A É A ÍA Ñ - Repositorio Digital Senescyt: Página de...

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA

DEL DISEÑO

MÁSTER UNIVERSITARIO EN INGENIERÍA DEL

MANTENIMIENTO

TRABAJO FINAL DE MA STER

Desarrollo y experimentacio n de un sistema

ultraso nico TOFD configurable

Tesis para obtener el título de:

Título Oficial de Máster Universitario en

Ingeniería del Mantenimiento

Presentado por:

Ing. José Fabricio Cuenca Granda.

Director:

Dr. D. Jorge Gosálbez Castillo

Valencia, Julio 2013

ii

Dedicatoria

A mi Familia, que me han apoyado incondicionalmente en todas

mis decisiones y proyectos, porque son mi verdadera y principal

motivación en cada una de las acciones tomadas.

iii

Agradecimientos

En estas líneas quiero expresar mi más profundo y sincero agradecimiento a todas

aquellas personas que de una u otra manera me han apoyado y colaborado

desinteresadamente en el desarrollo de este trabajo, en especial al Dr. D. Jorge Gosálbez,

director de esta tesina, por su orientación, seguimiento y supervisión en cada una de las

fases del desarrollo de este trabajo.

Así mismo, el reconocimiento especial a todos y cada uno de mis profesores que

he tenido en el presente máster, que me han compartido sus conocimientos, experiencias

y motivaciones desde cada una de sus especialidades.

Al Dr. D. Vicente Macián, que a más de su responsabilidad como director del

Máster, fue el artífice y responsable de facilitarme la admisión a estudiar y formar parte

de una institución de gran prestigio como lo es la Universidad Politécnica de Valencia.

A mis compañeros y compañeras, de los cuales llevo las mejores experiencias

compartidas durante estos dos años de estadía y convivencia en este país tan acogedor.

Y principalmente, mis agradecimientos a todas las personas que me supieron

apoyar en los momentos más complicados, aquellas que con sus consejos y motivaciones

supieron trasmitirme la confianza necesaria para retomar nuevamente mis objetivos y

metas planteadas.

Finalmente agradezco al SENESCYT, institución fortalecida bajo una nueva

visión y misión de trabajo, que son quienes me han brindado la posibilidad de formar

parte activa del “Plan del Buen Vivir” en el que Ecuador se halla encaminado.

A todos y todas ellas, muchas gracias.

iv

Resumen

La presente tesina aborda el desarrollo y la experimentación de un sistema

ultrasónico TOFD configurable, en este caso aplicado a piezas de duraluminio y hierro,

pero con la posibilidad de ser desarrollado en cualquier otro tipo de material sólido, por

ejemplo materiales de construcción.

Este trabajo toma su inicio en el capítulo 1 con la recopilación bibliográfica de los

fundamentos y terminologías básicas relacionadas con los ultrasonidos y su aplicación

dentro de los ensayos no destructivos. Se aborda los principales parámetros y conceptos

ultrasónicos, así como la generación de los diferentes tipos de ondas acústicas.

Posteriormente se toma la técnica TOFD, compendiando sus principios de

funcionamiento, fórmulas y demás características que serán utilizadas a lo largo del

presente trabajo.

En el capítulo 2 se hace una descripción y caracterización tanto de los equipos

disponibles como de las probetas de ensayo a utilizar, para luego desarrollar

experimentalmente el proceso más adecuado en la ejecución de esta técnica.

También comprende el desarrollo de una hoja de cálculo que ayuda a establecer

anticipadamente la mejor configuración en cada uno de los ensayos, facilitando

enormemente la tarea de calcular cada una de las variables relacionadas con la técnica

TOFD.

Además se describen paso a paso los diferentes procesos para la adquisición,

almacenamiento y procesamiento de las señales acústicas, hasta la obtención de las

imágenes bidimensionales llamadas B-Scan, que son el objeto en sí, de estudio y análisis

para la caracterización morfológica de las piezas en estudio.

En el capítulo 3, ya comprende la ejecución del procedimiento ultrasónico TOFD

configurable, en donde se ha ensayado sobre cada una de las probetas, aplicando los

procesos desarrollados y generando las respectivas imágenes que serán utilizadas para

contrastar la morfología real de las piezas con los resultados de los B-Scan obtenidos.

Finalmente se establecen las respectivas conclusiones y recomendaciones

asociadas al tema que se ha tratado en este trabajo.

v

Índice General

Dedicatoria ...................................................................................................................... ii

Agradecimientos .............................................................................................................. iii

Resumen .......................................................................................................................... iv

Índice General ...................................................................................................................v

Índice de Figuras .......................................................................................................... viii

Índice de Tablas .............................................................................................................. xi

Nomenclatura ................................................................................................................. xii

Objetivos ....................................................................................................................... xiv

Capítulo 1: Conceptos Teóricos .................................................................. 2

1.1 Introducción ............................................................................................................3

1.1.1 Reseña Histórica ...........................................................................................3

1.2 Ultrasonidos ............................................................................................................4

1.2.1 Ondas acústicas .............................................................................................4

1.2.2 Parámetros de las ondas acústicas ultrasónicas ............................................4

1.2.2.1 Frecuencia ............................................................................................ 5

1.2.2.2 Amplitud .............................................................................................. 5

1.2.2.3 Longitud de Onda ................................................................................. 5

1.2.2.4 Velocidad Acústica .............................................................................. 6

1.2.2.5 Presión Acústica ................................................................................... 6

1.2.2.6 Impedancia Acústica ............................................................................ 6

1.2.2.7 Energía Acústica Específica ................................................................. 7

1.2.2.8 Intensidad Acústica .............................................................................. 7

1.2.2.9 Atenuación ........................................................................................... 7

1.2.3 Tipos de Ondas Ultrasónicas ........................................................................7

1.2.3.1 Ondas Longitudinales ........................................................................... 7

1.2.3.2 Ondas Transversales ............................................................................. 8

1.2.3.3 Ondas Superficiales .............................................................................. 9

1.2.3.4 Ondas Lamb ....................................................................................... 10

1.2.3.5 Ondas de Borde .................................................................................. 10

1.2.4 Conversión de Ondas Ultrasónicas .............................................................11

1.2.4.1 Incidencia Perpendicular o Normal .................................................... 11

1.2.4.2 Incidencia Angular u Oblicua ............................................................ 12

1.3 Generación de ondas ultrasónicas .........................................................................15

1.3.1 Elementos de un transductor .......................................................................15

1.3.2 Tipos de transductores. ...............................................................................16

1.3.3 Características de los transductores ............................................................16

1.3.3.1 Haz y campo ultrasónico .................................................................... 16

1.3.3.2 Divergencia del Haz. .......................................................................... 18

vi

1.3.3.3 Longitud de pulso de un transductor .................................................. 19

1.3.3.4 Ancho de banda de un transductor ..................................................... 20

1.4 Técnica de difracción de tiempo de vuelo (TOFD) ..............................................22

1.4.1 Configuración de la técnica TOFD .............................................................22

1.4.2 Parámetros de la Técnica TOFD .................................................................24

1.4.2.1 Trayectorias de ondas acústicas ......................................................... 24

1.4.2.2 Tiempos de vuelo ............................................................................... 25

1.4.2.3 Ángulos de refracción ........................................................................ 26

1.4.2.4 Zonas Muertas .................................................................................... 26

1.4.2.5 Resolución espacial ............................................................................ 27

Capítulo 2: Desarrollo Experimental .......................................................... 28

2.1 Introducción ..........................................................................................................29

2.2 Equipos de medida ................................................................................................30

2.2.1 Equipo de ultrasonidos MATEC PR5000 ...................................................30

2.2.1.1 Parámetros de Transmisión ................................................................ 31

2.2.1.2 Parámetros de Recepción ................................................................... 31

2.2.2 Osciloscopio ...............................................................................................32

2.2.3 Transductores ..............................................................................................32

2.2.4 Cuñas de acople y cables. ...........................................................................33

2.3 Materiales para Ensayos .......................................................................................35

2.3.1 Cálculo de la Velocidad Acústica ...............................................................35

2.3.2 Probetas para Ensayos ................................................................................37

2.4 Hoja de Cálculo y Parámetros de configuración TOFD .......................................41

2.4.1 Características de los Transductores y Cuñas de acople .............................43

2.4.2 Características de las Probetas de Ensayo. .................................................43

2.4.3 Características del Pulso Ultrasónico .........................................................44

2.4.4 Cálculos del Tiempo de Vuelo ...................................................................45

2.4.5 Cálculo de Zonas Muertas ..........................................................................45

2.4.6 Cálculo del Ángulo de Divergencia del Haz Ultrasónico. ..........................45

2.5 Adquisición y Tratamiento de Señales Ultrasónicas .............................................47

2.6 Generación de Imágenes TOFD ............................................................................50

2.6.1 Almacenamiento y Gestión de A-Scans. ....................................................50

2.6.2 Generación de B-Scans. ..............................................................................51

2.7 Procesamiento de imágenes B-Scan .....................................................................54

2.7.1 Eliminación de Promedio Estadístico de la Señal. .....................................55

2.7.2 Control Automático de Ganancia (CAG) ...................................................56

2.7.3 Filtros Pasa-Banda ......................................................................................58

2.7.3.1 Selección de las Frecuencias de Corte ............................................... 58

2.7.3.2 Diseño de Filtros ................................................................................ 59

2.7.3.3 Filtrado digital de los A-Scans ........................................................... 62

2.7.3.4 Representación de los nuevos B-Scans. ............................................. 63

2.7.4 Promediado Temporal ................................................................................64

2.7.5 Promediado lateral o de desplazamiento ....................................................67

vii

Capítulo 3: Resultados .................................................................................. 68

3.1 Ensayos Aplicando la Técnica TOFD ...................................................................69

3.1.1 Inspección 1: Probeta 02 con 2 MHz ..........................................................71

3.1.2 Inspección 2: Probeta 02 con 5 MHz ..........................................................73

3.1.3 Inspección 3: Probeta 03 con 2MHz ...........................................................75




3.1.7 Inspección 7: Probeta 05 (Soldadura) con 10MHz .....................................83

3.2 Procedimiento de inspección ultrasónica TOFD...................................................88

Conclusiones ...................................................................................................... 90

Bibliografía ........................................................................................................ 92

viii

Índice de Figuras

Figura 1.- Espectro de ondas acústicas. ............................................................................ 4

Figura 2.- Características de las ondas .............................................................................. 5

Figura 3.- Onda longitudinal o de compresión. ................................................................ 8

Figura 4.- Onda transversal o de corte. ............................................................................. 8

Figura 5.- Onda Lamb simétrica de compresión. ............................................................ 10

Figura 6.- Onda Lamb asimétrica o de flexión. .............................................................. 10

Figura 7.- Ondas de borde producido por defecto. ......................................................... 10

Figura 8.- Incidencia perpendicular de las ondas. .......................................................... 11

Figura 9.- Incidencia angular de las ondas. .................................................................... 12

Figura 10.- Reflexión y refracción de onda con incidencia angular. .............................. 13

Figura 11.- Ángulos críticos de refracción de un material genérico.. ............................. 14

Figura 12.- Esquema y partes de un Transductor de Ultrasonido. .................................. 15

Figura 13.- Haz ultrasónico de un transductor ................................................................ 17

Figura 14.- Ángulo total de divergencia para diferentes límites de atenuación. ............ 18

