Ensayo de ultrasonidos
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ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS: ULTRASONIDOS. 1. DEFINICIÓN Y FUNDAMENTOS DEL ENSAYO...........................................................................2 1.1. Naturaleza y propiedades de las ondas ultrasónicas...............................................................3 1.2. Parámetros que caracterizan las ondas acústicas....................................................................4 1.3 Comportamiento de las ondas ultrasónicas en superficies límites. .........................................6 1.4 Atenuación de las ondas ultrasónicas en los sólidos. ..............................................................8 1.5 Generación de ondas ultrasónicas. ..........................................................................................9 1.6 Geometría del haz de ultrasonidos. Campo próximo y campo lejano...................................10 2. CARACTERÍSTICAS DE LOS PALPADORES. .............................................................................12 2.1 Palpadores de incidencia normal...........................................................................................12 2.2 Palpadores angulares. ............................................................................................................13 3. METODOS PARA LA VERIFICACIÓN DE MATERIALES POR ULTRASONIDOS. ................14 3.1. Método de intensidad o de transparencia o sombra. ............................................................14 3.2 Método de impulso y eco ......................................................................................................15 Ensayos no destructivos: Ultrasonidos___________________________________________________________________ 1. DEFINICIÓN Y FUNDAMENTOS DEL ENSAYO. La técnica de ensayos no destructivos por ultrasonidos se emplea para la detección de defectos internos en las piezas – por ej. poros, grietas, calidad de las uniones, etc.-. Se fundamenta en interpretar los cambios producidos en las ondas ultrasónicas a su paso por un material, para deducir las características geométricas de éste. Los ultrasonidos son ondas acústicas de idéntica naturaleza que las ondas sonoras, se diferencian de éstas en que su frecuencia de vibración está por encima de la frecuencia de las ondas audibles –se consideran audibles las frecuencias inferiores a 20 KHz. SONIDO Existen numerosas aplicaciones que utilizan las vibraciones ultrasónicas en medios sólidos, líquidos o gaseosos. Algunas utilizan la energía de las ondas ultrasónicas para transformar el medio al que se aplican. Tal ocurre en medicina donde se usan con fines terapéuticos o en la industria para activar procesos de naturaleza física (filtros, aglomerantes) o química (aceleración de reacciones, limpieza de piezas). En medicina es muy conocida la ecografía como una técnica que facilita el diagnóstico. También son muy conocidas las aplicaciones marinas de los ultrasonidos (sonar), donde son usadas para trazar mapas del fondo marino, detectar bancos de peces, u otros objetos. En la industria, los ultrasonidos resultan muy adecuados para medir las características físicas de productos o materiales y determinar, en su caso, la existencia de defectos internos La aplicación de esta técnica requiere de tres componentes básicos: 1.- Sistema de emisión de ultrasonidos, que introduce las ondas acústicas en el medio explorado. Consta de un circuito electrónico de excitación, uno o varios transductores o palpadores que transforman la energía eléctrica en energía mecánica y el acoplante que realiza la transmisión de la energía desde el transductor hasta el medio explorado. 2.- Medio explorado, del cual se pretende obtener información física interpretando las perturbaciones producidas en las ondas ultrasónicas a su paso por el material al interaccionar con los defectos. 3. Sistema de recepción, que consta de uno o varios sensores capaces de convertir las ondas mecánicas en señales eléctricas (pueden ser los mismos transductores que realizan la emisión), y un sistema de tratamiento de las señales eléctricas que puede ser analógico y/o digital. Para comprender el principio de funcionamiento de la técnica es necesario en primer lugar estudiar la naturaleza y propiedades de las ondas ultrasónicas. 