla de ondas superficiales (o de Rayleigh) cuando el haz de ondas ultrasónicas se propaga

exclusivamente en la superficie del material siguiendo el perfil del cuerpo, siempre que no haya

variaciones bruscas en el mismo. Las deformaciones inducidas por este tipo no son estrictamente

sinusoidales, asemejándose en cierto modo a las ondas del agua; aunque estas últimas no son

ondas elásticas, sino consecuencia de la fuerza gravitacional.

18

Las ondas superficiales se obtienen cuando el ángulo de incidencia del haz ultrasónico sobre el

material tiene un valor tal que se alcanza el segundo ángulo crítico de refracción1. En las ondas

superficiales, la oscilación de las partículas es normal a la dirección de propagación (figura 2.10).

2.4.4 Ondas de Lamb.

DIRECCION DE PROPAGACIÓN DIRECCION DE VIBRACIÓN Figura 2.10. Representación esquemática de la propagación de ondas superficiales.

Palpador

Las ondas de lamb se obtienen en láminas delgadas y también en tubos cuyos espesores son

aproximadamente del orden de la longitud de onda y, prácticamente en materiales con

espesores comprendidos entre 0,1 y 30 mm, en los cuales intervienen en la propagación del haz

ultrasónico, la totalidad del material, vibrando la lámina en su conjunto. Para un espesor o diámetro

dado son posibles infinitos modos de vibración.

Las ondas de Lamb se propagan en sentido paralelo a la superficie del medio material y en la

dirección del impulso recibido.

Existen dos formas fundamentales de ondas de lamb (figura 2.11): Ondas simétricas de compresión, Ondas asimétricas de flexión.

Movimiento de las partículas

Palpador

Dirección de la propagación Ondas simétricas de compresión Ondas asimétricas de flexión

Figura 2.11. Propagación de ondas de Lamb.

1 ...Véase el numeral 2.5.2.1...

19

En los modelos simétricos y asimétricos el movimiento de las partículas en la superficie es elíptico.

En las ondas simétricas aparece una onda de compresión, con movimiento longitudinal en el eje

neutro, mientras que en las asimétricas existen ondas de flexión o cizalladura, ya que las partículas

tienen un movimiento transversal sobre el eje.

2.4.5 VELOCIDAD DE PROPAGACION DE LAS ONDAS. VELOCIDAD DE FASE Y DE GRUPO

Constantemente en las aplicaciones de los ultrasonidos se maneja el término de velocidad, como

una magnitud que depende de las características elásticas del medio y que por tanto permite

evaluarlos. El concepto de velocidad es fundamental en las aplicaciones de defectoscopía, como

mediciones de espesores, resistencia de materiales de la construcción y también en la medicina.

Para las aplicaciones de pulso – eco y pulso – transmisión es necesario conocer las dos

definiciones de velocidad, es decir los conceptos de velocidad de fase y velocidad de grupo.

La propagación de un caso muy simple de onda plana, puede expresarse por la ecuación:

u u ei t kx= −0

( )ω

donde ω = 2πf es la frecuencia angular, y k = 2π/λ, es el llamado vector de onda, definido a través

de la longitud de onda λ. Esta solución que refleja la propagación de una onda continua de

frecuencia única, permite definir la velocidad de fase C:

Ck

f= =ω

λ

Que significa la propagación de un punto de fase constante, como se muestra en la figura 2.12.

λ

longitud de onda

distancia

Dirección de propagación

Figura 2.12. Velocidad de fase. A diferencia del clásico concepto de velocidad que tenemos de la mecánica, donde medimos el

tiempo transcurrido durante la traslación de un cuerpo de una posición a otra, la velocidad de fase

considera la traslación de un punto de la onda, no de la onda en si, pues la misma es de extensión

infinita. Quiere decir que si consideramos dos transductores* (emisor y receptor), ambos estarán

* Término equivalente a palpadores

20

conectados en forma continua por dicha onda. Esto es muy diferente en el caso de un pulso, que

sale de un emisor y llega a un receptor; donde se podría tener una analogía más cercana a la

traslación de un cuerpo en mecánica.

Para este segundo caso debe definirse el concepto de velocidad de grupo Cg dado por:

Ckg =

∂ ω∂

De esta forma las velocidades de fase y de grupo de los ultrasonidos se relacionan a través de la

siguiente expresión:

C CdCdg = − λ

λ

Al examinar esta expresión, se encuentra que ambas velocidades son iguales si C es

independiente de λ, o de la frecuencia, que es lo mismo. Existen situaciones, que se verán más

adelante, donde se pueden excitar ondas mecánicas continuas o de pulso y no se cumple esta

relación (ondas de lamb), por tanto ambas velocidades dependerán de la frecuencia y serán

diferentes. Este fenómeno se llama dispersión y se refiere a la dependencia de la velocidad de fase

(y de grupo) con la frecuencia. El origen se debe a las características geométricas del material o a

las propiedades no elásticas del mismo.

2.4.5.1 Velocidad de Ondas Longitudinales, Transversales y Superficiales.

Cada tipo de estas ondas ultrasónicas tiene distinta velocidad de propagación que depende en

cada caso de las características elásticas del medio y es independiente de la frecuencia.

La velocidad de propagación de la perturbación en el caso del modelo de vibración lineal mostrado

en la figura 2.5, es función de las características elásticas del resorte; de igual manera la velocidad

de las ondas ultrasónicas resulta proporcional al módulo de elasticidad o módulo de Young del

material.

En el caso del modelo citado, es evidente que en la velocidad de propagación de la perturbación

influye también la masa de las esferas. Un aumento de masa significará una disminución de la

velocidad. Este parámetro es comparable con la densidad del material en el que se considera la

propagación del ultrasonido.

Para el modelo de vibración bidimensional (figura 2.6) debe considerarse también la influencia de

las partículas adyascentes en el sentido transversal, por lo cual aparece un tercer parámetro, la

relación de Poisson, en la determinación de la velocidad.

Las velocidades de varias clases de ondas sónicas pueden ser calculadas a partir de las

constantes elásticas del material en cuestión, las cuales son: el módulo de elasticidad E (N/m2,

Kg/mm2), la densidad ρ (Kg/m3), y el módulo de Poisson µ (adimensional).

21

Para las ondas longitudinales la velocidad es Cl =

( )( )µµµ

ρ 2111

−+−

=Ecl

Para las ondas transversales la velocidad es Ct =

( ) ρµρGEct =

+=

121

Las dos velocidades están relacionadas así:

( )µµ

−−

=12

21lt cc

Para las ondas superficiales la velocidad CS es:

( )µ+⋅ρµ+µ+

=121

121870 E..cs

Esta velocidad está relacionada con la velocidad transversal así:

µ+µ+

=1

121870 ..cc ts

De acuerdo con la anterior ecuación, la velocidad de las ondas superficiales es siempre

ligeramente menor que la de las ondas transversales.

Velocidad de las Ondas de Lamb.

Contrariamente a los tipos de ondas citadas anteriormente, estas se propagan con una velocidad

de fase que depende de la velocidad de grupo del tren de ondas primarias (Figura 2.13), del medio

en que se transmiten, del espesor de la chapa y del ángulo de incidencia. Por este motivo se les da

también el nombre de ondas de fase. Cg

Figura 2.13. Tren de ondas y velocidad de grupo.

Las ondas de lamb pueden identificarse como haces longitudinales y transversales propagándose

en zig-zag. La figura 2.14, muestra la propagación de un haz generado a través de un palpador tipo

22

cuña o angular, haz que incide bajo un ángulo θ y con una velocidad de grupo Cg en un medio

(fluido o sólido).

C

Cg

θ

Llamando C a la velocidad de fase (que depende de las características del emisor y del espesor de

la lámina), al variar la dirección de propagación, cambiará el ángulo de incidencia obteniéndose:

Figura 2.14. Propagación de ondas de Lamb.

Cg = C · Sen θ

Para θ = 0 resulta C = ∞ ; Para θ = 90º resulta C = Cg

Permitiendo establecer: Cg ≤ C ≤ ∞ para 0º ≤ θ ≤ 90º

De esta forma, la obtención de estas ondas, para un determinado espesor del material y una

frecuencia dada de ultrasonido, se consigue variando el ángulo de refracción del haz generado.

2.5 COMPORTAMIENTO DE LAS ONDAS ULTRASONICAS EN SUPERFICIES LIMITES

En la práctica, todas las sustancias tienen algún límite en el cual la propagación de una onda

ultrasónica es perturbada, si los bordes del material considerado son adyacentes a un espacio

vacío, ninguna onda podrá ir más allá de dichos límites, pues la transmisión de las ondas

ultrasónicas requiere la presencia de algún medio material, en este caso la onda ante el límite tiene

que regresar de una manera u otra. Si la superficie límite es lisa se hablaría de reflexión, si es

áspera o rugosa de dispersión, en este último caso la rugosidad de los límites se debe medir en

términos de la longitud de onda del haz incidente.

