Ultrasonidos. Nivel II

AEND (Asociación española de Ensayos No Destructivos)

• Editorial: Fundación Confemetal
• Año: 2009
• ISBN:
  9788416671670
• Categoría: Technology & Engineering
• Categoría: Materials Science

Los Ensayos No Destructivos son métodos que permiten ensayar materiales, piezas y componentes sin destruirlos, de forma que determinen si estos elementos son utilizables para un determinado fin o no. Los métodos de END se utilizan desde la más remota antigüedad en todo tipo de industrias y en las más variadas actividades. La Asociación Española de Ensayos No Destructivos y la Fundación Confemetal son conscientes del déficit de conocimientos que sobre Ensayos No Destructivos existe en España. La Industria requiere personal certificado para la realización de estos ensayos, personal que debe tener una formación y conocimientos adecuados para poder certificarse. Las premisas anteriores han motivado que la AEND y FC Editorial, traten de resolver el problema existente y que el tejido industrial disponga de un conjunto de manuales adecuados a dicha formación, sin que éstos sean enciclopedias de difícil manejo ni simples catálogos más informativos que formativos. Este manual corresponde a la serie que ambas entidades han puesto en el mercado y se refiere al método de Ultrasonidos, de amplia utilización, por ejemplo, en las industrias metal - mecánicas, nuclear, aeronáutica y de automoción.

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ULTRASONIDOS

1.1. NATURALEZA DE LOS ULTRASONIDOS

Los ultrasonidos son ondas del mismo tipo que los sonidos audibles, diferenciándose únicamente en la frecuencia de operación y forma de propagación. Los ultrasonidos operan con frecuencias por encima de la zona audible del espectro acústico.

Figura 1.1

En la figura 1.1 se observan tres zonas perfectamente diferenciadas en el espectro acústico:

• INFRASÓNICA o sonidos no audibles por el oído humano. Corresponden a esta zona, las oscilaciones cuya frecuencia es menor de 16 Hz/seg.

• SÓNICA o sonidos audibles, comprendida en la gama de frecuencias de oscilación, de 16 a 20.000 Hz/seg.

• Una onda acústica dentro de esta gama de frecuencia pudiera no ser audible al no tener el mínimo de presión acústica necesaria para ser registrada por el oído, o por sobrepasar la presión máxima soportable por los mecanismos físicos del oído.

• Para conocer cuando una onda sonora se aproxima al máximo de frecuencia soportable por el oído (20 KHz), es el momento en que el sonido empieza a molestar en el oído: “Umbral del dolor”.

• ULTRASÓNICA, es aquella donde la frecuencia de las oscilaciones es superior a 20 KHz.

Las frecuencias más altas logradas hasta el momento son del orden de 1.000 MHz.

Las frecuencias utilizadas en los ensayos para el control de heterogeneidades en ensayos de materiales metálicos se realizan con frecuencias generalmente comprendidas entre 1 y 25 MHz.

1.2. PRODUCCIÓN Y TRANSMISIÓN DE LAS ONDAS SONORAS

Cuando un medio elástico es perturbado por una acción instantánea o continua, hace que esta perturbación se propague a través del referido medio, mediante lo que se llama movimiento ondulatorio u onda.

Esta propagación no supone traslación real de la materia, sino transmisión de energía. Así, cada partícula afectada por la perturbación (figura 1.2), se desplaza de su posición de equilibrio, tendiendo a volver a la posición de reposo, y sobrepasando la misma pendularmente en un movimiento vibratorio armónico.

Figura 1.2

Como 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 posición de equilibrio (punto 0), se producirá un desplazamiento del punto de aplicación de la fuerza.

La relación entre el desplazamiento y la fuerza aplicada, viene expresada por la ley de Hooke:

F = - k X

donde:

F = fuerza deformadora.

K = constante elástica.

X = desplazamiento del punto de equilibrio.

Una vez conseguido el desplazamiento, y cesada la acción de (F), vemos que la masa (M) vuelve, y aún rebasa su posición de equilibrio hasta una distancia (-X), debido a la inercia de (M).

La misma fuerza del resorte comprimido, hace que (M) vuelva a su posición de equilibrio, y la rebase hasta (X), repitiéndose este proceso indefinidamente, aunque en la práctica,

y debido a la resistencia que opone el medio externo (rozamiento), cesa al cabo de un cierto tiempo.

El movimiento vibratorio armónico, se define por los parámetros: Amplitud (A), y Frecuencia (f).

Asimismo, los parámetros que definen la propagación real a través de un medio son: Longitud de onda (λ), y Velocidad acústica (C).

Todos estos parámetros tipifican el movimiento ondulatorio, y la transmisión sónica. Esta transmisión sónica, se realiza por la transmisión de energía de unas partículas a sus adyacentes, mediante sus enlaces elásticos; en la figura 1.3, vemos la imagen de un cuerpo elástico.

Figura 1.3

1.3. PROPAGACIÓN DE LAS ONDAS SONORAS

Como hemos visto en el punto anterior, la transmisión sónica se realiza de unas partículas a sus adyacentes mediante sus enlaces elásticos, por tanto, es necesario un soporte material, que puede ser sólido, líquido, o gaseoso; de lo cual se deduce que no existe transmisión sónica en el vacío.

Como caso sencillo de propagación de ondas, tenemos el ejemplo del diapasón (figura 1.4).

Cuando el mazo golpea el diapasón, éste vibra y genera una perturbación en el medio que le rodea, en este caso el aire (figura 1.4).

Figura 1.4

La perturbación se propaga por el aire hasta el oído del que escucha. La membrana del tímpano lo recepciona y transmite al cerebro, el cual lo convierte en señal sensitiva.

Análogamente, en el ensayo ultrasónico, un corto impulso de corriente eléctrica golpea a un vibrador (cristal), el cual vibra como lo hacia el diapasón (figura 1.5).

Figura 1.5

El haz sónico que sale del cristal, se transmite a través de un medio de acoplamiento (aceite, silicona, etc.), hasta la parte frontal de la pieza en ensayo.

En la figura, vemos las ondas ultrasónicas propagándose por la pieza.

En el punto y figura 1.2, estudiamos el comportamiento de una partícula material o cuerpo simple. Ahora analizaremos el comportamiento de un grupo de partículas, átomos o moléculas mostradas en la figura 1.6.

Figura 1.6

Tenemos tres partículas en cada uno de los planos 1, 2 y 3, unidas entre sí, y a su vez, con las del plano adyacente, mediante fuerzas elásticas.

A las partículas del primer plano, las sometemos a un esfuerzo de tracción o compresión por debajo de su límite elástico. Al estar unidas entre sí mediante fuerzas elásticas, cada una transmitirá a las del plano siguiente, el mismo esfuerzo de tracción o compresión.

Si la unión entre partículas fuera no elástica, comenzaría el movimiento al unísono, permaneciendo constantemente en el mismo estado de movimiento, o sea, en la misma fase.

Cuando se trata de un material elástico (en mayor o menor grado, todos los materiales son elásticos), el movimiento requiere un cierto tiempo para ser transmitido de un plano al siguiente, y de éste 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 instantánea de la sección en un modelo elástico, donde la onda se propaga de izquierda a derecha, y nos permite observar, como el cambio de fase en los distintos planos, crea zonas ...