2 ___________________________________________________________________ Ensayos no destructivos: Ultrasonidos 1.1. Naturaleza y propiedades de las ondas ultrasónicas. Los ultrasonidos son vibraciones mecánicas de frecuencia superior a 20 KHz que se propagan por los materiales, mediante el movimiento de vibración de sus átomos o moléculas, por tanto no pueden propagarse en el vacío. Existen diversos modos o tipos de ondas: longitudinal, transversal, de superficie y otros agrupados bajo la denominación de ondas de Lamb: • Ondas longitudinales, son aquellas en las que el movimiento de las partículas del medio es paralelo a la dirección de propagación de las ondas, también reciben el nombre de ondas de presión o compresión. Esta es la verdadera onda de carácter audible, ya que transmite las oscilaciones de una fuente de energía acústica a través del aire hasta nuestro oído. Estas ondas se trasmiten también a través de líquidos o sólidos. Figura 1. Ondas longitudinales. En un sólido podemos imaginar que sus partículas individuales se mantienen en s posición mediante fueras elásticas, tal como el modelo en dos dimensiones representado en la figura. Supongamos que se excitan colectivamente todas las partículas del borde izquierdo del modelo según una oscilación horizontal sinusoidal, de manera que todas las partículas del primer plano oscilen con la misma amplitud (longitud de la oscilación) y la misma frecuencia (número de oscilaciones por segundo). Las fuerzas elásticas transmitirán las oscilaciones a las partículas del segundo plano estas al siguiente y así sucesivamente propagando la onda a través del sólido. Figura 2: modelo de un cuerpo elástico. Este modelo no es aplicable a líquidos o gases dado que estos las partículas individuales no están sujetas a una posición sino que son libres. No obstante, los líquidos y gases ofrecen resistencia a ser comprimidos o expandidos. Si se hace vibrar una membrana el fluido inmediato a ella sufrirá compresiones y descompresiones que seguirán el mismo ritmo de vibración que la membrana. Se originará una propagación de ondas en forma de sobrepresiones y depresiones alternadas que se irán transmitiendo por el fluido por choques sucesivos. Por consiguiente líquidos y gases pueden también transmitir estas ondas. La facilidad con la que se transmiten las ondas longitudinales en los distintos medios, hace que sean éstas las más importantes para los ensayos de materiales. 3 Ensayos no destructivos: Ultrasonidos___________________________________________________________________ • Ondas transversales, son aquellas en las que el movimiento de las partículas del medio es normal a la dirección de propagación de las ondas. Estas sólo pueden propagarse a través de medios sólidos. Los líquidos y gases son incapaces de transmitir este tipo de ondas dado que no ofrecen resistencia al deslizamiento transversal (tienen un módulo de elasticidad trasversal (G) igual a cero). Figura 3: ondas trasversales. • Ondas de superficie, se pueden considerar como un tipo especial de onda transversal, se propagan solamente en la superficie de un sólido. 1.2. Parámetros que caracterizan las ondas acústicas Definiremos algunos parámetros de la onda necesarios: Amplitud de oscilación (A), es el desplazamiento máximo de una partícula de su posición cero. Frecuencia de la onda (f), número de oscilaciones de las partículas por segundo (frecuencia angular ω=2πf). Longitud de onda (λ), distancia entre dos planos en los que las partículas se encuentran en el mismo estado de movimiento. Velocidad acústica (C), velocidad de propagación de la onda, es independiente de la frecuencia y, por tanto, es una constante del material. Está relacionada con las anteriores como: C=f·λ Para las ondas longitudinales existe una relación entre la velocidad de propagación de la onda acústica, el módulo de elasticidad (E), el coeficiente de Poison (µ) y la densidad (ρ) CL = E (1 − µ ) ρ (1 + µ )(1 − 2µ ) CT = E G = ρ 2(1 + µ ) ρ En ondas transversales: En la tabla 1 se muestran las velocidades de propagación de ondas longitudinales y transversales en distintos materiales, puede observarse que CT ≅ CL. 4 ___________________________________________________________________ Ensayos no destructivos: Ultrasonidos Material Acero Aluminio Latón Agua Aire Velocidad ondas longitudinales (m/s) 5950 6320 4400 1480 330 Velocidad ondas transversales (m/s) 3230 3080 2122 - En la tabla 2 se presentan algunos otros parámetros de interés junto a su definición unidades en sistema internacional y las relaciones entre ellas. Parámetro y unidades Definición ρ(Kg/m3) Densidad