Inspeccion de Ultrasonido

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Este trabajo muestra una descripcion del trabajo de la inspeccion de soldadura mediante el equipo de ultrasonido. Muestra a su vez, una relacion de los ensayos de pruebas no destructivas.

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ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS - ULTRASONIDOS

ENSAYOSNO DESTRUCTIVOS ULTRASONIDOS NIVEL II

AENDAsociacin Espaola de Ensayos no DestructivosEdita: FUNDACION CONFEMFTALPrncipe de Vergara, 74,28006 Madrid.Tfno,: 91 782 36 30 m Fax: 91 563 17 41Depsito Legal: M-39131-2006Impreso en Espaa - Printed in Spain

INDICE

1ULTRASONIDOS 71.1NATURALEZA DE LOS ULTRASONIDOS71.2PRODUCCIN Y TRANSMISION DE LAS ONDAS SONORAS81.3PROPAGACION DE LAS ONDAS SONORAS91.4PARAMETROS DE LAS ONDAS SONORAS101.5EMISION SONICA112MODOS DE VIBRACIN O TIPOS DE ONDAS 132.1ONDA LONGITUDINAL O DE COMPRESION132.2ONDA TRANSVERSAL O DE CORTE132.3ONDA DE SUPERFICIE O DE RAYLEIGH142.4ONDAS DE CHAPA U ONDAS DE LAMB152.5IMPEDANCIA ACUSTICA162.6Intensidad acstica162.7PRESION ACUSTICA162.8PRESION REFLEJADA EN UNA DISCONTINUIDAD182.9ATENUACION DE LAS ONDAS SONORAS182.9.1Dispersin182.9.2Absorcin193REFLEXION Y TRANSMISION DE ONDAS 213.1INCIDENCIA NORMAL213.1.1Incidencia normal en superficie limite nica213.1.2Incidencia normal en superficie lmite mltiple233.2INCIDENCIA ANGULAR244GENERACION Y RECEPCION DE LAS ONDAS ULTRASONICAS 264.1MAGNETOSTRICCION264.2PIEZOELECTICIDAD264.3CARACTERISTICAS DE LOS CRISTALES PIEZOELECTRICOS275CAMPO ULTRASONICO DE UN OSCILADOR 305.1CAMPO PROXIMO Y LEJANO DE UN OSCILADOR CONT1NUO305.2CAMPO ULTRASNICO DE UN OSCILADOR POR IMPULSOS325.3ECO Y SOMBRA DE UN OBSTACULO EN EL CAMPO ULTRASONICO336PALPADORES 336.1CONSTRUCCIN DE LOS PALPADORES336.2CARACTERISTICAS RESPECTO A FRECUENCIA Y DIAMETRO DEL CRISTAL346.3DIFERENTES TIPOS DE PALPADORES356.3.1Palpadores de contacto356.3.2Palpadores de inmersin386.3.3Palpadores focalizantes396.4PALPADORES ESPECIALES407TECNICAS DE EMISION Y RECEPCION DE LOS ULTRASONIDOS 417.1TECNICA DE RESONANCIA417.2TECNICA DE TRANSMISION427.3TECNICA DE IMPULSO-ECO437.3.1Medida del tiempo de recorrido (T)437.3.2Medida de la intensidad acstica y tiempo de recorrido (IT)437.4DETECCIN DE DISCONTINUIDADES448EQUIPO PARA MEDIDA DE LA PRESION ACUSTICA Y TIEMPO DE RECORRIDO 478.1SISTEMA DE SINCRONISMO478.1.1Generador de voltaje de deflexin horizontal478.1.2Emisin de impulsos elctricos de alta frecuencia488.1.3Luminosidad del pincel Luminoso488.2GENERADOR DE ALTA FRECUENCIA488.3AMPLIFICADOR498.4MONITORES508.5SISTEMAS DE REPRESENTACION508.5.1Representacin de tipo A508.5.2Representacin de tipo B518.5.3Representacin de tipo C519PUESTA A PUNTO DEL ENSAYO 529.1CONDICION DE LA SUPERFICIE DEL MATERIAL529.1.1Acabado superficial529.1.2Rugosidad de la superficie529.1.3Curvatura de la superficie529.2MEDIO DE ACOPLAMIENTO549.3DIAMETRO Y FRECUENCIA DEL PALPADOR549.4BLOQUES DE CALIBRACIN Y DE REFERENCIA549.4.1Bloque de calibracin V1559.4.2Bloque de calibracin V2569.4.3Bloque ASME569.5COMPROBACIONES DEL EQUIPO-PALPADOR579.5.1Relacin seal-ruido579.5.2Zona muerta579.5.3Poder de resolucin589.6COMPROBACIONES DE LOS PALPADORES589.6.1Isobara de -20 dB589.6.2Determinacin del punto de salida de un palpador angular609.6.3Determinacin del ngulo real de salida619.7COMPROBACIONES EN EL EQUIPO629.7.1Linealidad horizontal629.7.2Linealidad vertical6310CALIBRACIONES Y AJUSTES PREVIOS AL ENSAYO 6410.1AJUSTE DE LA BASE DE TIEMPO6410.1.1Ajuste en recorrido del sonido con palpador normal6410.1.2Ajuste en recorrido del sonido con palpador angular6410.1.3Ajuste con bloque de calibracin V26510.1.4Determinacin de la situacin de un reflector6610.2AJUSTE EN DISTANCIA DE PROYECCIN6610.3AJUSTE EN DISTANCIA DE PROYECCION ACORTADA6710.4AJUSTE DE LA SENSIBILIDAD6810.4.1Tcnica del reflector simple6810.4.2Tcnica de la curva "amplitud-distancia" (CAD)6910.4.3Tcnica del "tamao-distancia-amplitud" (DAT)7010.4.4Escalas AVG7111ENSAYO DE UNIONES SOLDADAS 7311.1DEFECTOS EN UNIONES SOLDADAS7311.1.1Defectos internos7311.1.2Defectos externos7511.2TECNICAS DE INSPECCION7711.2.1Tcnica con incidencia normal7711.2.2Tcnica con incidencia angular7911.3REALIZACIN DEL ENSAYO8012ENSAYOS EN MATERIALES METALICOS 8112.1PRODUCTOS MACIZOS COMO: LINGOTES, BARRAS, PALANQUILLAS, DESBASTES Y BRUTOS DE FORJA8112.1.1Lingotes8112.1.2Desbastes y brutos de forja8212.1.3Barras8212.1.4Palanquillas8312.2PIEZAS MOLDEADAS8312.3PIEZAS FORJADAS, PRENSADAS O ESTAMPADAS8312.4PRODUCTOS LAMINADOS Y EXTRUIDOS8412.4.1Ensayo de chapas8412.4.2Ensayo de tubos8512.5ENSAYO DE EJES Y VASTAGOS8612.6DIFERENTES ENSAYOS DE MANTENIMIENTO8712.6.1Ejes de ferrocarril8712.6.2Rales de ferrocarril8812.6.3Bulones y tornillos8912.6.4Elemento estructural aeronutica9013ENSAYO DE MATERIALES NO METALICOS 9313.1MATERIALES COMPUESTOS DE FIBRA DE CARBONO9313.1.1Ensayo por contacto9313.1.2Ensayo por inmersin9513.2DETECCION DE AGUA EN ESTRUCTURAS DE PANAL DE ABEJA (HONEY-COMB)9513.2.1Ensayo por contacto9613.2.2Ensayo por inmersin9614ENSAYOS ESPECIALES 9814.1ENSAYOS DE INMERSION9814.2TECNICAS DE ENSAYO9914.2.1Impulso-eco9914.2.2Transmisin9914.2.3Placa reflectante10014.2.4Automtico con representacin C10014.3MEDIDORES DE ESPESORES10114.3.1Bloques de calibracin10114.3.2Calibracin con equipos analgicos y digitales10114.3.3Medida de espesores en superficies curvas10215DETERMINACION DEL TAMAO Y FORMA DE UN REFLECTOR 10415.1DETERMINACION DE LA FORMA ECONOMICA10415.2DETERMINACION DE UN REFLECTOR MAYOR QUE LA SECCION TRANSVERSAL DEL HAZ10515.2.1Determinacin de la longitud10515.2.2Determinacin de la anchura10615.2.3Determinacin de la altura o profundidad10615.2.4Tcnica TOFD para discontinuidades internas10715.2.5Tcnica TOFD para discontinuidades abiertas a la superficie109

GENERALIDADES E HISTORIALa primera utilizacin importante conocida de los ultrasonidos fue realizada por Langevin durante la Primera Guerra Mundial, para sondeos subacuticos.En 1929 el profesor S. Sokolov descubre que las vibraciones ultrasnicas pueden penetrar en grandes espesores de metal, y ser trasmitidas por alambres a grandes distancias.Entonces pens, que podran utilizarse para descubrir imperfecciones en los metales.Esto le llev a idear un instrumento que denomin Defectoscopio. Aplic su aparato al estudio de las cualidades estructurales de los metales, y del temple de los aceros.Tambin lo utiliz para revelar la presencia de objetos contenidos en bloques opacos de material.Para ello ide un aparato que enviaba sobre una pantalla especial, la imagen de los objetos ocultos que podan encontrarse en los cuerpos metlicos.Hasta 1942, con el descubrimiento y aplicacin del sonar por Firestone, para localizacin de buques, y medida de profundidades marinas, no empez el despegue en la utilizacin de los ultrasonidos en la deteccin de heterogeneidades en los materiales con la tcnica de impulso-eco.APLICACIONESSon tantas Las aplicaciones de los ultrasonidos, que la mejor clasificacin que se puede hacer, es atenindonos a la gama de frecuencias: Frecuencias entre 30 y 100kHz: se utilizan en procesos industriales como: comunicaciones, navegacin y pesca, qumica, biologa, soldadura, mecanizado, colada-moldeo. Frecuencias entre 100kHz y 100 MHz: utilizadas en control de calidad, para ensayos de: defectologa, metrologa y caracterizacin. En construcciones navales y metlicas, para el control de productos semielaborados, y de uniones. En la industria metalrgica, para el control de productos fundidos, forjados y laminados, como por ejemplo: chapas, tubos y alambres. En comunicaciones, para el control de material rodante, aeronutico y vas de comunicacin (rales). En instalaciones de potencia, para inspeccin de recipientes solicitados por presin, y temperaturas elevadas. En la industria qumica, para inspeccin de instalaciones susceptibles de ser atacadas por sustancias qumicas.

ULTRASONIDOSNATURALEZA DE LOS ULTRASONIDOSLos ultrasonidos son ondas del mismo tipo que los sonidos audibles, diferencindose nicamente en la frecuencia de operacin y forma de propagacin. Los ultrasonidos operan con frecuencias por encima de la zona audible del espectro acstico.

Figura l.1En la figura 1.1 se observan tres zonas perfectamente diferenciadas en el espectro acstico: INFRASONICA o sonidos no audibles por el odo humano. Corresponden a esta zona, las oscilaciones cuya frecuencia es menor de 16 Hz/seg. SNICA o sonidos audibles, comprendida en la gama de frecuencias de oscilacin, de 16 a 20000 Hz/seg. Una onda acstica dentro de esta gama de frecuencia pudiera no ser audible al no tener el mnirno de presin acstica necesaria para ser registrada por el odo, o por sobrepasar la presin mxima soportable por los mecanismos fsicos del odo. Para conocer cuando una onda sonora se aproxima al mximo de frecuencia soportable por el odo (20kHz), es el momento en que el sonido empieza a molestar en el odo: "Umbral del dolor". ULTRASNICA, es aquella donde la frecuencia de las oscilaciones es superior a 20kHz.