Si otro material esta más allá del límite y se adhiere al primer material de tal forma que las fuerzas

puedan ser transmitidas, entonces la onda podrá propagarse dentro del segundo.

Existen tres casos en la prueba de materiales donde los límites tienen una fuerte influencia en la

propagación del sonido:

♦ La onda tiene que penetrar los bordes del objeto bajo prueba cuando pasa desde un palpador

hasta el interior del material y viceversa cuando las ondas son recibidas.

♦ Los defectos dentro del material son detectados por el efecto que tengan los límites de las

discontinuidades sobre la onda (reflexión o transmisión).

23

♦ Además otros límites del material pueden influenciar la propagación por reflexiones que creen

interferencia, por orientaciones intencionales (por ejemplo en chapas o varillas) o por la

reflexión de la onda hacia áreas que de otra forma no son accesibles.

Para el caso del comportamiento de las ondas ultrasónicas se consideran los casos de incidencia

perpendicular o normal y de incidencia oblicua o angular en una superficie límite.

2.5.1 Incidencia Perpendicular o Normal.

Se consideran dos casos: 1) Incidencia perpendicular en superficie límite única y plana; 2)

Incidencia perpendicular en superficies límites múltiples (chapas, películas de acoplamiento y

grietas).

2.5.1.1 Superficie Límite Unica o Normal.

Si una onda acústica plana incide perpendicularmente sobre una superficie plana y lisa que separa

dos medios diferentes, una parte de la energía de la onda se refleja y vuelve en la misma dirección

de la incidente, otra parte se propaga en el segundo medio manteniendo su dirección y sentido.

Si Ii es la intensidad de la onda incidente, Ir la de la reflejada, It la transmitida y Z1 y Z2 las

respectivas impedancias acústicas de los dos materiales, lo anteriormente expuesto queda

expresado en el siguiente esquema:

Interface

Onda reflejada

Ir

Z2 = ρ2c2

Onda transmitida

It

Z1 = ρ1c1

Onda incidente

Ii

Material 2 Material 1

El balance de energía, expresado es:

Ii = Ir +It

En la expresión:

IiIt

IiIrR == T ,

se denomina R al coeficiente de reflexión y T al de transmisión, los cuales son adimensionales y

expresan la razón de la intensidad reflejada y transmitida, con respecto a la intensidad incidente.

24

Por lo tanto:

R + T = 1

De la teoría de propagación de las ondas acústicas se obtiene:

( Z ) 1 2

( Z ) 2 2 = T;

2 1 Z+

Z−

( Z ) 2

Z4 Z1 1 Z+

2 2 = R

De donde se deduce que desde el punto de vista de las intensidades acústicas, es indiferente el

lado de la superficie límite sobre la cual incida la onda, ya que los valores de R y T no cambian al

permutarse entre sí Z1 y Z2.

No ocurre lo mismo si se hace referencia a la presión acústica de las ondas reflejada y transmitida

con respecto a la presión acústica de la onda incidente, luego es necesario acudir a las siguientes

relaciones:

t

r

i

t

PP

RPP

T == ' '

siendo R’ y T’ los coeficientes de reflexión y transmisión de la presión acústica respectivamente y

son valores adimensionales. R’ Y T’ también se pueden expresar así:

Z 2

Z2 2 + Z 1

Z− 1 Z+ 1

T, ' = Z 2 Z 2

R ' =

De estas expresiones se deduce en primer lugar que la presión acústica reflejada será de la misma

amplitud, cualquiera que sea el lado de la superficie límite sobre el cual incide la onda, es decir,

independientemente de la secuencia de ambos materiales; si bien en el caso de ser Z2>Z1, R’ será

positivo, lo que indica que la onda incidente y la reflejada están en la misma fase y, en caso

contrario (Z2<Z1), R’ será negativo, lo que indica una inversión de la fase de onda reflejada con

relación a la incidente.

Para la presión acústica transmitida, aunque está en fase con la onda incidente, esta no será

independiente de la secuencia de los dos materiales, de manera que si Z2>Z1, T’ >1, lo que indica

que su amplitud será mayor que la de la onda incidente y en caso contrario menor (Z2<Z1, T’<1).

El balance de la presión acústica, en contraste con el de la energía o el de la intensidad será:

Pi + Pr = Pt ó 1 + R’ = T’

Para visualizar estos conceptos se puede acudir a un ejemplo para calcular R’ y T’ en una interface

agua-acero, sabiendo que: Z1 = 45 X 106 Ns/m3 (acero), Z2 = 1.5 X 106 Ns/m3 (agua).

Entonces:

R' . .=−

= −15 45 0 935

T ' . . .=×

=2 15 0 065

25

Expresado como porcentaje la onda reflejada tiene –93.5% de la presión acústica de la onda

incidente, y la onda transmitida el 6.5%, el signo negativo indica que el sentido de la onda reflejada

es contrario al sentido de la incidente. Si en un instante dado la onda incidente ha alcanzado justo

el valor máximo positivo de la presión acústica, la onda reflejada tendrá en el mismo instante su

máximo valor negativo, esto ocurre en la interface de los dos materiales como se muestra en la

figura 2.15a. Si en el caso contrario, la onda proviene del agua y choca contra el acero, se calculan

nuevamente los valores de R’ y T’ y se obtiene:

R’ = +0.935 , T’ = 1.935

El signo positivo de R’ indica que las ondas incidente y reflejada se encuentran en la misma fase,

el valor de T’ significa que la onda transmitida al acero tiene un 193.5% de la presión acústica

(Figura 2.15b).

En el campo del ultrasonido las razones de amplitud e intensidad son medidas en decibeles (dB),

por lo tanto se aplica la siguiente definición para los valores de la presión e intensidad acústica:

).dBII

lg(dBPP

lg2

1

2

1 1020 == decibeles en Razón

Aplicando la formulación anterior a los valores de los factores de reflexión y transmisión en el caso

de la transición acero-agua se obtiene:

I R I = - 0.58 dB (0.58 decibeles, decrece la amplitud de la onda reflejada comparada con la

incidente).

I T I = - 23.81 dB (23.81 decibeles, decrece la amplitud de la onda transmitida comparada con la

onda incidente).

Para el caso de la transición desde agua hacia el acero se obtiene:

I R I = - 0.58 dB,

I T I = + 5.74dB (5.74 decibeles, se incrementa la amplitud de la onda transmitida

comparada con la incidente).

a b

Onda transmitida 1

-1

1

-1

Pi

Pr Onda incidente

Onda reflejada

Onda transmitida

Onda incidente Onda

reflejada

Presión acústica Presión acústica

Acero AAgua cero

Agua

Figura 2.15. Valores de la presión acústica en el caso de reflexión en una interface acero- agua, onda incidente en acero (a) o en agua (b).

Pt

26

A primera vista una presión acústica que exceda el 100% parece paradójica y se puede sospechar

una contradicción de la ley de conservación de la energía, sin embargo la intensidad acústica que

se define como la cantidad de energía que pasa por unidad de área y tiempo, no es sólo función de

la presión acústica, sino también de la impedancia acústica del material a través del cual viaja el

sonido, lo cual implica que en un material como el acero que tiene una impedancia acústica mucho

mayor que el agua, se presente un valor de intensidad acústica para la onda transmitida mucho

menor que en el agua a pesar de tener una mayor presión acústica.

En el caso de la reflexión desde el material acústicamente más débil, siempre se presenta una fase

invertida que se caracteriza por un valor negativo de R. Sin embargo, dado que este cambio de

fase no es normalmente de interés en los ensayos no destructivos de materiales, se omite este

signo en la práctica.

2.5.1.2 Superficies Límites Múltiples.

Además del caso anteriormente estudiado de incidencia perpendicular a la entrecara de dos

materiales de grandes dimensiones, en los casos prácticos de los ensayos no destructivos de

materiales, se presentan problemas de transmisión a través de chapas sumergidas en agua, de

acoplamiento del palpador a la superficie de exploración de una muestra (película de un medio

transmisor) o de reflexión y transmisión a través de una grieta en un cuerpo sólido. Estos casos se

pueden asimilar a la incidencia de una onda perpendicular a dos entrecaras o superficies límites

paralelas.

Para el caso generalizado de tres medios diferentes el coeficiente de transmisión del primer medio

respecto al tercero se calcula por una relación simplificada:

( ) ( ) ( ) ( ) ( )232

221

321322131

16ZZZZ

ZZZTTT

++

⋅=⋅= ,,,

La representación gráfica de esta transmisión (Figura 2.16) da como resultado una serie de ondas

reflejadas y de ondas transmitidas.

En la interface 1-2 la onda incidente da origen a una onda reflejada y otra transmitida. Esta, a su

vez, al incidir en la interface 2-3 da lugar a una onda reflejada en el medio 2 y otra transmitida en el

medio 3 y así, sucesivamente, se irá consiguiendo una secuencia de reflexiones en el medio

intermedio. La naturaleza de los medios, conociendo su impedancia, permiten determinar los

respectivos coeficientes. Se observa el decrecimiento de las ondas reflejadas y transmitidas debido

a la atenuación experimentada. Sin embargo y debido a que la onda incidente es de longitud

ilimitada por efecto de una excitación continua, sucederá que las ondas individuales darán lugar a

interferencias o atenuaciones.