Figura 15.- Longitud de pulso ultrasónico según la norma ASTM E1065. .................... 20

Figura 16.-Representación espectral del ancho de banda de un transductor ultrasónico 21

Figura 17.- Clasificación de transductores según el ancho de banda relativo. ............... 21

Figura 18.- Configuración general de la técnica TOFD. ................................................ 23

Figura 19.- Ejemplo de una imagen bidimensional con la técnica TOFD. ..................... 23

Figura 20.- Proceso de formación de un B-Scan con la técnica TOFD. ......................... 23

Figura 21.- Señal temporal de la técnica TOFD con ondas longitudinales. ................... 25

Figura 22.- Señal temporal de la técnica TOFD con ondas transversales. ..................... 26

Figura 23.- Pantalla frontal de parametrización del MATEC PR5000 ........................... 30

Figura 24.- Osciloscopio Tektronix DPO3014 y sus características principales. ........... 32

Figura 25.- Transductor MUWB-N de 2MHz ................................................................ 32

Figura 26.- Transductores de 5MHz y 10MHz. .............................................................. 33

Figura 27.- Cuñas con diferentes ángulos de incidencia. ............................................... 33

Figura 28.- Cables coaxiales y conectores. ..................................................................... 34

Figura 29.- Medición de velocidad longitudinal en probeta de duraluminio .................. 35

ix

Figura 30.- Señal temporal para el cálculo de la velocidad longitudinal del

duraluminio .................................................................................................... 36

Figura 31.- Medición de velocidad transversal en probeta de duraluminio .................... 36

Figura 32.- Probeta P01 de duraluminio sin defecto. ..................................................... 37

Figura 33.- Probeta de duraluminio con agujero ............................................................ 37

Figura 34.- Probeta de duraluminio con dos agujeros. ................................................... 38

Figura 35.- Probeta de duraluminio con corte en una sus caras. .................................... 38

Figura 36.- Medición de la velocidad acústica de la probeta 05. .................................... 39

Figura 37.- Probeta de hierro con cordón de soldadura. ................................................. 39

Figura 38.- Probeta de duraluminio con corte fino en una de sus caras ......................... 40

Figura 39.- Gráfica dinámica de Excel desarrollada para la parametrización de la técnica

TOFD. ............................................................................................................ 41

Figura 40.- Hoja de cálculo desarrollado para la parametrización de la técnica TOFD. 42

Figura 41.- Parámetros característicos de las cuñas de acople. ...................................... 43

Figura 42.- Separación (2S) entre transductores. ............................................................ 44

Figura 43.- Ángulos de divergencia del haz ultrasónico con interacción de dos

medios. ........................................................................................................... 46

Figura 44.- Esquema del montaje experimental empleado para el desarrollo de la técnica

TOFD. ............................................................................................................ 47

Figura 45.-Proceso de configuración de equipos para la adquisición de A-Scans. ....... 48

Figura 46.- Esquema de: adquisición, procesamiento y generación de B-Scans ............ 50

Figura 47.-Recorrido de transductores y adquisición de A-Scans. ................................. 50

Figura 48.-B-Scan obtenido experimentalmente en escala de grises .............................. 51

Figura 49.- Desplazamiento de los transductores sobre la probeta de duraluminio ....... 52

Figura 50.- Gráfica B-Scan obtenida experimentalmente en escala de grises ................ 53

Figura 51.- Gráfica B-Scan obtenida experimentalmente sin procesamiento ................ 54

Figura 52.- Eliminación del promedio estadístico de un A-Scan. .................................. 55

Figura 53.- Aplicación del CAG (Control Automático de Ganancia) de un A-Scan. .... 56

Figura 54.- Procesado del B-Scan con el CAG. ............................................................. 57

Figura 55.- Ejemplos de funciones CAG. ....................................................................... 57

Figura 56.- Parámetros principales de un filtro pasa-banda. .......................................... 58

Figura 57.- Coeficientes del filtro pasa-banda diseñado. ................................................ 60

Figura 58.- Características del filtro digital FIR pasa-banda diseñado. .......................... 62

Figura 59.-Aplicación del filtro digital sobre un A-Scan genérico. ................................ 62

x

Figura 60.- Procesado de un B-Scan con un filtrado digital FIR (Q=1) ......................... 63

Figura 61.- B-Scans obtenidos con distintas frecuencias ............................................... 64

Figura 62.- Promediado temporal de potencia de la señal .............................................. 65

Figura 63.- Procesado del B-Scan con promediado temporal. ....................................... 66

Figura 64.- Promediado lateral de potencia entre varios A-Scans .................................. 67

Figura 65.- Procesado del B-Scan con promediado lateral o de desplazamiento ........... 67

Figura 66.- B-Scan en escala de grises de la probeta P05 con 10MHz. Sin defecto. ..... 83

Figura 67.- Radiografía probeta P05. 98kV, 20mA, 5s, 100cm. Vista superior. ............ 83

Figura 68.- Soldadura de la probeta P05. Recorrido de inspección vista superior. ........ 84

Figura 69.- B-Scan en escala de grises de la probeta P05 con 10MHz. ......................... 84

Figura 70.- B-Scan en promedio temporal de la probeta P05 con 10MHz. . .................. 84

Figura 71.- B-Scan en promedio lateral de la probeta P05 con 10MHz. ........................ 84

Figura 72.- Parte del cordón de soldadura vista del borde inferior. ................................ 85

Figura 73.- Soldadura de la probeta P05. Recorrido de inspección vista inferior .......... 86

Figura 74.- B-Scan escala de grises de la probeta P05 con 10 MHz .............................. 86

Figura 75.- B-Scan promedio temporal de la probeta P05 con 10MHz. ........................ 86

Figura 76.- B-Scan promedio lateral de la probeta P05 con 10MHz. ............................. 86

Figura 77.- Grieta del cordón de soldadura vista inferior. .............................................. 87

Figura 78.- Diagrama de procedimiento para inspección con la técnica TOFD. ........... 88

xi

Índice de Tablas

Tabla 1.-Propiedades acústicas de materiales comúnmente usados en END. .................. 9

Tabla 2.- Valores de campo próximo en milímetros para diámetros de transductores y

materiales diferentes. ..................................................................................... 18

Tabla 3.- Constante K para el cálculo del ángulo de divergencia. .................................. 18

Tabla 4.- Ángulo de divergencia en aluminio para diferentes límites de atenuación. .... 19

Tabla 5.- Parámetros de configuración empleados en la medición de las velocidades

acústicas. ........................................................................................................ 30

Tabla 6.- Ángulos de incidencia de las cuñas de acople. ................................................ 33

Tabla 7.- Dimensiones y características de las cuñas de acople. .................................... 43

xii

Nomenclatura

𝛼𝑖 Ángulo de incidencia

𝛼𝑟 , 𝛼𝑟𝐿 , 𝛼𝑟𝑇 Ángulos de reflexión

𝛼𝑡 , 𝛼𝑡𝐿 , 𝛼𝑡𝑇 Ángulos de refracción o transmisión

𝑓𝐶 Frecuencia central

𝑓𝐿, 𝑓2 Frecuencia superior

𝑓𝑃 Frecuencia pico

𝑓𝑈, 𝑓1 Frecuencia inferior

Δ𝑡𝑠 Resolución temporal de datos digitalizados

𝐵𝑊𝑟 Ancho de banda relativo

𝐶𝐿 Velocidad Acústica longitudinal

𝐶𝑇 Velocidad Acústica transversal

𝐸𝑒 Energía acústica específica

𝐼 Intensidad acústica

𝐼𝑖 Intensidad acústica incidente

𝐼𝑟 Intensidad acústica reflejada

𝐼𝑡 Intensidad acústica transmitida

𝑃𝑖 Presión acústica incidente

𝑃𝑟 Presión acústica reflejada

𝑇𝑠 Tiempo de registro en osciloscopio

𝑉𝑝𝑝 Voltaje pico-pico

𝑏𝑘 Coeficientes del filtro digital 𝑓𝑠 Frecuencia de muestreo

𝑡 Tiempo

𝑡𝑝 Tiempo de excitación del transductor

𝑡𝑟 Tiempo de retraso de la onda en la cuña

𝑡𝑑 Tiempo de retardo de filtrado digital

𝑡𝑇𝑈𝑇, 𝑡𝑈𝑇 Tiempo de vuelo de la onda difractada por el borde superior

𝑡𝐿𝑇, 𝑡𝑇𝐿𝑇 Tiempo de vuelo de la onda difractada del borde inferior

𝑡𝐿𝑊, 𝑡𝑇𝐿𝑊 Tiempo de vuelo de la onda superficial

𝑡𝐵𝑊, 𝑡𝑇𝐵𝑊 Tiempo de vuelo del eco de fondo

∆𝜏 Duración del pulso

2𝑆 Distancia entre transductores

2𝑆′ Distancia entre transductores, recomendada por norma CEN14751

AMP Amplitud

A-Scan Registro acústico Amplitud/tiempo

ASTM American Society for Testing and Materials

B-Scan Registro acústico Amplitud/Tiempo/Distancia

BNC British Naval Conector

CAG Control Automático de Ganancia

END Ensayos no destructivos

FFT Fast Fourier Transform (Transformada Rápida de Fourier)

FIR Finite Impulse Response

FREQ Frecuencia

GAN Ganancia

xiii

HPF High Pass Filter

L Ondas Longitudinales

LPF Low Pass Filter

LT Onda difractada por borde inferior de defecto

LW Onda superficial

PE Pulso-Eco

PRF Frecuencia de Repetición de Pulso

R Coeficiente de reflexión de intensidad

R’ Coeficientes de reflexión de presión

RECT Rectificación

Rx Transductor Receptor

SAFT Synthetic Aperture Focusing Techniques

SNR Signal to Noise Ratio (Relación Señal Ruido)

T Coeficiente de transmisión de intensidad

T, S Ondas Transversales

T’ Coeficientes de transmisión de presión

TOFD Time of difracction technique

TT Transmisión Recepción

Tx Transductor transmisor

UT Onda difractada por borde superior del defecto

WIDTH Ancho de excitación

BW Onda eco de fondo

𝐴 Amplitud

𝐵𝑊 Ancho de banda

𝐶 Velocidad Acústica

𝐶𝑁 Número de ciclos completos

𝐸 Módulo de elasticidad

𝐻 Espesor del material de inspección

𝐼𝐷 Zona muerta inferior

𝐼𝑜 Intensidad de referencia acústica

𝐿 Profundidad

𝐿𝑃 Longitud de la probeta

𝐿𝑅 Profundidad de la resolución espacial

𝑁 Longitud del filtro FIR

𝑁𝑝 Longitud de registro de osciloscopio

𝑁𝑣 Tamaño de ventanado 𝑁𝑠 Tamaño de solapado 𝑂𝐷 Zona muerta superior

𝑃 Presión acústica.

𝑃𝑁 Número de picos

𝑄 Factor de calidad

𝑇 Periodo

𝑍 Impedancia acústica

𝑑𝐵 Decibelios

𝑒 Espacio, distancia

𝑣 Velocidad instantánea de partícula 𝛾 Ángulo de divergencia del haz ultrasónico

𝜆 Longitud de onda acústica

𝜇 Coeficiente de Poisson

𝜌 Densidad

xiv

Objetivos

General

Elaborar un procedimiento de inspección ultrasónica configurable empleando la

técnica TOFD, para la caracterización de la morfología y/o defectos en probetas de

duraluminio y hierro a través del análisis de las mediciones empíricas obtenidas.

Específicos

Realizar una recopilación bibliográfica de conceptos generales y específicos

relacionados con las propiedades de los ultrasonidos, así como de las principales técnicas

de inspección empleadas en los END, dando mayor énfasis a la técnica TOFD.

Identificar y cuantificar los parámetros y/o variables relacionados a equipos y

elementos de medición empleados en la técnica TOFD, a fin de elaborar y estructurar los

procedimientos de inspección adecuados para la utilización eficiente de los recursos

disponibles en el laboratorio de experimentación.

Realizar las mediciones correspondientes sobre las probetas de duraluminio y

hierro con su respectivo procedimiento de inspección estructurado; a fin de obtener

medidas para su posterior procesamiento y análisis.

Contrastar los resultados obtenidos a fin de determinar el grado de fiabilidad que

tienen los procedimientos elaborados para la detección y dimensionamiento de las

heterogeneidades y/o defectos en diferentes probetas de distintos materiales.

2

Capítulo 1:

Conceptos Teóricos

Capítulo 1: Conceptos Teóricos

3

1.1 Introducción

En este primer capítulo se pretende hacer un acercamiento hacia los conceptos y

terminologías más relevantes de los ultrasonidos, evitando así las ambigüedades mediante

el empleo de un lenguaje correcto y conciso.

Se detalla la naturaleza, clasificación, tipologías y leyes físicas que gobiernan las

ondas acústicas; además de describir cómo son generadas y el comportamiento que tienen

éstas cuando atraviesan y se propagan por diferentes medios.

En la parte más relevante y en donde se aborda la técnica TOFD, se expone la

síntesis de la información obtenida en diferentes recursos bibliográficos, resaltando los

parámetros que deben ser comprendidos plenamente, con el fin de lograr resultados

aceptables en el desarrollo experimental posterior de esta técnica, que está destinada

principalmente a la detección y caracterización de patologías en materiales metálicos.

1.1.1 Reseña Histórica

Los primeros descubrimientos de las ondas ultrasónicas fue realizado por el

biólogo italiano Lazaro Spallanzani en 1700, analizando como los murciélagos atrapan a

sus presas. Posteriormente; en la primera mitad del siglo XIX, el físico y matemático

Christian Doppler analiza las propiedades de los ultrasonidos, siendo la base para que

cien años después los japoneses desarrollen aplicaciones del “Efecto Doopler”.

En la segunda mitad del siglo XIX los hermanos Pierre y Jacques Curie descubren

las propiedades de algunos cristales conocidas como “Efecto piezoeléctrico”, lo cual sirve

de base para las diversas utilizaciones de las ondas ultrasónicas [1].

En 1917, Paul Langevin y Chilowsky produjeron el primer generador

piezoeléctrico de Ultrasonido, cuyo cristal servía también como receptor, y generaba

cambios eléctricos al recibir vibraciones mecánicas. El aparato fue utilizado para estudiar

el fondo marino, en sondeos subacuáticos [2].

En 1929, el profesor S. Sokolov descubre que las vibraciones ultrasónicas pueden

penetrar en grandes espesores de metal, y ser trasmitidas por alambre de grandes

distancias, de esta manera empieza a utilizarse para descubrir imperfecciones en los

metales, ideando un instrumento denominado Defectoscopio.

En 1940, Firestone desarrolló un equipo de inspección que utilizaba un solo

transductor como emisor y receptor, que mediante pulsos cortos de ultrasonidos se

lograba detectar grietas y fracturas, naciendo de esta manera la técnica pulso-eco como

un ensayo no destructivo para la inspección de piezas y materiales [3].

Actualmente el empleo de los ultrasonidos es muy diverso ya que el impulso

tecnológico de los últimos tiempos ha permitido desarrollar equipos para aplicaciones

simples y complejas que son utilizadas en áreas como la medicina, ingeniería,

investigación e industria; además, la reducción de los costos en la fabricación de estos

equipos es también lo que ha aumentado el acceso a esta tecnología, abriendo así un

abanico de posibles nuevas aplicaciones y usos que deben ser investigadas.


4

1.2 Ultrasonidos

Los ultrasonidos son unas ondas mecánicas, del mismo tipo que las ondas audibles

y con frecuencias superiores al espectro auditivo del ser humano, y que actualmente con

el desarrollo de la tecnología son ampliamente utilizados en diferentes aplicaciones de la

vida moderna.

A continuación se describe la clasificación de estas ondas mecánicas atendiendo

a la principal característica que las identifican, como es la frecuencia.

1.2.1 Ondas acústicas

Las ondas sonoras se dividen en tres grupos: la infrasónica, con frecuencias

menores a 16 Hz y que no son percibidas por los seres humanos; la sónica, que está

comprendida en el rango 16 Hz a 16 kHz y, finalmente la ultrasónica, donde las

oscilaciones son mayores a 20kHz.

Figura 1.- Espectro de ondas acústicas.

El rango de las ondas sónicas, son las frecuencias a las que se producen la mayoría

de los sonidos audibles, sin embargo, una onda acústica pudiera no ser escuchado por el

oído humano al no tener el mínimo de presión necesaria para ser registrada, o por

sobrepasar la máxima presión que soportan los mecanismos físicos de este órgano. [3]

Las oscilaciones ultrasónicas, son aquellas utilizadas principalmente en Ensayos

No Destructivos (END) para la detección de fallos y discontinuidades en piezas metálicas

y no metálicas, sin llegar a la destrucción de la pieza a inspeccionar.

1.2.2 Parámetros de las ondas acústicas ultrasónicas

Las ondas ultrasónicas es otra forma de movimiento ondulatorio, donde las

partículas que conforman el medio de propagación se desplazan sobre su posición de

equilibrio e inducen perturbaciones a través de los enlaces elásticos con sus adyacentes;

de esta manera, posibilitan la propagación de energía acústica a través de las partículas

sin que haya un desplazamiento de todo el conjunto.


5

Estas ondas necesitan de un medio material elástico o viscoelástico para su

propagación, pudiendo ser: líquido, gaseoso y/o sólido; no logrando así la transmisión en

el vacío como lo hacen las ondas electromagnéticas.

La expresión que describe el movimiento ondulatorio de las ondas en dependencia

del tiempo (𝑡) y de la dimensión espacial (𝑥) (sobre el eje de vibración) es la siguiente

[4]:

𝑈(𝑥, 𝑡) = 𝐴𝑠𝑒𝑛 (2𝜋

𝑇𝑡 −

2𝜋𝑥

𝜆) ( 1 )

Dónde:

𝐴 = Amplitud de oscilación (m).

𝑇 = Periodo de Ondulación (s).

𝜆 = Longitud de onda (m).

Figura 2.- Características de las ondas

A continuación de se detalla los principales parámetros que gobiernan este tipo de

ondas.

1.2.2.1 Frecuencia

Es el número de oscilaciones que realizan las partículas por cada unidad de

tiempo, en el SI1, por cada segundo. Se mide en Hertz (ciclo/segundo). Matemáticamente

es el inverso del periodo de oscilación de la onda.

𝑓 = 𝑇−1 ( 2 )

1.2.2.2 Amplitud

Es la intensidad de la onda acústica correspondiente a la deflexión máxima de las

partículas del medio de transmisión.

1.2.2.3 Longitud de Onda

En un haz de ultrasonido, es la distancia entre dos planos inmediatos de partículas

que se encuentran en el mismo estado de movimiento. La longitud de onda es

inversamente proporcional a la frecuencia. Puede ser calculado con la expresión ( 3 ).

1 Sistema Internacional


6

1.2.2.4 Velocidad Acústica

Es la rapidez con la que se propagan las ondas acústicas a través del medio. Es

constante y característica de cada material sea cual sea la frecuencia.

En los metales, ante variaciones de la temperatura, la velocidad es constante y no

cambia significativamente, no así en líquidos y gases, dónde las variaciones de presión y

temperatura modifican la velocidad característica de propagación en ese medio [3].

La velocidad acústica depende de la densidad y de la elasticidad del material que

está atravesando, y es igual al producto de la frecuencia (𝑓) por la longitud de onda (𝜆):

𝐶 = 𝑓 𝜆 ( 3 )

De acuerdo al tipo de onda que aparezca en el material y para una misma

frecuencia, hay velocidades muy características que son propias de cada material, algunos

de esos valores están presentados en la Tabla 1.

1.2.2.5 Presión Acústica

Ésta se define como la diferencia entre la presión instantánea y la presión

atmosférica estática, no solo ocurre en los gases, también en líquidos y en sólidos.

1.2.2.6 Impedancia Acústica

Es una característica del medio donde atraviesa el ultrasonido, definiéndose como:

la relación entre la presión acústica y la velocidad máxima de vibración de las partículas.

Esta relación se calcula con el producto de la densidad del medio y la velocidad de

propagación de la onda, tal como se indica en la siguiente fórmula:

𝑍 =𝑃

𝑣= 𝜌𝐶 ( 4 )

Dónde:

𝑍 = Impedancia acústica (kg/m2s).

𝑃 = Presión acústica (N/m2).

𝑣 = Velocidad instantánea de vibración de la partícula (m/s).

𝜌 = Densidad del material (kg/m3).

𝐶 = Velocidad acústica (m/s).

En otras palabras, la impedancia, es la resistencia que opone un medio a las

deformaciones elásticas de las partículas causadas por la vibración de la onda [5].

Dependiendo de este valor, los medios se pueden clasificar en: acústicamente

duros, cuando sus elementos de masa varían muy poco su velocidad de vibración a pesar

de una gran diferencia de presión; y acústicamente blandos, cuando con una pequeña

diferencia de presión sus partículas vibran a gran velocidad [3].

La propagación de las ondas es mejor en materiales acústicamente duros, debido

a que la impedancia acústica se opone únicamente a las vibración de las partículas, más

no a la propagación de las ondas. En la Tabla 1, se observa los valores de impedancia

para los materiales más comunes en tareas de ensayos no destructivos.


7

1.2.2.7 Energía Acústica Específica

La propagación de una onda se caracteriza por un transporte de energía pero no

de masa. La energía acústica específica (𝐸𝑒) se define como la energía por unidad de

volumen del medio cuando avanza con la velocidad acústica (𝐶), ésta se expresa de la

siguiente manera [5]:

𝐸𝑒 =1

2𝜌𝑉2 =

1

2

𝑃2

𝜌𝐶2=

1

2

𝑃2

𝑍𝐶 ( 5 )

1.2.2.8 Intensidad Acústica

Se define como: la cantidad de energía que pasa por unidad de área, y por unidad

de tiempo. Se obtiene mediante el producto de la energía específica por la velocidad

acústica [5].

𝐼 =1

2𝜌𝑉2𝐶 =

1

2𝑍𝑉2 =

𝑃2

2𝑍 ( 6 )

La unidad de la intensidad acústica (𝐼) es el Belio; Belio = I/Io; donde Io es la

intensidad de referencia, por lo tanto el número de belios, nos da el nivel de intensidad

acústica.

1.2.2.9 Atenuación

Es la disminución de la amplitud de una oscilación en función del tiempo y se

produce por la propia absorción de los ultrasonidos en el medio y la dispersión a causa de

la falta de homogeneidad en la estructura de los materiales.