Las frecuencias ms altas logradas hasta el momento son del orden de 1000MHz. Las frecuencias utilizadas en los ensayos para el control de heterogeneidades en ensayos de materiales metlicos se realizan con frecuencias generalmente comprendidas entre 1 y 25MHz.PRODUCCIN Y TRANSMISION DE LAS ONDAS SONORASCuando un medio elstico es perturbado por una accin instantnea o continua, hace que esta perturbacin se propague a travs del referido medio, mediante lo que se llama movimiento ondulatorio u onda.Esta propagacin no supone traslacin real de la materia, sino transmisin de energa. As, cada partcula afectada por la perturbacin (figura 1.2), se desplaza de su posicin de equilibrio, tendiendo a volver a la posicin de reposo, y sobrepasando la misma pendularmente en un movimiento vibratorio armnico.

Figura 1.2Como se ve en la figura tenemos una masa (M), sujeta a un punto fijo mediante un resorte R. Si aplicamos a la masa una fuerza (F), haciendo que dicha masa se separe de su posicin de equilibrio (punto O), se producir un desplazamiento del punto de aplicacin de la fuerza.La relacin entre el desplazamiento y la fuerza aplicada, viene expresada por la ley de Hooke:

F = - k X

Donde:F = fuerza deformadora.k = constante elstica.X = desplazamiento del punto de equilibrio.Una vez conseguido el desplazamiento, y cesada la accin de (F), vemos que la masa (M) vuelve, y aun rebasa su posicin de equilibrio hasta una distancia (-X), debido a la inercia de (M).La misma fuerza del resorte comprimido, hace que (M) vuelva a su posicin de equilibrio, y la rebase hasta (X), repitindose este proceso indefinidamente, aunque en la prctica, y debido a la resistencia que opone el medio externo (rozamiento), cesa al cabo de un cierto tiempo.El movimiento vibratorio armnico, se define por los parmetros: Amplitud (A), y Frecuencia (f).Asimismo, los parmetros que definen la propagacin real a travs de un medio son:Longitud de onda (A), y Velocidad acstica (C).Todos estos parmetros tipifican el movimiento ondulatorio, y la transmisin snica. Esta transmisin snica, se realiza por la transmisin de energa de unas partculas a sus adyacentes, mediante sus enlaces elsticos: en la figura 1.3, vemos la imagen de un cuerpo elstico.

Figura 1.3PROPAGACION DE LAS ONDAS SONORASComo hemos visto en el punto anterior, la transmisin snica se realiza de unas partculas a sus adyacentes mediante sus enlaces elsticos, por tanto, es necesario un soporte material, que puede ser slido, liquido, o gaseoso; de lo cual se deduce que no existe transmisin snica en el vaco.Como caso sencillo de propagacin de ondas, tenemos el ejemplo del diapasn (figura 1.4).Cuando el mazo golpea el diapasn, este vibra y genera una perturbacin en el medio que le rodea, en este caso el aire (figura 1.4).

La perturbacin se propaga por el aire hasta el odo del que escucha. La membrana del tmpano lo recepciona y transmite al cerebro, el cual lo convierte en seal sensitiva.Anlogamente, en el ensayo ultrasnico, un corto impulso de corriente elctrica golpea a un vibrador (cristal), el cual vibra como lo hacia el diapasn (figura 1.5).

Figura 1.5El haz snico que sale del cristal, se transmite a travs de un medio de acoplamiento (aceite, silicona, etc.), hasta la parte frontal de la pieza en ensayo.En la figura, vemos las ondas ultrasnicas propagndose por la pieza. En el punto y figura 1.2, estudiamos el comportamiento de una partcula material o cuerpo simple. Ahora analizaremos el comportamiento de un grupo de partculas, tomos o molculas mostradas en la figura 1.6.

Figura 1.6Tenemos tres partculas en cada uno de los planos 1, 2 y 3, unidas entre s, y a su vez, con las del plano adyacente, mediante fuerzas elsticas.A las partculas del primer plano, las sometemos a un esfuerzo de traccin o compresin por debajo de su lmite elstico. Al estar unidas entre s mediante fuerzas elsticas, cada una transmitir a las del plano siguiente, el mismo esfuerzo de traccin o compresin.Si la unin entre partculas fuera no elstica, comenzara el movimiento al unsono, permaneciendo constantemente en el mismo estado de movimiento, o sea, en la misma fase.Cuando se trata de un material elstico (en mayor o menor grado, todos los materiales son elsticos), el movimiento requiere un cierto tiempo para ser transmitido de un plano al siguiente, y de este al siguiente; es decir, los planos sucesivos alcanzan el estado de movimiento con un retardo de fase.En la figura 1.7 vemos la imagen instantnea de la seccin en un modelo elstico, donde la onda se propaga de izquierda a derecha, y nos permite observar, como el cambio de fase en los distintos planos, crea zonas en donde las partculas estn muy prximas unas a otras (zonas de compresin), y otras zonas donde las partculas estn mas separadas (zonas de dilatacin).

Figura 1.7

La figura nos muestra, las zonas de compresin consecutivas, al igual que las de dilatacin, las cuales conservan una misma distancia (longitud de onda).PARAMETROS DE LAS ONDAS SONORAS Amplitud (A): es el desplazamiento mximo de la partcula de su posicin de equilibrio. Frecuencia (f): es el nmero de oscilaciones completas que la partcula realiza por segundo. Se mide en ciclos/seg.1 c/s = 1 Hertzio (Hz). En ultrasonidos, las frecuencias utilizadas son mucho ms altas, por lo que se hace necesario utilizar los mltiplos del Hertzio:Kilohertzio (kHz) = 1000HzMegahertzio (MHz) = 1000000Hz Longitud de onda (A): es la distancia entre dos planos de partculas que se encuentran en el mismo estado de movimiento (figura 1.7). La longitud de onda es inversamente proporcional a la frecuencia: . Velocidad acstica (C): es la velocidad de propagacin de la onda acstica a travs del medio. Es constante y caracterstica de cada material, sea cual sea la frecuencia. En los metales sobre todo, podemos afirmar que es constante, ya que las mnimas variaciones debidas a temperatura y presin, son despreciables. No ocurre lo mismo en lquidos y gases, ya que en estos medios, la velocidad variar en funcin de la presin, y sobre todo de la temperatura.La velocidad acstica es igual al producto de la frecuencia por la longitud de onda () Velocidad mxima de vibracin (V): es la velocidad propia de la partcula en su movimiento oscilatorio. Presin acstica (p): en los puntos de gran densidad de partculas, la presin es mayor que la normal, mientras que en las zonas dilatadas es menor. El smbolo de la presin instantnea es (p), mientras que al valor mximo de la presin se le designa por (P). Fase: es la condicin instantnea dentro de una oscilacin. Este concepto se comprende fcilmente cuando se comparan dos oscilaciones distintas, (figura 1.8), en la que aparece una diferencia de fase.

Figura 1.8 Atenuacin: es la disminucin de la amplitud de una oscilacin, en funcin del tiempo. La atenuacin es debida a la suma de la Dispersin y la Absorcin. En la figura 1.9 se aprecia la diferencia en una misma onda sin atenuar; dbilmente atenuada; y fuertemente atenuada.

Figura 1.9EMISION SONICALa emisin snica se puede realizar continuamente o por impulsos.La onda continua es aquella que se emite de una forma continuada, donde la partcula en cada instante tiene unas caractersticas de movimiento que varan de forma peridica con el tiempo (figura 1.10a). Este tipo de onda se utiliza con las tcnicas de Resonancia y Transparencia.

Figura 1.10La onda por impulsos (figura 1.10.b), es la que se emite a intervalos variables de tiempo. Estos impulsos cortos tienen una duracin del orden de microsegundos, y el tiempo que transcurre entre impulsos consecutivos es del orden de milisegundos.De esto se deduce que el sistema de ensayo esta listo para recibir seales la mayor parte del tiempo, ya que son unas mil veces mas, el tiempo recibiendo, que emitiendo.La onda por impulso se utiliza en las inspecciones por la tcnica de impulso-eco. En la figura 1.11, estn representadas las diferentes formas de la onda por impulsos.

Figura 1.11Si en un material introducimos por una cara una onda de emisin continua, y midiendo la cantidad de energa que llega a la cara paralela de dicho material despus de ser atravesado por la onda, podremos determinar si dentro del material se encuentra algn tipo de discontinuidad, pero no se podr determinar a la profundidad que se encuentra.Si por el contrario introducimos una onda por impulsos, si se podr determinar el tiempo que tarda en ir y volver, lo cual nos permite no slo detectar la existencia de cualquier discontinuidad dentro del material, sino medir la distancia a la que se encuentra desde la superficie de entrada.

MODOS DE VIBRACIN O TIPOS DE ONDASExiste una gran variedad de tipos de onda que se van a mencionar, aunque slo profundizaremos en el estudio de las ms comnmente utilizadas en los ensayos de materiales. Ondas de borde: se producen por difraccin, cuando el haz ultrasnico incide sobre el borde de una discontinuidad. Se propagan en todas direcciones. Ondas de Creep (Creeping wave): se propagan por la superficie, proceden de la conversin de modos de una onda longitudinal, o de una transversal. Ondas de Love: cuando la onda de chapa transversal, se propaga por una chapa adherida a un solido diferente, como puede ser un plaqueado, se denomina onda de Love. Onda de barra: en una barra con seccin circular o cuadrada, es posible la propagacin de ondas de dilatacin, que se conocen como ondas de barra.Las ondas ms conocidas por su utilizacin en los ensayos de materiales, son:ONDA LONGITUDINAL O DE COMPRESIONComo vemos en la figura 2.1, en este tipo de onda, las partculas oscilan en la misma direccin que el sentido de propagacin de la onda.

Figura 2.1Vimos en la figura 1.7 que la fluctuacin de las partculas respecto de su posicin de equilibrio, hace que existan zonas de compresin (partculas muy juntas), y zonas de depresin (partculas muy separadas); es por esto, que tambin se conocen como ondas de presin u ondas de densidad.El modo de vibracin longitudinal se produce tanto en slidos, como en lquidos y gases.Estas zonas de compresin y depresin se desplazan a travs del medio a una velocidad constante, y propia de este medio (C). Cada material, tiene una velocidad de propagacin fija y conocida, variando dicha velocidad de unos materiales a otros. Para el clculo de esta velocidad, se utiliza la frmula:

Donde: E = mdulo de elasticidad = coeficiente de Poisson = densidad

Los parmetros que intervienen en la anterior expresin, y que son intrnsecos del material, determinan el valor de su velocidad de propagacin, la cual es totalmente independiente de la frecuencia, tenga sta el valor que tenga.ONDA TRANSVERSAL O DE CORTEEn este tipo de onda, la vibracin de las partculas es perpendicular al sentido de propagacin (figura 2.2), se produce esta vibracin al aplicar una fuerza cortante y peridica en el borde de un material slido.Esta fuerza cortante se transmite a las partculas de los planos adyacentes, dando lugar a oscilaciones transversales retardadas, segn su distancia al plano de excitacin.

Figura 2.2

A una cierta distancia (figura 2.3) se encontrar un plano donde las partculas se encuentran en el mismo estado de vibracin, que las partculas de otro plano. La distancia entre los dos planos nos marca la longitud de onda ().

