Introducción. Principio de operación.

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María Nieves García Lucero
hace 6 años
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1 Introducción. Las vibraciones mecánicas que tienen una frecuencia superior a los 20 Khz, no son audibles para el ser humano, razón por la cuál se las denomina de Ultrasonido ". Estas vibraciones se generan a través de la Piezoelectricidad, propiedad por la cual se generan potenciales eléctricos cuando se deforman ciertos cristales tales como el cuarzo; pero además existe el efecto Piezoeléctrico inverso, es decir, al aplicar un potencial eléctrico a éstos cristales, ellos se deforman. Por lo tanto si aplicamos un potencial eléctrico de frecuencia elevada a un cristal de este tipo, se obtendrán de él vibraciones mecánicas ultrasónicas, y viceversa; a éstos cristales, se les denomina Transductores Piezaeléctricos. Principio de operación. El análisis de materiales mediante ultrasonido está basado en el principio Pulso- Eco, técnica que consiste en la generación de pulsos cortos y de alta frecuencia que se aplican a un traductor piezoeléctrico, el cual transforma esta energía eléctrica en vibraciones mecánicas, las cuáles se transmiten por el material que se analiza, en una dirección determinada, llegando hasta el fondo de él o hasta una discontinuidad del material (hueco o falla no deseada ), reflejándose de igual forma que la luz en un espejo, hacia el mismo u otro traductor. Este traductor transforma la energía mecánica de la vibración en un pulso eléctrico, el cual es recibido por un instrumento ultrasónico, amplificado y presentado en la pantalla de un osciloscopio ( TCR ) como una defección vertical de un trazo horizontal que es una función lineal del tiempo ( figura 1 ). 1 / 7

2 El tiempo que emplea la onda en recorrer el material debe estar calculado antes de hacer el ensayo; el mismo se determina por una relación simple: T = 1/ c, donde 1 es el largo del material y c es la velocidad de propagación de la vibración. Este tiempo se compara con el que se obtiene del TCR en la defección horizontal. La falla en el material, estará indicada entonces por diferencias entre los tiempos calculados y medidos ( figura 2 ). De esta figura podemos observar lo siguiente: 1) El tiempo calculado Tac es menor que el tiempo medido Tab, pues la distancia AC > distancia AB. 2) Lo anterior implica un material con falla a la distancia X del punto A, donde X = c. TAB medido. 3) La ubicación exacta de la falla se obtiene con los datos anteriores y además -con la ubicación exacta del traductor y su ángulo de transmisión de la onda hacia el material, como veremos más adelante. El pulso eléctrico que se aplica al circuito debe tener una frecuencia que permite hacer trabajar al cristal en resonancia para tener una salida de vibración máxima en el traductor. La frecuencia de resonancia del cristal Fr depende del espesor de éste y viene dada por la siguiente expresión: Fr = c, donde d es el espesor del cristal. 2 - d 2 / 7

3 Las partes que componen fundamentalmente cualquier equipo basado en esta técnica se muestra en la figura 3. La fuente de poder provee la alimentación de todos los circuitos del instrumento Pulso- Eco y también proporciona la sincronización de las señales de disparo iniciadas por el reloj. Las señales de disparo del reloj comandan el generador principal de disparo y el circuito de barrido simultáneamente. Cuando el generador principal de disparo es operado, envía un pulso de energía eléctrica al traductor y al circuito receptor. A este pulso de energía eléctrica se le da el nombre de disparo principal. El transductor piezoeléctrico convierte el disparo principal en vibraciones de ultrasonido y la transmite al material bajo prueba. La señal recibida por una discontinuidad dentro del material bajo prueba ( pico c figura 3 ), son captadas por el traductor y aplicadas al circuito receptor, el cual la amplifica y convierte en señales de vídeo. Las señales de vídeo se aplican al circuito de exposición apareciendo en la pantalla del TCR. El circuito de exposición es el que posibilita la visualización del disparo principal, el barrido horizontal y las señales recibidas. Procedimiento de inspección : Los pasos a seguir son los siguientes: 3 / 7

4 a) Calibración del equipo para inspeccionar con transductores normales. b) Calibración del equipo para inspeccionar con transductores angulares. c) Dibujar la pieza a analizar y determinar mediante análisis de reflexión de ondas que pulsos deben aparecer normalmente en la pantalla, y cuáles correspondan a defectos. Una vez calibrado el instrumento se procede de la siguiente forma: I) Trabajar con los transductores normales con el objeto de ubicar cualquier falla transversal ( figura 4 ).?» II) Recorrer la pieza en toda su extensión con los transductores angulares. La determinación de fallas transversales ya ha sido explicada, por lo tanto, analizaremos entonces la detección de fallas con traductores angulares. 4 / 7

5 La trayectoria que sigue la onda exploradora al reflejarse en la superficie del material es zigzagueante cuando los transductores se ubican angularmente (fig. 5). A la distancia P del transductor, la onda llega nuevamente a la superficie y se le llama "Distancia de salto ". En base al ángulo de la onda exploradora y al espesor de la pieza, podemos calcular la distancia de salto mediante la siguiente fórmula : P = 2D Tg Ejemplo: La pieza por controlar tiene un espesor de 25 mm, el ángulo de la onda exploradora es de 70'. Calcularemos la distancia P de salto. Mediante la fórmula anterior, el total de distancia de salto es : p= 2.25 mm. 70' * 137, 4 mm Para definir la ubicación de falla, es conveniente indicar la distancia u a "desde el transductor a la falla y su profundidad "b" dentro de la pieza ( figura 6 ). Conociendo el ángulo de la onda 5 / 7

6 es fácil determinar los valores de "a" y "b" en base al "camino acústico S ". Así tenemos que: a = S. y b = S. v. «? : Ejemplo: En el control de una pieza de acero fundido de 200 mm de espesor con un traductor inclinado en 35' y, con el instrumento calibrado para 500 mm de ondas transversales, se obtiene un eco que corresponde a 150 mm de camino acústico. La distancia "a " y la profundidad "b " que corresponden al punto de reflexión,resulta del siguiente cálculo: a = 150 mm. sen 35' = mm b = 150 mm. eos 35'= 123 mm 6 / 7

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