Entrenamiento en Ultrasonido Nivel I Principios Físicos UD 2.2-2.3 Ensayos No Destructivos Julio de 2017
SONIDO El sonido es la propagación de vibraciones elastomecánicas en el espacio. Se requiere que exista materia De acuerdo con la capacidad auditiva del ser humano, se distingue entre: Infrasonido: frecuencias por debajo de las audibles Sonidos audibles Ultrasonido: frecuencias por encima de las audibles
SONIDO Es una vibración de energía cinética transmitida de molécula a molécula. Cuanto más cerca están entre sí, menor energía se necesitará para transmitir la vibración de una a otra y mayor será la velocidad de propagación del sonido.
Propiedades elásticas Las propiedades elásticas de los materiales, refieren a la tendencia que tienen a mantener su forma cuando son sometidos a una fuerza externa. El sonido viajará a mayor velocidad en un medio con propiedades elásticas más altas, por lo tanto: Las ondas se propagarán más fácil en los sólidos que en los líquidos, y más aún que en los gases.
Propiedades Elásticas El acero es un material rígido con una alta elasticidad. Las moléculas ejercen fuerte atracción una a otra, retornan y/o salen más rápido a, -o de- su posición de equilibrio. También vibran a velocidad más alta. El caucho, en cambio, se deforma fácilmente ya que es un material más flexible, posee baja elasticidad.
Densidad La densidad es una propiedad específica que nos permite diferenciar a los materiales, y nos permite medir la ligereza o pesadez de una sustancia, ya que relaciona la masa y volumen. Las moléculas pueden tener igual peso y volumen, pero tener diferente cantidad por unidad de volumen. El sonido se transmite más fácil entre moléculas más cercanas entre sí, y viajará más rápido en una sustancia más densa.
Densidad El sonido puede viajar más o menos rápido en un material de mayor densidad que otro, según el tamaño de las moléculas y que estén más o menos cerca una de otra. En una masa de aire más densa que otra, las moléculas están más apretadas, y el sonido se transmitirá más fácilmente y a mayor velocidad.
Algunos parámetros fundamentales Las partículas del medio vibran individualmente sin cambiar su posición; si la conexión entre ellas es lo suficientemente elástica, provocará que el sonido viaje a través del medio.
Amplitud de la oscilación es el desplazamiento máximo de una partícula de su posición de equilibrio.
Longitud de onda ( ) es la distancia recorrida por el sonido, entre dos planos en los cuales las partículas están en el mismo estado de movimiento (igual concentración).
Período (T) es el tiempo que necesita una partícula para completar un ciclo de vibración completo. Frecuencia (f) es el número ciclos de oscilación de cada partícula en cada segundo. En la región audible, determina el tono de una nota musical.
VELOCIDAD DEL SONIDO La velocidad de propagación de una onda estará condicionada por las dos propiedades de la materia: Las propiedades elásticas y la densidad. Las propiedades elásticas y mecánicas del medio, así como la naturaleza de los enlaces elásticos, determinan los modos de vibración que se propagan a través del material.
Velocidad acústica de propagación de la onda. Depende del material Varía con la temperatura Depende del modo de vibración Vincula la longitud de onda y la frecuencia V =.f
Presión sonora El desplazamiento de las partículas genera zonas de compresión y de tensión, y por lo tanto presión: P = Z. V Cuanto mayor es la presión sonora, mayor es la amplitud de la oscilación.
Impedancia acústica La impedancia acústica es un parámetro que caracteriza la resistencia que opone el medio a la propagación del ultrasonido y está definido por la relación: Z : impedancia acústica ρ : densidad del material Z = ρ V V : velocidad de propagación
Qué cantidad del sonido se transmite?
Energía Incidente = R + T La energía reflejada sumada a la transmitida igualan a la energía incidente Impedancia acústica: Z ER = % de energía reflejada en el medio 1 ET = % de energía transmitida al medio 2 R E T E Z Z Z 2 2 2 4 Z - Z 2 Z Z Z 2 1 1 1 2 1
MODOS DE VIBRACION Ondas Longitudinales o de compresión Ondas Transversales o de corte Ondas Superficiales o de Rayleigh Ondas de Lamb o de chapa
Ondas Longitudinales La oscilación de las partículas es paralela a la dirección de propagación de la onda.
Ondas Longitudinales Este tipo de ondas solo es posible en líquidos y gases.
Ondas Transversales La oscilación de las partículas es perpendicular a la dirección de propagación de la onda. Estas ondas se desplazarán sólo en sólidos.
Ondas Transversales Su velocidad de desplazamiento es del orden de la mitad que las ondas de compresión en el mismo material.
Ondas Superficiales o de Chapa Se propagan solamente en la superficie del material. Las partículas están sometidas a esfuerzos combinados, de corte y de compresión, resultando una oscilación de tipo elíptica. A una profundidad próxima a una longitud de onda, desde la superficie, las partículas ya no tienen vibración.
ULTRASONIDO En 1826 el físico Suizo Jean-Daniel Colladon logró determinar la velocidad del sonido en las aguas del lago de Ginebra, utilizando una campana. El método para la generación de ultrasonido fue descubierto por James Precott Joule en 1847; en 1876 por Francis Galtón en Ferancia, y en 1880 por Pierre Curie y su hermano Paul Jacques. En 1877 Lorde Rayleigh publicó la teoría del sonido. La primera aplicación la reivindicó el inglés Lewis Richardson en 1912, luego del naufragio del Titanic. Fundamentó la patente en la identificación de icebergs mediante ultrasonido. En Francia, Chilowski y Langevin comenzaron su desarrollo para la detección de submarinos por ultrasonido durante la Primera Guerra Mundial.
ULTRASONIDO INFRASONIDO SONIDO ULTRASONIDO Hertzio (Hz); es la unidad de frecuencia 1 Hz es un ciclo completo de vibración por segundo.
ULTRASONIDO El ultrasonido tiene una frecuencia muy por encima a la que puede ser escuchada por el oído humano, generalmente alrededor de 20.000 ciclos por segundo. El empleado para la mayoría de los END, está en el rango de los megahercios, normalmente de 5 a 12 MHz.
Aplicaciones del ultrasonido Reino animal Búsqueda de alimento Evitar obstáculos Orientación Interacción social Veterinario Medicinal Embarazo Corazón Hígado Riñones Proceso e Inspección Metales Hormigón Madera Conformación Perforación Maquinado Corte Limpieza Soldadura
Aplicación de las ondas Ultrasónicas como End Permite medir espesores, o sea localizar la superficie posterior del objeto ensayado. Permite detectar discontinuidades superficiales e internas. Permite evaluar las propiedades de un material.
Ventajas del ensayo ultrasónico Excelente en la detección de discontinuidades planas Permite medir espesores con precisión Requiere acceso a una superficie del material Permite ensayar piezas gruesas y/o de gran longitud Sensibilidad en la detección de pequeñas indicaciones Resultados casi instantáneos por medios electrónicos Permite introducir procesos automáticos Portátil
Desventajas del ultrasonido Se requiere de acoplantes Se requieren superficies con acabado superficial bueno Es difícil inspeccionar piezas con geometría irregular Es difícil inspeccionar materiales de grano grueso Se requiere de operadores entrenados, con experiencia Se necesitan normas de referencia para la calibración El barrido manual requiere personal con experiencia El dimensionamiento de discontinuidades es difícil