SONIDO: es la manifestación sensible de un fenómeno ondulatorio de naturaleza mecánica.

Estas ondas mecánicas se originan por el estado oscilatorio de una partícula con respecto a su

punto de equilibrio, la que transmite su energía de excitación a otra partícula contigua, que a su

vez hace lo propio.

En un medio elástico, la energía se transmite de un a partícula a otra, sin mover la materia. La propagación de una onda provoca un transporte de energía, no de masa. Es necesario un medio elástico para la propagación de estas ondas de naturaleza mecánica. Por ello el sonido no se transmite en el vacío. En general, los medios no son absolutamente elásticos y presentan cierta resistencia a la transmisión, que se conoce con el nombre de impedancia (Z). Los medios de gran impedancia se pueden considerar aislantes acústicos. En éstos, la energía no transportada es absorbida por el medio transformándola en calor.

Parámetros característicos:

a) Amplitud (A). Es la mayor distancia de desviación alcanzada por la partícula, medida (en

metros) desde el punto de reposo.

b) Longitud (λ). Es la distancia medida (en metros) en el sentido de la propagación entre dos

posiciones similares contiguas, alcanzadas por la onda.

c) Frecuencia (f). Es la cantidad de oscilaciones completas por unidad de tiempo (Hertz). El

tiempo que dura una oscilación completa se denomina período (T).

d) Desfasaje (∆φ). Es la distancia medida (en grados), o el tiempo que transcurre entre una

determinada posición (máximo o mínimo) alcanzada por dos ondas diferentes.

e) Velocidad de propagación (C). Es la velocidad con que se desplaza una fase de la onda (en

metros por segundo). Es por eso el cociente entre la longitud de onda y su período o también

el producto de su longitud por su frecuencia.

f) Impedancia (Z) es la resistencia a la propagación. Z=δ.C (Kg/m2.seg) o también Z=P/V (presión

acústica máxima / velocidad máxima de oscilación).

g) Energía o intensidad acústica (E), referida a la unidad de volumen. E=1/2.δ.V2 (que se expresa

en w.seg/m3).

h) Intensidad Acústica es la cantidad de energía que pasa por unidad de área y de tiempo I=E.C

(se expresa en w/m2)

Tipos de onda según su frecuencia: infrasónica (f<16Hz), sónica (16Hz<f<20KHz) y ultrasónica

(f>20KHz). Los ensayos de ultrasonido usan preferentemente frecuencias entre 0,5 y 10MHz,

aunque se ha llegado a emisiones de hasta 1000MHz. Para que una onda sónica resulte audible,

debe tener una intensidad sonora mínima.

Tipos de onda según la correlación entre su oscilación y propagación:

Longitudinales (oscilación y propagación colineales). Un ejemplo de este tipo sería el golpe de

ariete, que genera zonas de alta y de baja presión a lo largo de un conducto y se propaga en igual

dirección.

Transversales (propagación normal a la oscilación). Así es el caso de una cuerda de un

instrumento musical, que vibra transversalmente a su longitud y se propaga a lo largo de ella. La

velocidad de propagación es una constante para cada material puesto que no depende de la

frecuencia de la onda ni de su longitud.

Superficiales. Es de tipo transversal, como el caso anterior, pero que se produce en la superficie

del material, sin afectar a profundidades que superen a la longitud de la onda. Las partículas

tienen un movimiento oscilatorio elíptico y su amplitud decrece con la profundidad (cuando ésta

es mayor que λ no hay oscilación)

De Lamb: Cuando el material expuesto a vibraciones superficiales posee espesor menor que la

longitud de la onda, la oscilación afecta a todo el material, produciéndose varios tipos de ondas de

Lamb o de chapa. De estos tipos, los más importantes son las simétricas (o de compresión) y las

asimétricas (o de flexión). La velocidad de propagación no es una constante para cada material

puesto que depende del espesor de la chapa, del tipo de onda y la frecuencia.

La velocidad de propagación de las ondas acústicas depende de E, µ, δµ, δµ, δµ, δ en diferente función para

las ondas longitudinales, transversales y superficiales.

Ondas acústicas en superficies límites:

Cuando una onda cruza dos ámbitos de diferentes características físicas, se producen fenómenos

de reflexión y de refracción. Dependiendo de la posición del haz de incidencia con respecto a la

superficie límite, se puede hablar de Incidencia normal o Incidencia oblicua.

En el caso de Incidencia Normal, el haz incidente es colineal con el reflejado y el transmitido (el

ángulo de incidencia al igual que el de reflexión y refracción es nulo).

La intensidad del haz incidente equivale a la suma de los haces reflejado y transmitido: Ii = Ir + It

A su vez Ir = I .R (donde R es el coeficiente de Reflexión)

Y de igual modo It = I . T (donde T es el coeficiente de Transmisión)

R y T se relacionan entre sí como: R + T = 1

En el caso de Incidencia Oblicua, todos los haces se encuentran en un mismo plano (normal a la

superficie límite). Toda onda que incide oblicuamente (ya sea longitudinal o transversal), genera

una onda transversal y otra longitudinal, tanto de reflexión como de refracción. Esto ocurre

porque la presión acústica de la onda longitudinal oblicua se descompone en el punto de

incidencia en una presión normal (compresión) y otra tangencial (cizallamiento) y cada una de

ellas produce independientemente reflexiones y refracciones.

Por ejemplo, una onda longitudinal incidente (IiL), produce reflejadas una onda longitudinal

(IrL) y otra transversal(IrT) y refractadas una onda longitudinal (ItL)y otra transversal (ItT).