Figura 2.3

Este tipo de onda recibe tambin el nombre de onda de cizalladura.La presin acstica de la onda transversal se define como: la fuerza cortante por unidad de superficie, normal a la misma.Lo mismo para la onda longitudinal, que para la transversal, la mxima presin acstica se alcanza cuando las partculas estn ms prximas, y la mnima cuando estn ms alejadas, por lo que la presin y el movimiento de las partculas, estn desfasadas 1/4 T (periodo).Los gases y los lquidos por su condicin de fluidos, no pueden transmitir este tipo de onda, ya que carecen de enlaces elsticos transversales.Para el clculo de la velocidad de la onda transversal, se utiliza la siguiente frmula:

La velocidad de la onda longitudinal y transversal para un mismo material, y de acuerdo con las formulas dadas, estn relacionadas segn:

El coeficiente de Poisson (), oscila entre 0 y 0,5 para todos los materiales slidos, por lo que el valor de la anterior ecuacin, se mantiene por debajo de 1, pudindose por tanto asegurar, que la velocidad de la onda transversal, es inferior a la longitudinal para un mismo material.La relacin de velocidad entre la onda longitudinal y transversal es: para acero= 0,55 para aluminio= 0,49ONDA DE SUPERFICIE O DE RAYLEIGHSon un caso particular de onda transversal. Se propagan por la superficie plana o curva de un solido siguiendo su contorno (figura 2.4), salvo que llegue a una arista viva, o una zona curva con un radio inferior a una longitud de onda, en cuyo caso la onda se refleja, dando una seal en pantalla.

Figura 2.4Lo mismo ocurre si en el recorrido encuentra una gota de aceite o suciedad, que hacen que la onda se interrumpa, dando lugar a seales que se podran interpretar como defectos.

Figura 2.5La vibracin de las partculas es en forma de elipse, como se ve en la figura 2.5, con una rotacin en sentido contrario a las agujas del reloj.Debajo de la superficie, las partculas vuelven a estar de nuevo en su posicin de descanso, esto nos dice que la onda de superficie tiene algo de penetracin; esta profundidad de penetracin es del orden de una longitud de onda.La velocidad de propagacin es independiente de la frecuencia y ligeramente menor que la velocidad de la onda transversal (0,9): para acero: del orden de 0,92 para aluminio: del orden de 0,93El estado tensional, modifica su velocidad; la traccin hace aumentar la velocidad, mientras que la compresin, la disminuye.ONDAS DE CHAPA U ONDAS DE LAMBSi el espesor del slido en el que inducimos ondas de superficie, se reduce en espesor, obtenemos una chapa, donde la onda de superficie, ya no puede existir como tal. Cuando este espesor es del mismo orden que la longitud de onda, se producen las ondas de chapa (figura 2.6).Se conocen dos modos bsicos: onda simtrica o de dilatacin y onda asimtrica o de flexin.

Figura 2.6En el caso de la onda simtrica, las partculas de la zona media o fibra neutra vibran con oscilaciones longitudinales, mientras que en la onda asimtrica con oscilaciones transversales; el resto de partculas oscilan en ambos tipos de onda elpticamente.La velocidad de este tipo de onda no se considera como constante del material, ya que depende del espesor del material, del modo de onda y de la frecuencia.Aunque en los anexos 1, 2 y 3 se incluyen tablas con valores de densidades, impedancias y velocidades de materiales metlicos, no metlicos, lquidos y aire, a continuacin se da un cuadro resumen con las velocidades longitudinales y transversales en tos materiales de ms corriente uso.

IMPEDANCIA ACUSTICASe representa por la letra Z y se define como: la relacin entre la presin acstica y la velocidad mxima de vibracin de los elementos de masa (partculas). Tambin suele definirse como: la resistencia que se opone a la vibracin de los elementos de masa.Dependiendo del mayor o menor valor de la impedancia del medio se dividen: en acsticamente duros, cuando sus elementos de masa varan muy poco su velocidad de vibracin a pesar de una gran diferencia de presin; y acsticamente blandos, cuando con una pequea diferencia de presin sus partculas vibran a gran velocidad.Debido a las anteriores definiciones puede parecer que la propagacin de las ondas ser peor en un material acsticamente duro, que en uno blando, no siendo as, ya que: la impedancia acstica se opone a la vibracin de los elementos de masa, pero no a la propagacin de la onda.La frmula para el clculo del valor de la impedancia se apoya en la teora de la propagacin de las ondas acsticas que dice: La impedancia es una constante del material, siendo proporcional a la densidad del medio y a la velocidad acstica de la onda en dicho medio.Z = . CIntensidad acsticaSe define como: la cantidad de energa que pasa por unidad de rea, en la unidad de tiempo. Se obtiene mediante el producto de la "Energa especifica" (energa presente en la unidad de volumen, que avanza con la velocidad acstica), por la velocidad de propagacin de la onda acstica.Se debe tener muy en cuenta la relacin entre la energa especfica o intensidad acstica, con la presin acstica, pues la altura de la indicacin de un eco en la pantalla del osciloscopio en el mtodo de impulso-eco, es proporcional a la presin acstica.De la frmula de la Intensidad: frmula que nos indica la proporcionalidad existente entre el cuadrado de la presin acstica y la intensidad acstica:La unidad de intensidad acstica es el Belio; ; donde I0 es una intensidad de referencia, por tanto el nmero de belios, nos da el nivel de intensidad acstica.Esta unidad Belio, an con la relacin logartmica es demasiado amplia, por lo que en ultrasonidos, se ha adoptado la unidad "Decibelio" (dB), que es ms apropiada para pequeas variaciones de intensidad snica.

PRESION ACUSTICAEn la inspeccin ultrasnica por el mtodo de impulso-eco, la altura de los ecos es proporcional a la presin acstica.Para las ondas longitudinales, la presin acstica como fuerza por unidad de superficie, es normal a la superficie de la onda.Para las ondas transversales, la presin acstica es una fuerza cortante por unidad de superficie, paralela a la superficie de la onda.En la frmula , sustituimos los valores de I, por los obtenidos en: y tenemos que por lo que de donde: Si la altura de los ecos (H), es proporcional a la presin acstica, tenemos que:En los equipos ultrasnicos con el mtodo de impulso-eco, se utiliza la amplificacin en dB; esta escala en dB es una escala logartmica asociada a la proporcin entre dos cantidades, y se utiliza por presentar bastantes ventajas sobre la escala lineal. Estas ventajas pueden ser por ejemplo que:a) Las proporciones grandes entre dos cantidades, se pueden dar en nmeros pequeos, ejemplo:

b) Para inversin de dos proporciones, solo es necesario un cambio de signo. Ejemplo:

Al comparar sensibilidad en medidas de debilitamiento de seal, como en determinacin de tamao de defectos, se indica la relacin de altura de ecos, en decibelios.Los cambios de ganancia en decibelios, son la relacin entre dos valores de altura de ecos, siendo (H1) el valor en altura de un defecto de referencia, y (H2) el de un defecto que se va a evaluar.Ejemplo:El eco del defecto de referencia, tiene un valor del 80% de altura en pantalla.La altura del eco del defecto que se va a evaluar, tiene el 40%.Aplicando la frmula: y sustituyendo tenemos:

Esto nos indica que el eco del defecto que queremos evaluar esta 6 dB por debajo del eco del defecto de referencia.Para simplificar estos clculos evitando el uso de logaritmos, se puede utilizar la tabla 1, en la que se dan directamente los valores de decibelios para las diferentes relaciones de altura de ecos.Es importante resaltar, que para la confeccin de dicha tabla, se ha cambiado la frmula conocida de: , por:

dBdBdBdBdB

10,0265,011420,0268038

1,0590,52,126,55,621522,4278939

1,12212,2476,311625,12810040

1,1891,52,377,57,081728,22917845

1,2622,5187,951831,63031650

1,3332,52,668,58,91935,53156055

1,41332,82910204032100060

1,4973,52,989,511,2214533316270

1,58543,161012,62250341000080

1,684,53,551114,12356353162390

1,78541216,0246336100000100

1,8855,54,461317,8257137

Damos un ejemplo del uso de la tabla:La altura del eco del reflector de referencia es del 80%.La altura del reflector a evaluar es del 40%.La relacin 80/40 = 2.En la tabla vemos que a la relacin 2, le corresponde un valor de 6dB.PRESION REFLEJADA EN UNA DISCONTINUIDADConsideramos siempre, que la discontinuidad es perpendicular al eje del haz ultrasnico, y que debemos tener en cuenta dos supuestos:Supuesto a. Discontinuidad menor que el haz ultrasnicoLa altura del eco en el sistema de Impulso-eco, es proporcional a la presin, por tanto, la altura del eco que nos da una discontinuidad pequea es proporcional a la superficie de dicha discontinuidad, e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia al emisor-receptor (a2).Supuesto b. Discontinuidad mayor que el haz ultrasnicoEl oscilador acta como receptor, por lo que la presin acstica que mide es la de su propio haz a una distancia de 2a.Este tipo de discontinuidad, no presenta problemas para su deteccin, pero si debe tenerse clara, la forma de determinar el tamao o lmites de la discontinuidad, profundidad, y anchura de la misma, que se estudiar en el capitulo 15.ATENUACION DE LAS ONDAS SONORASLos medios slidos, atenan los ultrasonidos mediante dos efectos que son: Dispersin y Absorcin.DispersinSon varias las causas que producen la dispersin, siendo estas:a) Inclusiones en los aceros.b) Presencia de grafito en fundiciones.c) Orientacin de las estructuras cristalinas.d) Anisotropa.e) Tamao del grano.

Al ser estos dos factores de Anisotropa y Tamao del grano los que mas influyen en la Dispersin, se estudian a continuacin con mas detenimiento.AnisotropaUn material cristalino resulta elsticamente anistropo, cuando sus cristales tienen diferentes propiedades elsticas, segn la direccin en que reciben desde fuera un esfuerzo mecnico.

Si los cristales estn alineados el material no presenta dispersin al paso de la onda sonora por lo menos en una direccin como se ve en la figura 2.7.a. En otro material con los cristales orientados irregularmente como vemos en la figura 2.7.b, se presenta una considerable dispersin del sonido.Tamao del granoEsta ltima es la causa ms importante para la dispersin, aunque debemos contemplar dos casos diferentes:1. Grano con tamao mayor que la longitud de onda (A): la onda sufre reflexin, refraccin y cambio de modo en los limites de grano, volviendo a sufrir estos efectos en el grano siguiente y en el otro, y as sucesivamente.Como ejemplo de esto, basta saber que en materiales moldeados la atenuacin aumenta con el cubo del tamao del grano.2. Grano menor que la longitud de onda: este es el caso ms corriente en las inspecciones de los materiales metlicos. En este supuesto, la dispersin no se produce por el fenmeno geomtrico en los lmites de los granos. Aqu se produce la dispersin por el paso del sonido a travs de gran cantidad de obstculos pequeos.Cuando el tamao del grano tiene un dimetro d = 0,2 de , comienza la aparicin de la atenuacin. Cuando el dimetro del grano es d =0,5 de , tenemos una fuerte dispersin del sonido.