1.2.3 Tipos de Ondas Ultrasónicas

En cualquier medio, las partículas forman una red cristalina y, cuando se ejerce

sobre ellos una presión, éstas se desplazan de sus posiciones de equilibrio describiendo

oscilaciones con distintas trayectorias dependiendo de la energía mecánica que se aplica

[5].

A continuación se describen los tipos de ondas más importantes.

1.2.3.1 Ondas Longitudinales

Este modo de vibración también conocido como ondas de comprensión, se

presentan en medios sólidos, líquidos y gaseosos.

Con la presencia de una presión perpendicular a la superficie del material se

origina una perturbación en las partículas y, esa vibración, empuja o hala a las partículas

adyacentes por medio de los vínculos elásticos y, es ahí donde aparecen zonas de

compresión (partículas muy juntas) y zonas de depresión (partículas muy separadas). Por

lo tanto, este tipo de onda se caracteriza por la oscilación de las partículas en la misma

dirección que el sentido de propagación de la onda. Ver Figura 3.


8

Figura 3.- Onda longitudinal o de compresión.

Estas ondas de propagación longitudinales tienen una velocidad característica

muy particular para cada medio, intrínseca únicamente a sus propiedades físicas e

independiente de la frecuencia de oscilación de la onda.

Para el cálculo de esta velocidad, se utiliza la siguiente expresión [3]:

𝐶𝐿 = (𝐸(1 − 𝜇)

𝜌(1 + 𝜇)(1 − 2𝜇))

1/2

( 7 )

Dónde:

𝐶𝐿 = Velocidad longitudinal (m/s).

𝐸 = Módulo de elasticidad (N/m2).

𝜇 = Coeficiente de Poisson (adimensional).


1.2.3.2 Ondas Transversales

También conocidas como ondas de corte o de cizalladura, éstas se generan

únicamente en los materiales sólidos, ya que los medios líquidos y gaseosos no tienen

enlaces elásticos trasversales, imposibilitando que las vibraciones de las partículas sean

trasmitidas a las contiguas.

La generación de estas ondas aparece cuando se aplica en un extremo del material

sólido, una fuerza cortante y periódica, que provoca una vibración de las partículas, que

es perpendicular al sentido de propagación de las ondas, ver Figura 4.

Para el cálculo de la velocidad transversal se utiliza la siguiente expresión [3]:

𝐶𝑇 = (𝐸

2𝜌(1 + 𝜇))1/2

( 8 )

Dónde:

𝐶𝑇 = Velocidad transversal (m/s).

𝐸 = Módulo de elasticidad (N/m2).

𝜇 = Coeficiente de Poisson (adimensional).


Figura 4.- Onda transversal o de corte.


9

Las velocidades de las ondas acústicas en un mismo material, tanto longitudinal

como trasversal, se relacionan entre sí mediante la siguiente fórmula:

𝐶𝑇 = 𝐶𝐿 ((1 − 2𝜇)

2(1 − 𝜇))

1/2

( 9 )

El coeficiente de Poisson (𝜇), oscila entre 0 y 0.5 para todos los sólidos, por lo

tanto, para este tipo de medios se puede asegurar que la velocidad trasversal es menor que

la longitudinal, por ejemplo; la relación entre velocidades en el acero es de 0.55 en cambio

para el aluminio es de 0.49 [3].

Para el presente trabajo se recogen los valores de velocidad de los principales

materiales mayormente utilizados en ensayos no destructivos. Estos valores están

tabulados en la siguiente tabla:

Tabla 1.-Propiedades acústicas de materiales comúnmente usados en END2.

MATERIAL

VELOCIDAD LONGITUDINAL

VELOCIDAD TRANSVERSAL

IMPEDANCIA ACÚSTICA

CL [m/s] CT [m/s] [kg/m2s .106]

Acrylic resin (Perspex, Plexiglás®) 2730 1430 3

Aluminum 6320 3130 17

Iron 5900 3230 45

Steel, 1020 5890 3240 46

Steel, 4340 5850 3240 46

Steel, 302 5660 3120 45

Austenitic stainless Steel, 347 5740 3090 45

Austenitic stainless Tin 3320 1670 24

Water (20°C) 1480 - 1

1.2.3.3 Ondas Superficiales

Estas ondas también son llamadas Rayleigh y, son un caso particular de la onda

transversal. En este caso las ondas ultrasónicas se propagan únicamente en la superficie

plana o curva de un sólido siguiendo su contorno e irregularidades.

Estas ondas se reflejan ante la existencia en su recorrido de aristas vivas o curvas

con un radio inferior a una longitud de onda, también son interrumpidas, cuando

encuentran gotas de aceite o suciedad [3].

Para un mismo material, la velocidad de propagación de estas ondas es

ligeramente menor que la velocidad de la onda transversal (0.9), sin embargo, esta

velocidad depende del estado tensional al cual está sometida la superficie; con la tracción

aumenta, mientras que la compresión, la disminuye.

2 Fuente: Nondestructive Testing Handbook 2nd Edition Volume 7 Ultrasonic Testing ASNT 1991


10

1.2.3.4 Ondas Lamb

Este tipo de ondas se obtienen en materiales muy delgados, cuyo espesor es del

orden de la longitud de onda como, por ejemplo, láminas y tubos.

Cuando se transmite la onda ultrasónica vibra todo el material en conjunto

propagándose paralelamente a su superficie y en la dirección del impulso recibido. De

estas ondas existen dos tipos: las simétricas de compresión (Figura 5) y las asimétricas de

flexión (Figura 6). En los dos casos el movimiento de las partículas es elíptico.

Figura 5.- Onda Lamb simétrica de compresión.

Figura 6.- Onda Lamb asimétrica o de flexión.

La velocidad de este tipo de onda no se considera como constante del material, ya

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

1.2.3.5 Ondas de Borde

Éstas son las que se producen por difracción, cuando un haz ultrasónico incide

sobre el borde de una la discontinuidad y desvía las ondas alrededor de los bordes y

esquinas en diferentes direcciones.

En esta técnica en particular, estas ondas serán las que nos determinen la presencia

o no de defectos en la pieza de inspección.

Figura 7.- Ondas de borde producido por defecto.


11

1.2.4 Conversión de Ondas Ultrasónicas

Los ultrasonidos aplicados a los END para el estudio de diferentes materiales no

se lo hace sobre medios ilimitados (sin fronteras); la mayoría de los casos, los materiales

poseen contornos o están interactuando físicamente con otros, por lo tanto, es importante

conocer el comportamiento de las ondas mecánicas cuando atraviesan dichas uniones

porque la propagación ultrasónica se altera.

La propagación de las ondas acústicas a través de una frontera, entre un material

y otro, experimentan alteraciones en su dirección, intensidad y modo de vibración. El

límite o frontera entre medios se denomina interface y la forma de incidir sobre ella puede

ser perpendicular u oblicua.

1.2.4.1 Incidencia Perpendicular o Normal

Para el caso cuando las ondas inciden (𝐼𝑖) de forma perpendicular en la interface

de los dos medios, una parte de su energía es reflejada (𝐼𝑟) y otra trasmitida (𝐼𝑡) con la

misma dirección y sentido; además, la ley de la conservación de la energía se aplica en

este caso, es decir; que la suma de la intensidad de la onda reflejada y la trasmitida, es

equivalente a la intensidad de la onda incidente ( 10 ).

𝐼𝑖 = 𝐼𝑟 + 𝐼𝑡 ( 10 )

Figura 8.- Incidencia perpendicular de las ondas.

Para el cálculo del coeficiente de reflexión (𝑅) y transmisión (𝑇) se emplean las

siguientes fórmulas:

𝑅 =𝐼𝑟𝐼𝑖

=𝑍2 − 𝑍1

𝑍1 + 𝑍2 ( 11 )

𝑇 =𝐼𝑡𝐼𝑖

=4𝑍1𝑍2

(𝑍1 + 𝑍2)2 ( 12 )

Cuando se refiere a Intensidades Acústicas, no es de importancia el lado de la

superficie límite por el que incide la onda (ya sea por el medio 1 o por el medio 2), los


12

porcentajes de trasmisión y reflexión no cambian al permutarse entre si la las impedancias

[3].

Para el caso de las presiones acústicas, la presión reflejada (𝑃𝑟) es de la misma

amplitud que la incidente (𝑃𝑖) e independiente de la secuencia de los materiales. Sin

embargo, la presión trasmitida depende de la secuencia de los materiales y es de diferente

amplitud que la incidente [5]. El balance de las presiones en la interface se muestra en la

siguiente fórmula.

𝑃𝑖 + 𝑃𝑟 = 𝑃𝑡 ( 13 )

Para el cálculo de los coeficientes de presión reflejada (𝑅′) y trasmitida (𝑇′), se

emplean las siguientes expresiones:

𝑅′ =𝑃𝑟

𝑃𝑖=

𝑍2 − 𝑍1

𝑍2 + 𝑍1 ( 14 )

𝑇′ =𝑃𝑡

𝑃𝑖=

2𝑍2

(𝑍1 + 𝑍2)2 ( 15 )

De estas fórmulas se deduce que la presión acústica reflejada es del mismo

porcentaje o amplitud, sin importar el lado por el que se incide la onda.

1.2.4.2 Incidencia Angular u Oblicua

Cuando la onda incide con un determinado ángulo 𝛼𝑖 (Figura 9) respecto a la

normal sobre una interface entre los dos medios de diferentes impedancias; una parte de

la onda se refleja y otra se trasmite al segundo medio, produciéndose el fenómeno de la

refracción, en donde el haz trasmitido cambia su dirección de propagación.

Figura 9.- Incidencia angular de las ondas.

Los ángulos de reflexión (𝛼𝑟) y refracción (𝛼𝑡) dependen directamente del ángulo

de incidencia y de la velocidad de propagación del sonido en los materiales, y éstos se

pueden relacionar mediante la ley de Snell ( 16 ), en forma análoga a lo que ocurre en

óptica.

𝑠𝑒𝑛 𝛼𝑖

𝐶1=

𝑠𝑒𝑛 𝛼𝑟

𝐶1=

𝑠𝑒𝑛 𝛼𝑡

𝐶2 ( 16 )


13

En acústica, además de los fenómenos descritos, independientemente de que la

onda incidente sea longitudinal o transversal, aparece un desdoblamiento de la misma,

originando dos ondas reflejadas y dos ondas refractadas, para cada caso, una de tipo

longitudinal y otra transversal, esto es lo que se conoce como cambio de modos.

Figura 10.- Reflexión y refracción de onda con incidencia angular.

