2.4 Características de haces
Las sondas monoelemento convencionales que emiten ondas ultrasónicas longitudinales trabajan como una fuente pistón de vibraciones mecánicas de alta frecuencia o de ondas ultrasónicas. Al aplicar tensión, el elemento piezoeléctrico de la sonda (también llamado, cristal) se deforma comprimiéndose hacia su frente. Al retirar la tensión, normalmente, poco después de un microsegundo, el elemento se retrae y genera un impulso de energía mecánica que incluye una onda ultrasónica. El siguiente gráfico muestra un ejemplo conceptualizado sobre la respuesta de un elemento piezoeléctrico mediante un breve impulso eléctrico.
Las sondas frecuentemente utilizadas para los ensayos no destructivos por ultrasonido presentarán las siguientes propiedades estructurales y funcionales:
Tipo — la sonda será identificada según la función de contacto, línea de retardo, haces angulares o inmersión. Las características del material inspeccionado, tales como la rugosidad de la superficie, la temperatura, la accesibilidad y, también, la posición del defecto como la velocidad de inspección en el material determinarán la selección de un tipo de sonda específico.
Diámetro — el diámetro del elemento de la sonda activo, que normalmente se encuentra protegido por una gran carcasa.
Frecuencia — 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 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 la resolución y la nitidez focal incrementa con una frecuencia más alta.
Ancho de banda — la porción de la respuesta de frecuencia que se encuentra entre los límites de amplitud especificados. En este contexto, debe notarse que las sondas END típicas no generan ondas sonoras mediante una sola frecuencia pura, sino mediante un rango de frecuencias centradas sobre una designación de frecuencia nominal. El estándar en la industria especifica este ancho de banda al punto –6 dB (mitad de amplitud).
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.
Sensibilidad — es la relación entre la amplitud del impulso de excitación y aquella del eco recibido a partir del objetivo determinado.
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 expande en diámetro y, eventualmente, se disipa.
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.
El campo acústico de una sonda está dividido en dos zonas, el campo cercano y el campo lejano. El campo cercano es la zona más cercana a la sonda, donde la presión del sonido atraviesa una serie de niveles máximos y mínimos, y finaliza en el último nivel máximo en el eje a una distancia N a partir del frente de la sonda. La distancia del campo cercano N representa la focalización natural de la sonda.
El campo lejano es la zona después de N, donde la presión del sonido cae gradualmente a 0 mientras que el diámetro del haz se extiende y su energía se disipa. La distancia del campo cercano es una función de la frecuencia y del diámetro del elemento de la sonda, como también de la velocidad acústica en el material bajo inspección. Ésta puede ser calculada de la siguiente manera en el caso de elementos circulares cuya utilización es frecuente en la detección de defectos por ultrasonido. |
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: Debido a las variaciones de presión de sonido en el campo cercano, puede ser difícil evaluar correctamente los defectos mediante las técnicas que se basan en la amplitud (incluso si la medición de espesor en el campo cercano no es un problema). Además, N representa la distancia más grande en la que un haz puede ser enfocado mediante las técnicas de lente acústico o de fase. 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.
