tecnología ultrasónica y sus aplicaciones en la industria

TECNOLOGÍA ULTRASÓNICA Y SUS
APLICACIONES EN LA INDUSTRIA
Ediguer Enrique Franco G., Phd
Depto. de Energética y Mecánica
Universidad Autónoma de Occidente
Contenido
1. Presentación del grupo de investigación.
2. Introducción a la tecnología ultrasónica
3. Aplicaciones
4. Trabajos de investigación realizados y en curso
5. Ideas y trabajos futuros
Presentación del grupo de investigación
GRUTTA – Research Group in Ultrasound
Technology and Applications
Profesores:
Joao Luís Ealo, PhD (Universidad del valle)
Ediguer E. Franco, PhD (Universidad autónoma de occidente)
Alumnos:
Maestría – 2, Pregrado – 3
Vínculos del grupo:
Académicos: Universidad Nacional (Colombia), Consejo Superior de
Investigaciones Científicas (España), Universidad de São Paulo (Brasil)
Con empresa: Dasel Sistemas (España) y Elliptic Labs (Noruega).
Presentación del grupo de investigación
Líneas de investigación:
Desarrollo de transductores de ultrasonidos:
Transductores piezoelectricos para inmersión y
contacto
Transductores sin contacto (acoplados en aire)
Multitransductores (arrays)
Caracterización y evaluación de materiales:
Caracterización sin contacto de papel y textiles
Caracterización de materiales de ingeniería
Caracterización de líquidos
Introducción
Definición de ultrasonido
●
●
Ondas
acústicas
con
frecuencia
mayor
al
rango audible por el ser
humano (>20 kHz).
Las ondas acústicas se
presentan en sólidos,
líquidos y gases.
Infrasonido
Umbral inferior
Umbral superior
Ultrasonido
20 Hz
20 kHz
El ultrasonido en la naturaleza
En el mar, las ondas
acústicas son la única
manera de interacción a
larga distancia.
Animales como ballenas
y delfines desarrollaron
poderosos sistemas
ultrasónicos para
detectar presas y
comunicarse.
Los muerciélagos
desarrollaron sonares
ultrasónicos para
localizar su presa en la
oscuridad.
Historia
El accidente del Titanic en
1912 mostró la necesidad de
un sistema para detectar los
icebergs.
En la WW1, submarinos
alemanes (U-Boats) hundían
barcos y no había manera
de detectarlos.
Historia
Trabajando en la Ecole de
Physique et Chimie de París, usó
el efecto piezoeléctrico de
cristales de quartzo para
desarrollar el primer hidrófono
que fue usado para detectar
icebergs y, posteriormente,
submarinos.
Paul Langevin
En las décadas de 1930 y 1940,
el científico austriaco Karl Dussik
y el escosés Goerge Lewig
generaron las primeras imágenes
médica por ultrasonido.
Karl Dussik
Ventajas de ultrasonido
La gran cantidad de
ultrasonido se deben:
aplicaciones
del
Las ondas ultrasónicas viajan lentamente, aprox.
100.000 veces más lento que las ondas
electromagnéticas.
Esto
permite
mostrar
información temporal, crear atrasos, etc..
● Pueden penetrar materiales opacos, al contrario
que otros tipos de radiación, como la luz visible. El
ultrasonido es un método barato, sensitivo y
confiable para testar y hacer imágenes del interior
de materiales opacos.
●
¿Por qué investigar en ultrasonido?
Hay muchas cosas aun por aprender: Por ejemplo,
entender mejor como funcionan los sonares de los
murciélagos y como se comunican los delfines. Como se
propagan las ondas en materiales superconductores o en
helio líquido, o en materiales anisotrópicos, medios
periódicos, etc.
El ultrasonido tiene muchas aplicaciones y en muchas
disciplinas: química, física, biología, ingeniería, industria
alimenticia, medicina, oceanografía, sismología, etc.
Multidisciplinario: física, electrónica, ciencia de los
materiales y computación.
Propagación de ondas acústicas
Onda acústica: Es una perturbación de presión o
tensión mecánica que se propaga en un medio elástico.
Pueden propagarse en sólidos, líquidos y gases.
Compresión
Rarefracción
c: Velocidad de propagación de la onda
Ecuación de onda
Longitud de onda (λ): distancia recorrida por
la onda en un periodo de oscilación
Ondas acústicas en sólidos
Ondas de cuerpo
Ondas de superficie
Ondas acústicas en líquidos y gases
En general, en medios líquidos y gaseosos solamente
pueden propagarse ondas longitudinales o de presión.
En la superficie libre de líquidos se propagan ondas.
Comportamiento de las ondas acústicas
Difracción: dispersión de la onda a medida que
se propaga.
