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Ultrasonido sin contacto
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(*) Texto e imágenes cortesía del Grupo de Sistemas y Tecnologías Ultrasónicas (GSTU) del Instituto de Tecnologías físicas y de la información (ITEFI-CSIC).

 

Conceptos báscios

 

La tecnología de inspección por ultrasonidos en aire a presión atmosférica, esto es, sin necesidad de medios líquidos o sólidos de acoplamiento entre transductores y pieza. La tecnología incluye transductores, electrónica y procesamiento digital para inspecciones por transmisión. La Figura 1 muestra 4 posibles configuraciones de inspección, y la figura 2 el arreglo experimental utilizado en este trabajo.

 

 

Figura 1 : Posibles configuraciones para la inspección por ultrasonidos en aire.

 

 

 

 

Figura 2 : Entorno experimental basado en el sistema Ultrascope.

 

Primer acercamiento al problema de inspección sin contacto

Las medidas realizadas intentan estimar los niveles de atenuación para diferentes materiales, con varios espesores, y la relación señal/ruido que se obtiene en cada caso. El conjunto de medidas y resultados se resumen en una tabla al final de este informe.

 

La relación señal/ruido se estima dividiendo la máxima amplitud de señal VS por la máxima del ruido VN (expresada en dB). Con frecuencia aparecen reverberaciones internas y otros artefactos que no son ruido y han de ser excluidos de la estimación:

 

                                                                                                                                                 (1)

 

Es importante destacar que las medidas se han hecho directamente, sin promediar. El promediado y/o la función EMI (eliminación de interferencias) incorporadas a la tecnología disponible, mejoran la relación señal/ruido. Sin embargo, se ha preferido disponer de las cifras en la situación más desfavorable, en la que la medida se obtiene con un único disparo.

 

Por otra parte, en cada caso se aplica un voltaje de excitación VP, una ganancia Gi (en dB) para obtener una indicación de pico VS (en video). Suponiendo que, con G=0 dB, un 100% de escala corresponde a 1 V, las pérdidas de inserción son:

 

                                                                                                                                  (2)

 

Para realizar una comparación, se evalúan las pérdidas de inserción relativas de la prueba i respecto a la prueba 0 (referencia medida 0, sin pieza):

 

                                                                                                                                                          (3)

 

Las magnitudes anteriores están expresadas en dB.

La Fig. 3 muestra la señal obtenida en estas condiciones, que establece una referencia de nivel obtenido por transmisión directa emisor-receptor.

 

 

Fig. 3- Captura de pantalla de la señal por transmisión directa

 

 

 

Para evitar la saturación del amplificador de entrada, dado el elevado nivel de señal, se redujo la excitación a 50 V, única diferencia respecto a otros experimentos (en los que la excitación se eleva a 400 V, valor estándar de inspección). La ganancia aplicada fue G=10.6 dB para obtener una indicación VS=0.9. La relación del pico de señal al del ruido es SNR≈60 dB. Las pérdidas de inserción son A0 = 45 dB y las normalizadas B0 = 0 dB.

 

Los restantes parámetros, que se mantienen en el resto de experimentos (salvo indicación expresa) son los mostrados en la Tabla I:

 

Parámetro

Valor

Ancho del pulso de excitación

1,9 µs

Números de pulsos de excitación

2

Amplitud de la tensión de excitación

400V

Filtro digital en recepción

100-400 KHz

Frecuencia de muestreo

1.5 MHz

Modo de adquisición

RF

 

Descripción de las probetas

Probeta 1: Material laminado en CFRP con núcleo nomex en nido de abeja, con dos espesores: 20 y 27 mm.

 

Probeta 2, Es un laminado de fibra de carbono de 5 mm de espesor.

 

Probeta 3. Pieza con laminados CFRP y núcleo en nido de abeja de aluminio de 17 mm de espesor.

 

Probeta 4, sándwich de fibra de carbono, fibra de vidrio y poliuretano de 20 y 65 mm de espesor.

 

Probeta 5. Fibra de vidrio maciza, 6 capas y 5 mm de espesor.

 

Probeta 6. Laminado de CFRP de 1 mm de espesor (“piel”).

 

Probeta 7. Laminado de CFRP de 4 mm de espesor

 

Probeta 8. Laminado CFRP de 12 mm de espesor

 

Probeta 9. Disco de acero inoxidable on un espesor de 10 mm

 

Probeta 10. Bloque de acero al manganeso de 30 mm de espesor

 

Resumen de medidas

La Tabla siguiente resume los resultados obtenidos:

 

Description

Gain

(dB)

VS

(%)

VN(*)

(%)

SNR

dB

A

dB

B

dB

0

Transmisión directa en aire (sin pieza)

10.6

90

0.1

60

45

0

1A

Laminado CFRP con núcleo nomex (20 mm)

60

40

10

12

120

75

1B

Laminado CFRP con núcleo nomex (27 mm)

