Blog

Características de los haces de sonido en ensayos ultrasónicos

Debido al elevado número de oscilaciones (MHz) de una onda ultrasónica y a la longitud de onda correspondientemente pequeña, las fuentes de ultrasonido tienen una fuerte característica direccional. Las amplitudes de presión sonora p que vale la pena mencionar solo pueden confirmarse en un pequeño sector del espacio. La porción esencial y, para la prueba, la más significativa del campo sonoro, se encuentra dentro de un sector estrecho del campo y este sector se conoce como haz de sonido.

Para comprender este efecto direccional, se considera que la superficie del transductor es una serie de puntos que irradian sonido. Cada onda de sonido irradiada desde dicho punto se propaga de forma esférica. Alcanzan un punto Q en el espacio en diferentes tiempos de tránsito (fig. 20). Allí, las ondas separadas se superponen, interfieren y, según la fase y la amplitud, dan la presión sonora total en el punto Q. Dependiendo de la posición de Q los efectos de la interferencia pueden ser muy diferentes. En la figura 21 se muestra cómo el sonido se agrupa en un sector estrecho, debido a la interferencia, con un cristal donde D/λ = 10. En la zona inmediatamente delante del transductor hay un área con fuertes variaciones de presión sonora, es decir, el «campo cercano». El máximo de presión más alejado del transductor marca el final del campo cercano. En este punto, el haz de sonido se concentra al máximo. Cada fuente de sonido tiene un campo cercano cuya forma, sin embargo, está influenciada por la forma del transductor.

Cuando se prueban materiales, es muy importante saber qué parte del haz de sonido es adecuada para la prueba, es decir, el rango operativo de la sonda. Con frecuencia surge la pregunta: ¿dónde en un transductor plano en forma de disco se encuentran los bordes del haz en los que el eco de un reflector puntual no disminuye más que un valor definido por debajo de la presión máxima sobre el eje? Si una sonda tiene un factor direccional R = 1 en el eje acústico, entonces genera, en un punto Q fuera del eje, una presión R < 1.

Una onda sonora reflejada desde allí es captada por la misma sonda con el mismo valor reducido R < 1. La señal de retorno, independiente del reflector (punto), se ubica con el factor direccional R² en comparación con el eje acústico. En el sistema dB.

Una caída de amplitud de 20 dB desde un eco reflector puntual significa entonces una disminución del campo libre de 20/2 dB = 10 dB. En la figura 22 se muestra esta limitación del haz en el campo lejano con precisión y en el campo cercano de forma envolvente. No hay ninguna presión sonora digna de mención fuera de este haz. La figura 22 es entonces el modelo para la radiación sonora de una sonda.

El campo cercano muestra un haz con el diámetro aproximado del cristal; sin embargo, se reduce hasta el final del campo cercano a la mitad del diámetro del cristal.

El ángulo de divergencia γ es constante porque la amplitud de la presión sonora p normal al eje acústico para el cristal en forma de disco sigue la siguiente ecuación

En consecuencia, para cristales rectangulares se aplica lo siguiente.

Por lo que para s se utiliza cualquiera de los lados a o b del cristal. Según las ecuaciones 10 y 11 y la Fig. 23, los siguientes ángulos de refracción γ₆ y γ₂₀ también pertenecen a los casos importantes de caídas de amplitud de 6 dB y 20 dB

Para osciladores de disco:

γ₆ = arco seno 0,51 λ/D

γ₂₀ = arco seno 0,87λ/D

Para osciladores rectangulares:

γ₆= arco seno 0,44 λ/s

γ₂₀ = arco seno 0,74 λ/s

(s = un lado opcional (a o b) del oscilador).

Con la distancia z del transductor, la presión sonora p también cambia. Para un transductor en forma de disco se aplica lo siguiente:

(Diámetro del transductor D, distancia z) Para distancias mayores, la ecuación z (12) se puede aproximar mediante

En el sistema dE3 esto se convierte en:

Lo siguiente se aplica a todos los transductores, independientemente de su forma: Para distancias grandes, la amplitud de la presión acústica disminuye proporcionalmente a la distancia (ecuación 13) o: la curva de presión acústica representada frente al logaritmo de la distancia (ecuación 14) es una línea recta. El área a la que se aplica esta relación se conoce como «campo lejano». El rango entre el campo cercano y el campo lejano se conoce como «rango de transición». La ley de distancia para un transductor cuadrado, que no se puede describir tan fácilmente como en la ecuación 12, se muestra en la figura 25.

La tabla 4 es una tabla auxiliar para estimar el ancho del haz de sonido para operación en campo libre y eco con transductores rectangulares y con forma de disco plano. El ancho del haz (medido desde el eje) se calcula de la siguiente manera: