Manual Ultrasonido IQT Chile Nivel I

7/26/2019 Manual Ultrasonido IQT Chile Nivel I

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3.32. Seleccin de la direccin del haz ultrasnico.................................................... 573.33. Seleccin de la frecuencia de ensayo ............................................................. 583.34. Seleccin del tamao del transductor....................................................... 593.4. AJUSTE DEL EQUIPO ............................................................................... 613.5. TECNICA DE INMERSION.................................................................................. 613Calculo de compensacin en ultrasonido porinmersin...........................................................663.6. INTERPRETACION DE LA PRESENTACION EN LA PANTALLA DE TRC....... 683.61. Indicaciones de defectos ......................................................................... 693.62. Indicaciones de defectos aparentes ................................................................ 723.7 DETERMINACION DE LA FORMA Y TAMAO DE DISCONTINUIDADES...... 773.71. Discontinuidades grandes.............................................................................. 783.72. Discontinuidades pequeas ........................................................................ 79Diagramas AVG.................................................................................................... 79Mtodo DAC ..................................................................................................... 82Descripcin de reflectividades:................................................................................. 82

3.9. PROCEDIMIENTOS GENERALES DEL ENSAYO ULTRASONICO.................. 87Bibliografa: .......................................................................................................... 89


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ENSAYO DE ULTRASONIDO

1.- PRINCIPIOS ACSTICOSPara obtener una mejor comprensin de los fenmenos que ocurren en el ensayo nodestructivo de ultrasonido, es necesario recordar algunos pocos conceptos fsicosbsicos.

1.1 OSCILACINComo punto de partida consideremos el trmino oscilacin y todas sus caractersticasrelacionadas. Un ejemplo bien conocido de oscilacin son los pndulos o las cuerdasde un instrumento musical, cuya caracterstica comn de oscilacin en ellos es elcambio regular de su valor de estado (por ejemplo posicin de una partcula de la masa)o el peridico alcance de una condicin instantnea (en un pndulo, por ejemplo, elpunto de inversin derecho o izquierdo). Unpndulo puede moverse veloz o lentamente, fuerte o dbilmente; dos pndulosidnticos pueden

oscilar en el mismo sentido o no con otro.Los siguientes trminos estn relacionados con las vibraciones y sern abreviadamentedefinidos como sigue:

OSCILACIN (CICLOS): cambio peridico de la condicin o el comportamiento de uncuerpo.

PERODO: tiempo necesario para llevar a cabo una oscilacin, por ejemplo el tiempoen que un cuerpo se mueve un ciclo completo relacionado al momento de estadosidnticos. Este se designa "t" y es usualmente expresado en segundos (seg.), ver figura1.

Fig. 1 : Oscilacin de un pndulo ( derecha) y su representacin grfica vs. el tiempo


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FRECUENCIA : Es la inversa del perodo o el nmero de oscilaciones (ciclos) por unidadde tiempo. La frecuencia se la designa con "f" dando la relacin:

La unidad es el "Hertz" (Hz).1 Hertz (Hz) = 1 ciclo por segundo.1 Kilohertz (KHz) = 103 Hz = 1000 ciclos por segundo.1 Megahertz (MHz) = 106 Hz = 1 milln de ciclos por segundo.1 Gigahertz (GHz) = 109 Hz = 109 ciclos por segundo.Fig.2: Ejemplo de oscilaciones con diferentes tiempos y frecuencias.

AMPLITUD: Es la mxima desviacin del cuerpo oscilante desde la posicin deequilibrio(posicin cero), ver figura 3 .Si la amplitud (designada por "A") es constante en el tiempo, la oscilacin es

desamortiguada; siesta decrece con el tiempo, se la llama oscilacin amortiguada, ver Fig. 5.Fig. 3: Definicin de la amplitud A de una oscilacinFASE: Es la condicin instantnea en una oscilacin: el concepto se aplicaprincipalmente cuandose comparan 2 oscilaciones, de modo que es tambin llamado diferencias odesplazamiento defases, ver Fig. 4. La diferencia de fase, designada por "", es comnmentedimensionada engrados de ngulo, donde el perodo t corresponde a un ngulo de 360 (crculo) , 1Principios acsticosIng. Ricardo Echevarria- Lab. END -F.I. -Univ. Nac. Comahue6Fig. 4: Ejemplo de oscilacin con diferencia de fases ""

AMORTIGUACIN o ATENUACIN: Decremento en el tiempo de la amplitud de unaoscilacin.Las diferentes razones por lo que sucede esto, se vern ms adelante. Ver Fig. 5 .Fig. 5: Oscilaciones amortiguadas y desamortiguadas1.2 ONDAS:Hasta aqu se ha considerado el comportamiento de un cuerpo simple ( por ejemplo elpndulo). La misma consideracin se puede aplicar ahora aplicada a partculaselementales(tomos y molculas) de un cuerpo. Aqu deben ser discutidas algunas caractersticas

de granimportancia para el ensayo ultrasnico debido al gran nmero y a las fuerzas actuantesentre ellos(tomos y molculas).Si varios cuerpos son acoplados entre s rgidamente y a uno de ellos se lo hace oscilar,todoslos otros oscilarn en la misma fase, frecuencia y amplitud; mientras seadesamortiguado, esto


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puede ser considerado como una entidad, ver Fig. 6.Fig. 6: Modelo de acoplamiento rgido.1Principios acsticosIng. Ricardo Echevarria- Lab. END -F.I. -Univ. Nac. Comahue7No obstante, si estos cuerpos no estuvieran unidos uno con otro, los demspermaneceran enreposo si uno de ellos oscilase (Fig. 7) .Fig. 7: Modelo sin unionesCuando hay una unin elstica entre estos cuerpos (por ejemplo varios pndulos unidosporelsticos (o resortes) Fig. 8), la oscilacin de uno de los cuerpos ser gradualmentetransmitida aladyacente y as siguiendo. De esta forma se produce una onda. Ver Fig. 9 .Fig. 8: Modelo con acoplamiento elstico.Fig. 9: Modelo de una onda (longitudinal) y su propagacin. :longitud de ondaLas definiciones relacionadas a la ocurrencia y la propagacin de ondas son las

siguientes:Onda: es la propagacin de una oscilacin y sucede cuando una partcula oscilatransmitiendo suvibracin a la adyacente.Las partculas adyacentes tienen una diferencia de fase constante.1Principios acsticosIng. Ricardo Echevarria- Lab. END -F.I. -Univ. Nac. Comahue8El grfico de una onda es similar al de una oscilacin, pero versus una distancia enlugar deltiempo.

Acoplamiento : Unin entre dos partculas adyacentes o medio, y es el factor necesario

para laocurrencia y propagacin de ondas. Un acoplamiento total (rgido) o el no acoplamientototalnunca ocurre en la naturaleza, esto vara dentro de lmites amplios. El acoplamiento esproducidopor fuerzas atmicas o moleculares elsticas de enlace, por friccin, por gravitacin,etc.Velocidad de propagacin (velocidad snica): es la velocidad de propagacin deuna onda,relacionada a iguales fases, por lo que de all tambin es llamada velocidad de fase.Es designada por "c" (en alguna bibliografa tambin como "v") y se expresa en cm/s ,

m/s Km/s .La velocidad snica es una propiedad del material.Longitud de onda: es la distancia entre dos puntos adyacentes de condicin deoscilacinequivalente o igual fase, mirando en la direccin de propagacin. La longitud de ondaes unamagnitud muy importante, designada por " ", y cuya relacin de aplicabilidad es lasiguiente:


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. = c * t =f

c

; f =lc

; c = lf (2)1.3 TIPOS DE ONDAS:La propagacin de ondas puede ocurrir en dos direcciones:a) en la direccin de oscilacin de las partculasb) en la direccin perpendicular de oscilacin de las mismas.Existen los siguientes tipos de ondas:1.31 Onda longi tud inalAqu, la direccin de oscilacin de las partculas coincide con la direccin depropagacin de laonda como muestra la Fig. 9. Como ejemplo, se puede mencionar una onda normal (variacin de

compresin) en aire. Por esto es tambin llamada onda de compresin, ver Fig. 10.Fig. 10:Ondas longitudinales y transversales1Principios acsticosIng. Ricardo Echevarria- Lab. END -F.I. -Univ. Nac. Comahue91.32. Onda t ransversal:La direccin de oscilacin de la partcula es perpendicular a la direccin de propagacinde laonda. Un ejemplo obvio, an cuando no sea correcto en el sentido fsico, es elencontrado enondas en agua (oscilacin vertical, propagacin horizontal)

En la Fig. 10, estos dos tipos de ondas son comparadas con sus explicacionespertinentes.Los pequeos puntos representan las partculas elementales del medio. Por aadidura,puedenser posible combinaciones de estos dos tipos de ondas lo que ser discutido msadelante .1.4. SONIDOConsideraremos el captulo de sonido fuera del amplio campo de las oscilaciones yprocesos deondas y explicaremos esto algo ms detallado debido a que es de importancia en elmtodo deensayo.