Figura 2.8En la figura 2.8, vemos la diferencia entre los oscilogramas obtenidos en una pieza con estructura de grano fino donde el eco de fondo y su repeticin se ven con toda limpieza; y el oscilograma de una pieza con estructura de grano grueso, donde no aparece el eco de fondo, pero s muchos ecos parsitos con diferentes recorridos debidos a la dispersin y conocidos como "Csped". Este csped puede enmascarar los ecos de verdadero inters. La forma de eliminar este csped es bajando la frecuencia con la consiguiente reduccin de la detectabilidad de pequeos defectos.AbsorcinConsiste en la conversin directa de la energa ultrasnica en calor, producido por el frenado en la oscilacin de las partculas. Cuanto mas fino y homogneo es el grano de un material, menor es la atenuacin. A igualdad de homogeneidad y tamao del grano, sufrir menor atenuacin la onda en un material forjado, que en uno moldeado.Si durante la inspeccin vemos que la energa transmitida sufre una fuerte atenuacin, la solucin es utilizar frecuencias ms bajas, ya que con estas frecuencias disminuye la absorcin. Por contra tenemos que, al bajar la frecuencia, aumenta la longitud de onda, con lo cual bajamos la detectabilidad de defectos pequeos.

REFLEXION Y TRANSMISION DE ONDASTodos los parmetros de onda estudiados hasta ahora han sido suponiendo un medio ilimitado, es decir, sin contornos. En la prctica, todas las sustancias tienen uno o ms lmites en los que la onda resulta distorsionada. Si los lmites del material son un espacio vaco, no ser posible la vibracin mecnica fuera del mismo, por lo que la onda sonora retornar totalmente como un fenmeno de reflexin, si esta superficie lmite es suave; y como un fenmeno de dispersin si la superficie es rugosa. Estas irregularidades que forman la rugosidad superficial se deben medir en trminos de longitud de onda ().Si detrs de la superficie lmite se encuentra otro material adherido al primero, la onda acstica se propagar ms o menos alterada en direccin, intensidad y modo.Debemos estudiar dos formas de reflexin y transmisin de ondas, dependiendo del tipo de incidencia de dicha onda: incidencia perpendicular o normal, e incidencia angular.INCIDENCIA NORMALEn este tipo de incidencia, debemos contemplar dos casos:a) incidencia normal en superficie limite nica.b) incidencia normal en superficie limite mltiple.Incidencia normal en superficie limite nicaCuando una onda incide perpendicularmente sobre una superficie lisa y plana que separa dos medios diferentes, una parte de la energa de la onda se refleja volviendo en la misma direccin que la incidente, y parte se propaga en el otro medio con la misma direccin y sentido.

En la figura 3.1 tenemos una entrecara que separa dos materiales con dos impedancias diferentes (Z1) y (Z2). Una onda incidente (Ii) perpendicular a la entrecara. Una parte de la onda se refleja (Ir), y parte se transmite al otro medio (It).Coeficiente de reflexin Coeficiente de transmisin Ambos expresan el porcentaje de intensidad reflejada y transmitida en relacin con la intensidad incidente, indicndonos que se cumple la ley de la energa R + T = 1.Para el calculo de la intensidad reflejada y transmitida se utilizan las siguientes formulas, en las que se aplican los valores de las impedancias de los medios 1 y 2.Intensidad reflejada Intensidad transmitida De estas formulas se deduce que cuando nos referimos a Intensidades Acsticas, no es de importancia el lado de la superficie limite por el que incide la onda (ya sea por el medio 1, o por el medio 2), pues los porcentajes de reflexin y transmisin no cambian al permutarse entre si las impedancias Z1 y Z2.A continuacin veremos que no ocurre lo mismo cuando nos referimos a Presiones Acsticas:Si llamamos R' al coeficiente de reflexin referido a presiones, y T' al coeficiente de transmisin tambin referido a presiones, tenemos:Coeficiente de reflexin Coeficiente de transmisin En este caso las formulas para calcular el tanto por ciento de Presin reflejada y transmitida, son las siguientes: De estas formulas deducimos que: la presin acstica reflejada es del mismo porcentaje o amplitud, sea el lado que sea por el que incide la onda.Si la impedancia del medio 2, es mayor que la impedancia del medio 1 (Z2 > Z1), el valor de R' ser positivo, lo que nos indica que la onda incidente y la onda reflejada estn en fase (figura 3.2).

Figura 3.2

En este caso, y como se ve en la figura, la onda transmitida T', tambin esta en fase con la onda incidente, pero su amplitud es mayor que 1, o mayor del 100%; por tanto, mayor que la onda incidente, lo que nos dice que en este caso no se cumple la ley de la adicin, ya que esta ley sirve s6Io para las energas, no para las presiones, pues como vemos el balance de las presiones nos da:

En el caso en que la impedancia del medio 2, es menor que la del medio1 (Z2 < Z1), el valor de la onda reflejada R', ser negativo, indicndonos, como vimos en la figura 3.1, que existe una inversin de fase de la onda reflejada con relacin a la onda incidente, y que la onda transmitida es menor que la incidente.De todo lo expuesto, se pueden sacar a modo de resumen dos conclusiones:l. En el ensayo por ultrasonidos de materiales nunca se da el caso de que Z2 < Z1, por lo que nos olvidamos del signo negativo de R', y de la inversin de fase de las ondas incidente y reflejada.2. Como la altura de los ecos en pantalla de un equipo de impulso-eco, depende de la presin acstica, en los ensayos de materiales se utilizan preferentemente los coeficientes de reflexin y transmisin de la presin acstica.Incidencia normal en superficie lmite mltipleEn este caso, los efectos son distintos segn se propaguen ondas continuas u ondas por impulsos.a) Ondas continuasComo se puede ver en la figura 3.3, una onda continua que atraviesa el medio 1 y llega a la superficie lmite con el medio 2, se desdobla en una onda transmitida y en otra reflejada.Despus de atravesar el medio 2 la onda transmitida se desdobla en la segunda entrecara y as sucesivamente.

Figura 3.3

El resultado es una serie de reflexiones en ambas direcciones en el medio 2, de forma queda cada lado, se produce una secuencia de ondas que abandonan el medio 2 superponindose.Con una onda continua las ondas individuales se interfieren segn la posicin de fase cuando se solapan, dando lugar a interferencias.b) Ondas por impulsosEn el caso de una onda incidente por impulsos constituida por un tren de ondas cortas, no se producen las interferencias que se generaban con las ondas continuas.

Figura 3.4Como se ve en la figura 3.4, una onda por impulsos cortos que incide en, el medio 1, se desdobla en una serie de impulsos separados y mutuamente independientes, reflejados y transmitidos. El resultado de este desdoblamiento repetido hace que la presin acstica o altura de los sucesivos ecos, vaya disminuyendo continuamente como se ve en la curva marcada con lneas de puntos, en la figura.INCIDENCIA ANGULARCuando una onda sonora incide con un determinado ngulo con respecto a la normal, en una superficie que limita dos medios, parte del haz se refleja y parte se transmite al segundo medio, producindose un fenmeno de refraccin, que consiste en que el haz transmitido experimenta un cambio en la direccin de propagacin, con respecto a la direccin de incidencia, al igual que ocurre en ptica.

Figura 3.5

En la figura 3.5, vemos el fenmeno explicado anteriormente con las ondas incidente, reflejada y refractada.Teniendo en cuenta la velocidad de propagacin del sonido en los medios 1 (C1) y 2 (C2), podemos relacionar los ngulos de incidencia i; reflexin r; y, refraccin t en funcin de las velocidades, mediante la Ley de Snell:

de esta expresin se deduce que el ngulo de incidencia (i), es igual al ngulo de reflexin (t)Los fenmenos de reflexin y refraccin que sufre una onda sonora al incidir oblicuamente cobre una superficie que separa dos medios, son los mismos que ocurren en ptica; pero con la onda sonora ocurre adems un fenmeno denominado Cambio de Modos, que consiste en que un tipo de onda puede convertirse en otra, es decir, una onda longitudinal en transversal y viceversa.La conversin de modos se produce porque la presin acstica de la onda longitudinal incidente, al incidir oblicuamente en la superficie lmite, puede descomponerse en dos componentes, una que acta a lo largo de la superficie lmite, y otra que acta perpendicularmente a ella. Por tanto, en el punto de incidencia, la superficie lmite est sometida a esfuerzos de compresin y cizalladura, producindose, por tanto, la reflexin y refraccin de ondas de compresin y ondas de cizalladura.

Figura 3.6La onda longitudinal incidente XO, como se ve en la figura 3.6, se dirige oblicuamente a la superficie limite de separacin de los medios 1 y 2, donde se refleja y se refracta dando lugar a las ondas Y y Z longitudinales, y a las transversales Y' y Z'.Aplicando la ley de Snell, relacionamos la velocidad de propagacin C1 y C2, en los medios 1 y 2, con los senos de los ngulos longitudinal incidente (i); transversal reflejado (Tr), longitudinal reflejado (rL); longitudinal refractado (tL) y transversal refractado (tT), de la siguiente forma:

de estas igualdades, deducimos directamente dos conclusiones:1. En el ensayo de materiales, lo normal es que C2 > Cl, por lo tanto la onda refractada longitudinal se separa de la normal, lo que hace que siempre, el ngulo de refraccin sea mayor que el de incidencia.2. Al ser casi el doble la velocidad de la onda longitudinal, en un mismo medio, que la velocidad de la onda transversal; hace que el ngulo de las ondas longitudinal reflejada y longitudinal refractada, sea mayor que los ngulos de la transversal reflejada y refractada.Debido a la construccin de los palpadores angulares utilizados en las aplicaciones prcticas de ensayos de materiales por ultrasonidos, el medio 1 es plexigls, y el 2 acero.Sabemos que:Velocidad de la onda longitudinal en plexigls = 2.730 m/sVelocidad de la onda longitudinal en acero = 5.900 m/sVelocidad de la onda transversal en acero = 3.230 m/sAplicando la ley de Snell, tendremos:

En el ensayo de materiales, y sobre todo en el ensayo de soldaduras, nos interesa que dentro del medio 2, slo haya una onda transversal refractada, lo cual se consigue variando el ngulo de incidencia, con lo que la onda longitudinal se refracta en la superficie lmite (sen = 90).Si en la igualdad: hacemos el ngulo = 90 y despejamos, vemos que el ngulo , o ngulo incidente, es de 27'6, y en el acero slo queda la onda transversal refractada, con un ngulo de 33.Si seguimos aumentando el ngulo de incidencia, hasta que el ngulo de la onda refractada transversal, sea igual a 90, en la igualdad: hacemos el sen = 90, despejamos, y el ngulo , o ngulo incidente, es de 57'8, y dentro del material no tenemos ninguna onda.El ngulo de 27'6 incidente, se conoce como Primer Angulo crtico.El ngulo de 57'8 incidente, se conoce como Segundo Angulo crtico.

GENERACION Y RECEPCION DE LAS ONDAS ULTRASONICASDe los diferentes fenmenos fsicos que se pueden utilizar para la generacin y recepcin de las ondas ultrasnicas, estudiaremos los dos ms utilizados en los ensayos no destructivos, como son la Magnetoestriccin y la Piezoelectricidad.MAGNETOSTRICCIONMateriales como el nquel y sus aleaciones, las ferritas y los aceros, cambian su forma bajo la accin de un campo magntico. Este efecto es recproco, por lo que es idneo para la generacin y recepcin de ondas ultrasnicas.Aprovechando el fenmeno de resonancia, se obtienen osciladores con muy pequeos espesores.La magnetoestriccin se suele utilizar para el ensayo ultrasnico en hormigones, con frecuencias que oscilan entre 25 y 100kHz.PIEZOELECTICIDADEl cuarzo y la turmalina, son monocristales que estn fuera del sistema regular o cbico, tienen un eje polar, y poseen de por si un momento elctrico parecido al momento magntico de un imn.Si uno de estos cristales se contrae o se expansiona en la direccin del eje polar aplicando una presin mecnica externa, aparecen cargas elctricas en su superficie.Llamamos a este fenmeno Efecto Piezoelctrico Directo, y se utiliza en ultrasonidos, como receptor de las oscilaciones mecnicas. Fue descubierto en 1880 por el matrimonio Curie.El fenmeno inverso, Efecto Piezoelctrico Recproco (figura 4.1), se utiliza como emisor.