del material f (s-1=Hz=ciclos/s) Frecuencia de la onda: número de oscilaciones de las partículas por segundo ω (s-1=Hz=ciclos/s) Frecuencia angular λ (m) Longitud de onda: distancia entre dos planos en los que las partículas se encuentran en el mismo estado de movimiento. A (m) Amplitud máxima de oscilación: desplazamiento máximo de una partícula de su posición cero C (m/s) Velocidad acústica: velocidad de propagación de la onda. C = f ⋅λ Velocidad máxima de vibración V = ω ⋅A Z (Kg·s/m ) Impedancia acústica: resistencia que opone un material a la vibración de la onda Z = ρ ⋅C P (N/m2) Presión acústica: fuerza por unidad de superficie P = ZV = Z ω A = ρ C ω A Ee (J/m3=Ws/m3) Energía acústica específica: energía por unidad de volumen Ee = I (W/m2) Intensidad acústica: cantidad de energía que pasa por unidad de área en la unidad de tiempo I= V (m/s) 2 Algunas relaciones ω = 2π f 5 1 1 P2 ρV 2 = 2 2 ZC 1 P2 2 Z Ensayos no destructivos: Ultrasonidos___________________________________________________________________ Escala de intensidades En acústica la intensidad, cantidad de energía que pasa por unidad de área en la unidad de tiempo o potencia transmitida por unidad de superficie, no suele medirse en las unidades del sistema internacional W/m2. Dado que el rango de intensidades acústicas es muy amplio, se suele utilizar una escala logarítmica en la que se mide un nivel de intensidad acústica con relación a una intensidad de referencia que es el umbral de audición. Esta unidad es el belio (en honor a Graham Bell), aunque en la práctica se utiliza el decibelio (dB). dB = 10·log I I0 donde I es la intensidad sonora medida en unidades S.I. e I0 es la intensidad de referencia en unidades S.I. elegida como el umbral de audición que es 10-12W/m2. (Ejemplos: umbral de audición: 0dB, un susurro humano: 10 dB, una conversación normal a 1m: 60 dB, un grito a un metro: 80 dB, el despegue de un avión: 120 dB, umbral de dolor: 130 dB). En términos de presión acústica: (1 2)·(P 2 dB = 10·log (1 2)·(P02 ) ) 2 P P Z = 10·log = 20·log Z P0 P0 donde P0=2·10-5N/m2. 1.3 Comportamiento de las ondas ultrasónicas en superficies límites. La presencia de superficies límites (interfases o superficies de separación entre medios de distinta impedancia acústica) da lugar a la aparición de fenómenos de reflexión, refracción, difracción, dispersión y absorción de las ondas ultrasónicas. Cuando una onda alcanza la superficie de separación de dos medios de distinta naturaleza se producen, en general dos nuevas ondas, una que retrocede hacia el medio de partida y otra que atraviesa la superficie límite y se propaga en el segundo medio. Distinguiremos dos casos: que la incidencia sea perpendicular o que sea oblicua. 6 ___________________________________________________________________ Ensayos no destructivos: Ultrasonidos Por el principio de conservación de la energía: Ii = I r + I t Los coeficientes de reflexión y transmisión se definen: Coeficient e de reflexión R = Ir Ii Coeficient e de transmisi ón T = It Ii Y cumplen: R+T=1 Para la presión acústica no es de aplicación la ley de conservación de la energía, los coeficientes reflexión y transmisión se definen: R' = Pr Pi T' = Pt Pi Y según las leyes de la acústica: R' = Z 2 − Z1 Z 2 + Z1 T' = 2·Z 2 Z 2 + Z1 O sea, que cuando se transmite una onda en el interior de una pieza de acero y llega perpendicular a un extremo formado por una cara plana, en contacto con el aire, toda la onda rebota como si se tratase de un eco (acero:Z1 = 45·106, aire: Z2= 0,0004·106 por tanto R’≅R≅1 y T’≅T≅0) Si la onda acústica incide oblicuamente en la interfase que separa dos medios, se producen ondas reflejadas y ondas transmitidas o refractadas de modo similar a lo que ocurre en óptica. En la reflexión los ángulos de incidencia y reflexión coinciden. En la refracción la relación entre los ángulo de incidencia y el de las ondas transmitidas o refractadas cumplen la llamada ley de Snell: Para que se produzca refracción el ángulo de incidencia debe ser superior a un valor determinado llamado ángulo límite. 7 Ensayos no destructivos: Ultrasonidos___________________________________________________________________ Estos fenómenos se complican algo más si tenemos en cuenta que al reflejarse o transmitirse las ondas, se desdoblan y una onda longitudinal da lugar a una onda longitudinal y otra transversal, tanto en la reflexión como en la refracción. Igual ocurre en la reflexión y refracción de ondas transversales, que darán lugar a ondas longitudinales y transversales, tanto reflejadas como transmitidas. Teniendo en cuenta que la velocidad de propagación de las ondas transversales es menor que la de las ondas longitudinales, los ángulos de reflexión o refracción de las ondas transversales serán menores que los de sus respectivos de las ondas longitudinales. 