60

40

10

12

120

75

2

Lamindao de fibra de carbono de 5mm de espesor

63

80

1

38

117

72

3

Laminado CFRP no núcleo aluminio nido de abeja de 17mm de espesor

80

45

9

14

139

94

4A

Sándwich 3 capas: CFRP, fibra de vidrio, poliuretano, espesor de 20mm

74

80

4

26

128

83

4B

Sándwich 3 capas: CFRP, fibra de vidrio, poliuretano, espesor de 65mm

80

40

10

12

140

95

5

Fibra de vidrio, 6 capas, 5mm de espesor

65

80

2

32

120

75

6

Laminado CFRP, 1mm de espesor

62

80

1

38

115

70

7

Laminado CFRP, 4mm de espesor

80

70

10

17

135

90

8

Laminado CFRP, 20mm de espesor

68

80

4

26

122

77

9

Acero inoxidable, 10mm de espesor

80

50

14

11

138

93

10

Acero al manganeso, 30mm de espesor

80

20

8

8

146

101

 

(*) Nivel de ruido de pico medido en el A-Scan.

 

Discusión and conclusiones.

Destacan las enormes pérdidas de inserción, que oscilan entre los 115 y los 146 dB para diferentes materiales. En cambio, las pérdidas de inserción de los transductores con acoplamiento directo (sin pieza) son relativamente bajas (45 dB), similares a las que se obtendrían con transductores convencionales y acoplamiento en inmersión.

 

Los coeficientes de reflexión y transmisión (energía) son:

 

                                                                                                                   (4)

 

La impedancia acústica del aire a 20ºC es el producto de su densidad (ρ≈1.2 Kg/m3) por la velocidad de propagación del sonido (c≈ 343 m/s), resultando ZAIRE≈ 400 Rayls (N·s·m-3).

Por su parte, el material compuesto CFRP (ρ≈1.9 g/cm3, c≈3.1 mm/μs) tiene una impedancia acústica[1] ZCFRP ≈ 5.9 MRayls. Sustituyendo en (4) para una interfaz aire-CFRP se obtiene que R1=0.9997≈1 y T1=2.71e-4≈0, significando que la reflexión es prácticamente total. El sonido, tras atravesar la pieza (ignorando la atenuación), debe salir a través de otra interfaz CFRP-aire (idéntica a la anterior). Así, la diferencia de impedancias acústicas entre el material CFRP y el aire provoca pérdidas totales (dos interfases: entrada y salida) de 71 dB, que se corresponden con el mínimo de las pérdidas de inserción relativas medido, teniendo en cuenta la gran variabilidad de características del material. A esto hay que añadir la posibilidad de que se exciten resonancias en las probetas que se miden (modo espesor o thickness), o en alguna parte de las mismas (en los laminados externos en el caso de las probetas sándwich) en cuyo caso las pérdidas pueden ser mucho mayores o menores en función de la relación entre frecuencia, espesor y velocidad de propagación y no se pueden estimar mediante el sencillo cálculo anterior.

A las pérdidas de inserción relativas hay que sumar los 45 dB que se pierden por las diferencias de impedancia acústica entre el transductor emisor y el aire, resultando en valores en el entorno de los 120 dB, como se constata en las medidas realizadas. La desadaptación de impedancias afecta menos al receptor (interfaz aire-sólido).

El problema es más acusado si la impedancia acústica del material es mayor que la del CFRP, como por ejemplo, en los dos ejemplos de acero inoxidable y acero al manganeso. En estos casos las pérdidas por diferencias de impedancia acústica son aún mayores.

Además, hay que considerar la atenuación del sonido en el interior del material. Algunas formas constructivas (nido de abeja, por ejemplo), proporcionan unos delgados caminos para la propagación del ultrasonido, por lo que suelen mostrar mayores atenuaciones, como también se constata en las medidas realizadas. Los laminados sólidos proporcionan un área mayor para la propagación del sonido, mostrando en general menores atenuaciones.

También interviene el proceso de fabricación. Por ejemplo, el laminado de CFRP de 20 mm de espesor, presenta unas pérdidas de inserción menores que el laminado de CFRP de 4 mm de espesor, casi del mismo orden de magnitud que el laminado de 1 mm de espesor. En estos dos últimos casos, el proceso de prensado y/o curado ha podido ser diferente del realizado en la pieza más gruesa.

A pesar de estos problemas, el conjunto transductores-electrónica atraviesa todos los materiales analizados, en general con una buena relación señal/ruido (de 8 a 38 dB) y sin utilizar funciones de promediado. Destaca el bajo nivel de ruido del conjunto (8 a 10% a máxima ganancia de 80 dB).

Si la resolución lo permite (longitud de onda en materiales compuestos del orden de 12 mm), sería posible realizar inspecciones en las que la caída de señal provocada por los defectos supere los 6-12 dB. Este extremo debe ser comprobado con probetas reales realizando barridos, aspecto que se abordará en trabajos futuros.

 



[1] Valores orientativos. Al ser un material compuesto, hay una gran variabilidad de parámetros.

 

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