Aplicaciones ultrasonidos y ensayos

Aplicaciones de ultrasonidos en ensayos no destructivos y diagnóstico físico.

Contexto conceptual

Los ultrasonidos son ondas mecánicas de presión (0.5–20 MHz en metales), cuyas longitudes de onda milimétricas detectan discontinuidades internas. El método emite un pulso, registra ecos e interpreta tiempo y amplitud de reflejos. Las variables centrales son $v_{us}$ (velocidad), $t_{vuelo}$ (tiempo de vuelo), $d_{defecto}$ (profundidad), $Z_{ac}$ (impedancia acústica), $R_{ac}$ (coeficiente de reflexión) y $\rho_{mat}$ (densidad), que determina $Z_{ac}$.

🟢 Nivel esencial

En un ensayo ultrasónico de pulso-eco, el transductor envía un impulso corto al material. El pulso recorre la pieza, llega a una discontinuidad y vuelve como eco. El eco más fuerte puede corresponder a una pared trasera o a un defecto. El tiempo que tarda en volver el eco es $t_{vuelo}$.

La profundidad del defecto se obtiene porque el pulso hace un doble recorrido: primero hasta el defecto y luego de regreso. Por ello, la distancia real es la mitad de la que recorrería una onda viajando a la velocidad del material durante $t_{vuelo}$. Esta es la razón por la que la fórmula de profundidad incluye el factor 1/2.

La impedancia acústica $Z_{ac}$ combina la densidad $\rho_{mat}$ y la velocidad $v_{us}$. Si un defecto está lleno de aire, la diferencia de $Z_{ac}$ entre el material y el aire es enorme, lo que produce un eco muy intenso. Si el defecto está relleno con material similar, el eco puede ser débil o desaparecer. Esta es la razón por la que los defectos de aire son fáciles de detectar, pero las inclusiones de material denso son difíciles de ver.

🔵 Nivel formal

Fórmulas básicas

La relación principal de este leaf es:

Profundidad del defecto por tiempo de vuelo

Esta fórmula expresa $d_{defecto}$ en función de $v_{us}$ y $t_{vuelo}$ con factor 2 que corrige el doble recorrido del pulso (ida hasta el defecto y vuelta al transductor). Es válida si el material es homogéneo y $v_{us}$ constante a lo largo del camino acústico. Si existen capas intermedias con diferente velocidad, se requiere sumar las contribuciones parciales de cada capa.

La impedancia acústica se define como:

Impedancia acústica del medio

Esta ecuación muestra que $Z_{ac}$ aumenta con $\rho_{mat}$ y $v_{us}$. Es una propiedad intrínseca del material que caracteriza la resistencia del medio al paso de ondas de presión. Materiales densos y rígidos poseen valores de $Z_{ac}$ elevados, lo que implica que la energía transmitida entre medios muy diferentes será mínima y la reflexión será máxima.

Preguntas reales del alumno

• ¿Por qué se usa gel y no aire? Porque el aire tiene $Z_{ac}$ muy baja (400 Rayl) y refleja casi toda la energía, mientras que el gel ($Z_{ac}$ ≈ 1.6 MRayl) adapta la impedancia entre el transductor piezoeléctrico ($Z_{ac}$ ≈ 30 MRayl) y la pieza metálica ($Z_{ac}$ ≈ 45 MRayl). Sin acoplante, la pérdida de energía es tan grande que casi ningún pulso penetra.

• ¿Un eco alto implica siempre un defecto grande? No necesariamente. La amplitud del eco depende de $R_{ac}$, que puede ser grande para una fisura con aire (muy baja impedancia), incluso si su volumen es pequeño. Una micro-grieta de aire produce a veces un eco más fuerte que una inclusión de sólido grande.

• ¿Por qué importa $\rho_{mat}$ si la profundidad solo depende de $v_{us}$ y $t_{vuelo}$? Porque $\rho_{mat}$ determina $Z_{ac}$ y modula la detectabilidad del eco. Además, $v_{us}$ y $\rho_{mat}$ están correlacionados en un material: si la densidad aumenta (por ejemplo, por compresión o envejecimiento), $v_{us}$ puede aumentar o disminuir, y ambos cambios afectan $Z_{ac}$. Un material endurecido puede parecer ser el "mismo" acero en apariencia, pero $v_{us}$ ha cambiado y los cálculos de profundidad dan resultados erróneos.

• ¿Qué pasa si hay ruido de grano muy fuerte? El ruido de grano es dispersión acústica producida por los límites de grano del material. Reduce el pulso reflejado en todas direcciones en lugar de dirigirse al transductor. Para reducir el ruido se elige una frecuencia más baja (mayor longitud de onda, menos sensible a granos) y se acepta perder resolución espacial. Este es un ejemplo de compromiso fundamental en física de mediciones.

Síntesis final

Los ensayos ultrasónicos convierten $t_{vuelo}$ en $d_{defecto}$ usando $v_{us}$. La impedancia $Z_{ac}$ y el coeficiente de reflexión $R_{ac}$ controlan qué ecos son detectables y qué información sobre el tipo de defecto se puede extraer.

La calibración con un bloque del mismo material reduce errores por variaciones de $\rho_{mat}$ y $v_{us}$. En problemas reales, se debe complementar el cálculo con observación de la forma del eco y con la comparación entre diferentes mediciones para discriminar defectos, inclusiones y fluctuaciones del material.