Figura 4.1Consiste en que, si un cristal se coloca entre dos electrodos, al aplicar una tensin alterna, el cristal vibra mecnicamente, al mismo ritmo que la alternancia de la tensin.En la figura 4.2 vemos un prisma hexagonal con una pirmide en un extremo para simplificar la imagen, aunque los cristales de cuarzo en la naturaleza se presentan con una pirmide en cada extremo del prisma hexagonal.Tenemos un eje Z o eje ptico, que une los vrtices de las pirmides, un eje X o eje elctrico, que une vrtices opuestos. Un eje Y o eje mecnico, que une puntos medios de los lados del hexgono.

Figura 4.2Si cortamos una lamina del cristal de cuarzo normal al eje X, obtenemos un cristal piezoelctrico que genera ondas longitudinales. Si la lmina cortada es normal al eje Y, tenemos un cristal que genera ondas transversales. Para conseguir estas ondas, se recubren las caras del cristal con una pelcula conductora, y se someten a una tensin elctrica alterna, con lo que se genera una vibracin mecnica del mismo ritmo que la tensin alterna aplicada (efecto piezoelctrico recproco).Cuando la lmina de cristal piezoelctrico recibe una presin acstica, se forma un dipolo elctrico, con lo que se liberan cargas elctricas positivas y negativas en las caras del cristal, que el equipo de ultrasonidos amplifica y registra (efecto piezoelctrico directo).En el capitulo 2 estudiamos los diferentes tipos de onda utilizadas en los ensayos de materiales.Las ondas longitudinales se generan con cristales piezoelctricos con corte en X. Otra forma de generar estas ondas es con materiales cermicas polarizados que vibran en la direccin de su espesor.Con un cristal con corte en Y, se consiguen ondas transversales, aunque debido a su poca energa no se utilizan en el ensayo de materiales.Las ondas transversales utilizadas en el ensayo de materiales, son ondas transversales refractadas dentro del material en inspeccin, generadas por el "cambio de modos", que se produce al incidir una onda longitudinal oblicuamente en la superficie de la pieza en inspeccin, como estudiamos en el capitulo 3, punto 3.1.2.Las ondas de superficie se generan de forma similar a las transversales.Las ondas de Lamb se generan haciendo incidir en la muestra una onda angular con un ngulo crtico determinado, aunque en este tipo de onda intervienen tambin los parmetros de la muestra en ensayo, como son: la naturaleza, forma y dimensiones.Actualmente en la construccin de los palpadores casi no se utiliza el cuarzo, sino cermicas sinterizadas, que se obtienen a base de fundir un dielctrico y dejndolo solidificar bajo la accin de un campo elctrico, conservando su polaridad y, por tanto, un momento elctrico.CARACTERISTICAS DE LOS CRISTALES PIEZOELECTRICOSSe muestra una tabla con las caractersticas ms importantes de los cristales piezoelctricos que se montan en los palpadores, utilizados en los ensayos de materialesTitanato de Circonato de Plomo (PZT)Titanato de BarioMetaniobato de PlomoSulfato de LitioCuarzo

Velocidad del sonido (m/s)4.0005100330054607320

impedancia Acstica (Z)302720,511,215,2

Mdulo Piezoelctrico (d)150-593125-190

85152,3

Constante de Presin (g)113716557

Coef. de Amortiguacin interna ()11,31,21

Factor (k) de A coplamiento Electromecnico0,6 - 070,450,40,380,1

Constante (H) de Deformacin Piezoelctrica1,8 4,61,1 1,61,98,24,9

Factor (kp) de Acoplamiento para Oscilacin Radial0,5 0,60,30,0700,1

Frecuencia Caracterstica para 1mm. de Espesor (fc)2,21,42,362,88

Frecuencia caracterstica fundamentalUn cristal piezoelctrico logra la mxima eficacia cuando coinciden la frecuencia de excitacin elctrica o mecnica, con la frecuencia caracterstica fundamental del oscilador. Para el clculo de esta frecuencia caracterstica fundamental tenemos que:

donde: C = velocidad acstica del cristald = espesor del osciladorSi el cristal se excita a una frecuencia distinta a la de resonancia, oscilar con esa frecuencia, pero de una forma forzada, es decir, con una amplitud mucho menor.Si la frecuencia fundamental es baja, limita el empleo de frecuencias altas, siendo el peor con relacin a esta caracterstica, el metaniobato de plomo, y el mejor el cuarzo.Temperatura crticaEs aquella temperatura en la que el cristal pierde sus propiedades piezoelctricas. Tambin se la denomina Punto de Curie.Como vemos en el cuadro, el cuarzo y el metaniobato de plomo son los mejores para el trabajo con altas temperaturas.Mdulo piezoelctrico (d)Es el cambio de espesor por unidad de voltaje. En el cuadro vemos que el cambio de espesor (d) del cuarzo hace que sea el peor emisor de ultrasonidos, siendo el mejor de todos el titanato de circonato de plomo (PZT), siguindole el titanato de bario.Constante de presin piezoelctrica (g)Es la inversa del m6dulo piezoelctrico, y nos indica la variacin del voltaje generado por unidad de espesor variado; esto quiere decir, que a igualdad de presin de las oscilaciones mecnicas recibidas, genera mayor tensin alterna en la superficie del cristal. Segn el cuadro, el sulfato de litio es el mejor receptor.Coeficiente de amortiguacin interna ()Este parmetro nos indica fa mayor o menor facilidad intrnseca del material para amortiguar los impulsos cortos en el mtodo de impulso-eco. Segn el cuadro, vemos que el metaniobato de plomo (=1,3), no necesita amortiguacin artificial, con lo cual gana en sensibilidad.Impedancia acstica (Z)Esta impedancia debe ser lo ms baja posible, tanto para la amortiguacin como para el acoplamiento. El titanato de bario es el peor en este aspecto, siendo el sulfato de Litio el mejor.Factor de acoplamiento para oscilacin radial (kp)Este factor mide la aparicin de oscilaciones radiales que afectan a la anchura de las seales y, por tanto, al poder de resolucin. Cuanto ms bajo sea este valor, mejor el poder de resolucin. Segn vemos en el cuadro, el mejor en este aspecto es el metaniobato de plomo.

CAMPO ULTRASONICO DE UN OSCILADORSegn el principio de Huygens, cualquier tipo de onda se puede formar a partir de un gran nmero de ondas esfricas simples de la misma frecuencia, llamadas Ondas elementales.Fresnel completo el principio de Huygens aadiendo que: "la vibracin producida en un punto es la resultante de la interferencia de las diversas ondas que llegan al punto, procedentes de cualquier superficie de onda anterior" (figura 5.1).

Figura 5.1El campo acstico de un oscilador ultrasnico esta formado por una serie de mximos y mnimos de presin acstica, debido a la interferencia de tas ondas elementales originadas en la superficie del oscilador.En la direccin de propagacin de la onda, existe un ltimo mximo de presin acstica localizado en el eje, que marca el fin del campo de interferencias.Esta zona de mximos y mnimos, hasta el mximo principal, se llama: Campo prximo o Zona Fresnel, y se representa por la letra N.Este campo prximo, tiene forma de cilindro de longitud N, y dimetro D, que es igual al dimetro del oscilador.A partir del final del campo prximo, vemos en la figura 5.2, que el haz ultrasnico comienza a abrirse tomando forma de tronco de cono. Aqu la presin acstica decrece, desde el eje hacia el exterior.

A esta parte del haz ultrasnico libre de interferencias se le conoce con el nombre de Campo Lejano o Zona de Fraunhofer, y al ngulo contenido en el campo lejano, entre el eje y el borde del haz, donde la presin cae hasta un nivel definido, es el Angulo de divergencia ( 0).A continuacin estudiamos el campo prximo y el campo lejano, generado por un oscilador continuo, y otro por impulsos.CAMPO PROXIMO Y LEJANO DE UN OSCILADOR CONT1NUOSupongamos un oscilador en forma de disco, que transmite a las partculas del material en inspeccin su movimiento vibratorio y, suponemos adems, que toda su superficie vibra con la misma amplitud y fase.El frente de ondas ser homogneo si el oscilador fuese infinito. En la practica esto no es posible, ya que los osciladores tienen dimensiones finitas y en los sucesivos frentes de ondas faltarn en ciertos puntos las correspondientes ondas elementales, que segn Fresnel se anularan con sus homnimas para presentar un frente homogneo con resultantes nicas en la direccin de propagacin.En esta onda plana y cerca del oscilador, debido a la superposicin por el fenmeno de difraccin y el efecto de bordes, se produce un campo con mximos y mnimos de presin acstica (figura 5.3).

Figura 5.3

En la direccin de propagacin de la onda, tenemos en el eje un ltimo mximo de presin acstica; este mximo determina el final del campo de interferencias o campo prximo. Para calcular el valor de este campo prximo, se utiliza la expresin:

D= dimetro del cristal y = longitud de onda

La relacin entre el dimetro del cristal D, y la longitud de onda , nos da el nmero de mximos y mnimos de presin acstica dentro del campo prximo. Adems, si este valor es grande, tendremos un campo prximo largo.En la expresin para el clculo del campo prximo, vemos que interviene la longitud de onda, y a su vez, para el clculo de esta, interviene la velocidad de propagacin de la onda (C), que es propia de cada material, lo cual nos dice, que un mismo oscilador tiene diferentes valores de campo prximo, dependiendo del material en el que se propaga la onda.Hemos estudiado, que el mximo de presin acstica, nos marca el fin del campo prximo, y el inicio del campo lejano; este campo lejano esta libre de interferencias, siendo mucho ms simple que el campo prximo.Como se ve en la figura 5.4, a la distancia N, tenemos el mximo de presin acstica, siendo a partir de este punto, cuando el haz empieza a abrirse con dos rectas que parten del centro del oscilador.

Figura 5.4.En este campo, se cumple la ley de la distancia de una onda esfrica que dice: La presin acstica decrece inversamente con la distancia. Esto se ve en la figura, donde a la distancia 3N, la altura de la presin acstica en el eje del haz, es menor que en N, con unos mximos secundarios que decrecen hacia fuera. A la distancia 6N, la anchura del eco es el doble, con lo que la presin acstica en el eje disminuye a la mitad.El ngulo formado por una de las rectas que parten del centro del oscilador, y el eje del oscilador, se llama "ngulo de divergencia" (0,).Para calcular el valor de este ngulo, y basndonos en la teora de la difraccin, tenemos que: ; esta formula slo es vlida para valores pequeos de CAMPO ULTRASNICO DE UN OSCILADOR POR IMPULSOSLa excitacin por impulsos ejerce gran influencia en el campo ultrasnico; si la excitacin decrece hacia los bordes, el campo ultrasnico es ms uniforme, esto sucede con los cristales piezoelctricos de los palpadores normales.

En la figura 5.5 tenemos dos curvas que nos muestran la distribucin de excitacin en la seccin transversal y la presin acstica sobre el eje. La curva (a) corresponde al cristal (a) que tiene una excitacin normal. El cristal (b), sufre una excitacin en forma de campana de Gauss, y como vemos en la curva (b) desaparecen las irregularidades del campo prximo, lo que representa una gran ventaja en cuanto a la focalizacin de una discontinuidad, y la estimacin del tamao segn la altura de sueco.En un campo ultrasnico excitado por impulsos, no existen mnimos totales, ya que los impulsos que proceden de diferentes puntos del oscilador, no producen interferencias (figura 5.6), y aunque se superpusieran parcialmente su cancelacin sera incompleta, sumndose a este resultado la propia distorsin de la emisin por impulsos, con sus amplitudes desiguales.

