Examen de Ultrasonido 1

8/17/2019 Examen de Ultrasonido 1

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EXAMEN DE ULTRASONIDO PARA NIVEL II

Naturaleza de ondas ultrasónicas

Describir la naturaleza de las ondas ultrasónicasTodo material con propiedades elásticas puede ser sede de la propagación de ondas cónicas y ultrasónicas, en tanto que las fuerzas elásticas son capaces de retraer las partículas a su posición de reposo.

En los cuerpos que poseen una estructura cristalina (por ejemplo metales en estado sólido) las partículas que forman la red pueden ser desplazadas de sus posiciones de equilibriodescribiendo oscilaciones con trayectorias diersas, en función de la energía mecánica

!aracter"sticas de la #ro#a$ación de ondas

De%inir& 'recuencia( a)#litud( lon$itud de onda( *elocidad( i)#edancia( #resión ac+stica e

intensidad,

Frecuencia f se define como el numero de oscilaciones por unidad de tiempo

Impedancia acústica ¨Z¨ Es aquel obstáculo que se presenta a la vibración de la partícula, pero no es

obstáculo a la propagación de la onda.

elocidad

Deter)inar las relaciones )ate)-ticas corres#ondientes

Ti#os de ondas ultrasónicas . sus a#licaciones

De%inir ondas lon$itudinales( su#er%iciales( de la)b . deter)inar sus caractiriticas!ndas "ongitudinales

#e tienen cuando la dirección de oscilación de las partículas es proporcional a la

dirección de propagación de la onda.

En los líquidos $ en los gases solo es posible la propagación de este tipo de !ndas.

"a figura % se &a esquemati'ado la propagación de ultrasonido mediante !ndas longitudinales. #e observa

que si la onda ultrasónica incide normalmente a la superficie, la propagación de la misma dentro del

material provocara la oscilación de las partículas al rededor de su posición de equilibrio pero en la misma

dirección de propagación. "a distancia entre dos puntos medios de dos 'onas consecutivas de igual

concentración de partículas corresponde a la longitud de onda del &a' ultrasónico.

!ndas "uperficiales.

"e #abla de ondas superficiales (o de $%ayleig#&) cuando el #az de ondas ultrasónicas se propaga e'clusiamente en la superficie de la pieza siguiendo el perfil del cuerpo, siempre que no#aya ariaciones bruscas en las piezas.as ondas superficiales se obtienen cuando el ángulo de incidencia del #az ultrasónico sobre el material tiene un alor tal que se alcanza el segundo ángulo critico de referencia como eremosmas adelante (.*) .

En las ondas superficiales la oscilación de las partículas es normal a la dirección de propagación.


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. !ndas de "amd

#e obtienen en laminas o &ilos delgados cuando interviene en la propagación del &a' ultrasónico, la

totalidad del material, la lamina o &ilo vibran en su con(unto. )ara un espesor o diámetro dado son

posibles infinitos modos de vibración.

E*isten dos formas de vibración.+!ndas simtricas de compresión

+!ndas simtricas de refle*ión

Deter)inar las relaciones entre el ti#o de onda . su a#licación&

!o)#orta)iento de ondas ultrasónicas

a/ Distin$uir entre incidencia nor)al . an$ular,

b/ De%inir re%le0ión . re%racción,

REFLEXIÓN DEL HAZ ULTRASÓNICO.

+uando un #az ultrasónico que se propaga en un medio alcanza una superficie límite (interface), por ejemplo una cara del cuerpo o una discontinuidad en su interior, se produce su refle'ión conun comportamiento análogo al de un #az luminoso que se refleja en un espejo. a cantidad deenergía reflejada depende de las características de los medios que forman la interface aquel enque se propaga el #az y aquel que constituye la discontinuidad que determina la refle'ión. -áse'actamente, depende de la impedancia acstica /, de los materiales.

REFRACCION DEL HAZ ULTRASONICO.

+uando el #az ultrasónico incide sobre una superficie o internase con un ángulo distinto de cerorespecto de la normal a dic#a superficie, se produce la refracción de la parte de dic#o #az que setransmite al segundo medio. a dirección del #az en el segundo medio pude determinarse por laley de "nell que tiene alidez tambi0n en óptica

E0#licar los )odos de con*ersión

zCONVERSION DE MODOS DE PROPAGASION.