1.4 Atenuación de las ondas ultrasónicas en los sólidos. Las ondas ultrasónicas al propagarse por un medio sufren una atenuación, es decir, una pérdida de intensidad. Esto es debido a dos causas, la dispersión producida porque los materiales no son estrictamente homogéneos y la absorción, conversión directa de la energía ultrasónica en calor por efecto del rozamiento en el movimiento de las partículas del medio. 8 ___________________________________________________________________ Ensayos no destructivos: Ultrasonidos En caso de materiales muy homogéneos y con dispersión prácticamente nula, la atenuación del sonido se produce únicamente debido a la absorción, en este caso, la atenuación α se puede obtener como: P = P0 e − α d siendo P0 y P las presiones sonoras en 2 puntos separados por una distancia d. 1.5 Generación de ondas ultrasónicas. Para la generación de ondas ultrasónicas se hace uso del efecto piezoeléctrico. Dicho efecto consiste en que ciertos materiales, denominados piezoeléctricos, tienen la propiedad de que si se deforman al recibir una presión mecánica externa, aparecen unas cargas eléctricas en su superficie, es decir, se establece una diferencia de potencial entre sus caras. A la inversa, al aplicar un potencial eléctrico a las caras de este material cambia de tamaño produciendo una onda de presión. El primer efecto se denomina directo y se aplica para medir presiones, deformaciones y oscilaciones, es decir, como receptor de ultrasonidos. El segundo efecto se denomina inverso o recíproco y se aplica para producir o generar presiones, deformaciones y oscilaciones, es decir, como emisor de ultrasonidos. El material piezoeléctrico más conocido es el cuarzo que suele presentarse en forma de prisma hexagonal, con pirámides en los extremos. Se talla una lámina normalmente a uno de los ejes X o Y, obteniéndose cristales piezoeléctricos denominados de corte en X (para generar o recibir ondas longitudinales) o de corte en Y (para generar o recibir ondas transversales). En la figura se muestra un detalle de la estructura del cuarzo, SiO2. Lógicamente el cristal, en conjunto, es eléctricamente neutro. Cuando se aplica una presión mecánica en la dirección del eje X, o en la transversal Y, los iones se desplazan dando lugar a la formación de un dipolo eléctrico, liberándose cargas eléctricas en las superficies A y B, entre las que se establece una tensión eléctrica. El efecto se utiliza en la recepción de ondas ultrasónicas. 9 Ensayos no destructivos: Ultrasonidos___________________________________________________________________ Al incidir una onda ultrasónica longitudinal, perpendicularmente, sobre una lámina de cuarzo en corte X, ésta queda sometida a una solicitación dinámica de compresión-tracción, apareciendo como consecuencia de ello una tensión eléctrica alterna que el equipo de ultrasonidos amplifica y registra. Lo mismo se puede decir de una lámina de cuarzo en corte Y, cuando sobre ella incide una onda ultrasónica transversal. El efecto piezoeléctrico recíproco se utiliza en la generación de ondas ultrasónicas: si se somete la lámina de cuarzo, en corte X o Y, a una tensión eléctrica alterna, entre las dos caras opuestas A y B, se origina una vibración mecánica del mismo ritmo, en dirección longitudinal o transversal, respectivamente. Se logra la máxima eficacia, máxima amplitud de oscilación del cristal, cuando la frecuencia de excitación eléctrica coincide con la frecuencia característica fundamental del oscilador, que depende de las dimensiones del cristal y la velocidad acústica en el mismo. fc = C 2d Si el cristal piezoeléctrico se excita a una frecuencia distinta a la de resonancia, oscilará a aquella frecuencia según una oscilación forzada, pero con una amplitud mucho menor. El número de piezoeléctricos disponibles es considerable debiendo atender a las características que presentan para seleccionar el más adecuado para cada material a inspeccionar. Algunos de estos transductores pueden ser: cuarzo, titanato de bario, metabionato de plomo, sulfato de litio, etc. 1.6 Geometría del haz de ultrasonidos. Campo próximo y campo lejano. Antes de comenzar a describir los procedimientos de verificación por ultrasonidos, y después de haber visto las principales características de las ondas ultrasónicas y su generación, conviene tener una somera idea de la forma del haz de ultrasonidos y de su geometría. El campo sonoro varía con las características del foco emisor, que en este caso son piezoeléctricos. En la propagación del haz se distinguen dos zonas, una primera de geometría cilíndrica hasta una cierta distancia L0 del cristal emisor, y otra tronco cónica como si el ultrasonido se emitiese desde un foco puntual en el centro del cristal. 