Figura 5.6De todo lo anterior, se deduce que:- Las interferencias en el campo prximo, no son de mximos o mnimos absolutos, es decir, en el eje del haz no se tiene presin.- En el campo lejano, en puntos fuera del eje del oscilador, se produce distorsin del tren de ondas por superposicin con las procedentes de otras direcciones. - En el campo lejano, en el eje del oscilador, los impulsos no se distorsionan.Por estas razones es aconsejable que en el ensayo de materiales, los reflectores a detectar coincidan, a ser posible, con el final del campo prximo y principio del campo lejano, donde la discontinuidad ser tocada por un haz sin irregularidades, y con la mxima presin acstica.Asimismo, una vez detectada una discontinuidad, convendr desplazar el palpador hasta obtener la mxima altura del eco, que ser cuando la heterogeneidad sea tocada por el eje del haz en campo lejano, donde no existe distorsin, y se cumple la relacin presin/distancia.ECO Y SOMBRA DE UN OBSTACULO EN EL CAMPO ULTRASONICOUna discontinuidad dentro de un material supone un obstculo en la propagacin de una onda ultrasnica. La presencia de esta discontinuidad se manifiesta por un eco cuando se utiliza la tcnica de impulso-eco, o por una sombra cuando es la tcnica de transparencia.Este obstculo, a su vez, se comporta como un oscilador o emisor de ondas, dando lugar a fenmenos de difraccin, dispersin e interferencias. Se supone que la sombra detrs del obstculo tendra que ser total, pero la onda incidente al refractarse en los bordes de la discontinuidad penetra en la zona de la sombra formando un campo ultrasnico con mximos y mnimos de presin.El fenmeno de la difraccin de la onda incidente en los bordes del defecto ha servido para desarrollar la tcnica TOFD (Difraccin del Tiempo de Vuelo), para deteccin y dimensionado de discontinuidades, que se estudiara en el captulo 15.Supongamos un obstculo con forma de disco circular pequeo, situado perpendicularmente al eje del oscilador. El disco ser tocado uniformemente, al ser menor que el haz ultrasnico.La superficie del disco se comporta como un oscilador, por tanto, la onda reflejada ser igual a la onda emitida por el oscilador. Su campo ultrasnico se puede calcular con las formulas ya estudiadas del campo prximo; divergencia del haz; y presin acstica a lo largo del eje.PALPADORESUn palpador consiste como vemos en la figura 6.1 en: l. Carcasa metlica, que soporta y protege los componentes.2. Relleno de "Epoxi.3. Amortiguador.4. Conectar.5. Contactos elctricos.6. Elemento piezoelctrico.7. Suela protectora.

CONSTRUCCIN DE LOS PALPADORESEl oscilador o cristal piezoelctrico de un palpador determinado se basa en estudios tericos de acuerdo con lo estudiado en el capitulo 4. El resto de componentes van dirigidos a modificar y mejorar las caractersticas emisora y receptora del cristal, para que el haz ultrasnico tenga unas cualidades determinadas.El amortiguador es un material adosado al cristal que debe tener una elevada impedancia acstica y una gran atenuacin. Es una mezcla de caucho o resinas sintticas con aserrn, material que presenta una gran atenuacin, llevando adems disueltas sustancias de elevada impedancia, como son limaduras de hierro o tungsteno.Otra solucin a la que se recurre para aumentar la atenuacin consiste en mecanizar la cara libre del amortiguador en forma de dientes de sierra para que las ondas reflejadas en la pared libre se superpongan y no lleguen al cristal.La unin entre cristal y amortiguador debe ser lo ms intima posible, utilizando capas muy finas de adhesivo entre cristal y amortiguador. Se realiza por vulcanizado o colado, segn se trate de caucho o resinas.Cuando la unin se realiza por el mtodo de colado los bordes del cristal se mantienen embebidos dentro del amortiguador, con lo que se evitan las oscilaciones radiales que se producen en los cristales cermicos.Se debe hacer hincapi en la gran importancia que tiene el elemento amortiguador ya que realiza tres funciones importantes, como son:- Soportar mecnicamente el cristal.- Absorber las ondas que pudieran interferir.- Reducir el tiempo de oscilacin del cristal.Cuanto ms corta sea la duracin del impulso mejor es el poder de resolucin, y la deteccin de defectos en las proximidades del oscilador.Conexiones elctricas: se realizan extendiendo sobre las caras del cristal, una suspensin de plata, y soldando los electrodos con soldadura de plata, o pegndolos mediante un cemento conductor. Los cristales cuyo punto de Curie sea bajo, no pueden ser soldados, por lo que se utiliza la rnetalizacin por evaporacin al vaco.Cuando el cristal montado en el palpador, tiene una elevada resistencia al desgaste, puede utilizarse en contacto directo con la superficie de exploracin, con lo que se favorece su poder de resolucin; los mejores cristales para esta utilizacin son tos de cuarzo. En este caso, la metalizacin se realiza solo por una cara del cristal, ya que la cara de contacto, si estuviera metalizada, se deteriorara con el roce durante el ensayo.La pieza metlica en ensayo hace de electrodo; si la pieza no fuese metlica, se utiliza un material de acoplamiento que sea conductor, pudiendo ser agua con un electrolito.CARACTERISTICAS RESPECTO A FRECUENCIA Y DIAMETRO DEL CRISTALDebido a la influencia que tienen la frecuencia de excitacin, y el dimetro del cristal sobre los parmetros del ensayo como son: longitud del campo prximo; divergencia del haz; penetracin; y sensibilidad, estudiaremos a continuacin como afectan las variaciones de la frecuencia y el dimetro del cristal, a los parmetros de ensayo.a) Palpadores con frecuencias altas (entre 4 y 10MHz):- Longitud del campo prximo grande, y presin acstica grande en zonas alejadas.- Gran sensibilidad para deteccin de defectos pequeos.- Reduccin del ngulo de divergencia, por tanto, mayor concentracin de la energa, lo que da mayor precisin en el posicionamiento de un defecto.- Longitud de onda menor, por tanto menor poder de penetracin, pero mayor poder de resolucin.- Ideales para inspeccin en materiales de grano fino.

b) Palpadores con frecuencias bajas (entre 1 y 2MHz):- Mucha penetracin. - Gran apertura del haz.- Poca sensibilidad. - Solo detectan reflectores grandes. - Para inspeccin de materiales con grano grueso.c) Palpadores con frecuencias entre 10 y 12MHz:- Se utilizan para inspeccin de productos de espesor fino y bajo coeficiente de atenuacin, pudindose realizar los ensayos con cristales de menor dimetro.d) Palpadores con frecuencias de 25 MHz:- No se emplean en los ensayos por contacto, debido al poco espesor del cristal con el consiguiente peligro de rotura. Se utilizan primordialmente en los ensayos por inmersin.e) Dimetro del cristal de los transductores:Si aumentamos el dimetro del cristal, se observa que:- Aumenta el campo prximo.- Disminuye el ngulo de divergencia del campo lejano.- La sensibilidad aumenta.No se pueden utilizar cristales de gran dimetro debido a problemas de acoplamiento y dimensiones de la muestra, por lo que los dimetros de los cristales no tienen ms de 20 a 25mm.DIFERENTES TIPOS DE PALPADORESLos palpadores constituyen una de las unidades bsicas del equipo de ultrasonidos, y se deben considerar como parte integrante del mismo. Se pueden clasificar en dos grandes grupos:- Palpadores de contacto.- Palpadores de inmersin.Palpadores de contactoSe aplican directamente en la superficie de la muestra con una cierta presin, interponiendo un medio de acoplamiento.Dependiendo de la direccin del haz, con relacin a la superficie de entrada de la muestra, se pueden a su vez dividir en:a) Palpadores de incidencia normal.b) Palpadores de incidencia angular.c) Palpadores de ondas de superficie.d) Palpadores angulares de incidencia variable.a) Palpadores de incidencia normalSe utilizan con los equipos que operan con las tcnicas de impulso-eco, transmisin y resonancia, aplicndose en problemas de defectologa, metrologa y caracterizacin.Incorporan cristales que emiten ondas longitudinales, y dependiendo del nmero de cristales que llevan incorporados, se consideran los tres tipos siguientes:- Palpador de cristal nico, emisor y receptor (E+R).- Palpador con doble cristal, uno emisor y otro receptor (E-R).- Palpador con cristales mltiples.

Palpador con cristal nico, emisor y receptor (E+R)En la figura 6.2, vemos el esquema de un palpador con cristal nico emisor-receptor con todos sus componentes:

Figura 6.2

Palpadores con doble cristal, uno emisor y otro receptor (E-R).Para evitar los problemas que se presentan con la utilizacin de los palpadores con cristal nico emisor-receptor, en la deteccin de defectos cercanos a la superficie, debido a la llamada "zona muerta", que es la distancia entre el punto elctrico cero (impulso inicial) y el punto mecnico cero (superficie de la pieza), se han diseado los palpadores con dos cristales, uno emisor y otro receptor (E-R o SE).Como se ve en la figura 6.3, el diseo de estos palpadores consiste en dos columnas de plexigls en forma de medio cilindro, llevando en su parte superior adosados los cristales. Las columnas de plstico y los cristales estn aislados elctrica y acsticamente por medio de una lmina de corcho.

Los cristales van montados con una pequea inclinacin, de uno con respecto al otro, lo que produce un cierto efecto focalizante para conseguir mayor sensibilidad. Este ngulo de inclinacin de los cristales vara entre 0 y 12, y se llama: Angulo de tejado.Cuando se realiza un ensayo con este tipo de palpador se debe poner el equipo en operacin E-R, y conectar el cristal emisor en su enchufe, y el cristal receptor en el suyo.Una gran ventaja de este tipo de palpador es que los cristales emisor y receptor son independientes, lo cual hace posible que se puedan montar los cristales ms idneos, por ejemplo: titanato de bario como emisor, y sulfato de litio como receptor.Se utilizan generalmente para medida de espesores y deteccin de heterogeneidades prximas a la superficie.