1a #emos isto que en un medio e'tendido la energía acstica se propaga en tres modos principales como ondas longitudinales, transersales o superficiales. +ada modo

2e propagación presenta una elocidad característica para cada material.+uando un #az de ultrasonido incide con un ángulo distinto del normal, en la internaseentre dos materiales de diferentes impedancias acsticas, parte de la energía puede ser conertida en otros modos de propagación en la refle'ión o refracción.

3n simple ejemplo de esta situación puede erse en la refle'ión de un #az de ondaslongitudinales incidente sobre una cara desde el interior de un bloque de acero, como se muestraen la figura 45. 2ado que solo una cantidad despreciable de energía es transmitida al aire, larefle'ión es considerada total, obserándose no obstante que se producen dos #aces reflejados.3no de ellos está constituido por ondas longitudinales y el otro por ondas transersales (6ig 45a).Es decir que en el caso del ejemplo, parte de la energía incidente #a conertido su modo de propagación d5 onda longitudinal a transersal.

77777777777777777777777777777777777777777777777777777768T87777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777no es la misma, dependiendoen alto grado del ángulo de incidencia del #az.

En la figura 45b, se #a gratificado la presión sonora que corresponde a cada modo de

propagación del #az reflejado en función del ángulo de incidencia del #az. "e obsera que entre9: y ;< grs. "e obtiene un mínimo para la onda longitudinal y un má'imo para la ondatransersal. En esta región se puede decir que #ay una conersión prácticamente total del modo


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de propagación, proocando situaciones en las cuales pueden aparecer indicaciones falsas o dedifícil interpretación.

3n caso particularmente molesto se produce cuando el ángulo del #az incidente y el #az reflejadosuman =:>. 1 encuentran durante su trayectoria en la pieza un borde en escuadra. En la figura

45c, la misma situación para un #az incidente de ondas transersales. Estas situaciones puedenocurrir durante la aplicación practica del ensayo y dar lugar a indicaciones erróneas.

En acero los ángulos de incidencia correspondientes a estas situaciones pueden ser calculadoscomo sigue.

+ondición de conersión total?

@T A @ B =: > 3EC!?

"en @ B "en (=:> 7 @T) B +os @T

2e acuerdo a la ley de "nell?

D T B "en @T B "en @T B Tg @ T D "en @ +os @T

%eemplazando alores para el acero tenemos?

Tg @T B 55: ms . B :.

Estos casos tienen particular inter0s cuando se utilizan cabezales angulares de 9:>(figura 4. 8pro'imadamente.

Figura 13b. Gresión de las ondas longitudinales y transersales reflejadas, en función del ángulo de incidencia. El má'imo respectio esta tomado como 4::H de presión.

Trans%erencia de ener$"a de un )edio a otro

a/ Describir las caracter"sticas de la trans%erencia de ener$"a de un )edio a otro

b/ E0#licar la $eneración de ondas ultrasónicas . las causas de #erdidas de ener$"a en

distintos )edios

E%ecto Piezoel1ctricos . )a$netoestricti*os en un cristal

a/ E0#licar los e%ectos& Piezoel1ctricos . )a$netoestricti*os,

Efecto pie'oelectrico2 que es transformación de energía elctrica en mecánica $ mecánica en elctrica, -irecto es la transformación de energía mecánica en elctrica e inverso es la transformación de energíaelctrica en mecánica.

b/ !o)#arar las *enta3as . des*enta3as de los distintos ti#os de )aterial de los cristalesMateriales #iezoelectricos . sus caracter"sticas

Materiales ti#o Punto curi4!

Densidad5$r6d)7

In#edanciaacustica 89e0#:$6c); se$

Velosidad)6s

'recuenciarelati*aM= ;:= 8=7 =>:9 ;?

Sl%ato delitio

Piezoelectr ico

>= ;9: 88; @>;9 ;7:


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Titanato de

ario

'erroelectr

ico

8;9 => 7= @@99 ;;

Metaniobato de #lo)o

'erroelectr ico

==9 =? 8: ;?99 8@

Birconio

de #lo)o

'erroelectr

ico

7=9 >: ;? 7999 8?

Sales de

rocCelle

!aracter"sticas del Caz sónico

Identi%icar sus caracter"sticas . di%erenciarlos,

E0#oner las relaciones )ate)-ticas ue los li)itan,

Ilustrar $r-%ica)ente el ca)#o sónico de un transductor( indicando el ca)#o cercano . el

ca)#o le3ano,

Inter#retar correcta)ente el )ono$ra)a de distintos #al#adores

De%inir la atenuación del ultrasonido

ATENUACIÓN DEL HAZ ULTRASÓNICO.

a intensidad del #az ultrasónica en la zona lejana o #az cónico (er figura 4


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FIGURA 1,. Esquema de las formas de refle'ión para defectos de distinto tipo y geometría y suscorrespondientes presentaciones en la pantalla del osciloscopio.

