Características del haz ultrasonoro
El tipo de sonda que se usa de forma más habitual para la medición ultrasónica se dotará de las siguientes propiedades de funcionamiento clave, las cuales, a su vez, influirán en las propiedades del haz acústico que se genera en un material específico:
Tipo: La sonda podrá ser identificada según su diseño y funcionará como contacto, línea de retardo o tipo de inmersión. La influencia de las características físicas del material de ensayo, como la rugosidad de la superficie, la temperatura y la accesibilidad, así como las propiedades de transmisión acústica y el rango de espesor a medir, tendrán efecto en la selección del tipo de sonda.
Diámetro: Es el diámetro del elemento de la sonda activo, que por lo general se encuentra protegido por una gran carcasa. Las sondas de diámetro más pequeño a menudo se acoplan de forma más fácil al material de ensayo, mientras que aquellas de diámetro más grande pueden acoplarse de forma más eficaz sobre superficies rugosas debido a un efecto de promediado. Los diámetros más grandes también se requieren por razones de diseño a medida que disminuye la frecuencia de la sonda.
Frecuencia: Es la cantidad de ciclos de ondas completados en un segundo, generalmente expresados en kilohertz (KHz) o megahertz (MHz). La mayoría de ensayos industriales por ultrasonido son efectuados con un rango de frecuencia de 500 KHz a 20 MHz. Por ende, la mayoría de las sondas se encuentran entre este rango; sin embargo, las sondas comerciales se encuentran disponibles para niveles inferiores a los 50 KHz o superiores a los 200 MHz. La penetración incrementa con una frecuencia más baja, mientras que la resolución y la nitidez focal incrementa con una frecuencia más alta.
Banda ancha: Las sondas típicas para la medición de espesores no generan ondas acústicas en una sola frecuencia pura, sino en una escala de frecuencias centradas en la designación de la frecuencia nominal. Ancho de banda: Es la porción de respuesta de frecuencia que se encuentra entre los límites de amplitud especificados. Por lo general, es conveniente un ancho de banda amplio en aplicaciones de medición de espesores que involucran sondas de contacto, línea de retardo e inmersión.
Duración A-scan: Es la cantidad de ciclos de ondas generados por la sonda después de cada impulso. Una sonda con un ancho de banda pequeño presenta más ciclos que una sonda con un ancho de banda grande. El diámetro del elemento, el material de soporte, la sintonización eléctrica y el método de excitación de la sonda afectan la duración de la forma de la onda o A-scan. Es conveniente una duración de onda corta (respuesta de banda ancha) en la mayoría de las aplicaciones de medición de espesores.
Sensibilidad: Es la relación entre la amplitud del impulso de excitación y del eco recibido a partir del objetivo determinado. Esta es una función de la salida de energía de la sonda.
Perfil de haz: Para ofrecer un esquema aproximativo de trabajo, el haz que proviene de una sonda de disco típica desenfocada es considerada frecuentemente como una columna de energía, que se origina desde el área del elemento activo, se propaga de forma recta, se expande en diámetro y, eventualmente, se disipa, como un foco de luz.
En realidad, el perfil del haz actual es complejo ya que presenta gradientes de presión en la dirección transversal y la axial. En la siguiente figura, que presenta el perfil del haz, el color rojo representa las áreas de energía más alta y el color verde y azul representan las áreas de energía más baja.
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La forma exacta del haz en un caso específico se determina por la frecuencia de la sonda, el diámetro de la sonda y la velocidad acústica del material. El área de máxima energía a una corta distancia más allá de la parte frontal de la sonda marca la transición entre los componentes del haz conocidos, como el campo cercano y el campo lejano, cada uno de los cuales se caracteriza por tipos específicos de gradientes de presión. La longitud del campo cercano es un factor importante en la detección ultrasónica de defectos, ya que afecta la amplitud de los ecos provenientes de pequeños defectos, como la grietas; pero, por lo general, no es un factor significativo en las aplicaciones de medición de espesores.
Focalización: Las sondas de inmersión pueden ser focalizadas con lentes acústicos para crear un haz en forma de reloj de arena que se aproxima a una zona focalizada pequeña y, después, se extiende. Asimismo, ciertos tipos de sondas con líneas de retardo pueden ser focalizadas. La focalización del haz es muy útil al inspeccionar tubos de diámetro pequeños u otras piezas con radios pronunciados, ya que ésta concentra la energía del sonido en una pequeña área y aumenta la respuesta del eco.
Atenuación: Durante la propagación a través del medio, el frente de onda organizado que ha sido generado por una sonda de ultrasonido se dividirá debido a la transmisión imperfecta de la energía a través de microestructura de cualquier material. Las vibraciones mecánicas organizadas (ondas de ultrasonido) se transformarán en vibraciones mecánicas aleatorias (calor) hasta que el frente de sonda no pueda ser detectado. A este proceso se le conoce como atenuación de sonido. La atenuación varía según el material y aumenta proporcionalmente a la frecuencia. Como regla general, los materiales duros como los metales son menos atenuantes que los materiales más blandos como los plásticos. En última instancia, la atenuación limita el espesor máximo del material que puede medirse con una configuración de medidor y una sonda específica, ya que determina el punto en el que un eco será demasiado pequeño para detectarlo.