Reflexión y transmisión: las ondas se reflejan y
atraviesan obstáculos dependiendo de las
características físicas de los medios.
Interferencia: composición o suma que puede
generar patrones complejos.
Atenuación: la onda pierde energía a medida
que se propaga, debido a procesos irreversibles a
nivel molecular.
Conversión de modo: ondas longitudinales
pueden convertirse en trasversales, y viceversa,
en procesos de transmisión-reflexión con sólidos.
Transductores ultrasónicos
Son los dispositivos encargados de generar y recibir las ondas
acústicas.
Principios de funcionamiento: piezoelectricidad magnetostricción,
campo electrostático
Características de un transductor ultrasónico
Tipo de onda: longitudinal, trasversal, de superfície.
Frecuencia de trabajo: 1 MHz, 5 MHz, etc.
Superficie irradiante: área y geometría (circular, rectangular, etc.)
Ancho de banda:
Dominio del tiempo
Dominio de la frecuencia
Tipos de transductores ultrasónicos
Monoelemento
Multitransductores (arrays)
Campo acústico generado por transductores ultrasónicos
Campo irradiado por un transductor circular plano (φ 0,75 inch)
1 MHz
4 MHz
8 MHz
Fuente: www.ndt-ed.org
Modos de funcionamiento
Funcionamiento en
modo pulso-eco.
Funcionamiento en
modo
transmisiónrecepción.
Tipos de acoplamiento
Dedido a la baja impedancia acústica del aire, las ondas no se propagan del
transductor al material sin la presencia de una sustancia acoplante.
Fluido acoplante entre el
transductor y la pieza.
Acoplamiento por inmersión.
Generación y adquisición de U.T.
Montaje sencillo de laboratório
Osciloscopio
Equipo portátil de uso industrial
Pulsador/receptor
Transductor
(fuente: Krautkramer)
Aplicaciones del
ultrasonido
Ensayos no destructivos por ultrasonido
Principio de detección de fallas en piezas mecánicas:
initial
pulse
crack
echo
back surface
echo
crack
0
2
4
6
8
10
plate
Discontinuidades en el material o cambios
de sus propiedades causan ecos o atenuación
que modifican la propagación de la onda.
La técnica es importante en los programas
de mantenimiento preventivo.
Totalmente no invasiva.
Ensayos no destructivos por ultrasonido
Sistema de inspección de soldaduras circunferenciales
(fuente: Olympus NDT)
Sistema para inspeccionar oleoductos en busca de
corrosión (pigs ultrasónicos)
Robot usado para inspeccionar cascos de barco por
debajo de la línea de flotación
Sonar
Eco-localización en cuerpos de agua:
defensa, pesca, geología, etc.
Aplicaciones civiles
Aplicaciones
de defensa
El ultrasonido en la medicina
La ecografía es la aplicación más ampliamente conocida.
Los ecógrafos son equipos sofisticados, que usan un hardware complejo y
su costo es muy alto. Sin embargo, estos equipos se han vuelto
esenciales en la medicina moderna.
Existen otras aplicaciones como fisioterapia (especialmente en medicina
deportiva) y tratamientos estéticos.
Eliminación
de cálculos
renales
Ecografía
Fisioterapia
Imágenes y microscopía ultrasónica
Imagen producida usando el eco
reflejado por la superficie
Imagen producida usando el eco
reflejado por el fondo
Microscopio ultrasónico
Imagen ultrasónica de
un chip semiconductor
Ultrasonido de potencia
●
Se usan campos acústicos de alta intensidad para realizar
tareas como limpieza de piezas mecánicas, soldadura de
tejidos sintéticos, levitación acústica, entre otras
aplicaciones.
Ultrasonido de potencia
Reducción temporal de la viscosidad:
Fuente: Cavitus Pty Ltd., Australia
Ultrasonido de potencia
Extracción:
Fuente: Cavitus Pty Ltd., Australia
Ultrasonido de potencia
Eliminación de espuma:
Fuente: Pulsonics Inc., USA
Ultrasonido de potencia
Eliminación de espuma:
Fuente: Ultratecno – Ultrasonidos Lover S.A., España
Trabajos de investigación
realizados y en curso
Caracterización de papel
• Caracterización sin contacto de papel y membranas de
microfiltración usando ultrasonido.
•
Montaje Experimental:
1- Equipo ultrasonido
2 - Transductor emisor
3 - Transductor receptor
4 - Muestra de papel
5 - Computador.
Propiedades medidas: densidad, espesor, velocidad de
propagación y atenuación.
Caracterización de papel
Señales adquiridas
Modelo adquirido
Caracterización de papel
Muestras de papel producido por PROPAL S.A.