T!"i!a -& &"#a% $%r /ra"#0i#i*".

En el ensayo ultrasónico realizado por la t0cnica de transmisión se utilizan dos sondas inculadasmecánicamente para asegurar que ambas se mantienen enfocadas durante el desplazamientosobre la pieza. 3na de las sondas acta como emisora de la energía ultrasónica y la otra comodetector del #az ultrasónico a tra0s de la materia que se e'amina.

a presencia de una discontinuidad es reelada por una disminución de la energía ultrasónicaque llega a la sonda que acta como detector. "i la discontinuidad es suficientemente ampliareflejará la totalidad del #az ultrasónico y la seIal en la sonda detectora se anula.a t0cnica por transmisión e'ige un acoplamiento ultrasónico y mecánico constantemente sondasya que ariaciones en el acoplamiento producirán ariaciones en la energía transmitida a tra0sde la pieza de manera análoga a las que pueda producir una discontinuidad, produciendo así

indicaciones erróneas.

Gor la razón e'puesta esta t0cnica es utilizada nicamente por inmersión. En la figura :, se da ladisposición típica en este tipo de ensayos.

FIGURA 2. E"#a% $%r /ra"#0i#i*". a !%"/a!/%. b i"0&r#i*".

a determinación de defectos mediante la t0cnica de transmisión es menos selectia que larealizada por la t0cnica de pulso 7 eco ya que son más fáciles pequeIos ecos proenientes derefle'iones en discontinuidades de mínima e'tensión que pequeIas ariaciones de intensidad sobre una seIal de amplitud considerable. Gor otra parte esta t0cnica no da información sobre la profundidad a la que se encuentra la discontinuidad que proocan la seIal transmitida. "u entaja principal reside en que puede ser aplacada aun para espesores mínimos en la pieza a e'aminar.

as aplicaciones más interesantes de estas t0cnicas son en el e'amen de materiales con eleadocoeficiente de absorción de la energía ultrasónica (cerámicos, plásticos, refractarios, etc.), el control de ad#erencia metálica entre dos superficies planas (colaminación por ejemplo ) y ealuación de ariaciones de estructura del material capaces de modificar la absorcióndel777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777

'igura 1. T0cnica básica de ensayo para detección de defectos.

E"#a% $%r r%"a"!ia.

a t0cnica de ensayo por resonancia utiliza continuo de ondas longitudinales (compresión )

transmitido en material plano desde una de las caras. a frecuencia, es decir la longitud de onda,es ariada en forma manual o automática #asta que una onda es refleja dos eces y deja la primera o superficie del material en fase con otra onda que ingresa. "e instalan así ondasestacionarias en la placa obligándola a resonar o ibrar con mayor amplitud. "i el espesor es demedia longitud de onda la placa entra en resonancia. a resonancia es indicada por su efecto decarga sobre un traductor ultrasónico acoplado al material bajo ensayo.

Esta indicación puede ser isualizada en la pantalla del equipo ,por una raya ertical , cuya posición corresponde a la frecuencia de resonancia (orden de la armónica) y su altura a laenergía puesta en juego por el efecto de resonancia.

2urante la medición de espesores en c#apas, por el m0todo de resonancia, tambi0n puedendetectarse discontinuidades si adopta una posición adecuada.


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Figura . E'amen de c#apas por resonancia de ultrasonidos.

En efecto, el equipo puede ser ajustado de manera que en la pantalla del oscilografo se tengandos o tres líneas, correspondencias a la resonancia de dos o tres modos (4ra, da, 5ra armónica),con el espesor integro como se obsera en la figura a.

a presencia de defectos (discontinuidades ) quedara eidenciada por un desplazamiento de la posición de las indicaciones yo la desaparición de todas o algunas de ellas como se indica en lafigura b 777a g. 8demás, como se muestra en la figura b, el comienzo de unadiscontinuidad puede ser ubicada ya que parte del #az cubrirá el espesor integro y parte del espesor que corresponde a la profundidad de la discontinuidad. En esas condiciones se erándos series de resonancia que tendrán generalmente distintas alturas, relacionadas segn 0l arreade discontinuidad que cubre el #az de 7773"777.

a t0cnica de resonancia fue usada inicialmente en interferometros para medir elocidad del sonido en gases y líquidos. 8ctualmente es usada ampliamente para medir espesores desde unsolo lado del material. "e aplica tambi0n para detectar discontinuidades laminares( aminaciones, fallas de colaminacion, etc.) en c#apas.