27

d

2 3 1

Figura 2.16. Transmisión en medios diferentes.

El espesor d del medio 2, según sus valores, da origen a fluctuaciones en los valores de R y T referidos a la presión total y a través de estudios que han conducido a las expresiones que a

continuación se representan, siendo m=Z1/Z2.

λπ

−+

λπ

−

=d

mm

dm

mR

21411

2141

22

22

sen

sen

λπ

−+

=d

mm

T21

411

1

22

sen

Para R y T se sucederán mínimos y máximos así como máximos y mínimos, respectivamente, de

acuerdo con los espesores d dados en función de λ. Estas ecuaciones son válidas para el caso de

una discontinuidad en un cuerpo sólido, por ejemplo una grieta. Si bien una transmisión del 100%

nos muestra una homogeneidad en un material, para la detección de la heterogeneidad, es

necesario un efecto de reflexión.

Todos los casos anteriores se refieren a la reflexión y a la transmisión de ondas infinitamente

largas, ondas continuas. No obstante, existen diferencias en el caso de una onda limitada en su

longitud, es decir, una onda por impulsos, constituida por un tren de onda corto, de sólo pocas

oscilaciones.

Según lo descrito en el caso de la superficie límite única o normal, las ecuaciones mostradas en

este, sólo se pueden aplicar si las ondas reflejadas y transmitidas no producen fenómenos de

interferencia en la superficie límite después de un número arbitrario de reflexiones. Para el caso de

trenes de ondas sumamente cortos no se producen fenómenos de interferencia en chapas. En este

caso un impulso incidente se desdobla en una serie de impulsos separados y mutuamente

independientes, reflejados y transmitidos, cada uno de los cuales podrá calcularse con las fórmulas

del caso de una superficie límite única aplicando en ellas, sucesivamente, los fenómenos

individuales de reflexión y transmisión.

28

En los casos de una fina discontinuidad o de líquido en un cuerpo sólido (entiéndase grieta o medio

de acoplamiento en la técnica de contacto directo), cada impulso, aunque sea muy corto, equivale

a un tren de onda de larga duración, ya que el espesor de la lámina es, en estos casos muy inferior

a la longitud de onda. De esta forma la onda por impulsos se comporta igual que una onda

continua.

2.5.2 Incidencia Angular.

Si una onda acústica incide oblicuamente en una entrecara plana que separa dos medios 1 y 2,

con un ángulo de incidencia αi, figura 2.17, se producen ondas reflejadas y transmitidas de modo

similar a lo que ocurre en la óptica. Las ondas transmitidas se denominan también ondas

refractadas ya que su dirección cambia en relación con la dirección de incidencia.

Los ángulos emergentes αr y αt dependen del ángulo de incidencia y de las velocidades del sonido

en los dos materiales. En contraste con la óptica un nuevo fenómeno tiene que ser ahora

contemplado, en el cual una clase de onda puede ser transformada en otra, por ejemplo ondas

longitudinales en ondas transversales y viceversa.

αr

αi

α

2

1

αi = ángulo de incidencia αr = ángulo de reflexión αt = ángulo de transmisión o refracción

Figura 2.17. Reflexión y refracción de una onda con incidencia oblicua en la entrecara

plana que separa dos medios.

Así por ejemplo en las figuras 2.18a y 2.18b se aprecia el desdoblamiento que sufren, tanto la onda

reflejada como la transmitida, en una onda longitudinal y en otra transversal, resultando que una

sola onda incidente da origen a cuatro ondas cuando los dos medios son cuerpos sólidos. De estas

cuatro ondas, las dos transversales que proceden de una onda longitudinal, figura 2.18a, se hallan

siempre polarizadas en el plano incidente; es decir, la dirección en que vibran sus elementos

materiales se halla en el mismo plano que forma la dirección de propagación de la onda incidente

con la normal a la superficie límite en su punto de intersección.

En la figura 2.18b, se ha supuesto que la onda transversal incidente está polarizada en el plano

incidente. De no ocurrir así, el fenómeno de desdoblamiento es aún más complejo.

2.5.2.1 Leyes de la Reflexión y de la Refracción.

Las direcciones de las ondas reflejadas y transmitidas vienen dadas por la ley general siguiente:

29

= 1C

2C

sen

sen

α 1 α 2

1 y 2 son ondas enteramente arbitrarias ligadas por un proceso de reflexión o de refracción, con

velocidades acústicas C1 y C2. En la misma figura 2.18 se representan las fórmulas

correspondientes a las cuatro ondas a que da lugar una onda incidente, longitudinal o transversal,

en una superficie límite entre dos cuerpos sólidos:

♦ Se observa, en primer lugar (medio 1), que si la onda incidente y la reflejada son del mismo

tipo, forman el mismo ángulo con la normal a la superficie límite αi = αr, ya que poseen la

misma velocidad acústica.

♦ Dado que la velocidad de las ondas transversales es menor que la de las longitudinales, los

ángulos de reflexión o de refracción de las ondas longitudinales serán mayores que los ángulos

respectivos de reflexión o de refracción de las ondas transversales(αrL>αrt; αtL>αtT).

El proceso es más simple si tiene lugar, parcial o totalmente, en líquidos o en gases, pues en ese

caso no se propagan ondas transversales. Sin embargo, en los cuerpos sólidos (caso de mayor

interés en los ensayos no destructivos de materiales) se puede hacer desaparecer aisladamente la

onda longitudinal refractada en el medio 2, transmitiéndose exclusivamente la onda transversal,

con lo que el ensayo se simplifica. Esto se puede conseguir mediante la reflexión total de la onda

longitudinal refractada. La condición límite para lograr este efecto se obtendrá cuando αtL = 90º; es

decir, con los siguientes ángulos de incidencia críticos:

2

1

2

1

L

TiT

L

LiL C

CCC

=α=α sensen ,

siempre y cuando: ≤ ≤ C L 1 C L C ; 2 T 1 C L 2

De acuerdo con este proceso, se puede también lograr que la onda transversal transmitida en el

medio 2, alcance el caso límite de la reflexión total, es decir, αtT = 90º. Los ángulos críticos de

incidencia (segundo ángulo crítico de refracción) serán en este caso:

2

1

2

1

T

TiT

T

LiL C

CCC

=α=α sensen ,

siempre y cuando: ≤ ≤ C L 1 C T C ; 2 T 1 C T 2

♦ Igualmente, se puede obtener una transformación completa en la reflexión (medio 1), de una

onda transversal en una longitudinal y viceversa. Para ello se deberá cumplir:

90 90α iL α+ rT = α , iT α + rL = º º con lo que:

30

= TC 1

LC 1 ,LC 1

TC 1 tg α iT tg α iL =

♦ Por último, al interponer en la superficie límite un medio de acople acústicamente conductor, se

mantiene la ley de refracción entre el primer medio y el tercero, a excepción del efecto de un

pequeño desplazamiento paralelo de la onda.

αrT

sensen

;αα

α αiL

rL

L

LiL rL

CC

= = =1

1

1sensen

;αα

α αiT

rT

T

TiT rT

CC

= = =1

1

1

sensen

;αα

α α αiL

rT

L

TiL rL rT

CC

= = >1

1

sensen

;αα

α α αiT

rL

T

LiT rT rL

CC

= = <1

1

sensen

;

sensen

;

αα

α α

αα

α α

iL

tL

L

LtL tT

iL

tT

L

TtL tT

CCCC

= >

= >

1

2

1

2

sensen

;

sensen

;

αα

α α

αα

α α

iT

tT

T

TtL tT

iT

tL

T

LtL tT

CCCC

= >

= >

1

2

1

2

αiT = ángulo de la onda transversal incidente αrT = ángulo de la onda transversal reflejada αtT = ángulo de la onda transversal transmitida CT1 = velocidad de la onda transversal en el medio 1 CT2 = velocidad de la onda transversal en el medio 2

αiL = ángulo de la onda longitudinal incidente αrL = ángulo de la onda longitudinal reflejada αtL = ángulo de la onda longitudinal transmitida CL1 = velocidad de la onda longitudinal en el medio 1 CL2 = velocidad de la onda longitudinal en el medio 2

(a) Onda incidente longitudinal (b) Onda incidente transversal

Leyes de la reflexión y de la refracción

(b) Onda incidente transversal (a) Onda incidente longitudinal

Onda transversal

Onda longitudinal

αtT

αrT

αtT

αrL αiT

αtL

2

1

αrL αiL

αtL 2

1

Figura 2.18. Reflexión y refracción de una onda incidente oblicua sobre una superficie límite entre dos cuerpos sólidos.