Palpador con cristales mltiplesEstn diseados para cubrir determinadas aplicaciones especiales (figura 6.4). Consisten en varios cristales dispuestos en "MOSAICO", montados sobre un adaptador de plstico, que hace el efecto de lente, consiguiendo un haz sin divergencia.

b) Palpadores de incidencia angularComo resumen de lo estudiado en el capitulo 2, recordamos algunos conceptos como ayuda, para comprender mejor el tema de los palpadores angulares.Vimos que las ondas transversales generadas por un cristal piezoelctrico con corte en Y, no eran apropiadas para el examen de materiales.Las ondas transversales utilizadas en el ensayo de materiales se obtienen a partir de un cristal de ondas longitudinales, al que se da una cierta inclinacin para que la onda longitudinal incida con un determinado ngulo sobre la superficie de entrada del material en ensayo.En esta incidencia la onda longitudinal sufre un desdoblamiento de onda y un Cambio de modos. En ese momento, dentro del material en ensayo tenemos, dos ondas refractadas, una longitudinal y otra transversal.Sabemos que la velocidad de la onda longitudinal dentro del mismo medio es el doble, aproximadamente, que la velocidad de la onda transversal. De esto se deduce, que el ngulo refractado longitudinal es mayor que el ngulo refractado transversal.Para cualquier tipo de ensayo nos interesa que dentro del material slo tengamos la onda transversal, por tanto, debemos eliminar la onda longitudinal. Esto se consigue variando el ngulo de incidencia de la onda longitudinal.Aplicando la ley de Snell, vimos que con un ngulo de incidencia de 27,6, la onda longitudinal refractada tiene 90 (fuera del material). Dentro del material, slo nos queda la onda transversal refractada, que en ese momento tiene un ngulo de 33.Si seguimos aumentando el ngulo de incidencia hasta 57,8, el ngulo de la onda refractada transversal es de 90 (fuera del material).Resumiendo: con ngulos de la onda longitudinal incidente entre 27,6 y 57,8, dentro del material en ensayo, solo tenemos ondas transversales refractadas con diferentes ngulos.El anexo 4 al final de este manual, nos da una tabla con el valor de los senos de los diferentes ngulos.Un palpador angular consiste en un cristal de ondas longitudinales, adosado en una de las caras de un prisma de plstico, generalmente perpex, tallado con un ngulo de incidencia adecuado, para conseguir un ngulo de refraccin determinado.Las dimensiones del prisma, se dan en funcin del ngulo de incidencia que se desee. Cuanto mayor sea el ngulo de incidencia, mayor debe ser la longitud y anchura del prisma, para que la seccin del haz ultrasnico quede dentro de la cara de contacto del prisma con la muestra.

Los elementos del palpador como se ve en la figura 6.5 son:1. Cristal piezoelctrico, unido al prisma de plstico por una fina capa de adhesivo.2. Prisma de plstico.3. Amortiguador, utilizado en estos transductores, para evitar que reflexiones internas en el prisma, vuelvan al cristal,4. Carcasa protectora metlica, donde se alojan todos los componentes.5. Conexin elctrica.Estos palpadores deben llevar grabado indeleblemente en la carcasa metlica el ngulo refractado, la frecuencia y el punto de salida del eje del haz.

c) Palpadores de ondas de superficieLas caractersticas de diseo de estos palpadores son exactamente las mismas que para tos palpadores angulares, variando slo la inclinacin del elemento piezoelctrico, para que la onda transversal refractada sea de 90.

d) Palpadores angulares de incidencia variableSon en todo similares a un palpador fijo de incidencia angular. La diferencia consiste, en que permiten variar de una forma continua el ngulo de incidencia (figura 6.6). Se utilizan diversos tipos de ensambles o uniones, como por ejemplo, en rtula plana, cilndrica o esfrica.

Debido a que su construccin es ms complicada y costosa que los palpadores fijos, slo se utilizan en la generacin de ondas de Lamb, de chapa o de barra, para inspeccin de chapas y tubos de pared delgada, es decir, en muestras con superficies paralelas.Palpadores de inmersinEl diseo de un palpador de inmersin es similar al de un palpador de contacto con incidencia normal, con la diferencia que en este caso la estanqueidad del cristal piezoelctrico y las conexiones elctricas deben ser mximas.Este palpador puede ser de cristal nico emisor-receptor (E+R), o de cristal doble, uno emisor, y otro receptor (E-R).En la tcnica de inmersin, entre la muestra a ensayar y el palpador se interpone una columna de agua, por tanto, no es necesario disponer de palpadores de incidencia normal, y de incidencia angular, ya que ambas incidencias se logran variando el ngulo del tubo-palpador con respecto a la muestra.

Figura 6.7Los palpadores de la figura 6.7 son de inmersin local con incidencia normal (a); con incidencia angular (b); y palpador de incidencia normal rodante, o tambin llamado de Rueda (c).Los palpadores de inmersin se emplean con equipos que operan con las tcnicas de impulso-eco, transmisin y resonancia, utilizndose preferentemente en problemas de defectologa y metrologa.Palpadores focalizantes

En estos palpadores se aplican con frecuencia lentes focalizantes para conseguir los efectos convergentes o divergentes del haz ultrasnico. Se recurre preferentemente a lentes de plstico adosadas al cristal, pues el tallado del propio cristal es problemtico, debido al pequeo espesor (figura 6.8).

Con lentes esfricas se consiguen haces cnicos que concentran la presin acstica en un punto (figura 6.9. a).Con lentes cilndricas, se concentra la presin acstica en una lnea (figura 6.9. b).

PALPADORES ESPECIALESSon palpadores con caractersticas muy especiales utilizados en aplicaciones especficas para muestras con formas complejas y naturaleza de material poco comn.a) Palpadores libresUtilizados en inspeccin de materiales con un elevado coeficiente de atenuacin, ya que el cristal oscila libremente y slo sufre su propia amortiguacin interna al carecer de amortiguador. Debido a esto su poder de resolucin es muy bajo, pero como contrapartida su sensibilidad es muy elevada; adems, cualquier impulso elctrico, genera un impulso acstico de gran energa, al no tener que vencer ningn tipo de resistencia.b) Palpadores sper amortiguadosUtilizados para el ensayo de materiales de pared delgada y bajo coeficiente de atenuacin y que requieran un alto poder de resolucin.Como su nombre indica, tienen una mxima amortiguacin, con lo que se logra que los impulsos acsticos emitidos sean extremadamente cortos, con lo que se consigue un alto poder de resolucin. Al tener que vencer la resistencia de la sper amortiguacin, presentan un bajo rendimiento.Por ltimo, mencionar los Palpadores Puntuales y los Palpadores Periscpicos utilizados en inspecciones muy especficas y que no son objeto de este manual.

TECNICAS DE EMISION Y RECEPCION DE LOS ULTRASONIDOSEn los ensayos por contacto se utilizan las tcnicas de: resonancia, transmisin e impulso-eco.En los ensayos por inmersin slo se utilizan dos tcnicas: transmisin e impulso-eco.TECNICA DE RESONANCIAEsta tcnica, est basada en la medida de la frecuencia de resonancia por reflexin, y se utiliza para la medida de espesores de elementos con caras paralelas. Tambin se puede utilizar, aunque en menor grado. para detectar discontinuidades bastas. En la figura 7.1, esta representada esta tcnica.

Figura 7.1En la figura 7.2 tenemos representadas la frecuencia fundamental y los sucesivos armnicos.

La tcnica de resonancia transmite ondas ultrasnicas dentro de una muestra de espesor conocido (e), de una forma parecida a la tcnica de impulso-eco, con la diferencia de que en resonancia las ondas son siempre longitudinales continuas.La frecuencia de la onda es modificada y cuando las oscilaciones cuya semi-longitud de onda sea un submltiplo del espesor de la muestra, se refuerzan por superponerse en fase, y dan lugar al fenmeno de resonancia (formacin de ondas estacionarias).La resonancia es detectada por el equipo generador- indicador, y se representa, o bien con un pico en la pantalla del TRC, o un cambio de sonido audible en los cascos del operador.Un cambio en la frecuencia de resonancia, y que no es debido a un cambio en el espesor de la muestra, se debe a la presencia de una discontinuidad.Aunque, como se ha dicho, esta tcnica no es adecuada para la deteccin de discontinuidades, si se puede utilizar para deteccin de laminaciones en chapa (figura 7.3).

Acoplamos el transductor en la superficie del material (posicin a), y ajustamos la frecuencia hasta obtener el efecto de resonancia. Desplazamos el transductor por la muestra hasta alcanzar la zona (posicin b) donde esta la discontinuidad. En este momento el material parar de resonar a la frecuencia seleccionada, y perderemos la onda al ser la longitud de onda ahora demasiado larga.La discontinuidad acta como un cambio en el grosor del material, por tanto debemos reajustar la frecuencia y la longitud de onda para obtener una nueva onda que nos d el efecto resonancia.TECNICA DE TRANSMISIONEsta tcnica es la mas antigua utilizada en los ensayos ultrasnicos de materiales y operan por transmisin y por reflexin.En esta tcnica es necesario tener acceso a dos caras opuestas de la muestra, ya que el ensayo se realiza con dos transductores, uno que transmite un haz ultrasnico de excitacin continua a la muestra por una de sus caras, y el otro que mide la intensidad acstica del haz ultrasnico que le llega, despus de atravesar la muestra, como se ve en la figura 7.4.

Se calibra el equipo en una zona sin discontinuidades y deducimos que la intensidad acstica recibida por el transductor-receptor es del 100%. Cuando en la muestra est presente alguna discontinuidad la intensidad acstica disminuye proporcionalmente a la superficie de dicha discontinuidad. Esta tcnica tambin es muy utilizada en los ensayos de inmersin, sea esta total o parcial.Hasta ahora hemos hablado de intensidad acstica, pero debemos hacer la salvedad de que cuando se utilizan transductores piezoelctricos, lo que se mide es presin acstica. En la figura 7.5 vemos la disposicin que deben adoptar los transductores en un ensayo por transmisin para utilizar la reflexin de la onda en la superficie de fondo de la muestra, cuando dicha muestra slo es accesible por una cara.

Figura 7.5TECNICA DE IMPULSO-ECOEsta tcnica se basa en el efecto de eco que cualquier reflector (discontinuidad dentro del material, o la superficie de dicho material), produce al ser tocado por un haz ultrasnico.El cristal emisor (figura 7.6) manda un haz ultrasnico, que es reflejado por la discontinuidad, y recogido por el cristal receptor, transformndolo en una indicacin. Algunos palpadores llevan montado un cristal nico que acta como emisor y receptor.Otros montan dos cristales independientes, actuando uno como emisor y el otro como receptor.

Figura 7.6

Se opera siempre por reflexin y excitacin por impulsos; al contrario de las tcnicas de resonancia y transmisin, que lo hacen por excitacin continua.Esta tcnica utiliza dos mtodos:- Medida del tiempo de recorrido (T). - Medida de la intensidad acstica y tiempo de recorrido (IT).Medida del tiempo de recorrido (T)Los equipos estn diseados para medir solamente el tiempo que tarda la onda ultrasnica en recorrer el espesor de un material dado. Se entiende que este recorrido es de ida y vuelta, despus de una reflexin en la superficie limite del material.La indicacin del tiempo de recorrido, se puede representar traducida directamente a espesor del material, por un indicador de aguja o mediante un sistema digital.Los palpadores utilizados tienen conexin fija en los equipos modernos y son de cristal doble, con lo que se potencia la emisin y recepcin al poder montar en el palpador un cristal piezoelctrico emisor con gran mdulo piezoelctrico; e independientemente se monta un cristal piezoelctrico receptor, con una constante de presin alta.Las distintas gamas de espesores se cubren con distintos palpadores de doble cristal, cuyo ngulo de inclinacin y frecuencia hagan la distancia focal idnea para el espesor elegido.En la actualidad son muy utilizados en las industrias, que debido a problemas de corrosin, necesitan un control de mantenimiento para controlar las posibles mermas de espesor en tuberas, recipientes y cascos de barcos, etc. Es posible tambin, la medida del espesor en muestras calientes hasta temperaturas de 40O0C, con cristal y elemento acoplante especiales.Medida de la intensidad acstica y tiempo de recorrido (IT)Los equipos de medida de la intensidad acstica y tiempo de recorrido emiten durante intervalos de tiempo constantes, impulsos acsticos cortos, que al propagarse en la muestra y reflejarse en una discontinuidad interna, o en la superficie limite de dicha muestra, son recogidos, si la direccin es la correcta, por el oscilador que los transforma en una seal elctrica, que se visualiza, previamente amplificada, en la pantalla de un tubo de rayos catdicos. Esta seal consiste en una determinada indicacin cuya altura es proporcional a la presin acstica de la onda reflejada.En la figura 7.7 tenemos un esquema muy simplificado de un equipo de impulso-eco, con el que podemos analizar el proceso siguiendo el esquema del equipo.