El rango de frecuencia utilizado es de :.;< a : -#z, pudiendo medirse espesores entre :.;< y 4:: ml.

Enu)erar las a#licaciones . li)itaciones de cada t1cnica de ensa.o

Ventajas:

lto poder de penetración, el cual permite la detección de discontinuidades en grandes espesores.

lta sensibilidad permitiendo la detección de discontinuidades sumamente peque/as.

0a$or capacidad que otros mtodos de ensa$o no destructivo en la determinación de la posición dediscontinuidades e*ternas, estimando su forma, orientación, dimensión $ naturale'a.

1ecesidad de acceso únicamente a una de las superficies de la pie'a.

Desventajas:

"a operación requiere conocimientos $ e*periencia profundos por parte del operador.

1o es apropiado para la inspección de superficies mal terminadas.

-iscontinuidades que se presentan mu$ pró*imas a la superficie, no pueden ser detectadas.

2equiere siempre la calibración del equipo, la cual no siempre es simple.

#olo da información de la indicación instantánea de las discontinuidades en equipos convencionales 3#can

tipo 4.

Pal#adores

Distin$uir los distintos ti#os de #al#adores,

Realizar los c-lculos #ara obtener el -n$ulo de incidencia

T1cnicas de a#licación& tande)( con #al#adores localizados( con #al#adores de

doble cristal( con #al#adores de ondas su#er%iciales . de in)ersión/

E0#licar cada una de las t1cnicas de a#licación,

Enu)erar los usos . li)itaciones de cada t1cnica de a#licación

Enu)erar las li)itaciones ue restrin$en el uso del ensa.o ultrasónico


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Eui#os . accesorios

E0#licar las %unciones del a#arato de ultrasonido . reconocer el )al %unciona)iento de un

co)#onente

E0#licar las di%erentes %unciones de cada uno de los eui#os( calibrar cada ti#o e

identi%icar %allas de %unciona)iento

Presentación de las seFales& A)#litud del eco . su control( barrido GAG( barrido GG(

barrido G!G( !orrelación entre seFal analó$ica . di$ital/

E0#licar las di%erentes caracter"sticas de cada uno de ellos . seleccionar el

instru)ento adecuado #ara cada #roble)a de ins#ecciónE4UIPOS PARA EL ENSA5O ULTRASONICO.

Teniendo en cuenta los parámetros que indican, los equipos de ultrasonido en la inspección demateriales pueden ser agrupados en tres categorías

+on indicación de energía transmitida nicamente.+on indicación de la carga producida por la pieza sobre el traductor.+on indicación de la amplitud y tiempo de transita de la energía transmitida o reflejada.

os equipos del primer grupo son simples de uso restringido. "u esquema básico se da en lafigura 5.

Figura 3. +ircuito esquemático de equipos de ultrasonido con indicación de energía transmitidanicamente.

os equipos del grupo dos son usados generalmente para medición de espesores por la t0cnicade resonancia y su esquema y principio de operación se muestra en el punto F.5...

2e uso generalizado, principalmente para la detección de defectos, son los equipos quecorresponde al grupo tres. Estos equipos son utilizados para aplicar las t0cnicas de ensayo queusan indicación de amplitud y tiempo de transito (figura *). Estas t0cnicas inolucran lamedición simultanea de dos parámetros.

a amplitud de seIal obtenida de cualquier discontinuidad interna.

El tiempo empleado por el #az ultrasónico para recorrer la distancia entre lasuperficie de entrada del mismo y la superficie de la discontinuidad que lo refleja.

Figura 6. +ircuito básico de un equipo con indicación de amplitud y tiempo de transito.

2entro de este tipo general e'isten ariantes, principalmente, en lo referido a la forma o forma de presentar las indicaciones.

2e acuerdo a esto ultimo tenemos


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Equipo con presentación en tubos catódicos, con indicación de posición del defecto y amplitud de seIal del defecto. "e les llama de Jarrido 8 ( 87"canning). 6igura


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discriminador aria la duración del pulso, es decir 0l numero de ciclos a la frecuenciaseleccionada.

Figura :. +ircuito esquemático de un equipo pulso 7 tiempo con presentación en Jarrido 8

En el circuito de la figura < se indica una llae (=) cuya función es separar el0ctricamente laentrada del cristal, de la salida del emisor cuando el equipo funciona con la t0cnica detransmisión 7 recepción con dos cristales.