Aplicando nuevamente la ley de Snell, tenemos:

𝑠𝑒𝑛 𝛼𝑖𝐿

𝐶𝐿1=

𝑠𝑒𝑛 𝛼𝑟𝐿

𝐶𝐿1=

𝑠𝑒𝑛 𝛼𝑟𝑇

𝐶𝑇1=

𝑠𝑒𝑛 𝛼𝑡𝐿

𝐶𝐿2=

𝑠𝑒𝑛 𝛼𝑡𝑇

𝐶𝑇2 ( 17 )

De las igualdades anteriores ( 17 ) y analizando las Figura 10, se pueden deducir

las siguientes conclusiones [5]:

a).- Si la onda incidente y la reflejada son del mismo tipo, éstas formarán el mismo

ángulo con la normal a la interface, puesto que para el mismo medio, tienen una idéntica

velocidad acústica (𝛼𝑖𝐿 = 𝛼𝑟𝐿; 𝛼𝑖𝑇 = 𝛼𝑟𝑇).

b).- Para un mismo medio, la velocidad de la onda longitudinal es casi el doble de

la trasversal; por lo tanto, los ángulos de reflexión o de refracción de las ondas

longitudinales serán mayores que los correspondientes ángulos de las ondas trasversales

(𝛼𝑟𝐿 > 𝛼𝑟𝑇; 𝛼𝑡𝐿 > 𝛼𝑡𝑇).

c).- Para simplificar el ensayo de materiales, sobre todo en soldadura [3], nos

interesa desaparecer de forma aislada la onda longitudinal que se refracta en el medio 2,

de forma que se trasmita únicamente la onda trasversal. Esto sucede variando el ángulo

de incidencia para lograr que el ángulo de refracción de la onda longitudinal sea mayor o

igual que 90o. La condición límite para conseguir este efecto se consigue considerando

𝛼𝑡𝐿 = 90°, obteniendo así el primer ángulo de incidencia crítico ( 18 ), siempre que se

cumpla 𝑐𝐿1 ≤ 𝑐𝐿2.

𝑠𝑒𝑛 𝛼𝑖𝐿 =𝑐𝐿1

𝑐𝐿2 ( 18 )

Para el caso de la técnica TOFD, se emplean mayormente las velocidades

longitudinales, por lo que no se busca eliminarlas en todos los casos.


14

d).- Si se continúa incrementando el ángulo de incidencia, también se puede lograr

desaparecer la onda transversal trasmitida en el medio 2, obteniendo una reflexión total

de la onda incidente. Para determinar el segundo ángulo crítico ( 19 ) se considera 𝛼𝑡𝑇 =

90°, siempre que se cumpla 𝑐𝐿1 ≤ 𝑐𝑇2.

𝑠𝑒𝑛 𝛼𝑖𝐿 =𝑐𝐿1

𝑐𝑇2 ( 19 )

Resumiendo, en la Figura 11 se representa genéricamente el comportamiento de

las ondas refractadas cuando se varía el ángulo de incidencia, en ésta se logra identificar

la existencia de los dos ángulos críticos. Estos ángulos dependen de la velocidad de

propagación de las ondas en cada material.

Cuando se intercala entre los materiales, un medio de acoplamiento o cuña

acústicamente conductora, se sigue verificando la ley de Snell entre el primer material y

el tercero, aunque se produce un pequeño desplazamiento paralelo de la onda.

Figura 11.- Ángulos críticos de refracción de un material genérico. Fuente: Olympus [6].


15

1.3 Generación de ondas ultrasónicas

En los ensayos no destructivos para la inspección de cuerpos sólidos, lo más usual

es el uso de los osciladores piezoeléctricos, donde se aprovecha el fenómeno de la

piezoelectricidad de sus elementos para la generación de ondas ultrasónicas.

Estos dispositivos pueden convertir una forma de energía en otra. En el caso de

los transductores ultrasónicos, cuando éstos funcionan como emisores, convierten la

energía eléctrica en ondas mecánicas y, en cambio cuando funcionan como receptores,

las ondas mecánicas incidentes son convertidas en energía eléctrica.

Estos generadores de ondas ultrasónicas reciben diferentes denominaciones,

pudiendo ser; transductores, palpadores u osciladores, en cualquier caso se refieren al

mismo elemento.

1.3.1 Elementos de un transductor

Las partes principales de un transductor ultrasónico utilizado en los ensayos no

destructivos son los siguientes: Elemento activo o piezoeléctrico, backing o contra masa

y capa de acoplamiento [7], éstos se pueden apreciar en la siguiente figura.

Figura 12.- Esquema y partes de un Transductor de Ultrasonido.

a).- El elemento activo, está construido de una cerámica piezoeléctrica, compuesto

o polímero y es el encargado de realizar la conversión eléctrica-mecánica. Éste es

conectado eléctricamente al exterior a través de las terminales soldadas a los electrodos

que cubren el elemento piezoeléctrico.

En la actualidad, los materiales mayormente utilizados como elemento activo en

los transductores son las cerámicas Titanato Zirconato de Plomo (PZT), éstas poseen una

mayor flexibilidad de formato y de propiedades piezoeléctricas, ya que son fabricadas por

la sinterización de polvos cerámicos.

Presentan una alta sensibilidad, siendo ideales para la transmisión y recepción en

dispositivos de baja potencia.

b).- Backing o contra masa, es un sistema mecánico pasivo de alta impedancia

acústica, colocado en la cara posterior del elemento activo y tiene como objetivo


16

fundamental, absorber la energía mecánica en esa dirección y detener la oscilación del

elemento piezoeléctrico. Por lo tanto, en un transductor se generan ondas en un solo

sentido y a mayor resolución.

c).- La capa de acoplamiento, tienen dos funciones, proteger el elemento activo y

asegurar una mayor transferencia de energía.

1.3.2 Tipos de transductores.

Existen una gran variedad de transductores ultrasónicos utilizados en aplicaciones

de detección de fallas, tanto para ensayos de campo y de laboratorio. En forma general,

se pueden clasificar en tres grupos; de contacto, de haz angular y los de inmersión.

a).- Transductores de contacto, éstos están diseñados para usos generales en la

inspección ultrasónica manual, donde los materiales de prueba son relativamente planos

y uniformes. Proporcionan una alta sensibilidad para una mejor penetración y se fabrican

con diseños resistentes para condiciones extremas de trabajo.

b).- Transductores de haz angular, éstos son de elemento sencillo o doble que

permiten que el haz ultrasónico sea introducido en el material de prueba con un ángulo

determinado. Los usos más comunes de este tipo están en las inspecciones de soldaduras.

c).- Transductores de inmersión, generan ondas longitudinales y son usados

típicamente en sistemas de barrido manual y automático. Se los utiliza para barridos de

piezas con geometrías irregulares y complejas, para ello se utiliza una columna de agua

como medio de acople entre el transductor y la pieza inspeccionada.

En cualquiera de los casos anteriores, los transductores pueden estar construidos

por uno o varios elementos piezoeléctricos colocados en un mismo cabezal.

1.3.3 Características de los transductores

Los transductores de ultrasonidos para END, normalmente son caracterizados por

sus propios fabricantes de acuerdo con los procedimientos estándares, tales como la

norma ASTM E1065, donde la sensibilidad del transductor, la forma de onda y, el

espectro de frecuencia se pone a prueba y son documentados en sus respectivas hojas

técnicas.

1.3.3.1 Haz y campo ultrasónico

El haz ultrasónico está constituido por el conjunto de vibraciones cónicas, que

partiendo del foco generador (cristal piezoeléctrico) del transductor, produce

compresiones y dilataciones periódicas (máximos y mínimos de presión acústica) en el

material y se transmite a través de ella con una velocidad determinada.

El espacio por el que atraviesa y se propaga el haz, es el campo ultrasónico. Éste

se divide en función de las características que presentan las ondas acústicas. En el caso

ideal, sin interacciones ni reflexiones originados por defectos, el campo estaría dividido

en tres zonas:


17

Zona de campo cercano. 0 ≤ z ≤ N

Zona de campo transitorio. N ≤ z ≤ 3N

Zona de campo lejano. z ≥ 3N

Figura 13.- Haz ultrasónico de un transductor

El campo cercano (Figura 13) tiene una distribución muy irregular y en él

aparecen picos de gran intensidad junto a otras zonas casi nulas. Estas variaciones de

intensidad dificultan la detección de heterogeneidades en esa zona, porque se producen

interferencias múltiples y sus amplitudes cambian en función de la distancia del reflector

al transductor.

En la dirección de propagación de la onda, el último máximo de presión acústica

determina el final del campo próximo. Para calcular la longitud de este campo, se utiliza

la siguiente expresión:

𝑁 =𝐷2 − 𝜆2

4𝜆 ( 20 )

Dónde:

𝑁 = Longitud del campo próximo (m).

𝐷 = Diámetro del transductor (m).

𝜆 = Longitud de onda (m).

Analizando la fórmula anterior, podemos concluir que la longitud del campo

próximo depende del área del transductor y de la longitud de onda formada y, esta última

variable a su vez, tiene dependencia de la frecuencia y la velocidad de propagación propia

de cada material, lo cual nos dice: Un mismo oscilador para diferentes materiales tiene

distintos valores de campo próximo.

Si aplicamos la expresión ( 20 ) se obtienen los diferentes valores de campo

próximo para los transductores que se utilizarán en este trabajo. Esos resultados están

detallados en la Tabla 2.

A continuación del campo próximo se encuentra la zona de campo lejano, que se

denomina también foco natural, porque ahí se produce la divergencia del haz e inicia la

apertura del ángulo 𝛾, ver Figura 13.


18

Tabla 2.- Valores de campo próximo [mm] de los transductores empleados en la técnica TOFD.

TIPOS DE ONDAS ONDAS LONGITUDINALES ONDAS TRANSVERSALES

Frecuencias [MHz] 2 5 10 2 5 10

Material Plexiglás®

Velocidad acústica [m/s] 2730 1430

Diámetro [mm] 6 6 16 33 12 31 63

10 18 46 92 35 87 175

Material Aluminio


Diámetro [mm] 6 2 7 14 5 14 29

10 7 20 39 16 40 81

Material Hierro


Diámetro [mm] 6 2 7 15 5 14 28

10 8 21 42 15 39 79

1.3.3.2 Divergencia del Haz.

El ángulo 𝛾 de un transductor se obtiene mediante la expresión ( 21 ) y se

comprueba que depende tanto de las dimensiones del elemento emisor como de la

longitud de onda del ultrasonido emitido.

Figura 14.- Ángulo total de divergencia para diferentes límites de atenuación.

𝛾(𝛥𝑑𝐵) = 𝑠𝑒𝑛−1 (𝐾𝜆

𝐷) = 𝑠𝑒𝑛−1 (𝐾

𝐶

𝐷. 𝑓) ( 21 )

La constante 𝐾 varía en función del valor de atenuación que se toma como

referencia para considerar los lados respectivos del ángulo de divergencia del haz. En la

siguiente tabla están expresados los valores más usados dentro de los END [8].

Tabla 3.- Constante K para el cálculo del ángulo de divergencia.

VALOR DE ATENUACIÓN (𝚫𝒅𝑩) 𝑲

-3 0.51

-6 0.7

-10 0.87

-24 1.09


19

En la Tabla 4, se han calculado los ángulos de divergencia para el aluminio, con

transductores de 6mm de diámetro (usados en este trabajo) y diferentes frecuencias

ultrasónicas de diseño.

Tabla 4.- Ángulo de divergencia en aluminio para diferentes límites de atenuación.

MATERIAL ALUMINIO

Frecuencias [MHz] 2 5 10 2 5 10 2 5 10

Límite de referencia γ(-6dB) γ(-10dB) γ(-24dB)

K 0.7 0.87 1.09

ÁNGULO PARA ONDAS LONGITUDINALES. CL= 6367 m/s

Diámetro [mm] ° ° ° ° ° ° ° ° °

6 22 9 4 27 11 5 35 13 7

ÁNGULO PARA ONDAS TRANSVERSALES. CT= 3083 m/s

Diámetro [mm] ° ° ° ° ° ° ° ° °

6 10 4 2 13 5 3 16 6 3

El ángulo total de divergencia ( 22 ) del haz sobre el material corresponde al doble

del valor calculado en la tabla anterior y su representación estuvo dada en la Figura 14.

