Fundamentos y Aplicaciones del Ultrasonido en Materiales

Principios del Ultrasonido

El método de Ultrasonido se basa en la generación, propagación y detección de ondas elásticas (sonido) a través de los materiales. En la figura de abajo, se muestra un sensor o transductor acústicamente acoplado en la superficie de un material. Este sensor contiene un elemento piezoeléctrico, cuya función es convertir pulsos eléctricos en pequeños movimientos o vibraciones, las cuales a su vez generan sonido, con una frecuencia en el rango de los megahertz (MHz), inaudible al oído humano.

El sonido o las vibraciones, en forma de ondas elásticas, se propaga a través del material hasta que pierde por completo su intensidad o hasta que topa con una interfaz (es decir, algún otro material tal como el aire o el agua). Como consecuencia, las ondas pueden sufrir reflexión, refracción, distorsión, etc., lo cual puede traducirse en un cambio de intensidad, dirección y ángulo de propagación de las ondas originales.

Aplicaciones y Características del Ultrasonido

Los ultrasonidos se emplean en los Ensayos No Destructivos (END) para detectar discontinuidades tanto en la superficie como en el interior de los materiales.

Los ultrasonidos son una forma de energía vibrante.

• Ondas sonoras audibles: 10 Hz a 20,000 Hz (20 kHz)
• Ultrasonidos: > 20,000 Hz (> 20 kHz)

Parámetros que Definen una Onda Ultrasónica

• Longitud de onda (λ): Distancia espacial de un ciclo completo.
• Ciclo: Una oscilación completa de la onda.
• Frecuencia (f): Número de ciclos por segundo (Hz).
• Periodo (T): Tiempo para completar un ciclo (T = 1/f).
• Velocidad de propagación (c): Rapidez con la que la onda viaja a través del medio (c = λ * f).
• Amplitud: Máximo desplazamiento o variación de la onda desde su posición de equilibrio.

Tipos de Ondas Ultrasónicas

Onda Longitudinal

La dirección de oscilación de las partículas individuales coincide con la dirección de propagación de la onda. Es también llamada onda de presión.

Onda Transversal

La dirección de oscilación de las partículas individuales es perpendicular a la dirección de propagación de la onda. También se conoce como onda de corte.

Propiedades Acústicas Relevantes

Atenuación

Es la pérdida de energía que sufre el haz ultrasónico al propagarse. Es función del material atravesado por el haz.

Impedancia Acústica (Z)

Es la resistencia que opone un material al ser atravesado por un haz ultrasónico. Se calcula como el producto de la densidad del material (ρ) por la velocidad de propagación del sonido en ese material (c): Z = ρ * c.

Procedimientos de Inspección por Ultrasonido

Existen tres tipos principales de procedimientos:

1. Procedimiento de Impulso-Eco (Pulso-Eco)

   Se utiliza un transductor que funciona como emisor y receptor. Cuando un impulso es introducido en un material homogéneo, este atravesará todo el material hasta llegar a la superficie opuesta, donde existe una interfaz (pieza-aire). Si la pieza tiene una discontinuidad, al tener esta una impedancia acústica distinta, constituye una interfaz y el impulso es reflejado hacia el transductor.

2. Procedimiento de Transmisión

   Se utiliza frecuentemente en instalaciones automáticas. La pieza se sitúa entre dos transductores (un emisor y un receptor separados). Puede utilizar ondas pulsantes o continuas. Se analiza la energía que es transmitida a través de la pieza; una discontinuidad bloqueará o reducirá la energía recibida.

3. Procedimiento de Resonancia

   Se utiliza para comprobar la zona de unión de dos materiales de distinta naturaleza o para medir espesores. Utiliza una onda longitudinal continua. Se posiciona el transductor sobre una superficie de la pieza en una parte sin defecto. Se regula la frecuencia para obtener la resonancia en el material (formación de una onda estacionaria). Al colocar el transductor sobre una discontinuidad o zona de diferente espesor, la condición de resonancia cambia o no se establece, indicando la presencia de la anomalía.