El amplificador (4:) tiene por función regular la amplitud de la seIal recibida desde el cristal receptor antes de amplificarla a las placas de refle'ión ertical en el tubo de rayos catódicos.

En esta etapa generalmente e'isten dos controles El de sensibilidad (44) y el de supresión (4).El primero permite ariar la altura de los ecos en la pantalla, es decir ariar la sensibilidad ladetección de seIales. Este control tiene un ajuste grueso, por etapas, y otro fino continuo.

El control de supresión tiene por función eliminar ecos pequeIos carentes de significación queconstituye una suerte de ruidos de fondo y dificultan la interpretación del oscilograma sobre todo

en ensayos manuales.

El control de sensibilidad no modifica la relación de alturas entre los ecos sucesios que seobtienen por mltiple refle'ión mientras que el supresor si lo #ace por cuanto esta diseIado paraeitar el paso de las seIales más d0biles. En este caso al aplicar el supresor las diferencias dealturas entre los ecos sucesios, se mantiene pero no la relación entre los mismos.

as ariaciones de amplificación son medidas en decibeles (dJ), unidad que se e'presa por larelación.

dJ B : log LoL4

2onde Lo e L4 representan la amplitud de seIal antes y despu0s de la amplificación. +uando laariación de la amplificación es en mas se usa 0l termino $ganancia&, e'presado en dJ. "í lasariaciones son en menos se aplica 0l termino $atenuación& que se e'presa en dJ.

El control de sensibilidad suele ser designado en algunos equipos como ganancia. En todos loscasos el control de sensibilidad tiene indicada la ganancia o amplificación en dJ.

Figura ;. Equipo portátil de ultrasonido.

E7ui$% -& $u(#% 8 /i&0$% !%" 9arri-% 9.

En la figura F se muestra el circuito esquemático correspondiente a los equipos de pulso 7tiempo con presentación de la indicación en Jarrido J. a característica de estos circuitos es que

el generador de Jarrido esta aplicado a las placas de refle'ión ertical, mientras que la refle'ión#orizontal esta sincronizada mecánicamente con el desplazamiento de la sonda en el planotransersal de la pieza que se e'amina.

Figura +. +ircuito de un equipo de ultrasonido con presentación de la indicación enJarrido J.

a seIal detectada es aplicada en la modulación de la intensidad de manera que el brillo sea proporcional a la amplitud de la seIal.

a pantalla tiene aplicada un tipo de sustancia fosforescente que da mayor persistencia a laimagen.

Este tipo de presentación permite isualizar la posición y longitud de los defectos en cada seccióntransersal e'aminada.


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E7ui$%# -& Pu(#% 8 Ti&0$% !%" 9arri-% C.

En este tipo de equipos el desplazamiento ertical y #orizontal del #az electrónico en el tubo derayos catódicos esta sincronizado con los desplazamientos de la sonda en los ejes y7'

respectiamente, como se indica en el esquema de la 6ig. =. 8demás para lograr este tipo de presentación se suprimen seIales indeseables (Tales como el eco inicial, eco de internase y ecode fondo) y se utiliza una compuerta electrónica para lograr que el sistema de representación solosea sensible durante el corto periodo de tiempo de Jarrido en el cual aparece una seIal dentrodel rango profundidad establecido.

2e esta manera se puede lograr en 0l tuo de rayos catódicos una imagen de la distribución dedefectos en una proyección plana.

2ado lo lento del proceso de barrido en toda la superficie de la pieza se deben utilizar tubos derayos catódicos con memoria o bien remplazados por registradores (N,1,/).

Figura ,. +ircuito de un equipo de ultrasonido con presentación de la indicación en Jarrido +.

Instru)entos #ara re$istro( O#erar los distintos ti#os de re$istradores en con3unto con un

eui#o de ultrasonido

!alibración del siste)a de ensa.o

!o)#robar la linealidad Corizontal . *ertical del eui#o

Veri%icación del #al#ador

Ensa.ar el #al#ador #ara deter)inar su sensibilidad . resolución,

Deter)inar el #unto de salida . -n$ulo de incidencia de un #al#ador an$ular

!onstruir la cur*a DA!


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"E745. -0todo patrón para el e'amen ultrasónico de tubos metálicos de conducción, para ladetección de discontinuidades longitudinales."E7 ;5. -0todo patrón para el e'amen ultrasónico de soldaduras longitudinales y capiladas detubos de conducción soldados."E7

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