𝛷(𝛥𝑑𝐵) = 2𝛾(𝛥𝑑𝐵) ( 22 )

Si analizamos la ecuación ( 21 ) y los resultados de la tabla anterior, se puede

llegar a la conclusión de que el ángulo de divergencia del haz, es directamente

proporcional a la velocidad e inversamente a la frecuencia. Es muy importante tener en

cuenta en este trabajo, que el uso de ondas transversales, reducen aproximadamente a la

mitad el ángulo de abertura del haz, por lo cual, la focalización sobre el área de inspección

será menor que si se lo hiciera con ondas longitudinales.

Además, a medida que incrementamos la frecuencia, el ángulo de divergencia se

va reduciendo y por ende el área focalizada será cada vez menor.

1.3.3.3 Longitud de pulso de un transductor

Para determinar la longitud de pulso generado por un transductor se utiliza la señal

de radio frecuencia de la Figura 15 y según la norma ASTM E1065, se seleccionan los

picos de máxima amplitud, tanto de valores positivos como negativos de los ciclos, que a

partir de ellos y con la ecuación ( 23 ), se trazan líneas horizontales en los valores

correspondientes a la caída de -20dB. Por lo tanto, la longitud pulso generado serán todas

las ondas que superan estas líneas horizontales.

𝛥𝑑𝐵 = 20 𝑙𝑜𝑔10

𝐴1

𝐴2 ( 23 )

Dónde:

∆𝑑𝐵 = Variación de decibelios.

𝐴1 , 𝐴2 = Amplitud inicial y final respectivamente.

De la Figura 15 se puede extraer información adicional como: amplitud pico a

pico, 𝑉𝑝𝑝=700mmV; duración de pulso, ∆𝜏−20𝑑𝐵=3.25µs; número de picos, 𝑃𝑁=10 y

número de ciclos completos, 𝐶𝑁=5 [8].


20

Figura 15.- Longitud de pulso ultrasónico según la norma ASTM E1065.

Si esta señal es convertida a su contenido en frecuencia correspondiente usando

la transformada rápida de Fourier (FFT por sus siglas en inglés), se puede determinar las

características del transductor en función de su espectro como por ejemplo el ancho de

banda.

1.3.3.4 Ancho de banda de un transductor

Teóricamente un transductor que genera una onda ultrasónica continua lo hace a

su frecuencia de diseño, que coincide con su frecuencia de resonancia. Para el caso de las

técnicas empleadas en ensayos no destructivos, se utiliza pulsos ultrasónicos de

determinada longitud, llegando a tener una amplia banda alrededor de la frecuencia de

diseño, esto debido a la dificultad para iniciar y detener el pulso.

Por lo general, cuando menos ciclos completos (𝐶𝑁) contenga el pulso, más

contenido en frecuencia tendrá.

El ancho de banda (𝐵𝑊 por sus siglas en inglés) corresponde el rango de

frecuencias que contiene un pulso ultrasónico generado. En la Figura 16 se puede

observar el contenido en frecuencia y como éste abarca un espectro a cada lado de la

frecuencia del diseño del transductor. El ancho de banda relativo (𝐵𝑊𝑟) estará dado por

la expresión ( 24 ), dónde 𝑓𝐿 y 𝑓𝑈 corresponden a los límites tanto inferiores como

superiores del espectro donde la amplitud cae por debajo de -6dB de atenuación. El valor

de 𝑓𝑃 representa el valor pico y 𝑓𝐶 la frecuencia central que es calculado por la media

aritmética de los límites.

𝐵𝑊𝑟−6𝑑𝐵 =𝑓𝑢 − 𝑓𝐿

𝑓𝑐 100% ( 24 )

𝑓𝑐 =𝑓𝑢 + 𝑓𝐿

2 ( 25 )


21

Figura 16.-Representación espectral del ancho de banda de un transductor ultrasónico según la norma

ASTM E1065.

Analizando los dos apartados anteriores se puede determinar que el ancho de

banda estará determinado por la longitud de onda generada y, esta última a su vez

dependerá del tiempo que dure la excitación sobre el transductor.

∆𝜏 largo: 𝐶𝑁 ≈ 5 − 7ciclos ∆𝜏 mediano: 𝐶𝑁 ≈ 2 − 3 ciclos ∆𝜏 corto: 𝐶𝑁 ≈ 1 − 1.5 ciclos

𝐵𝑊𝑟 estrecho: 15-30% 𝐵𝑊𝑟 medio: 31-75% 𝐵𝑊𝑟 ancho: 76-110% Figura 17.- Clasificación de transductores según el ancho de banda relativo. Fuente: Olympus.

De acuerdo con el fabricante de transductores Olympus® [8], en la Figura 17, se

puede apreciar una clasificación, tanto del tipo de onda generada como del espectro

correspondiente.

Según este fabricante, con los valores de longitud de pulso (∆𝜏) y ancho de banda

(𝐵𝑊) descritos, los pulsos de 𝐵𝑊 estrecho mejoran la detección y los 𝐵𝑊 achos en

cambio son empleados para el dimensionamiento de los defectos. Recalca finalmente, que

estas directrices están dadas para materiales ferríticos y similares; para una incidencia

normal del transductor; y están condicionados por la morfología y orientación de los

defectos.

En la técnica TOFD, el tipo de onda generado por el transductor debe tener una

longitud de pulso reducido, con un número ciclos completos alrededor de 1 a 1.5, es decir

que su contenido frecuencial es ancho.


22

1.4 Tiempo de vuelo de difracción (TOFD)3

Esta es una tecnología nueva de imágenes ultrasónicas, empleada para la

inspección no destructiva de defectos en soldaduras y otras aplicaciones. Esta técnica tuvo

su origen a partir de los estudios publicados por Silk and Liddington en 1975, y su

desarrollo se debió a la necesidad de determinar y registrar el tamaño real de un defecto.

Para conseguir este objetivo, se emplea el fenómeno de la difracción de las ondas

incidentes en los bordes de un fallo.

A diferencia de la técnica Pulso-Eco, que mide la atenuación de la onda reflejada

para tener un tamaño aproximado del defecto, la técnica TOFD en cambio usa las

diferencias de tiempo captadas de las señales difractadas por los bordes del defecto para

dimensionar su tamaño, de ahí el significado de su nombre, que indica la medición del

tiempo de vuelo y/o retardo de la onda difracta.

Esta técnica actualmente tiene un gran desarrollo y aceptación frente a otro tipo

de tecnologías convencionales como la radio o gammagrafía, debido a sus bajos costes y

tiempos empleados en las inspecciones. Otro impulso que ha motivado su desarrollo es la

adopción de nuevas normativas y códigos tales como el ASME Code Case 2235-4, que

sustituye el ensayo radiográfico por el ultrasónico de soldaduras en la fabricación de

componentes de calderas, recipientes a presión entre otros; y además, con la necesidad de

eludir los problemas implícitos de seguridad y salud que conlleva el uso de materiales y

equipos radioactivos.

Para el caso español, los niveles de aceptación en ensayos no destructivos para

soldaduras están regulados en la norma UNE-EN 15617, 583, confirmado que se trata de

una técnica confiable y de grandes prestaciones. También se utiliza para determinar

niveles calidad en procesos de soldadura.

1.4.1 Configuración de la técnica TOFD

Esta técnica emplea dos transductores de incidencia angular, uno trabajando en

transmisión y otro en recepción, enfrentados a una cierta distancia. Un esquema general

de la disposición de los palpadores sobre la pieza de ensayo está representado en la Figura

18. En esta imagen se observa la trayectoria de las diferentes ondas que son registradas

por el receptor (Rx) ante una única fuente de emisión (Tx).

Esta técnica mide los diferentes tiempos de vuelo que toma la onda en llegar al

receptor. El tipo de ondas mayormente utilizadas son las longitudinales (llamadas también

de compresión), debido a que éstas tienen un alto coeficiente de difracción y una mayor

rapidez de propagación dentro del material que las ondas transversales. Sin embargo,

éstas últimas se emplean en casos particulares como en la inspección de materiales de

pequeños espesores donde interesa incrementar la resolución del defecto, así como

3 Por sus siglas en inglés, TOFD, proviene de Time-of Flight Difracction.


23

detectar aquellas discontinuidades que se encuentran muy cerca de la superficie de

inspección [9].

Figura 18.- Configuración general de la técnica TOFD.

La técnica TOFD se identifica por el empleo de una imagen bidimensional similar

a la Figura 19, en la cual se visualiza y caracteriza las discontinuidades y/o defectos que

pueda tener el material inspeccionado.

Figura 19.- Ejemplo de una imagen bidimensional con la técnica TOFD.

Estas imágenes bidimensionales reciben el nombre de B-Scan4 que está

conformada por un elevado número de trazas temporales denominadas A-Scan. En la

Figura 20 se muestra el proceso para la obtención de esta imagen a partir de las trazas

temporales registradas por el transductor receptor, para ello es necesario el

desplazamiento sincronizado de los palpadores paralelos al eje de inspección, que de

acuerdo a la normativa UNE EN 583-6, estos A-Scans deben ser tomadas cada milímetro

de recorrido.

Figura 20.- Proceso de formación de un B-Scan con la técnica TOFD.

4 En algunas citas bibliográficas relacionadas con esta técnica también las denominan D-Scan.


24

1.4.2 Parámetros de la Técnica TOFD

Para el presente trabajo conviene adoptar una nomenclatura adecuada e identificar

las variables físicas de una configuración TOFD. En algunos casos estas variables son

identificadas con abreviaturas derivadas del inglés influenciados por las referencias

bibliográficas consultadas y, en otros casos por conveniencia propia; por lo tanto, en este

apartado se detallan cada una de las variables intrínsecas a esta técnica y las fórmulas

características para su estimación cuantitativa.

El tipo de ondas que se utiliza en este trabajo son longitudinales y transversales,

si bien esta técnica es explotada mayormente con el primer tipo de ondas (L), el uso de

las transversales (S o T) se debió a limitaciones por el equipo disponible en el laboratorio,

ya que no siempre fue posible generar las ondas L, porque no se disponían de las cuñas5

de acople con los ángulos adecuados. Por lo tanto, algunos ensayos fueron realizados con

ondas S (poco utilizado en esta técnica) con resultados bastante aceptables y, que refutan

la idea de que en esta técnica sólo se usan las ondas longitudinales.

En este trabajo, para la explicación de los parámetros y dimensiones de la técnica,

se hace referencia a las ondas longitudinales, sin que eso excluya el uso de las

transversales. Se harán las aclaraciones respectivas, cuando no sea posible su

generalización.

En la Figura 18 se observa que se necesitan mínimo un par de transductores6 (Tx

y Rx) enfrentados entre sí, a una distancia de separación (2𝑆), medido entre los puntos de

incidencia de los haces sobre la probeta.

En este caso, se considera la existencia de un solo defecto en el material de prueba,

y al emitirse ondas ultrasónicas por parte del transductor transmisor sobre la pieza, son

cuatro los pulsos que se registrarían a diferentes tiempos de vuelo en el receptor. La

primera de ellas es la onda lateral (𝐿𝑊), que es una onda longitudinal que viaja en una

trayectoria muy cerca de la superficie de la probeta y es la primera en captarse en el

receptor; la onda longitudinal que más tarde llega al receptor corresponde al eco de fondo

(𝐵𝑊) y entre estas dos ondas características se observan las trayectorias que tomarían los

pulsos difractados en los bordes superior e inferior del defecto y, como es de esperar, el

tiempo en que son registrados por el receptor estarían comprendidos entre la onda lateral

y la proveniente del fondo de la probeta.