31

2.6 ATENUACION DE LAS ONDAS ULTRASONICAS EN LOS SOLIDOS

En un material ideal, la presión acústica se atenúa sólo en virtud de la divergencia de la onda. Sin

embargo, los materiales sólidos dan lugar a un efecto de atenuación que se manifiesta en mayor o

menor grado, esta atenuación debilita a los ultrasonidos, debido a dos causas: la dispersión y la

absorción.

2.6.1 Dispersión.

La dispersión es el resultado de la no estricta homogeneidad de los materiales, pues estos poseen

superficies límites o entrecaras pequeñas en las que la impedancia acústica cambia bruscamente,

estos cambios en las impedancias se deben a la variación de la densidad y de la velocidad

acústica dentro de los materiales, que varían su naturaleza, condición o estado en dichas

entrecaras.

Estas heterogeneidades pequeñas pueden ser:

♦ Inclusiones; estas generalmente son de tipo no metálico en los aceros. En este grupo se

encuentran también los poros.

♦ Heterogeneidades genuinas o también naturales o intencionadas, tal como la porosidad en

materiales sinterizados.

♦ Constituyentes precipitados de naturaleza distinta, tal como el grafito en las fundiciones grises

cuyas propiedades elásticas son completamente distintas a las de la ferrita.

♦ Fases en la estructura cristalina de los metales, con diferentes estructuras y composición,

como ejemplo están los aceros y los latones.

♦ Aunque la estructura cristalina esté constituida por una sola fase, si los granos están

orientados al azar y además poseen distintas propiedades elásticas en diferentes direcciones

(anisotropía), esta condición constituirá una heterogeneidad para fines del ultrasonido.

♦ En un material con un tamaño de grano basto comparado con la longitud de onda, la dispersión

se producirá de acuerdo a consideraciones de tipo geométrico-óptico. 2.6.2 Absorción.

La absorción es una conversión directa de la energía ultrasónica en calor, de la que son

responsables varios procesos.

Se puede explicar la absorción, de forma elemental como un efecto de frenado de la oscilación de

las partículas, lo cual explicaría también por qué una oscilación rápida pierde más energía que una

32

oscilación lenta. La absorción aumenta generalmente con la frecuencia, pero en menor grado que

la dispersión.

2.6.3 Ley de Atenuación.

La ley de variación de la presión acústica de una onda plana que decrece exclusivamente por

efecto de la atenuación, es una función de carácter exponencial, dada por la siguiente fórmula:

P= Po e - αd

Donde P y Po son las presiones acústicas del origen y a una distancia d respectivamente, con un

coeficiente de atenuación α.

Para la intensidad acústica existe otro coeficiente de atenuación denominado α1, en este caso la

ley de atenuación será:

I = Io e - α1d

Dado que la intensidad es proporcional al cuadrado de la presión acústica, se tiene que:

α1 =2α

33

3. GENERACION Y RECEPCION DE LAS ONDAS ULTRASONICAS

Para la emisión y la recepción de las ondas ultrasónicas, se puede recurrir a diversos fenómenos

físicos, de los cuales dos son los más utilizados en los ensayos no destructivos:

♦ El efecto piezoeléctrico,

♦ El efecto magnetoestrictivo.

3.1 Efecto Piezoeléctrico.

El fenómeno piezoeléctrico fue descubierto en el año 1880 por J. Y P. Curie, los cuales observaron

que ciertos cristales sometidos a determinados esfuerzos, presentaban cargas eléctricas sobre la

superficie definida de los mismos. Este fenómeno es recíproco, así es posible la generación de

vibraciones mecánicas por medio de la aplicación de un campo eléctrico.

El efecto piezoeléctrico, se puede interpretar de la siguiente forma: Se considera una molécula de

SiO2 (cuarzo) representada esquemáticamente en la figura 3.1

El átomo de Si posee cuatro cargas positivas, frente a las cuatro negativas que corresponden a los

dos átomos de oxígeno, entonces la molécula es perfectamente neutra, al someterla a una presión

en la dirección del eje de las X (compresión que equivale a una tracción en el eje de las Y) los

átomos experimentan un desplazamiento y ocupan nuevas posiciones, es en este momento donde

aparecen cargas opuestas, y se tiene la presencia de un efecto longitudinal; si el esfuerzo se aplica

en el eje de las Y, son puestas en libertad cargas opuestas del mismo modo que en el caso

anterior, pero estas con distinta polaridad, produciéndose un efecto transversal.

El efecto recíproco conduce a la generación de ultrasonidos, lo que puede ser explicado de la

siguiente manera: Al ser sometido el cristal a la acción de un campo alterno de elevada frecuencia,

este seguirá la acción de dicho campo; esto sólo será posible si se ha realizado un corte

conveniente al cristal.

Si d representa el espesor del cristal, la longitud de onda correspondiente a las ondas excitadas en

él, estará relacionada con el espesor, la velocidad acústica del cristal y la frecuencia aplicada así:

ρ==

=λ

=

Edd

Cf

fCd

21

2

22

Las vibraciones en la dirección del espesor del cristal dan lugar a frecuencias más elevadas,

mientras que las vibraciones en dirección de la longitud conducen a las más bajas. En general,

34

todo cristal cortado en la dirección apropiada para generar ondas longitudinales puede

considerarse como un excelente emisor de ondas ultrasónicas.

Figura 3.1. Representación esquemática de una molécula de cuarzo (SiO2).

Cerámicas Piezoeléctricas.

En los palpadores actuales, los materiales piezoeléctricos que se emplean generalmente son de

tipo cerámico (figura 3.2). Las cerámicas piezoeléctricas presentan los mayores factores de

conversión electromecánica y tienen, en términos generales, las propiedades más favorables para

la transducción de potencia.

A continuación se establecen las ventajas y limitaciones de los cuatro materiales piezoeléctricos

más importantes, sobre la base de sus propiedades más interesantes.

Figura 3.2. Cerámicas piezoeléctricas comerciales.

Naturaleza

El cuarzo (SiO2) es el más antiguo de todos y se obtiene a partir de cristales naturales. Es

transparente y muy duro.

35

El sulfato de Litio (SO4Li), más propiamente sulfato de litio hidratado, se obtiene por cristalización y

se debe proteger de la humedad.

El Titanato de Bario (TiO3Ba) y el metaniobato de plomo (Nb2O6Pb), al igual que numerosos

materiales de base titanato-zirconato-plomo (PZT), se obtienen por sinterización, ya que por

cristalización no se pueden obtener cristales grandes. Se deben pues polarizar durante su

fabricación. Son de color blanco amarillento y poseen menor dureza y resistencia al desgaste que

el cuarzo.

Temperatura Crítica

Para el cuarzo (576ºC), el titanato de bario (115-150ºC) y el metaniobato de plomo (550ºC), la

temperatura crítica corresponde al punto de curie. El sulfato de litio hidratado es el más sensible a

la temperatura, ya que pierde su agua de cristalización a 75ºC. Para ensayos a temperatura, el

cuarzo y el metaniobato de plomo son los más indicados.

Modulo piezoeléctrico “d” para oscilaciones del espesor (10-12 m/V)

Es el cambio de espesor por unidad de voltaje: Cuarzo: 2.3; Sulfato de Litio: 15; Titanato de bario:

190; Metaniobato de plomo: 80.

Para un mismo voltaje, el cambio de espesor d del cuarzo es considerablemente menor que en los

otros materiales. El titanato de bario es mejor material emisor de ultrasonidos que los otros tres,

seguido del metaniobato de plomo.

Constante de presión piezoeléctrica “g” (10-3 V/m)

Cuarzo: 57; Sulfato de Litio: 165; Titanato de bario: 11; Metaniobato de plomo: 37

Como receptor de ultrasonidos, el sulfato de litio es muy superior a los otros tres.

Impedancia acústica “Z” ( 10-6 kg/m2) (ondas longitudinales) Cuarzo: 15.3; Sulfato de Litio: 11.2; Titanato de bario: 35; Metaniobato de plomo: 16

Tanto para la amortiguación como para el acoplamiento, es deseable que la impedancia acústica

sea baja. Bajo este aspecto el Titanato de bario es el peor.

Coeficiente de amortiguación interna “d”

El cuarzo y el titanato de bario poseen un coeficiente prácticamente igual a la unidad. El

metaniobato de plomo ( d �1.3) es el mejor material para generar impulsos cortos en el método de

impulso-eco, pues no precisa de amortiguación artificial, lo cual beneficia su sensibilidad. También

el sulfato de litio es bastante adecuado para generar impulsos cortos, no así el cuarzo y el titanato

de bario.

Frecuencia Característica fundamental “fc” (MHz) (ondas longitudinales y para un disco de

1 mm de espesor)

36

Cuarzo: 2.88; Sulfato de Litio: 2.36; Titanato de bario: 2.2; Metaniobato de plomo: 1.4. Este último

presenta la frecuencia característica fundamental más baja, lo que limita su empleo para

frecuencias muy altas.