10 ___________________________________________________________________ Ensayos no destructivos: Ultrasonidos La distancia L0 se conoce como alcance próximo y, su dimensión depende del diámetro del cristal y de su longitud de onda: L0 = (D2 – λ2) / 4 λ Cuando λ es muy pequeña con respecto al diámetro del cristal (alta frecuencia 10MHz o más) se puede despreciar el término λ2 con respecto al diámetro. L0 = D2 / 4 λ En esta zona en las proximidades del foco emisor tienen lugar rápidas variaciones de presión debidas a interferencias de ondas que provienen de diferentes puntos de la superficie del cristal. Tales variaciones se producen en la zona denominada campo próximo, que se trata en realidad de un campo de interferencias. A partir de L0 nos introducimos en el campo lejano y el haz queda confinado en la geometría del cono, es decir, por la envolvente cuya divergencia corresponde al ángulo γ: Sen γ = K. λ /D siendo K una constante que depende del cristal. La distribución de presiones en el campo lejano es tal como se muestra en la figura. La máxima presión acústica se ejerce en el eje del cristal, y tiene su máximo al final de campo próximo. A partir de ahí la presión disminuye con la distancia y en su distribución puede observarse como se ensanchan las curvas de las secciones transversales, reduciéndose las alturas contadas sobre el eje del campo. 11 Ensayos no destructivos: Ultrasonidos___________________________________________________________________ En el ensayo de materiales es aconsejable seleccionar los palpadores de forma que los defectos a detectar coincida con la posición del inicio del campo lejano donde la presión acústica el máxima. 2. CARACTERÍSTICAS DE LOS PALPADORES. Una vez producido el ultrasonido el siguiente paso es introducirlo en el material a analizar. Para conseguirlo se usa un acoplamiento acústico, es decir, un material que permita la transmisión de las oscilaciones producidas por el cristal. Este acoplamiento tiene como finalidad eliminar el aire existente entre el cristal y la pieza a inspeccionar, para lo cual se suele utilizar aceite fluido o grasa consistente, dependiendo del grado de rugosidad de la superficie de la pieza. Al dispositivo emisor o receptor de la onda ultrasónica se le llama palpador e incluye el cristal piezoeléctrico y las conexiones eléctricas. Lógicamente existen diferentes tipos, con distintos diámetros, dirección de propagación de la onda y con diversos piezoeléctricos que producen diferentes frecuencias. Según la dirección de propagación de las ondas ultrasónicas con relación a la superficie de la muestra, los palpadores se clasifican en palpadores de incidencia normal y en palpadores angulares. 2.1 Palpadores de incidencia normal Se emplean en los equipos que operan por métodos de resonancia, impulso-eco o transparencia y se aplican a problemas de defectología, metrología y caracterización. La mayor parte son diseñados para emitir ondas longitudinales. Según el número de osciladores o cristales que llevan incorporados se distinguen distintos tipo: de cristal único, emisor y receptor, de doble cristal, uno emisor y otro receptor o de cristales múltiples. En la figura se observa el esquema de un palpador de incidencia normal de cristal único emisor y receptor. El dispositivo consta además del cristal piezoeléctrico de una caja o carcasa que protege el conjunto, los cables de conexión eléctrica, un material amortiguador y normalmente una suela de protectora para evitar rozamientos y desgaste del cristal. El amortiguador sirve para soportar mecánicamente el cristal, reducir se tiempo de oscilación y absorber las ondas de interferencia. Con objeto de explorar la “zona muerta” causada por el campo próximo del palpador, que oscila entre 4 y 5 mm para palpadores sin suela sobre acero, se utilizan palpadores con dos