El sonido, como se conoce diariamente, se propaga en forma de ondas. En oposicina las ondasmagnticas, calricas y lumnicas est asociado con la presencia de materia.En el rango de sonido audible uno puede distinguir:Tonos: esto es determinado por la frecuencia.Volumen: depende de la amplitud de oscilacin .Timbre: es determinado por la ocurrencia de varias frecuencias simultneamente, porlas varias


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amplitudes de una oscilacin individual , y por la duracin de las diferentescomponentes delsonido.Respecto a la frecuencia (tonos), ms all de las divisiones que puedan ser hechas, sesabe queno todas ellas son audibles para el odo humano. Solamente lo es un cierto rango, conun lmitesuperior e inferior, el cual puede diferir entre individuos y que puede variar con la edad.El lmiteinferior de audibilidad se halla alrededor de 16 Hz, y el superior alrededor de 20 KHz.De acuerdo con convenios internacionales , el rango es ahora subdividido como sigue:Subsnico: f < 16 Hz; esto es el rango de vibracin debajo del lmite de audibilidad. Noseescuchar ningn tono , solo se notar presin.Sonido audible: 16 _ f _ 20 Hz, rango de frecuencias de sonido que son audibles porel odohumano.

Ultrasonido: f > 20 KHz, estas frecuencias estn por encima del lmite de escuchahumana. Lasfrecuencias usuales para los ensayos no destructivos son en el rango de 0.5 a 25 MHz.VerFig.11.Fig. 11: Espectro acsticoSe puede hacer una subdivisin de acuerdo a la duracin del sonido en :1Principios acsticosIng. Ricardo Echevarria- Lab. END -F.I. -Univ. Nac. Comahue10Sonido continuo: la duracin del sonido es mucho mas larga que el tiempo deoscilacin ,

Sonido pulsado: aqu la duracin del sonido es solamente unas pocas veces el tiempodeoscilacin. El intervalo entre dos pulsos es mucho mas largo que la duracin del pulso,ver Fig.12.Fig. 12: Sonido continuo y por pulsos graficado vs. tiempo ,1.41- Propagacin del sonido:Como ya se mencion, la propagacin de las ondas sonoras esta vinculado a la materia.Porejemplo si una onda sonora se est propagando, debe existir un material slido, lquidoo

gaseoso, por lo que se deduce que la onda sonora no es ms que la propagacin delasvibraciones de las partculas del material elstico. Ya que lquidos y gases no ofrecenningunaresistencia a los esfuerzos cortantes, las ondas transversales (ondas de corte) nopueden serpropagadas en estos medios.En lquidos y gases solamente pueden serpropagadas ondas longitudinales.


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Por esta razn, el ejemplo dado en 1.32 no es aplicable a esto.En materiales slidos, se pueden propagar las ondas longi tudinalesy transversales como as tambin todas sus combinaciones.Las ondas longitudinales o transversales puras, slo se formarn si el espesor delmaterial conrespecto a la direccin de propagacin de la onda, es considerablemente mayor que lalongitudde onda .De otro modo, se formaran en las chapas o lminas, un tipo de ondas combinadas delos dosanteriores, que son llamadas ondas de chapa o Lamb. Estas ondas se puedensubdividir enondas de dilatacin y flexin adicionales, ver Fig. 13.Fig. 13: Tipos de ondas de Lamb. Arriba: onda de dilatacin. Abajo onda de flexin .1Principios acsticosIng. Ricardo Echevarria- Lab. END -F.I. -Univ. Nac. Comahue11