3.2 El Efecto Magnetoestrictivo.

El efecto piezoeléctrico es el más utilizado para generar haces ultrasónicos a frecuencias

superiores a los 100 KHz, ya que con cristales pequeños de pocos milímetros de espesor se logran

dichas frecuencias y campos ultrasónicos adecuados para los ensayos no destructivos de la

mayoría de los materiales.

Para la emisión o recepción de frecuencias ultrasónicas más bajas, tales como las utilizadas para

los ensayos en hormigones (25–100 KHz), se utiliza normalmente el efecto magnetoestrictivo.

Contrario a lo que sucede en la piezoelectricidad, los materiales magnetoestrictivos cambian su

forma bajo la influencia no de un campo eléctrico, sino de uno magnético, entre estos materiales se

encuentran el níquel y sus aleaciones, así como los aceros y las ferritas. Este efecto es también

recíproco, de manera que es idóneo tanto para la generación como para la recepción de ondas

ultrasónicas.

El fenómeno que presentan los materiales ferromagnéticos es que en presencia de un campo

magnético experimentan variaciones en sus dimensiones: alargamiento en la dirección longitudinal

y contracción en la transversal.

Cuando no existe un gradiente eléctrico en el material ferroeléctrico, las moléculas estarán

orientadas al azar. Al aplicar voltaje, las moléculas tienden a alinearse en la dirección del campo.

Así se produce un aumento del espesor. Como el voltaje se aplica de forma alterna, al bajar a cero

volverá a su espesor normal, aumentará el espesor polarizándose las moléculas de forma opuesta,

volverá a cero, y así sucesivamente se producirán las vibraciones (Figura 3.3)

Figura 3.3. Orientación de las moléculas en un material magnetoestrictivo.

37

Para la generación de los voltajes en las bobinas receptoras se utilizan dos efectos:

a) El efecto magnetoestrictivo recíproco, según el cual la deformación de los materiales

magnetoestrictivos produce un campo magnético que, a su vez, genera por inducción un

voltaje eléctrico en la bobina.

b) El efecto magnetoelástico, por el que la deformación de lo materiales ferromagnéticos cambia

la permeabilidad magnética y en consecuencia, también el flujo magnético a través de la

bobina receptora, en presencia de un campo excitador constante del circuito de

premagnetización, induciéndose de igual modo un voltaje en la bobina receptora.

3.3 CARACTERISTICAS DEL CAMPO ULTRASONICO DE UN OSCILADOR

Aunque posteriormente se hablará de la estructura y modo de operar de los generadores de

ultrasonidos, se analizan a continuación, las características del campo ultrasónico de un oscilador,

en forma de disco, que transmite a las partículas del material contiguo su movimiento vibratorio

longitudinal o transversal, suponiendo que toda su superficie vibra con la misma amplitud y fase.

3.3.1 El Haz Ultrasónico Este haz no es totalmente recto. Si se mide la intensidad del haz sonoro a varias distancias del

palpador, se observa que es posible distinguir tres zonas diferentes, tal y como se muestra en la

figura 3.4. Estas zonas son conocidas como: Zona muerta, Zona de campo próximo o Zona de

Fresnel y Zona de Campo Lejano o Zona de Fraunhofer.

γ

ZONA DE CAMPO LEJANO ZONA DE

CAMPO PROXIMO

ZONA MUERTA

Figura 3.4. Diagrama del haz ultrasónico mostrando las diferentes zonas de intensidad.

3.3.2 Zona Muerta, Campo Próximo y Campo Lejano.

La intensidad del Ultrasonido no es uniforme a lo largo del haz, debido al tamaño limitado de la

fuente (oscilador), que da lugar a los efectos de la difracción. La zona muerta se debe a la

interferencia producida por las vibraciones del cristal oscilador y su presencia en el haz y está

38

determinada por el tiempo de oscilación. Recibe este nombre porque cualquier discontinuidad

presente en esta, será totalmente ignorada durante el tiempo de oscilación del cristal, debido a que

la presión acústica del haz es nula en toda su profundidad.

En la proximidad al oscilador hay extensas fluctuaciones, ocasionando un campo con máximos y

mínimos de presión acústica; es decir un fenómeno de interferencia del campo ultrasónico

conocido como campo próximo (zona cercana) o zona de Fresnel. Debido a las variaciones dentro

del campo próximo, puede ser sumamente difícil evaluar con precisión las fallas que se encuentran

en este sector de los materiales. La relación entre el diámetro del oscilador D y la longitud de onda

λ determina la extensión del campo de interferencia y el número de máximos y mínimos de presión

acústica.

Para osciladores circulares la longitud N del campo próximo se puede calcular de forma precisa

mediante la expresión:

λλ−

=4

DN22

Pero para longitudes de onda muy corta, comparadas con el diámetro del oscilador, se puede

despreciar λ2 en el numerador, con lo que, en los casos prácticos de aplicación, es suficiente la

siguiente expresión:

λ⋅π=

λ=

λ=

SR4DN

22

R = radio ; S = superficie del oscilador.

Para los osciladores de cristal rectangular, se tiene la siguiente fórmula para el cálculo del campo

próximo:

( )

−+

⋅π=

b2a1ba

CfN 22

donde f = frecuencia, a = lado mayor, b = lado menor, c = velocidad del sonido en el material de

prueba.

En la dirección de propagación de la onda existe el último máximo localizado en el eje, es decir, el

máximo principal (figura 3.5). Este último máximo de presión acústica determina el fin del campo

próximo, en contraste con el campo continuo libre de interferencia denominado campo lejano o

zona de Fraunhofer, donde el haz ultrasónico es más uniforme. La transición entre estas zonas

ocurre a la distancia, N, llamada también el "foco natural" debido a que las líneas de dispersión del

haz se extienden hacia fuera, dando lugar a una apertura del campo ultrasónico, como se muestra

en la figura 3.5, con las rectas partiendo desde el centro del oscilador, determinando en el centro

del haz el eje acústico. El ángulo formado por una de esas rectas con el eje del oscilador es el

39

semiángulo de abertura o ángulo de semidivergencia γ. De acuerdo con la teoría de la difracción,

este ángulo viene dado por:

DKsen λγ ⋅=

siendo K una constante que depende del cristal a utilizar; si se conoce el valor de K y el valor de la

relación D/λ se obtiene directamente el ángulo de semidivergencia.

La presión acústica a lo largo del eje del oscilador, varia entre cero y el doble de la presión media

P0. La sección transversal, al final del campo próximo muestra sólo un máximo cuyo valor es doble

que el valor inicial P0. La presión calculada a partir de N y a grandes distancias resulta ser:

dSPP o ⋅λ

⋅=

donde S= Superficie del cristal oscilador y d = distancia desde el foco.

N

Distancia a lo largo del eje acústico del oscilador

P0

Amplitud

Eje acústico, Centro del haz

Campolejano

Campo próximo

D

γ

MAXIMO

Figura 3.5. Campo próximo y campo lejano de un oscilador.

40

3.4 PALPADORES

Los palpadores, constituyen una de las unidades básicas de los equipos de ultrasonido, por lo cual

se deben considerar como parte integral de los mismos. Estos, transforman la energía eléctrica en

energía mecánica al generar ondas ultrasónicas, esto ocurre cuando actúan como emisores, en el

caso contrario, al operar como receptores, realizan la transformación de la energía mecánica en

energía eléctrica.

Aunque existe una gran diversidad de palpadores, estos se pueden clasificar en dos grupos:

palpadores de contacto y palpadores de inmersión.

3.4.1 Palpadores de Contacto. Se aplican directamente a la superficie de la muestra con cierta presión, interponiendo en la

mayoría de los casos un medio de acople. Según la dirección de propagación del haz con relación

a la superficie de la muestra, estos palpadores se clasifican, a su vez, en palpadores de incidencia

normal y en palpadores angulares.

3.4.1.1 Palpadores de Incidencia Normal. Se emplean en los equipos que operan por los métodos de impulso-eco, de transparencia y de

resonancia, estos se emplean en problemas de defectología y caracterización. La mayor parte de

estos palpadores llevan incorporados osciladores diseñados para emitir ondas longitudinales.

Según el número de osciladores o cristales que llevan incorporados, se consideran los siguientes

tipos:

Palpadores de cristal único, emisor y receptor, tipo E+R

Palpadores de doble cristal, uno emisor y otro receptor, tipo E-R

Palpadores de cristales múltiples

3.4.1.1.1 Palpador de Cristal Unico, Emisor y Receptor, Tipo E+R. Este palpador está diseñado para generar ondas longitudinales, que han de atravesar la muestra

en dirección perpendicular a su superficie, este palpador debe colocarse sobre la muestra junto

con un líquido acoplante.

Además del cristal oscilador, consta de una carcasa exterior que protege todo el conjunto, el cable

que conduce los impulsos eléctricos, el conector y el amortiguador del cristal el cual reduce el

tiempo de oscilación del cristal en la dirección del espesor del mismo, aunque también se producen

oscilaciones radiales que se deben suprimir; en particular se trata de cristales de titanato de bario;

el amortiguador también absorbe las ondas que pudieran interferir en el oscilograma y soporta

mecánicamente el cristal piezoeléctrico.