1.4.2.1 Trayectorias de ondas acústicas

Para el cálculo de la trayectoria del eco de fondo se emplea la siguiente expresión.

𝐵𝑊 = √4𝐻2 + (2𝑆)2 ( 26 )

Las ondas difractadas por el defecto se denominarán: onda de borde superior (𝑈𝑇)

y onda de borde inferior (LT), donde sus trayectorias dependerán tanto de la posición

5 Elementos (comúnmente de Plexiglás ®) que son utilizados para variar el ángulo de incidencia. 6 En otras variables de la técnica TOFD se emplean más de un par de transductores.


25

relativa del defecto entre los dos transductores como de su inclinación. Si suponemos el

caso de la Figura 18, con el defecto en el centro de los transductores a una profundidad

(𝐿), en posición vertical y con una longitud (𝑑) de la discontinuidad, se pueden estimar

las trayectorias con las siguientes expresiones.

𝑈𝑇 = √4𝐿2 + (2𝑆)2 ( 27 )

𝐿𝑇 = √4(𝐿 + 𝑑)2 + (2𝑆)2 ( 28 )

1.4.2.2 Tiempos de vuelo

Conociendo las velocidades 𝐶𝐿 y 𝐶𝑇 de la probeta inspeccionada así como las

trayectorias correspondientes, se pueden calcular los diferentes tiempos de vuelo de cada

una de las ondas descritas, mediante siguientes las expresiones:

𝑡𝐿𝑊 =𝐿𝑊

𝐶𝐿 ( 29 )

𝑡𝐵𝑊 =𝐵𝑊

𝐶𝐿 ( 30 )

𝑡𝑈𝑇 =𝑈𝑇

𝐶𝐿 ( 31 )

𝑡𝐿𝑇 =𝐿𝑇

𝐶𝐿 ( 32 )

Estos tiempos calculados están representados en la Figura 21 y corresponden al

caso cuando se utilizan ondas longitudinales.

Figura 21.- Señal temporal de la técnica TOFD con ondas longitudinales.

Cuando se emplean ondas transversales, las expresiones anteriores son

modificadas con la velocidad transversal de propagación de las ondas en la probeta.

𝑡𝑇𝐿𝑊 =𝑇𝐿𝑊

𝐶𝑇 ( 33 )

𝑡𝑇𝐵𝑊 =𝑇𝐵𝑊

𝐶𝑇 ( 34 )


26

𝑡𝑇𝑈𝑇 =𝑇𝑈𝑇

𝐶𝑇 ( 35 )

𝑡𝑇𝐿𝑇 =𝑇𝐿𝑇

𝐶𝑇 ( 36 )

De manera similar estos tiempos están representados en la siguiente figura

.

Figura 22.- Señal temporal de la técnica TOFD con ondas transversales.

En los A-Scans anteriores se destaca un efecto: las ondas laterales presenta una

fase invertida respecto a las reflejadas o ecos de fondo, así como también lo hacen las

ondas difractadas, una respecto a la otra. Se debe considerar este fenómeno a la hora de

dimensionar el defecto [10].

1.4.2.3 Ángulos de refracción

El ángulo de refracción o transmisión de las onda longitudinales (𝛼𝑡𝐿) y

transversales (𝛼𝑡𝑇) depende del tipo de material inspeccionado y de su correspondiente

ángulo de incidencia (𝛼𝑖𝐿), este último puede ser variable en algunos transductores o fijo

de acuerdo a la cuña de acople que se utilice y para su cálculo se emplean las ecuaciones

de Snell ( 15 ) descritas anteriormente.

En esta técnica es conveniente conocer los ángulos de los ejes imaginarios con el

cual los haces son trasmitidos dentro de la probeta, con la finalidad de poderlos focalizar

a la profundidad con mayor probabilidad de presentar discontinuidades y, así lograr una

mejor detección y dimensionamiento de los defectos [11].

1.4.2.4 Zonas Muertas

Una de las desventajas de la técnica TOFD es que existen dos zonas muertas

(Figura 18), la primera de ellas está cerca de la superficie superior (𝑂𝐷) y la segunda en

la cara opuesta (𝐼𝐷) de la probeta de inspección, en estas zonas por lo general no se

pueden llegar a dimensionar con exactitud el tamaño de los defectos, pero si detectarlos

cuando estos están abiertos al exterior.

Es importante identificar la profundidad de estas zonas y la norma UNE EN 583-

6 nos proporciona las expresiones ( 37 ) y ( 38 ) para su cálculo, teniendo en cuenta que

el valor de 𝑡𝑝 corresponde al tiempo de duración de la excitación del transductor y por

ende la duración del pulso ultrasónico emitido y 𝐻 el espesor del material de inspección.


27

𝑂𝐷 =𝐶2𝑡𝑝

2

4+ 𝐶 𝑆 𝑡𝑝

2 ( 37 )

𝐼𝐷 = (𝐶2(𝑡𝑝 + 𝑡𝐵𝑊)

2

4− 𝑆2)

1/2

− 𝐻 ( 38 )

Estas dos zonas muertas pueden ser reducidas mediante la disminución de la

distancia 2𝑆 existente entre los dos transductores y, el empleo de tiempos más cortos de

excitación del transductor [11].

1.4.2.5 Resolución espacial

Ésta se define como el grado con el que los defectos (llamados difractores)

próximos pueden distinguirse unos de otros. En la norma UNE EN 583-6 establece que

este valor está en función de la profundidad de la probeta y puede calcularse con la

siguiente fórmula:

𝑅 = (𝐶2(𝑡𝑙 + 𝑡𝑝)

2

4− 𝑆2)

1/2

− 𝐿𝑅 ( 39 )

Donde 𝑡𝑝 es el tiempo de duración del pulso y 𝑡𝑙 corresponde al tiempo de vuelo

a la profundidad 𝐿𝑅. Concluyendo que la resolución aumenta con la profundidad y se

puede mejorar disminuyendo la distancia ente palpadores o la duración del pulso acústico

[11].

2 Capítulo 2:

Desarrollo Experimental

Capítulo 2: Desarrollo Experimental

29

2.1 Introducción

En la actualidad existe un sinnúmero de equipos ultrasónicos compactos

adaptados a la técnica TOFD y están diseñados específicamente para inspecciones en

soldaduras de materiales metálicos. Sus configuraciones y accesorios permiten

simplificar enormemente el tiempo de intervención en la inspección en un gran número

de tipologías de soldaduras, sin embargo, una adquisición de estos equipos específicos,

implica la inversión de una considerable cantidad de dinero.

Partiendo del capítulo anterior, se constata que para el funcionamiento y

aplicación de esta técnica se pueden emplear los mismos equipos de otros procedimientos

de inspecciones con ultrasonidos, por lo tanto, se podría desarrollar un sistema

configurable TOFD a partir de los existentes en un laboratorio de investigación. El

desempeño y eficiencia que se puede obtener con estas configuraciones dependen de

muchos factores, como por ejemplo: la calibración y parámetros de los equipos,

restricciones constructivas de los transductores, compatibilidad de hardware y software,

entre otros.

El sistema TOFD configurable que se pretende obtener haciendo uso de lo

disponible en el laboratorio, es que a diferencia de los equipos comerciales que se limitan

a evaluaciones de soldaduras en el sector metalúrgico, éste podrá ser empleado en otras

aplicaciones que aún no son explotadas, como por ejemplo, en la detección y

caracterización de patologías de materiales constructivos.

En este capítulo se aborda el desarrollo experimental de esta técnica utilizando los

equipos disponibles en el laboratorio, por lo tanto, se empieza describiendo cada uno de

ellos, rescatando sus características principales y las funciones que desempeñan dentro

de la adquisición y digitalización de las señales ultrasónicas. Además de estos, también

se describen los materiales empleados en los respectivos ensayos, calculando de forma

experimental las principales características acústicas, como es la velocidad de

propagación de la onda.

Se desarrolla una aplicación en Excel sobre los principales parámetros de

configuración que tiene cada ensayo, permitiendo establecer de forma anticipada, el

proceso y los valores adecuados en que deben ser configurados los equipos para conseguir

los mejores resultados.

Se aborda sobre el proceso de adquisición de la señal ultrasónica, el filtrado

analógico, la digitalización y almacenamiento de la información obtenida, así como el

procesamiento posterior que es realizado para facilitar el análisis de las imágenes de los

B-Scans.

Finalmente se presentan varias mediciones sobre las probetas ensayadas con sus

respectivas imágenes, mostrando de esta manera, su efectividad en la detección y

medición de fallos, como también las limitaciones intrínsecas en el uso de esta técnica no

destructiva.


30

2.2 Equipos de medida

Este trabajo se ha realizado en el laboratorio del Grupo de Tratamiento de Señal

del iTEAM de la UPV y por ende los equipos empleados son los que se hallan en este

centro de investigación. Además del hardware disponible del que se hace uso en este

trabajo, se emplean softwares específicos desarrollados previamente por este centro para

la adquisición y almacenamiento de las señales.

A continuación se describen los diferentes equipos utilizados y los materiales que

se han empleado como probetas o piezas de inspección, mostrando así sus características

más importantes.

2.2.1 Equipo de ultrasonidos MATEC PR5000

El MATEC PR5000 es un equipo mono-canal, capaz de trabajar en modo de

Pulso/Eco o Transmisión/Recepción, como esta técnica emplea dos transductores, uno

como trasmisor y otro como receptor, el equipo se configura para la segunda opción.

Figura 23.- Pantalla frontal de parametrización del MATEC PR5000

En la Figura 23 se muestra el teclado y la pantalla frontal del MATEC PR5000,

en donde se ha parametrizado las condiciones de transmisión y recepción de las señales

ultrasónicas. A modo de ejemplo, los valores visualizados en esta figura están detallados

en la Tabla 6, que corresponden a uno de los primeros ensayos realizados en este trabajo.

Tabla 5.- Parámetros de configuración empleados en la medición de las velocidades acústicas.

PARÁMETRO ACRÓNIMO VALOR UNIDADES

Pa

rám

etr

os

de

T

ran

smis

ión

Pulso de repetición PRF 100 Hz

Anchura del pulso ultrasónico WIDTH 1 µs

Frecuencia del transductor FREQ 1 MHz

Amplitud AMP 87 %

Modo de disparo Tr Tr+I Interno flanco positivo

Pa

rám

etr

os

de

R

ece

pci

ón

Ganancia GAN 8 dB

Filtro paso bajo LPF 2.25 MHz

Filtro paso alto HPF 200 kHz

Rectificación RECT RF

Modo [PE] o [TT] TT Transmisión Recepción


31

2.2.1.1 Parámetros de Transmisión

La Frecuencia del Pulso de Repetición (PRF) corresponde a la frecuencia con la

cual el equipo emite el tren de pulsos para la excitación del transductor, en este caso se

ha seleccionado 100 Hz que equivalen a 10ms entre pulsos consecutivos. Este es

seleccionado adecuadamente para evitar el solapamiento entre las señales contiguas

generadas.

El Ancho de Pulso (WIDTH) corresponde a la duración temporal en que se está

excitando al transductor. Este valor será modificado convenientemente para los diferentes

ensayos en función de la frecuencia (𝑓𝑐) del transductor, ya que en la técnica TOFD, el

número de pulsos recomendable es de 1 a 1.5 ciclos completos, por lo tanto, la estimación

de este tiempo estará dado por la siguiente expresión.