cristales aislados eléctrica y acústicamente, uno emisor y otro receptor, montados con una cierta inclinación convergente que concentra el haz ultrasónico. Con ello se consigue la máxima sensibilidad en las proximidades de la superficie del material a ensayar, pudiendo medir espesores y detectar defectos a partir de distancias equivalentes a la longitud de onda. 12 ___________________________________________________________________ Ensayos no destructivos: Ultrasonidos 2.2 Palpadores angulares. Para conseguir un haz de ultrasonidos que incida con una dirección oblicua y no normal a la superficie de la pieza se utilizan palpadores angulares cuyo esquema aparece en la figura . Consiste en un oscilador de ondas longitudinales montado sobre una de las caras de un prisma de plástico. Cuando la onda sonora incide oblicuamente en la superficie de la pieza, las ondas longitudinales se desdoblan dando lugar a una onda longitudinal y otra transversal, tanto en la reflexión como en la refracción. Debido a que el control con dos ondas sonoras dentro de la pieza sería realmente engorroso, se procura trabajar únicamente con una, la transversal. Para ello se elige un ángulo de incidencia superior al ángulo límite de las ondas longitudinales, con el fin de que queden anuladas y sólo se produzca refracción de las ondas transversales. Lógicamente dicho ángulo de incidencia deberá se menor que el ángulo límite de las ondas transversales, dado que este caso también estas ondas quedaría anuladas. En el caso del acero el ángulo de incidencia estará pues comprendido entre 27.6º y 57.8º. En la práctica el ángulo de incidencia no tiene interés práctico alguno sino que el que en realidad interesa es el ángulo de refracción. Generalmente los palpadores angulares poseen ángulos de entrada de 35º, 45º, 60º, 70º y 90º. Los palpadores se identifican por las abreviaturas que presentan en su tapa superior. La primera letra que aparece indica el tipo de cristal que se utiliza: B titanato de bario, Q cuarzo, K cristales especiales. A continuación aparece un número que indica la frecuencia del cristal del palpador, en la mayoría de los casos las frecuencias utilizadas oscilan entre 0,5 y 25 MHz. Seguidamente aparecen una serie de letras que indican las características físicas del palpador. Así, por ejemplo, si aparece una “S” es que se trata de un palpador con suela protectora, si existe una “T” es que se trata de un palpador que es sumergible en agua. Si delante de la letra que indica el tipo de cristal aparece una “M” es que se trata de un palpador en miniatura y, si además posee una “S” delante de la “M” es que se trata de un palpador subminiatura. 13 Ensayos no destructivos: Ultrasonidos___________________________________________________________________ 3. METODOS PARA LA VERIFICACIÓN DE MATERIALES POR ULTRASONIDOS. Una vez descritos los fundamentos básicos de los ultrasonidos, pasaremos a continuación a describir los principales métodos para la verificación de materiales por ultrasonidos. 3.1. Método de intensidad o de transparencia o sombra. En este método el oscilador emisor genera un haz de ondas ultrasónicas que es recibido por otro oscilador receptor. Cuando el haz de ondas ultrasónicas es interceptado por un obstáculo, disminuye la intensidad acústica del haz ultrasónico captada por el receptor y de la apreciación de dicha reducción de la señal se puede deducir la magnitud del obstáculo interceptado. El sistema debe calibrarse en una zona exenta de defectos y los palpadores, con excitación continua, pueden ser de incidencia normal, situados a cada lado de la pieza o de incidencia angular cuando las condiciones de accesibilidad de la pieza hacen necesario el ensayo por reflexión. 14 ___________________________________________________________________ Ensayos no destructivos: Ultrasonidos 3.2 Método de impulso y eco En el método anterior es imprescindible el uso de dos palpadores, uno que continuamente emita y otro cuya misión es únicamente recibir lo que se transmite a través de la pieza a verificar. En el método de impulso y eco, como en el anterior, hay que medir la presión sonora, sólo que en este caso se mide la reflejada y no la transmitida. Se usa un único palpador que actúa como emisor y receptor, lógicamente al tener las dos funciones deberá de emitir un impulso y deberá de dejar de transmitir durante un cierto intervalo, con el fin de recibir la onda reflejada en una superficie límite, que puede ser bien una