41

Cada uno de los elementos enumerados arriba es objeto de especificaciones de diseño con el fin

de cumplir ciertas características especiales, en la figura 3.6 se observa un palpador de este tipo

Figura 3.6. Corte de un Palpador Normal

3.4.1.1.2 Palpadores de Doble Cristal, Uno Emisor y Otro Receptor, Tipo E-R.

La señal que recibe un equipo ultrasónico proveniente del impulso acústico o “eco” de emisión del

ultrasonido (primer eco en la pantalla), que posteriormente es representada en la pantalla, genera

una “zona muerta” para el palpador, en la cual no es posible detectar la presencia de

discontinuidades, puesto que las indicaciones de los posibles defectos quedan enmascaradas.

Para solucionar este inconveniente, se han diseñado los palpadores tipo E-R, cuyo esquema

aparece en la figura 3.7, que constan de dos cristales perfectamente aislados eléctrica y

acústicamente por medio de una lámina de corcho de policloruro de vinilo.

Uno de los cristales actúa como emisor y el otro sólo como receptor, ambos cristales se montan,

con una cierta inclinación sobre una columna de plástico que produce un efecto focalizador,

concentrando el haz ultrasónico para conseguir la máxima sensibilidad en las proximidades de la

superficie. Mediante este procedimiento, se consigue que por efecto del trayecto en el plástico, la

indicación de la señal de emisión quede muy separada de la indicación del eco de cualquier

discontinuidad.

Figura 3.7. Esquema de un palpador tipo E-R.

42

3.4.1.1.3 Palpadores de Cristal Múltiple.

Estos palpadores están diseñados para cubrir determinadas aplicaciones especiales tales como

medir espesores en varios rangos de manera simultánea, examen de superficies curvas y examen

de muestras grandes. Para el primer caso, se utilizan palpadores del tipo E-R, descritos en el

apartado anterior, pero modificados en el sentido de incorporar varios cristales emisores y

receptores en la misma unidad, con diferentes inclinaciones y frecuencias. Si se han de utilizar

para examinar superficies curvas, los cristales se disponen en mosaico sobre un adaptador que

haga el efecto de lente, esto con el fin de conseguir un haz sin divergencia.

3.4.1.1.4 Palpadores para Ensayos a Temperaturas Altas.

Los palpadores convencionales no se pueden utilizar a temperaturas fuera del intervalo

comprendido entre –20 y +80ºC, debido a que los adhesivos convencionales empleados para unir

el cristal al amortiguador, se pueden dañar y anular el efecto de este último. El propio cristal se

puede afectar con la temperatura especialmente si es de sulfato de litio o de titanato de bario.

Para ensayos a elevadas temperaturas, es preciso utilizar cuarzo o metaniobato de plomo; como

amortiguador y adhesivo se utilizan resinas de moldeo, capaces de soportar temperaturas de hasta

350ºC.

3.4.1.2 Palpadores Angulares.

Los palpadores angulares de contacto constan en esencia de un oscilador, generalmente, de

ondas transversales aplicado a una de las caras de un prisma plástico (ver figura 3.8), tallado con

un ángulo de incidencia adecuado al ángulo de refracción o de penetración que se desea para un

material dado de muestra de ensayo.

Figura 3.8. Corte de un Palpador Angular

43

3.4.1.3 Palpadores de Inmersión. Los ensayos por inmersión, bien sumergiendo la muestra en un tanque o mediante el empleo de

palpadores de inmersión local, son particularmente indicados cuando se precisa realizar

exploraciones de gran volumen y extensión, examinar lotes de gran número de muestras o

muestras de formas relativamente complejas.

Como la transmisión del ultrasonido desde el palpador hasta la muestra, se efectúa a través de una

columna de líquido, es decir sin contacto directo, presión ni rozamiento entre el palpador y la

muestra (figura 3.9), esto permite:

♦ Eliminar los riesgos de rotura y desgaste del cristal oscilador, por lo que no se precisa el uso

de alguna suela protectora.

♦ Emplear frecuencias más elevadas (cristales de espesor más fino) que las posibles con los

palpadores de contacto, ya que el riesgo de rotura de los cristales es mínimo.

♦ Propagar el haz ultrasónico en la muestra con el ángulo de penetración deseado, bien como

ondas longitudinales o como ondas transversales, pudiéndose variar la inclinación del palpador

con relación a la superficie de la muestra de forma continua.

♦ Aumentar la velocidad del ensayo, al no haber contacto o rozamiento, por lo que los ensayos

por inmersión están especialmente indicados para ensayos automáticos o semiautomáticos.

Figura 3.9. Palpadores de inmersión.

Entrada de agua

a) Palpador focalizante

c) Palpador de inmersión local de incidencia angular d) Palpador de inmersión local

(rodante)

b) Palpador de inmersión local de incidencia normal

Entrada de agua

44

4. EQUIPOS Y METODOS UTILIZADOS PARA EL ENSAYO ULTRASONICO

Cualquier tipo de práctica no destructiva que se vaya a efectuar para evaluar la condición física de

una pieza sometida a estudio, reconoce cuatro etapas básicas de inspección:

♦ Elección del método y de las técnicas operatorias más idóneas.

♦ Obtención de una indicación propia.

♦ Interpretación de la indicación.

♦ Evaluación de la indicación.

Es preciso recordar que para producir una indicación propia de la muestra bajo ensayo, la cual

proviene de alguna heterogeneidad presente en el material, es necesario tener conocimientos no

sólo sobre los fundamentos del método utilizado, sino sobre los equipos y técnicas operatorias más

adecuados para producir dicha indicación.

Todos los parámetros del ensayo ultrasónico, tales como la longitud del campo próximo de un

oscilador y la divergencia del haz, dependen de las características de diseño de los equipos de

ultrasonido y de sus respectivos palpadores, los cuales se deben considerar como una parte

integral de estos.

4.1 CARACTERISTICAS DE DISEÑO DE LOS EQUIPOS DE ULTRASONIDO

Existe una gran variedad de equipos de ultrasonido destinados para solucionar los diversos

problemas que se presentan en las prácticas no destructivas. Según la finalidad del ensayo ya

sean, problemas de defectología (detección e identificación de heterogeneidades), problemas de

caracterización (naturaleza y estado del material) o problemas de metrología (control de espesores

en la fabricación o en el mantenimiento), las características de diseño de los equipos podrán diferir

entre sí. Lo mismo ocurre según la naturaleza de las muestras de ensayo, sean metálicas o no

metálicas.

Cada problema requiere entonces, una configuración de las siguientes características de diseño

básicas: sistemas de excitación, de emisión y recepción de las ondas ultrasónicas, frecuencia del

ensayo, sistema de sincronismo, generador de alta frecuencia, amplificación, sistema de

representación y monitores, cristales piezoeléctricos y palpadores. Todo lo anterior con el fin de

lograr una indicación propia de la cualidad o propiedad significativa que se requiere detectar o

medir en la muestra bajo ensayo.

4.2 SISTEMA DE EXCITACION PARA GENERAR ULTRASONIDO

Al aplicarse una carga eléctrica a un cristal piezoeléctrico el cual está haciendo la función de

dieléctrico dentro de un condensador, se produce una deformación en el cristal que es proporcional

a la diferencia de potencial aplicado. Si el voltaje que se aplica al cristal es alterno, esté oscilará

45

generando vibraciones elásticas; así para producir una onda ultrasónica basta someter al cristal a

un voltaje sinusoidal, bien de modo continuo o bien por impulsos.

Si la fuente de excitación no se interrumpe el cristal oscilará de manera continua; en el caso de la

excitación por impulsos el cristal se excita durante un periodo muy corto, para luego quedar en un

estado de reposo por un periodo mucho mayor en comparación con la duración del impulso, en la

práctica el tiempo de actividad del cristal es del orden de 10-4 del tiempo total entre impulsos, esto

es lo que permite que el propio cristal emisor pueda actuar a su vez como receptor durante los

periodos de reposo. Debido a lo anterior la mayoría de equipos de ultrasonido operan por impulsos,

reservándose el sistema de excitación continua para casos particulares y aplicaciones muy

concretas.

4.3 SISTEMA DE EMISION Y RECEPCION DE LOS ULTRASONIDOS

Se puede establecer una primera clasificación de este sistema según se opere por uno de estos

métodos (ver tabla 4.1):

♦ Método de resonancia,

♦ Métodos de transparencia o de sombra,

♦ Métodos de impulso-eco.

Estos métodos se caracterizan a su vez por la magnitud medida:

♦ Frecuencia de resonancia (R) ,

♦ Intensidad acústica (I),

♦ Tiempo de recorrido del ultrasonido (T),

♦ Intensidad acústica y tiempo de recorrido (IT).

