4. Atenuación, impedencia y modos de conversión

Atenuación

 

Pérdida de energía de la onda ultrasónica al propagarse a través de un medio.

atenuacion

 

Se debe principalmente a:

Acoplamiento: Se debe generar un buen acoplamiento entre el transductor y la superficie a ensayar, el exceso o la falta de acoplante puede generar pérdida de energía.

acoplamientoDivergencia del haz ultrasónico: En materiales isotrópicos, homogéneos y de grano fino la intensidad de energía de la onda ultrasónica es afectada por la forma de su haz. La energía de un haz divergente está distribuida en un área mayor.

divergencia

Dispersión del medio: Cuando una onda ultrasónica pasa a través de materiales de ingeniería que contienen elementos distribuidos al azar, como porosidad e inclusiones inherentes y bordes de grano, la onda es reflejada parcialmente por ellos por lo que se dice que la energía es dispersada en diferentes direcciones.

dispersion

Absorción del medio: Las ondas ultrasónicas son absorbidas debido a mecanismos de pérdida de energía tales como fricciones internas, en algunos materiales principalmente. Cuando la onda ultrasónica se propaga a través de los materiales, parte de su energía mecánica se transforma en calor y no puede ser recuperada.

absorcion

 

Difracción: Las ondas ultrasónicas avanzan en forma recta a menos que encuentren un cambio en el medio, como interfases planas, reflectores puntuales o extremos de reflectores, en esos casos la onda es reflejada o redirigida en forma de ondas planas o esféricas.

 

difraccion

 

Impedancia

 

Cuando un transductor se utiliza para transmitir una onda ultrasónica en un material, sólo una parte de la energía de la onda se transmite y el resto se refleja en la superficie del material. También, una cierta cantidad de energía ultrasónica se refleja en la interfaz entre dos materiales diferentes cuando el haz de sonido pasa de un material al otro.

La relación de impedancia acústica entre dos materiales es simplemente la impedancia acústica de un material dividido por la impedancia acústica del otro material.

Es la resistencia que oponen los materiales a la propagación del sonido.

La impedancia acústica (Z) está definida por el producto de la densidad del material (p) y la velocidad de propagación del sonido (v):

impedancia

El aire tiene una impedancia muy baja a las ondas ultrasónicas porque tiene baja la densidad y la velocidad. La impedancia del agua es mayor que la impedancia del aire, además de los sólidos, tales como el aluminio y el acero tienen impedancias más altas.

reflexion

La distancia que el haz de sonido se desplaza a la pieza de prueba se puede medir en la pantalla de visualización del instrumento ultrasónico, en la figura anterior se observa lo siguiente:

Distancia entre el eco de impulso inicial y el eco de la superficie del objeto a prueba (Front surface).
Distancia entre eco de la superficie del objeto a prueba (Front surface) y el eco de fondo (back surface).
El eco que se está entre el eco de la superficie y el eco de fondo es el de la discontinuidad, la distancia es dos tercios desde la superficie.

haz incidencia

Reflexión: Una onda ultrasónica es “Reflejada” cuando encuentra un cambio en el material, ya sea el borde de dos materiales que no sean similares o dos medios diferentes.

Interface Acústica: El límite entre dos materiales o medios con diferente impedancia acústica.

Cuando la onda que incide es perpendicular a la interface acústica, la onda será redirigida hacia la fuente desde la cual fue emitida.

Incidencia Normal

insidencia normal

Incidencia Oblicua

insidencia oblicua

Incidencia Normal: El valor de la impedancia acústica permite calcular el porcentaje teórico de energía transmitida y reflejada en las interfaces acústicas.

Coeficiente de reflexión:

coef reflexion

T

transmisiononda incideonda reflejada

Donde z1 es el valor de la impedancia del primer material y z2 el valor de impedancia del segundo material.

Una relación de alta impedancia es llamada desigualdad de impedancia. Si la relación de impedancia, por ejemplo, fue de 5:1, la desigualdad de impedancia será 5:1, mientras que la relación de impedancia de metal/aire es aproximadamente 115.000:1 (prácticamente 100% de reflexión), la relación de impedancia para una interface líquido/metal es menor. Por ejemplo, los valores de impedancia acústica de la interface agua/acero son 0,148:4.616, respectivamente, haciendo que la relación de impedancia será 1:31, la reflexión puede ser calculada utilizando la Siguiente fórmula:

acustic sound

La idea que el acoplante tenga igual impedancia acústica que el material a inspeccionar.

Modos de Conversión

 

Refracción: Es el cambio de dirección de una onda ultrasónica cuando pasa de un medio a otro con diferente velocidad de propagación y con un ángulo de incidencia diferente a cero grados con respecto a la normal.

refraccion

El cambio de ondas, de un modo de vibración a otro se presenta en la reflexión o refracción y es causado por un ángulo de incidencia diferente a cero grados con respecto a la normal de la interface. El haz longitudinal original se transmite en el segundo medio como porcentajes variables de ondas longitudinales y de ondas transversales. A modo de ejemplo, en la figura siguiente, el ángulo refractado por el haz de ondas longitudinal es cuatro veces el ángulo de incidencia y el ángulo de ondas transversales es un poco más de dos veces el ángulo de incidencia. Si los ángulos de incidencia se hacen girar adicionalmente, aumentan los ángulos de refracción de las ondas longitudinales y transversales.

conversion

El valor de cada haz refractado varía en el objeto de prueba cuando el ángulo de incidencia en el primer medio es cambiado.

La refracción y el modo de conversión se producen porque cambia la velocidad de la onda longitudinal cuando el haz entra en el segundo medio. La velocidad de la onda transversal es aproximadamente la mitad de la onda longitudinal.

ondas4