Campo acústico

Transductor

Parámetros:

D = Diametro; f = Frecuencia; V = Velocidad;

λ=Longitud de onda.

Campo cercano

z<No

(Transductor circular)

La intensidad del campo es irregular y el haz es más estrecho que el diámetro del transductor.

Campo cercano

z<No

(Transductor rectangular)

donde "a" es el lado menor y "b" el lado mayor del transductor.

Apertura del haz

La apertura del haz se puede reducir aumentando la frecuencia y/o diámetro del transductor.

Para transductores planos en pulso-eco, el ángulo de apertura del haz viene dado por:

donde:  α/2 = La mitad del ángulo de apertura.

”k” =  Constante que depende de la definición del ancho del haz.

“k”  = 0.51 determina el ancho a -6dB en pulso-eco.

Valor de “k”  en modo transmisión

Caida % dB

Transductor circular

Transductor rectangular

10% (20 dB)

1.08

0.60

50% (6 dB)

0.54

0.91

Valor de “k” en modo pulso-eco

10% (20 dB)

0.87

0.74

50% (6 dB)

0.51

0.44

Campo ultrasónico focalizado

El ancho del haz se puede reducir utilizando lentes para focalizar el haz en la región de campo cercano

  => zfoco: posición del foco

La posición del foco (zfoco) viene dada por el radio de la lente según: 

                                               => VM: Velocidad del sonido en el medio a inspeccionar.                                                => VL: Velocidad del sonido en la lente.

                                               => R: Radio de curvatura de la lente.

Factor de foco

Un haz focalizado está caracterizado por:

El grado de focalización de un transductor puede describirse por la magnitud "Sac":

0.1   ≤ Sac ≤ 0.33 => focalización fuerte.

0.33 ≤ Sac ≤ 0.67 => focalización media.

0.67 ≤ Sac ≤ 1.0 => focalización débil.

La mayoría de las aplicaciones utilizan:

Sac < 0.6

Profundidad de foco

Esta fórmula es válida para Sac < 0.6

Diámetro de un haz focalizado

Diámetro del haz en el fondo (mm,caida -6dB)

Variables

Descripción

Reflexión

Cuando una onda alcanza un medio con diferente impedancia acústica (interfase), parte de la energía incendente se refleja hacia el primer medio. El ángulo de incidencia y el de reflexión están relacionados por:

Refracción

Cuando una onda alcanza un medio con diferente impedancia acústica, el haz transmitido cambia de dirección siguiendo la llamda ley de Snell:

Primer ángulo crítico

Es el ángulo de incidencia que genera que las ondas longitudinales no se propaguen en el segundo medio (ángulo de refracción = 90º)

Segundo ángulo crítico

Es el ángulo de incidencia que genera ondas transversales a 90º en el material (ondas superficiales).

Porcentaje de energía reflejada

Donde Z1 y Z2 son las impedancias acústicas de los medios 1 y 2 respectivamente. El valor de energía transmitida se obitene restando este valor del 100%.

Coeficiente de reflexión

R es el coeficiente de reflexión y es un valor numércio adimensional.

Coeficiente de transmisión

T es el coeficiente de transmisión y es un valor numércio adimensional.

Atenuación

Reducción de la energía de la ondacomo resultado de la absorción y la dispersión del medio.

Ancho de pulso (PW)

Duración del pulso de excitación del transductor.

Señal temporal

NP – Número de picos   

CN – Número de ciclos: CN = CP/2

Vpp – Amplitud pico a pico 

ΔT-20dB -  Duración del pulso a -20dB del máximo

dA – Relación de amortiguamiento entre las amplitudes de los dos primeros máximos.

Resolución axial

Capacidad de un sistema ultrasónico de separar dos reflectores ubicados en la dirección de propagación del haz.

Características de la señal ultrasónica en el dominio de la frecuencia

fL – frecuencia de corte inferior

fU – frecuencia de corte superior

fC – frecuencia central: (fU-fL)/2

BW6dB[%] – Ancho de banda: 100 *(fU-fL)/fC

Clasificación de los transductores según el ancho de banda

Un transductor eléctrico transforma energía eléctrica y mecánica y viceversa. El ancho de banda viene dado por el gradi de amortiguamiento del transductor.

Respuesta muy amortiguada

Gran ancho de banda

1 - 3 cilcos

Respuesta algo amortiguada

Ancho de banda medio

3 - 5 ciclos

Respuesta poco amortiguada

Transductor de banda estrecha

5 - 7 ciclos

La resolución axial mejora si la duración del pulso se reduce.

Resolución axial de referencia (Δz)

La resolución axial empeora cuando se estrecha la banda

Variable

Descripción

Ondas ultrasónicas

Las ondas ultrasónicas son ondas mecánicas de alta frecuencia (>20KHz), que pueden presentar distitnos modos de propagación en función de la forma en la que vibran las partículas del material (ondas longitudinales, transversales, superficiales, etc.).

Impedancia acústica

Z=ρV [Kg/m2s]

Es la resistencia que ofrece un material al desplazamiento de una onda ultrasónica. Se obtiene como el producto entre la densidad ρ y la velocidad V del sonido en el material.

Acoustic pressure

P= Za

Denote the amplitude of alternating stresses on a material by a propagating ultrasonic wave. It is related to the acoustic impedance “Z”  and the amplitude of the particle vibration “a”.

Intensidad acústica

I=P2/2Z=Pa/2

Es la cantidad de energía por unidad de área y tiempo.

Tipos de ondas ultrasonicas

En las ondas longitudinales las partículas vibran en la dirección de propagación del sonido. Este tipo de ondas pueden propagarse en sólidos, líquidos y gases.

En las ondas transversales o de cizalla el movimiento de las partículas es perpendicular a la dirección de propagación de la onda. La velocidad de propagación en un material suele ser diferente para las ondas transversales y las longitudinales.

Las ondas superficiales o de Rayleigh se producen en medios semi-infinitos. Se propagan en una región no superior a una longitud de onda por debajo de la superficie del material. Las partículas vibran siguiendo un movimiento elíptico.

Las ondas de Lamb se generan cuando se agrega una segunda condición de borde, por ejemplo, en una placa. Pueden producir vibraciones simétricas o anti-simétricas en placas con espesores de varias longitudes de onda. Las partículas también siguen un movimiento elíptico.

Variables que definen una onda

λ= c/f = cT

λ – Longitud de onda [mm]: Distancia que recorre el sonido durante un periodo de oscilación.

f  – Frecuencia [MHz]: Número de oscilaciones por segundo.

c – Velocidad [mm/us]: Velocidad a la que se mueve la onda por el medio.

T – Periodo [1/f]: Tiempo de una oscilación.

Velocidad del sonido

Longitudinal

E = Módulo de elasticidad [N/m2].

ρ = Densidad[Kg/m3]

μ = Coeficiente de Poisson = (E-2G)G

G = Módulo de rigidez.

Transversal

Superficial