METODOS RESONANCIA TRANSPARENCIA

O SOMBRA

IMPULSO-ECO CAMPOS DE APLICACIÓN

Magnitud medida

Frecuencia de resonancia

(R) Por reflexión

Metrología

Intensidad acústica

(I)

Por transmisión, reflexión, conducción y proyección de imagen

Defectología en formas planas

Tiempo de recorrido (T)

Por reflexión Metrología

Intensidad acústica y tiempo de

recorrido (IT)

Por transmisión,

reflexión y conducción Por reflexión

Defectología y caracterización

(metrología)

Tabla 4.1. Sistema de emisión y recepción de los ultrasonidos: Métodos y campos de aplicación.

46

4.3.1 Método de Resonancia. Tal como se indica en la tabla 4.1, este método se basa en la medida de la frecuencia de

resonancia por reflexión (formación de ondas estacionarias) y se emplea, primordialmente, para la

medida de espesores de productos de superficies paralelas.

Si en una muestra de superficies paralelas de determinado espesor “e”, se propaga un haz

ultrasónico de excitación continua y de amplio espectro de frecuencias, las correspondientes

oscilaciones cuya semilongitud de onda sea un submúltiplo del espesor de la muestra, se

reforzarán al superponerse en fase, debilitándose las restantes, dando lugar a un fenómeno de

resonancia, es decir, a la formación de ondas estacionarias. En consecuencia, las oscilaciones

características se podrán definir por el número de semilongitudes de onda contenidas en el

espesor de la muestra; por ejemplo, la oscilación característica fundamental o primera, como la

correspondiente a una semilongitud de onda por espesor (figura 4.1a) y la oscilación característica

de orden n, como la correspondiente a n semilongitudes de onda (por ejemplo, de orden 2 y 3;

figuras 4.1 b y c respectivamente).

a) b) c)

e

Figura 4.1. Frecuencia fundamental y armónicos en el ensayo por resonancia

Expresadas en frecuencias, la frecuencia característica fundamental de orden n (fn) de la muestra

será n veces la frecuencia característica fundamental o de primer orden (f1): fn = n f1

En una muestra dada se podrá variar la frecuencia de excitación hasta que se presente la

resonancia, si esto ocurre para la frecuencia característica fundamental, es decir si la frecuencia

medida f es fc, el espesor e de la muestra vendrá determinado por:

e = λ2

12

=Cfc

Si la resonancia se presenta para una frecuencia característica del orden n (fn), el espesor e de la

muestra será:

e n nCf= =

λ2

12

Sin embargo, en general, no existe seguridad sobre cuál de las oscilaciones características ha sido

excitada, por lo que el número n es desconocido. No obstante, si partiendo de un estado de

resonancia de orden n se provoca el de orden n+1,es decir de fn a fn+1, aumentando la frecuencia

47

de excitación, la diferencia de frecuencias ∆f será igual a la frecuencia característica fundamental,

esto se expresa:

cnn ffff =−=∆ −1

En base a lo anterior, se puede obtener el espesor de la muestra midiendo la diferencia de

frecuencia entre dos picos sucesivos de resonancia:

fCe∆2

=

El esquema de un equipo de medida de espesores por resonancia y un circuito típico, se muestran

en la figura 4.2, el circuito oscilador auto excitado está provisto de un capacitor o un inductor

variable, que permite el cambio de frecuencias y está conectado a una placa de una válvula

osciladora. Cuando el oscilador es acoplado a la frecuencia de resonancia de la chapa bajo

prueba, se produce un aumento de la amplitud de la oscilación; este incremento producirá una

carga adicional en el cristal de la sonda que se traducirá en un aumento de la corriente en la placa

de la válvula osciladora, que puede ser indicado en un instrumento de aguja o bien mediante una

señal audible.

Otro tipo de instrumentos hacen la representación de la indicación por medio de un tubo de rayos

catódicos. El cambio de frecuencia para encontrar las condiciones de resonancia se hace

automáticamente mediante un capacitor manejado con un motor o por medio de un inductor

variable, en ambos casos el cambio de frecuencia está sincronizado con el barrido horizontal del

TRC que presenta por lo tanto el rango de frecuencia.

Con este método se pueden medir espesores en muestras de acero de 0.1 a 80 mm con un error

del 1 al 3%. Por su propio fundamento, no resulta adecuado para la detección de

heterogeneidades, aunque se pueden llegar a detectar discontinuidades tales como laminaciones

en chapas.

Figura 4.2 Esquema deun equipo y del circuitopara la medición deespesores a través delmétodo de resonancia

48

Tampoco resulta adecuado para la medida de pérdidas de espesores por corrosión o deterioro

debido a agentes ambientales, salvo en el caso de corrosión por ataque o desgaste uniforme, pues

las picaduras y cavidades alteran la condición requerida de la superficie reflectora de la muestra,

siendo en cambio perfectamente idóneos para este fin, los métodos de impulso eco que se

describen más adelante.

4.3.2 Métodos de Transparencia o de Sombra.

Estos métodos están basados en el efecto de sombra que un obstáculo (heterogeneidad en el

seno de una muestra) produce al ser “iluminado” por un haz ultrasónico. En estos métodos, el

oscilador emisor y el oscilador receptor actúan separados y opuestos entre sí, recogiendo este

último el debilitamiento de la intensidad acústica del campo ultrasónico por efecto del obstáculo

interpuesto.

Estos equipos operan ya sea por transmisión, reflexión o conducción del haz ultrasónico mediante

un convertidor adecuado y pueden ser clasificados en dos grandes grupos así:

4.3.2.1 Equipos que Miden la Intensidad Acústica: El método de medir la intensidad acústica,

es el más antiguo en el campo del ensayo de materiales por ultrasonido; este mide la intensidad

acústica de un haz ultrasónico de excitación continua, que atraviesa una muestra bajo prueba. Hay

que aclarar, que en realidad lo que se mide no es la intensidad acústica, sino la amplitud de la

presión acústica cuando se utiliza un receptor piezoeléctrico. Por su propia naturaleza, se utiliza

principalmente por transmisión, es decir, con dos palpadores, uno de los cuales actúa como emisor

y el otro como receptor alineado coaxialmente en el lado opuesto de la muestra. En la figura 4.3 se

presenta el esquema de un equipo basado en este principio.

El equipo se calibra en una zona libre de obstáculos en la cual se considera la intensidad acústica

como 100%; si el haz intercepta una heterogeneidad, la intensidad (o la presión acústica)

disminuirá proporcionalmente a la superficie del obstáculo.

Si la muestra es accesible por una sola cara, se puede adoptar la disposición de la figura 4.4, en

donde se aprovecha la reflexión del haz en su cara opuesta.

Figura 4.4. Método de sombra por reflexión

Intensidad

RECEPTOR EMISOR

Discontinuidad

emisor Receptor

Generador de alta frecuencia

Amplificador

Discontinuidad

Figura 4.3. Esquema de un equipo de medida de intensidad acústica

49

La medida de la intensidad acústica se puede realizar también por conducción (figura 4.5), método

aplicable a muestras de geometría compleja y pared delgada, en este caso las ondas ultrasónicas

se transmiten entre palpadores de una manera arbitraria con una trayectoria muy difícil de precisar.

La medida de la intensidad acústica por el método de transparencia o de sombra, presenta la

desventaja de no proporcionar información acerca de la posición de la discontinuidad. Además,

existe la posibilidad de que pequeñas variaciones en el espesor de la muestra modifiquen la

distribución del campo de ondas estacionarias, pudiéndose alcanzar estados de resonancia o

antirresonancia que originen grandes errores en la lectura de la intensidad acústica.

Receptor

Emisor

Figura 4.5. Ensayo de medida de intensidad por conducción

4.3.2.2 Medida de la Intensidad Acústica y Tiempo de Recorrido – IT: Los equipos de

medida de la intensidad acústica y del tiempo de recorrido, están concebidos propiamente para ser

aplicados según los métodos de impulso-eco. No obstante, se pueden adaptar para operar por

transparencia o sombra, disponiendo los palpadores de emisión y de recepción de forma separada.

Estos equipos están constituidos, básicamente, por un sistema de sincronismo, un generador de

alta frecuencia, un amplificador y un tubo de rayos catódicos (TRC) que actúa como sistema de

representación. Este último se denomina pantalla tipo A. Los tipos de presentación visual tipo B

son utilizados en aplicaciones médicas y los de tipo C están reservados prácticamente a los

ensayos automáticos por inmersión que se explican más adelante. Estos tres tipos de presentación

visual de resultados operan con base en la amplitud y/o el tiempo que tarda un pulso ultrasónico en

ser reflejado. Para conocer mejor estos tres tipos de presentación de resultados, se muestran las

imágenes en pantalla de los ensayos ultrasónicos efectuados en la pieza que se observa en la

figura 4.6.