Una nueva combinacin de ondas longitudinales y transversales son las ondassuperficiales, verFig.14, las cuales pueden existir solamente a lo largo de la superficie, siendo capacesde seguiruna superficie curvada. Como se puede ver en la figura 14, la profundidad depenetracin de unaonda superficial es aproximadamente igual a la mitad de la longitud de onda.Fig. 14: Onda superficial.Para completar, tambin sern mencionadas las ondas de torsin, las cuales se puedendar encuerpos con forma de barras. Estas, son oscilaciones rotacionales alrededor del ejelongitudinal

de la barra, la direccin de propagacin se sita en la direccin del eje longitudinal.La velocidad de propagacin (velocidad de sonido) deondas longitudinales, transversales o de superficie, sonconstantes del material, independientes de lafrecuencia y dimensiones del material.Existe la siguiente correlacin:Cl= (3)(1 )(1 2 )1-m mm

r ECl= ( )( )

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r mE Cs = 0.9 tDonde Cl = velocidad de la onda longitudinal.Ct = velocidad de la onda transversal.

Cs = velocidad de la onda superficial.E = Mdulo de elasticidad de Young = densidad. = constante de Poisson.1Principios acsticos

La velocidad de propagacin de las ondas Lamb (tiposde flexin y dilatacin) y las ondas de torsin dependenno solamente de las constantes del material dadasarriba, sino tambin de las dimensiones del mismo, deltipo de onda y de su frecuencia. La dependencia de lafrecuencia de la velocidad de onda del sonido, es

tambin llamada " dispersin"Las ondas snicas que se esparcen uniformemente en todas direcciones son llamadasondasesfricas, aquellas que se esparcen slo en una direccin, ondas planas.1.42 .El comportamiento de ondas snicas en superficies limites1.421. Direccin del sonido en superficies limites perpendiculares .Si una onda snica incide normalmente en la interfase de dos materiales, una parte dela energasnica es transmitida al otro material, mientras que otra parte ser reflejada, como semuestra enla figura 15 .

Fig. 15: Incidencia del sonido normal a la interfase entre dos medios.Las proporciones de energa transmitida y reflejada dependen de la impedancia de losdosmateriales .La impedancia acstica se puede calcular como:Z = r * c (6)Donde Z = impedancia acstica = densidad del material del medio consideradoC = velocidad del sonido del medio consideradoSi una onda snica viaja a travs de un material con impedancia acstica Z1, e incideperpendicularmente en una interfase correspondiente a otro material con impedanciaacstica Z2,se pueden definir las siguientes magnitudes:1Principios acsticos

Factor de reflexin : R =2 12 1

Z Z

Z Z


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(7)Factor de transmisin : T' =2 1

2 2Z Z

Z(8)El factor de reflexin da la proporcin (%) de presin acstica reflejada y el factor detransmisinda la proporcin de presin acstica transmitida en el segundo material ."R'" puede ser positivo o negativo, "T'" puede ser mayor o menor que 1, dependiendocul delos dos, Z1 Z2 es mayor. Esto no esta en contraposicin con el principio de energa,sino queaqu se considera la presin acstica y no la energa (o intensidad) acstica. Un material

con altaimpedancia acstica es llamado "acsticamente duro" y uno de baja impedancia,"acsticamente blando".Si la impedancia acstica de los dos mediosson iguales (Z1= Z2), no hay reflexin ( R'=0 ), el sonido pasa a travs de la 1interfasesi alterarse (T'= 1).Ser mencionado nuevamente que los valores de R' y T' estn relacionados con lapresin y nocon la intensidad acstica. Esta forma de representacin ha sido elegidadeliberadamente, puestoque la amplitud del eco que aparece indicado en un equipo de ultrasonido es

proporcional al valorde la presin acstica .De las expresiones (7) y (8) se deduce, en primer lugar, que la presin acstica reflejadaser dela misma amplitud, cualquiera sea el lado de la superficie lmite sobre el cual incide laonda, esdecir, independiente de la secuencia de ambos materiales; si bien en el caso de ser Z2>Z1, R'ser positivo lo que indica que la onda incidente y la reflejada estn en la misma fasey, en casocontrario, (Z2 < Z1), R' ser negativo, lo que indica una inversin de fase de la onda

reflejadacon relacin a la incidente .En cambio, la presin acstica transmitida, si bien en fase con la onda incidente, noserindependiente de la secuencia de los dos materiales, de manera que se Z2> Z1 , T' >1,lo queindica que su amplitud ser mayor que la de la onda incidente y en caso contrario ( Z 2

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