pared de fondo, bien una reflexión en una discontinuidad. Dichas ondas reflejadas son las que llamamos ecos. El empleo de impulsos ultrasónicos tiene todavía otra ventaja: se puede medir el tiempo de recorrido de los impulsos hasta un reflector y su vuelta desde el mismo, y determinar en función de dicho tiempo de recorrido la distancia al reflector. Normalmente en la verificación de piezas, existe una sola clase de material entre el palpador y el reflector, y los impulsos recorren dicho material a velocidad constante C. La distancia S a la que se encuentra el reflector del palpador puede calcularse como S=1/2·C·t. Para aplicar este método es necesario un aparato de medición que haga las veces de voltímetro y cronómetro, esto es un osciloscopio. En la figura puede verse un esquema del equipo de ensayo. El equipo proporciona una representación bidimensional, el eje horizontal es la base de tiempos, y en el eje vertical la altura de la representación dependerá de la intensidad del sonido reflejado. La primera señal detectada en la pantalla es el eco de emisión, corresponde a la primera interfase que encuentra la onda que es la propia superficie de la pieza. Dicha señal tiene forma de pico muy pronunciado el cual nos servirá de referencia para señalar el comienzo de la base de tiempos. Si el material no tiene ningún reflector interno (defecto) la onda ultrasónica llegará hasta el fondo de la pieza y se reflejará. Este eco, llamado eco de fondo, captado por el palpador actuando de receptor aparecerá más a la derecha. Si existe un defecto será detectado por un eco intermedio y su posición sobre la base de tiempos podrá ser utilizada como eje de distancia si se conoce la velocidad de propagación de la onda en la pieza. De esta forma se pueden determinar espesores de tuberías y recipientes con equipos de bolsillo, loa cuales permiten apreciar espesores ente 2 y 300 mm. 15 Ensayos no destructivos: Ultrasonidos___________________________________________________________________ En la figura siguiente se representan distintas situaciones. 16 ___________________________________________________________________ Ensayos no destructivos: Ultrasonidos 4. ELECCIÓN DEL PALPADOR Como principales características del palpador podemos citar: la sensibilidad y el poder resolutivo. La sensibilidad podría compararse al rendimiento del mismo es decir, cuanta más energía eléctrica convierta en energía sonora, mayor será la sensibilidad del palpador. Este concepto se traduce a la hora de efectuar el ensayo en una mayor presión de la onda sonora, en un punto determinado y, por tanto, en una mayor posibilidad de detectar discontinuidades de pequeño tamaño. El poder resolutivo se puede definir como la capacidad del palpador para separar ecos de fondo de dos espesores, que esté uno a continuación del otro (ver figur *). Cuando el palpador posee un buen poder resolutivo los ecos de fondo aparecen perfectamente se parados entre sí en la pantalla del equipo. En caso de un palpador con mal poder resolutivo, los ecos de fondo tienen cada vez más anchura y llega un momento en que la distancia de la pared posterior más lejana no se puede determinar. Los palpadores de titanato de bario poseen una elevada sensibilidad, junto con un poder resolutivo razonablemente bueno. A la hora de elegir un palpador un primera elección sería en base a si se quieren detectar defectos o determinar con precisión la profundidad y tamaño de los mismos. Para la detección de defectos de formas y posición variada, conviene que el haz sonoro del palpador cubra la máxima superficie de la pieza examinada, por lo que son aconsejable palpadores de baja frecuencia que poseen una apertura angular o divergencia bastante grade. Estos palpadores por el contrario, proporcionan baja sensibilidad, por lo que sólo se localizarán defectos grandes. Si elegimos un haz ultrasónico estrecho y de alta intensidad para localizar defectos pequeños se corre el riesgo de pasar alguno inadvertidamente. Una vez detectado un deflector en el material, el siguiente paso es determinar su posición exacta, así como su tamño. Para esto conviene elegir un palpador cuyo haz sufra la máxima distorsión al llegar a este freflector, y que el haz incida sobre el reflector lo más perpendicularmente posible, con la finalida de que nos refleje la mayor cantidad de onda hacia el palpador. 17 Ensayos no destructivos: Ultrasonidos___________________________________________________________________ 18