La relación entre los ángulos incidentes y de refracción, se rige por la Ley de Snell, que indica:

( sen θi / sen θr ) = ( C1 / C2 ) = (λ1 / λ2 ) = constante

Expresa que los ángulos se relacionan con las velocidades de propagación o las longitudes de onda

correspondientes a cada medio.

Los ángulos de reflexión y refracción transversales son menores que los longitudinales, porque en

un mismo medio, la velocidad de propagación de las ondas transversales es menor que la de las

longitudinales.

iL

rL

rT

tL

tT

ONDA INCIDENTE LONGITUDINAL

ONDA

REFLE

JADA

TRAN

SVER

SAL

MEDIO 2 ONDA TRANSMITIDA LONGITUDINALONDA TRANSMITIDA TRANSVERSAL

ONDA REFLE

JADA LO

NGITUDINAL

MEDIO 1

iLSIEMPRE: rL=

> rTSIEMPRE: rL

> tTSIEMPRE: tL

ULTRASONIDO:

Para generar un haz de ondas ultrasónicas se puede aprovechar el efecto piezoeléctrico inverso,

aplicando una corriente eléctrica sobre una placa de un cristal adecuado como el cuarzo (Si O2), la

turmalina, el (SO4Li2), etc. Este responde vibrando con igual frecuencia que los pulsos eléctricos,

lo que resulta en la emisión ultrasónica, si se elige esa frecuencia de oscilación eléctrica.

Dependiendo de la orientación que se elija para cortar la placa dentro del cristal, se obtendrá un

emisor de ondas longitudinales o transversales.

El ensayo consiste en la emisión de un haz de ondas y la recepción de la respuesta, para poder

determinar lo buscado.

Los ensayos sirven para determinar espesores de material, condiciones de heterogeneidad,

discontinuidades, inclusiones, fisuras, sopladuras, verificación de calidad de cordones de

soldadura y muchas aplicaciones más.

Para lograr una simplificación durante el ensayo, se modifica el ángulo de incidencia θi hasta

lograr la desaparición de la onda longitudinal refractada (ItL) porque su ángulo de refracción

longitudinal θtL llega a 90º. El valor necesario del ángulo θi es el primer ángulo crítico. Del mismo

modo, para que desaparezca la onda transversal refractada (ItT) porque su ángulo de refracción

transversal θtT llega a 90º, se debe modificar el ángulo θi cuyo nuevo valor es el segundo ángulo

crítico.

Fenómeno de Atenuación. Hay dos tipos diferentes de atenuación atendiendo al medio en que

ocurren: Atenuación en haz ultrasónico: es producida por el fenómeno de dispersión (Huygens),

ya que el haz se proyecta en forma esférica, la densidad de la intensidad disminuye con el

cuadrado de la distancia. Atenuación en seno de un sólido: ésta se produce por dos razones

fundamentales, dispersión (debida a la heterogeneidad de la materia ensayada, incluso del grano

elemental del metal) y absorción (debida al consumo de energía en el proceso de deformación de

la red cristalina del metal).

Métodos de ensayo:

Transmisión: Consiste en emitir y recibir al mismo tiempo presión acústica o Intensidad, en forma

de excitación continua. Esto obliga a disponer alineados emisor y receptor. Las fallas ocasionan una

disminución de la intensidad por reflexión, que se nota en la recepción.

No permite determinar la profundidad del defecto.

Necesita una alineación precisa.

Tiene dos zonas de interfase que pueden perjudicar la determinación.

No es apropiado para equipos manuales.

No es muy sensible a pequeñas fallas.

Es muy útil para materiales con gran dispersión, o de elevada absorción, o en determinaciones en

serie.

Impulso – Eco: la diferencia con el primero es que mientras aquel “lee” la diferencia entre la

emisión y la recepción transmitida, éste “lee” la porción reflejada. Esto permite la existencia de un

cabezal único emisor-receptor que tiene la gran ventaja de su manejo al no necesitar alineación

alguna. Como el haz emitido sería interferido por el reflejado, la emisión no es continua sino por

pulsos. Es ideal para equipos portátiles.

Resonancia (mediante reflexión desfasada 180º respecto a la incidente): usando una excitación

continua, se busca producir un efecto de resonancia en el material analizado. Para ello se varía la

frecuencia del oscilador hasta acercarse o igualar a la frecuencia natural del material ensayado.

Esto da como resultado una amplitud máxima de la vibración forzada elástica en el material. De

este modo la onda incidente se ve reflejada sobre sí misma pero con un desfasaje de 180º, lo que

protagoniza la anulación del efecto oscilatorio en ambas interfases (ver figura siguiente) y

permite reconocer indudablemente el espesor de la placa analizada.

Espesor = n . ( llll / 2 ) donde n es el número de armónica correspondiente

EJEMPLO DE INSTRUMENTO DE MEDICION POR ULTRASONIDO

Características:

Modelo SC118 Muy fácil de operar y precio económico. Diseñado para medir espesores de pared en aquellos lugares donde se dificulta el uso de instrumentos

convencionales. Aplicable a una gran variedad de materiales (metales, plásticos, vidrios, etc). Rango de Medición 1,5~200mm Resolución: 0,1mm. Velocidad de sonido ajustable: 500-9000m/s Memoria de la velocidad de sonido de 11 diferentes materiales. Precisión: ± (0,5%n + 0,2) Incluye transductor de 5MHz. Bloque patrón embutido de 5mm de espesor. Alimentación: 4 Baterias 1.5V AA Estuche y gel acoplante. Dimensiones: 161x70x32mm.

ULTRASONIDO: Medición de espesores