Figura 7.7 El generador de alta frecuencia emite un impulso elctrico que llega al emisor y lo transforma, mediante el efecto piezoelctrico recproco, en un tren muy corto de ondas ultrasnicas, que se transmiten desde el oscilador a la muestra a travs del agente de acoplamiento. El tren de ondas, en su recorrido por la muestra, encuentra una discontinuidad, o la superficie limite de la muestra, y se refleja llegando hasta el oscilador receptor, el cual lo transforma en un impulso elctrico de bajo voltaje mediante el efecto piezoelctrico directo. El impulso elctrico de pequeo voltaje necesita ser amplificado, lo que se consigue con el amplificador, y se aplica a las placas de deflexin vertical de un tubo de rayos catdicos, con lo que se produce una indicacin del eco del reflector.Los ecos que aparecen en la pantalla del TRC de la figura 7.7 guardan la siguiente relacin con el objeto ensayado: Eco de la izquierda: se denomina eco de emisin, y aparece en el momento que se excita el cristal al recibir un impulso elctrico del generador. Eco de la derecha: se denomina eco de fondo, se produce por la reflexin del haz ultrasnico en la superficie lmite. Eco del centro: si el haz, en su camino, encuentra una discontinuidad y esta es menor que la seccin transversal del haz, parte de dicho haz se refleja en la discontinuidad dndonos en pantalla un eco de la discontinuidad, situado a la distancia en que se encuentra dentro del material, y cuya altura es proporcional a la presin acstica recibida por el receptor. La otra parte del haz sigue su recorrido hasta llegar a la superficie lmite de la pieza, donde se refleja, dando en pantalla la indicacin del eco de fondo.Si la discontinuidad interpuesta es lo suficientemente grande para abarcar toda la seccin del haz, su reflexin saldra en pantalla en el mismo sitio, pero con una altura mucho mayor, desapareciendo la indicacin del eco de fondo.DETECCIN DE DISCONTINUIDADESA continuacin veremos diferentes ejemplos de deteccin de discontinuidades, pudiendo a su vez determinar su posicin exacta dentro de la pieza.

Figura 7.8. La discontinuidad es menor que la seccin del haz ultrasnico

Tenemos en pantalla el eco inicial, un eco de la discontinuidad cuya altura depender del tamao de dicha discontinuidad y, por ltimo, el eco de fondo.

Figura 7.9. La discontinuidad es mayor que la seccin transversal del haz y lo intercepta totalmente

En pantalla tenemos el eco inicial y una seal muy alta de la discontinuidad. No aparece la seal de fondo.

Figura 7.10. Las discontinuidades son varias, a diferente profundidad y diferente tamao

Vemos en pantalla el eco inicial y una serie de ecos correspondientes a las diferentes discontinuidades, con altura de los ecos proporcional al tamao de la discontinuidad y por ultimo, el eco de fondo. Si alguna discontinuidad est alineada con otra anterior (ms cerca de la superficie de entrada) no saldr en pantalla por estar tapada.

Figura 7.11. La discontinuidad intercepta totalmente el haz y presenta adems una inclinacin con respecto al haz ultrasnicoEn pantalla tenemos solamente el eco inicial. En este caso, deducimos que tenemos en la pieza una discontinuidad grande, pero no sabemos ni orientacin, ni posicin. Tendremos que realizar otra exploracin perpendicular a la primera, o utilizar un transductor angular.

Figura 7.12. El defecto es menor que la seccin transversal del haz, y adems existe falta de paralelismo entre las caras de la muestraEn pantalla slo tendremos el eco inicial y un pequeo eco de la discontinuidad.

Figura 7.13. En este supuesto, el defecto es un estado de microporosidadEn pantalla tendremos un eco inicial y gran cantidad de pequeos ecos no significativos, llamado csped.

Figura 7.14. La muestra tiene superficies paralelasSi seleccionamos un tamao de pantalla que pueda abarcar varias veces el espesor de la muestra, tendremos en pantalla una serie de ecos repetitivos de la superficie final, que mantienen la misma distancia entre ellos. Observamos que la altura de los ecos va disminuyendo debido al efecto de atenuacin en las sucesivas reflexiones.

EQUIPO PARA MEDIDA DE LA PRESION ACUSTICA Y TIEMPO DE RECORRIDOBsicamente, estos equipos estn formados por:- Sistema de sincronismo.- Generador de alta frecuencia.- Amplificador. - Monitores. - Sistema de representacin (tubo de rayos catdicos, TRC).En la figura 8.1 se representa un diagrama de bloques con las funciones de cada uno de ellos.

SISTEMA DE SINCRONISMOEl bloque de funciones de este sistema de sincronismo son las siguientes:a) Genera el voltaje de deflexin horizontal.b) Genera la seal de sincronizacin, para la emisin de impulsos elctricos de alta frecuencia.c) Controla la luminosidad del pincel electrnico.Generador de voltaje de deflexin horizontalActa sobre las placas de deflexin horizontal del TRC, que constituyen la base de tiempo. Como se ve en la grfica nmero 4 de la figura esto se produce por un aumento lineal del voltaje de las placas del TRC, que obliga al pincel electrnico a recorrer la pantalla a una velocidad predeterminada, que haga coincidir el tiempo que tarda en recorrer la anchura total de la pantalla (tiempo activo b} con el tiempo que emplea el haz snico en desplazarse por la muestra en su trayecto de ida y vuelta.Se puede variar la velocidad de barrido del pincel electrnico para cubrir una gama de espesores en acero, desde 10mm hasta 10m, por medio de dos mandos del equipo; uno de ellos dispone de un selector escalonado para conseguir una aproximacin al espesor deseado, y el otro gradual continuo para los distintos escalones del anterior.El equipo dispone de otro mando que nos permite centrar el conjunto de ecos que aparecen en pantalla, desplazando todos los ecos a derecha o izquierda sin variar la distancia que existe entre ellos.Con el mando escalonado elegimos el espesor a controlar, despus actuando alternativamente con el mando continuo y el mando de centrado situamos los sucesivos ecos de fondo a la distancia que representa el espesor a controlar.Los equipos disponen adems de la denominada Lupa de profundidad, que consiste en un dispositivo de centrado horizontal de gran recorrido, que acta para una velocidad de barrido, generalmente la mxima. Esta velocidad, se suele prefijar de forma que el tiempo que tarde el pincel electrnico en recorrer el ancho de pantalla sea equivalente a 10mm de acero.En algunos equipos, si se mantiene constante la velocidad de barrido y se desplaza la imagen con el mando de centrado hacia la izquierda hasta que la profundidad d (a partir de la cual queremos inspeccionar con la lupa de profundidad) se site en el cero de laescala, estaremos inspeccionando en pantalla, los 10mm posteriores a la profundidad d.Emisin de impulsos elctricos de alta frecuenciaEste impulso elctrico produce en el cristal emisor una excitacin con una cierta cadencia, que se denomina Frecuencia de repeticin de impulsos (f.r.i.).Esta f.r.i. debe ser lo mas alta posible para que en la unidad de tiempo se produzcan en el TCR ms imgenes que se superponen, dando un oscilograma ms brillante.Una f.r.i. excesiva no es deseable ya que se puede producir la aparicin de los llamados ecos fantasmas. En los equipos modernos no se produce esta aparicin de falsas indicaciones, ya que la f.r.i. varia automticamente en funcin del rango de espesor seleccionado.Luminosidad del pincel LuminosoEl sistema de sincronismo controla tambin la luminosidad del pincel electrnico, haciendo que su luminosidad se extinga cuando termina su recorrido de la pantalla y vuelve al punto cero para repetir recorrido volvindose a iluminar. Con esto se evita que en pantalla hubiese una superposicin de imgenes, dificultando la interpretacin del oscilograma. Este efecto se ve en la grfica nmero 5 de la figura, en el denominado tiempo pasivo tp.GENERADOR DE ALTA FRECUENCIAEl sistema de sincronismo enva una seal al generador de alta frecuencia poco despus de empezar a elevarse el voltaje de barrido.El generador, como su propio nombre indica, genera un impulso elctrico de alta energa por medio de un tiratrn, que abre y cierra el circuito de un condensador cargado con varios cientos de voltios; este tiratrn, se excita con las seales que enva el sistema de sincronismo.Este impulso elctrico de alta energa se divide en dos: una gran parte va al cristal emisor, el cual se excita y vibra, como se ve en la grfica nmero 1 de la figura, y emite un impulso acstico. La otra pequea parte del impulso elctrico se enva al amplificador, el cual lo amplifica y enva a las placas de deflexin vertical del TRC.Simultneamente, el pincel electrnico inicia el barrido de la pantalla de izquierda a derecha (tiempo activo te, en la grfica nmero 5), obligado por el voltaje creciente (grafica nmero 4). En este momento, como se ve en la grafica nmero 3, tenemos la Seal de emisin, que se forma a la vez que el impulso elctrico llega al cristal.El punto de arranque del eco de emisin nos marca el tiempo cero elctrico, que es el momento en que el impulso elctrico llega al cristal. Desde este momento hasta que el impulso acstico empieza a penetrar en el material, transcurre un tiempo que depende del espesor de la suela protectora del transductor y del material acoplante interpuesto. Es por esto, que el tiempo acstico no coincide con el tiempo elctrico y se produce el error de cero (e) en figura 8.2.

Si el impulso elctrico es corto, el impulso acstico tambin es corto, lo cual es muy importante para poder determinar el poder de resolucin del cristal. Este poder de resolucin es la capacidad que tiene el cristal para diferenciar con la mayor claridad los ecos de dos o ms reflectores prximos (figura 8.3).

Figura 8.3

La duracin del impulso acstico (vibracin del cristal) tiene una marcada influencia en la llamada zona muerta, que es la anchura que ocupa en la base de tiempo la seal de emisin (figura 8.4).

Figura8.4

Cuando el impulso elctrico cesa, el cristal sigue vibrando, y genera una seal que pasa al amplificador, mezclndose con la seal de emisin, ensanchando la zona muerta.Para evitar esto, ya vimos anteriormente en el capitulo de Palpadores la gran importancia que tiene en la construccin del palpador el material amortiguante adosado a la cara posterior del cristal, para evitar las oscilaciones de dicho cristal.Tambin es importante la eleccin del tipo de cristal por su coeficiente de amortiguacin interna particular. Tiene una gran importancia en la duracin del impulso acstico la frecuencia de ensayo, ya que a frecuencias ms altas se producen impulsos acsticos ms cortos, y, por tanto, mejor poder de resolucin y zona muerta mas estrecha.Este problema de la zona muerta solo se presenta en los transductores con cristal nico emisor-receptor.AMPLIFICADORLos impulsos elctricos que llegan al cristal emisor le hacen vibrar. La caracterstica piezoelctrica del cristal transforma estos impulsos elctricos en impulsos acsticos que se transmiten al material, desplazndose por el mismo hasta llegar a un reflector, donde se refleja y vuelve al cristal receptor que es el mismo cristal emisor. El cristal vuelve a utilizar su propiedad piezoelctrica, y transforma los impulsos acsticos que recibe en impulsos elctricos de muy bajo voltaje (del orden de10-3V hasta un mximo de 1V). Como el TRC necesita como mnimo 100V para deflectar la base de tiempo, el amplificador deber tener una ganancia de 100dB.Los mandos para regular la ganancia del amplificador en decibelios son dobles, uno est tarado en saltos