Medidas Preliminares
Muestra (Densidad Espesor
Densidad
superficial )
(μm)
Volumétrica
(Kg/m3)
75
105
722
90
125
737
115
150
762
150
205
746
Espectro de la primera resonancia del
modo espesor para la muestra de 115 g/m2
Densidad superficial (gramaje)
determinada por ultrasonido frente a la del
fabricante
• Extensible a la caracterización de hojas de plantas,
especialmente para la determinación de su contenido de
humedad.
Caracterización ultrasónica de materiales
Materiales isotrópicos:
Dispositivo de medición
Montaje experimental
Medición del módulo elástico y el módulo Poisson en materiales
puros (aluminio, cobre) y otros materiales de ingeniería (acero y
vidrio) con desvíos menores al 3,0%.
Caracterización ultrasónica de materiales
Materiales anisotrópicos:
El mismo montaje experimental
usado
para
materiales
isotrópicos permite caracterizar
materiales anisotrópicos, como
materiales
compuestos
y
cristalinos, de gran importancia
en la industria.
Inspección por ultrasonido de
materiales de ingeniería.
Materiales compuestos
en un avión comercial
Diseño de transductores cónicos
Diseño de transductores cónicos para mapeo sin contacto de
superficies
Ventajas:
Profundidad de foco
Resolución lateral
Generación de vórtices acústicos
• Generación
y caracterización
polímeros piezoeléctricos
de
vórtices
usando
Generación de vórtices acústicos
Características del
haz:
Capacidad de
autoreconstrucción y
robustez en medios
heterogéneos o ante
obstrucción parcial.
Útil para entender
fenómenos ópticos y de la
mecánica cuántica.
Transporta momento
angular (trans. De partículas).
Control de rotación de
objetos en un “tweezer”.
Posibilidad de usar el haz
para propósitos de
alineamiento.
Generación de vórtices acústicos
• Generación de vórtices en aire con multitransductores:
Deflexión y focalización
Inspección ultrasónica y sin contacto de textiles
• Diseño, fabricación y caracterización
de un multi-transductor basado en
ferroelectretos para inspección sin
contacto de textiles.
Detección de perdida de fibras
textiles
Inspección ultrasónica y sin contacto de textiles
• Diseño, fabricación y caracterización de un multi-transductor
cóncavo basado en ferroelectretos para inspección sin
contacto de textiles.
Tela pintada
Imagen por ultrasonido
Interacción sin contacto con dispositivos electrónicos
Lentes especiales diseñadas.
Fuente: Elliptic Labs.
Medición de viscosidad por ultrasonido
Viscosidad de aceite de oliva
medido por ultrasonido a
Diferentes frecuencias
Aplicaciones con emulsión agua-aceite
Determinación de la presencia de aceite en agua:
Montaje experimental
Celda de medición
Posibles aplicaciones:
Monitorización
de
la
calidad del agua en ciclos
térmicos.
Resultados para una adición de 0,5%
de aceite motor en agua
Detección de vertimientos
en ríos (Ing. Ambiental).
Desarrollo de transductores convencionales
Un transductor de ultrasonido convencional, como los usados
en END, puede costar entre 200 y 1500 dólares, y su parte
central es una cerámica piezoeléctrica que cuesta 5 dólares.
Ideas y trabajos futuros
Ideas y trabajos futuros
1. Aproximación a la medición sin contacto de suavidad/rugosidad en papel tisue con
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
ultrasonidos en aire.
Caracterización de materiales especiales empleando espectroscopía
ultrasónica por incidencia oblicua.
Implementación de la medición de vibración de ondas de placa (Lamb Waves)
empleando métodos híbridos (acusto ópticos).
Implementación de un laboratorio para la inspección ultrasónica No Destructiva de
componentes mecánicos en concordacia con las normas ASTM E-797, E-1001, E-273,
E-114 y E-1901.
Caracterización de fenómenos de fricción por métodos acústicos.
Diseño de un actuador Langevin para aplicación en tamizado de finos.
Estudio y análisis de no lineal de resonancias en actuadores electroacústicos (nonlinear
resonance analysis).
Desarrollo y caracterización de acelerómetros para medición de vibraciones empleando
ferroelectretos celulares.
Desarrollo y caracterización de multitransductores para inspección por inmersión
empleando sistemas Phased Array.
Caracterización sin contacto de fenómenos de desgaste por emisión acústica.
Estudio detallado de la estrategias de control activo de ruido
proveniente de la líneas de embotellado.
Implementación de un laboratorio de control activo de vibraciones.
Muchas gracias por su atención
¿Preguntas?
Contacto:
Joao Luís Ealo – Universidad del Valle,
joao.ealo@correounivalle.edu.co
Enrique Franco G. – Universidad Autónoma de
occidente, eefranco@uao.edu.co