Figura 4.6. Pieza de Ensayo

Discontinuidad

Superficie de Ensayo

50

♦ Representación Tipo A (Scan–A): En esta presentación el tubo de rayos catódicos “TRC”

está compuesto de una cantidad de puntos “Pixeles” alineados, que son cubiertos por el

bombardeo de electrones, de izquierda a derecha, desde la línea de puntos superior a la

inferior, a una velocidad constante. En este tipo de presentación, la altura de los ecos de

indicación o “picos” representa la intensidad del haz ultrasónico reflejado. Igualmente la línea

base de tiempo, proporciona el tiempo que tarda el haz ultrasónico en ser reflejado, por lo que

para un valor de velocidad conocido es posible calibrar la pantalla en términos de distancia. En

la figura 4.7 se observan tres ecos de indicación que corresponden: el número (1) al eco inicial,

el número (2) al eco de la discontinuidad y el número (3) al eco de la pared posterior, de la

pieza mostrada en la figura 6.

Mediante la presentación Scan–A se pueden determinar las dimensiones de la discontinuidad,

la profundidad, la distancia desde la superficie, sea la de contacto o la posterior a la

discontinuidad, la divergencia del haz ultrasónico y otros factores.

Figura 4.7. Presentación Scan–A

3 2

1

TIEMPO

A MP L I T U D

♦ Representación Tipo B (Scan–B): En este tipo de presentación se muestra el recorrido

superficial en la pieza de ensayo, contra el tiempo o la profundidad de reflexión del haz

ultrasónico, donde el brillo de la señal es proporcional a su amplitud (figura 4.8).

Por medio de los equipos que operan con esta presentación, se puede obtener una vista del

objeto perpendicular a la superficie de la pieza de ensayo; de forma tal que cualquier

discontinuidad presente en el material, creará una indicación de superficie límite, como en la

figura 8. En estos equipos, la imagen es retenida por el TRC mediante un recubrimiento de

fósforo, lo que permite fotografiar la pantalla para obtener un registro permanente.

Figura 4.8. Presentación Scan–B

Discontinuidad

51

♦ Representación Tipo C (Scan–C): En este tipo, se obtiene una imagen superficial del objeto,

de manera que cualquier discontinuidad presente en la zona de interés proporcionará una

indicación o la ausencia de esta, como se observa en la figura 4.9.

Figura 4.9. Presentación Scan–C

Las posiciones horizontal y vertical del palpador son controladas por el sistema de ensayo, y los

ecos de indicación de las discontinuidades son clasificados mediante un control de intensidad. Esto

se debe a que los equipos que utilizan la presentación Scan–C son automáticos y operan bajo la

técnica de inmersión. La presentación de resultados se realiza por un graficador e indica la

ubicación superficial de la discontinuidad, sin proporcionar información acerca de su forma,

orientación y profundidad. En otras palabras, un registro de resultados Scan–C es similar a una

película radiográfica, pues proyecta a un plano las discontinuidades internas.

RECORRIDO SUPERFICIAL

RE

CO

RR

IDO

SU

PER

FIC

IAL

Discontinuidad

4.3.3 Métodos de Impulso-Eco.

Están basados en el efecto de “eco” que produce una discontinuidad al ser alcanzada por un haz

ultrasónico. En estos métodos, el oscilador receptor, ya sea separado o formando una unidad con

el emisor (cristal único), recoge el “eco” del reflector transformándolo en la indicación

correspondiente, por lo que opera siempre por reflexión.

Dentro de estos métodos cabe distinguir los que miden solamente el tiempo de recorrido de los

ultrasonidos(T), limitados a aplicaciones concretas de metrología, de los que miden la intensidad

acústica y el tiempo de recorrido (IT) conjuntamente, para aplicaciones más extendidas en los

campos de la defectología y caracterización.

4.3.3.1 Medida del Tiempo de Recorrido – T: Los equipos diseñados para medir solamente el

tiempo que tarda el impulso acústico en recorrer un espesor dado de material (recorrido de ida y

vuelta por reflexión), resultan de la simplificación de los que miden la intensidad y el tiempo de

recorrido (IT). En este caso se omite la medida de intensidad acústica y la indicación del tiempo de

recorrido se suele representar traducida directamente al espesor del material, por un sistema digital

52

o mediante un indicador de aguja en una escala graduada (este último prácticamente ya no se

utiliza); en la figura 4.10 se muestra un equipo de este tipo.

i

Figura 4.10. Equipo para medir espesores de pared

4.3.3.2 Medida de la Intensidad Acústica y del Tiempo de Recorrido – IT: Estos equipos

emiten impulsos acústicos cortos, a intervalos constantes de manera que se obtiene una respuesta

periódica en función del tiempo de recorrido del impulso acústico desde el oscilador emisor al

cristal piezoeléctrico receptor. El impulso acústico recibido o “eco” , procedente de su reflexión en

una discontinuidad o en una superficie límite de la muestra, se transforma en una señal o impulso

eléctrico, que se visualiza según una indicación en la pantalla de un TRC, cuya altura es

proporcional a la presión acústica del “eco”.

Un esquema muy simplificado de un equipo impulso-eco trata de lo siguiente: El impulso eléctrico,

procedente del generador de pulsos, excita el cristal emisor con la consiguiente emisión de un tren

muy corto de ondas ultrasónicas, impulso acústico, que, al encontrar un obstáculo en su recorrido,

se refleja y llega al receptor. Este, a su vez, genera un impulso eléctrico de voltaje muy bajo, este

voltaje, convenientemente amplificado, se aplica a las placas de deflexión vertical de un TRC, con

lo que se produce una indicación del eco. Si el obstáculo es menor que la sección del haz emitido

por el cristal, la porción del haz no interceptada seguirá su recorrido hasta reflejarse en la

superficie opuesta, esta reflexión llegará al receptor más tarde que la procedente de la

discontinuidad, por lo que la indicación de su eco estará situada más a la derecha en el TRC. El

emisor y el receptor no precisan estar necesariamente separados, sino que el propio emisor puede

actuar como receptor mientras está en reposo entre dos impulsos consecutivos.

La figura 4.11 reproduce los oscilogramas que se obtienen para los diversos ejemplos mostrados

de detección de discontinuidades. Se comprueba como, además de detectar pequeñas

heterogeneidades, se puede determinar a la vez la posición de estas, lo cual presenta un avance

decisivo para la mayoría de las aplicaciones:

53

♦ Si las discontinuidades son pequeñas en comparación con la sección del haz, se obtiene,

simultáneamente con la indicación de su eco, la del eco de fondo de la muestra (figura 4.11a).

♦ Si se presentan varias discontinuidades a diferentes distancias, se pueden obtener

indicaciones de ecos independientes (figura 4.11b), siempre que las discontinuidades más

próximas al palpador no “oculten” a las que están más alejadas.

♦ Si la heterogeneidad presenta una superficie capaz de interceptar todo el haz, no se obtendrá

indicación del eco de fondo, ni de las otras discontinuidades más alejadas (figura 4.11c).

♦ Cuando la discontinuidad se presenta inclinada respecto al haz ultrasónico (fg.4.11d) y además

intercepta todo el haz, no se obtiene indicación del eco de fondo ni de la discontinuidad.

♦ La indicación del eco de fondo puede desaparecer, también, por el efecto de la falta de

paralelismo de las caras de la muestra (figura 4.11e) o por una elevada atenuación al interior

del material.

♦ Los estados de microporosidad, entre otros, provocan la dispersión del haz ultrasónico,

obteniéndose representaciones como la de la figura 4.11f, caracterizadas por la presencia de

una elevada dispersión, en la cual no se puede diferenciar ninguna indicación.

♦ Si la muestra tiene superficies paralelas, pueden aparecer en la pantalla varias indicaciones de

las sucesivas indicaciones de fondo, obteniéndose un oscilograma de “ecos múltiples” como el

de la figura 4.11g.

Figura 4.11. Influencia de la Orientación de los Defectos

4.3.4 Equipos para Pruebas por Inmersión.

En estos equipos el medio de acople, es un líquido que rodea la muestra, estos ensayos se

realizan, bien sumergiendo la muestra, o produciendo un flujo continuo de líquido sobre la misma

con el fin de conseguir siempre entre el palpador y la superficie de la muestra una columna o

54

película de líquido continua. Para facilitar la inspección por inmersión existen procesos que la

agilizan. Los más utilizados son: La inmersión en tanque, el chorro de agua y la rueda.

En la figura 4.12 se observa una instalación para realizar el ensayo por inmersión en tanque. En

este proceso, tanto el objeto a ensayar como el palpador están sumergidos en un tanque con

material acoplante, donde, el acoplante puede ser agua con algún agente humectante que actúa

como elemento transmisor.

Cable Coaxial

Palpador

Manipulador

Pieza

Soporte Carro

Tanque

Figura 4.12. Equipo de Ensayo por Inmersión en Tanque

En el proceso de ensayo por inmersión en tanque, mostrado en la figura 4.12 se pueden observar

componentes característicos que son básicos. El cable coaxial va conectado al sistema ultrasónico

de medición, que con ayuda de otros sistemas anexos controla la automatización.