𝑡𝑝 ≤ 1.51

𝑓𝑐 ( 40 )

Por ejemplo, si queremos generar 1.5 pulsos ultrasónicos completos con un

transductor de 2MHz, se deberá parametrizar este tiempo de excitación a 0.75µs.

La Frecuencia del Transductor (FREQ) corresponde a la frecuencia de excitación

con que se genera el pulso descrito anteriormente y dependerá de la frecuencia natural

(𝑓𝑐) del cristal piezoeléctrico.

La Amplitud (AMP) corresponde al porcentaje del máximo voltaje de excitación

posible (1000 Voltios pico-pico) que genera este equipo. El valor será modificado en

función del grado de atenuación que experimenta la señal al atravesar la pieza de ensayo,

se incrementa cuando se necesita una mayor potencia de penetración en la probeta y se

reduce para el caso contrario.

El Modo de Disparo indica la forma cómo es activado el pulso de excitación del

transmisor, el mismo que ha sido seleccionado para que se realice de forma interna y con

flanco positivo. Este parámetro se modificaría a otro estado, por ejemplo, cuando el

proceso estuviese retroalimentado por un sistema automatizado externo, que no es el caso

en este trabajo.

2.2.1.2 Parámetros de Recepción

La Ganancia (GAN) es la amplificación de la señal captada por el receptor, que

ayuda a contrarrestar la atenuación que experimenta la señal cuando ésta atraviesa la pieza

de inspección.

Los Filtros de Paso Alto y Bajo (LPF y HPF) son los parámetros con los cuales

actúan los filtros analógicos del equipo para atenuar las componentes en frecuencia que

estarían fuera de los valores introducidos. Estos parámetros son modificados en función

de la frecuencia de excitación del transductor.

La Rectificación (RECT) de la señal no es aplicada en esta técnica, por lo tanto,

todo el pulso (ciclos positivos y negativos) es captado íntegramente mediante el estado

RF.


32

2.2.2 Osciloscopio

El osciloscopio que se emplea en este trabajo es el PDO3014 de la marca

Tektronix, que cuenta con cuatro canales y las características mostradas en la Figura 24.

Básicamente es el equipo de muestreo que se utiliza para la visualización de las

diferentes trazas temporales registradas por el transductor en cada medida.

Los datos digitalizados por el osciloscopio son almacenados en un ordenador

externo mediante una conexión USB y un programa de adquisición de datos desarrollado

en matlab.

CARACTERÍSTICAS VALOR

Ancho de Banda 100MHz

Límite de ancho de banda 20MHz

Número de canales 4 Canales

Max Frecuencia de Muestreo 1.25Gmuestras/s

Longitud de registro 10000puntos

Figura 24.- Osciloscopio Tektronix DPO3014 y sus características principales.

2.2.3 Transductores

Para la técnica TOFD, lo conveniente es contar con transductores de ángulo

incidente variable para controlar el ángulo de incidencia y por ende el ángulo de la onda

trasmitida en el material de inspección.

En este trabajo se ha aprovechado los diferentes tipos de transductores existentes

en el laboratorio, algunos de ellos son de ángulo variable en un único cuerpo y otros en

cambio pueden ser acoplados a diferentes cuñas.

En la Figura 25 tenemos los transductores de 2 MHz que posibilitan variar el

ángulo de incidencia.

Figura 25.- Transductor MUWB-N de 2MHz

Además de los anteriores, en la Figura 26 están los transductores independientes

a la cuña de acople, con frecuencias de 5 y 10 MHz respectivamente y un diámetro

aproximado de 6 mm de los elementos piezoeléctricos.


33

Figura 26.- Transductores de 5MHz y 10MHz.

2.2.4 Cuñas de acople y cables.

Para los transductores independientes, existen cuñas de acople de diferentes

ángulos de incidencia, estos están fabricados con un material muy característico como es

el Plexiglás® (𝐶𝐿_𝑝𝑙𝑒𝑥𝑖𝑔𝑙á𝑠 = 2730 𝑚/𝑠).

Cabe recalcar que el valor de los ángulos marcados en una de sus caras laterales,

no corresponden los ángulo de incidencia de las mismas, haciéndose necesario medirlos

y en función de las velocidades acústicas de los materiales, calcular los ángulos con que

son refractados los haces ultrasónicos en el interior del material de prueba.

Figura 27.- Cuñas con diferentes ángulos de incidencia.

Los ángulos de incidencia correspondientes a cada una de las cuñas están

expuestos en la siguiente tabla:

Tabla 6.- Ángulos de incidencia de las cuñas de acople.

CUÑA ÁNGULO DE INCIDENCIA

45 37°

70 54°

90 63°

Los cables utilizados en estos ensayos son de tipo coaxial, de baja impedancia

(50Ω), adecuados para señales RF de alta frecuencia y sus terminales cuentan con

conectores British Naval Conector (BNC). Ver Figura 28.


34

Figura 28.- Cables coaxiales y conectores.


35

2.3 Materiales para Ensayos

Las probetas utilizadas en estos ensayos son de dos tipos de materiales, el primero

corresponde a uno que comercialmente se lo denomina duraluminio (ρ≈9870kg/m3), que

es a una aleación de aluminio y cobre; en cambio, el segundo material es hierro, sobre el

cual se ha elaborado la soldadura de unión entre dos placas de similares dimensiones.

En los ensayos no destructivos (END) y particularmente en esta técnica, es

necesario conocer el parámetro acústico más importante de un material, que es la

velocidad de propagación de las ondas, tanto para las transversales como longitudinales.

A continuación se describen estas probetas con sus principales características,

tanto físicas como acústicas, además del procedimiento efectuado para el cálculo de la

velocidad.

2.3.1 Cálculo de la Velocidad Acústica

La estimación de la velocidad acústica en estas probetas se empieza con la

medición del tiempo (𝑡) que toma un pulso ultrasónico atravesar el espesor (𝑒) de la

probeta y si dividimos esta última longitud por el valor temporal registrado, se obtiene la

velocidad acústica (𝐶) del material.

𝐶_ =𝑒

𝑡 ( 41 )

Figura 29.- Medición de velocidad longitudinal en probeta de duraluminio

Se asume que todas las piezas de duraluminio comparten las mismas

características acústicas, por lo que solo se procedió a medir y calcular la velocidad de

una de ellas (Figura 29).

Luego, con el fin de reducir el error aleatorio, se ha realizado nueve mediciones

sobre esta pieza, tres medidas por cada una de sus dimensiones (ancho, largo y alto),

donde a modo de ejemplo, en la Figura 30 se representa el registro temporal de las tres

señales acústicas medidas a lo largo (220mm) de la probeta y de las cuales se tomó los

tiempos respectivos. Además, otra forma de aumentar la precisión, fue tomar varios

rebotes del pulso acústico, por lo que la fórmula ( 41 ) es modificada tomando en cuenta

estas consideraciones.


36

Figura 30.- Señal temporal para el cálculo de la velocidad longitudinal del duraluminio

Finalmente, con los valores (𝑁 = 9) de las velocidades calculadas, se puede

obtener el promediado y la desviación estándar de la velocidad acústica, aplicando las

fórmulas ( 42 ) y ( 43 ) respectivamente. Cabe recalcar que este procedimiento fue

empleado para calcular la velocidad longitudinal, en cambio para la velocidad transversal

se utiliza otro procedimiento que está detallado más adelante.

𝐶̅ =1

𝑁∑ 𝐶𝑖

𝑁

𝑖=1 ( 42 )

𝜎 = (1

𝑁 − 1∑ (𝐶𝑖 − 𝐶̅)2

𝑁

𝑖=1)1/2

( 43 )

La velocidad longitudinal obtenida para la probeta de duraluminio es de:

𝐶𝐿_𝑑𝑢𝑟𝑎𝑙𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑜 = 6367 𝑚/𝑠 con una desviación estándar de 𝜎 = 64 𝑚/𝑠.

Manteniendo el mismo procedimiento anterior no se puede calcular la velocidad

transversal, debido a que los pulsos de estas ondas no se distinguen fácilmente en las

señales temporales de la Figura 30, por este motivo, se opta por una medición en diagonal

como está representado en la Figura 31.

Primeramente, con esta disposición logramos descartar la presencia de ondas

longitudinales en el material, luego, manteniendo fijo el trasmisor y con un recorrido

controlado del receptor en la cara opuesta de la probeta, se busca el pico de mayor

amplitud de la señal acústica, una vez localizado, se mide el tiempo que toma la onda en

atravesar el eje imaginario del haz ultrasónico entre estos dos puntos.

Con la aplicación de la ecuación ( 41 ) se logra obtener la velocidad trasversal

dentro de la probeta de duraluminio, que tiene un valor de 𝐶𝑇_𝑑𝑢𝑟𝑎𝑙𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑜 = 3038 𝑚/𝑠.

Figura 31.- Medición de velocidad transversal en probeta de duraluminio


37

2.3.2 Probetas para Ensayos

En este apartado se describen las probetas utilizadas en este trabajo con sus

características físicas y acústicas correspondientes, así como la descripción de los

defectos artificiales provocados en cada uno de ellas.

La Probeta 01 utilizada anteriormente para la medición de velocidades de

propagación de las ondas, por lo cual no posee ningún defecto en su estructura. Sus

dimensiones físicas están descritas a continuación.

Probeta P01

Material: Duraluminio

Longitud: 220 mm

Ancho: 70 mm

Altura: 50 mm

𝐶𝐿 6367 m/s

𝐶𝑇 3038 m/s

Figura 32.- Probeta P01 de duraluminio sin defecto.

La Probeta 02 tiene similares dimensiones que la anterior, diferenciándose

únicamente por el agujero de 10 mm de diámetro que está perforado a lo ancho de la

probeta y equidistante a 18 mm de la cara inferior.

Probeta P02


Longitud: 220 mm

Ancho: 70 mm

Altura: 50.33 mm

𝐶𝐿 6367 m/s

𝐶𝑇 3038 m/s

Figura 33.- Probeta de duraluminio con agujero


38

La Probeta 03 cuenta con dos agujeros perforados, uno de 10 mm y el otro de 13

mm de diámetro aproximadamente, las características son las siguientes:

Probeta P03


Longitud: 220 mm

Ancho: 50 mm

Altura: 71.90 mm

𝐶𝐿 6367 m/s

𝐶𝑇 3038 m/s

Figura 34.- Probeta de duraluminio con dos agujeros.

La Probeta 04, cuenta con un corte de 34.05 mm de profundidad y 5 mm de ancho

en una de sus caras, tal como se aprecia en la siguiente figura:

Probeta P04


Longitud: 220 mm

Ancho: 50 mm

Altura: 72.3 mm

𝐶𝐿 6367 m/s

𝐶𝑇 3038 m/s

Figura 35.- Probeta de duraluminio con corte en una sus caras.


39

La Probeta 05 corresponde a un material de hierro y con un cordón de soldadura

que une dos placas del mismo metal. Con el procedimiento de trasmisión de pulsos

ultrasónicos se determinó la velocidad de propagación de las ondas longitudinales (Figura

36).

Figura 36.- Medición de la velocidad acústica de la probeta 05.

De la misma manera, la estimación de la velocidad transversal de la placa de hierro

se realizó con el mismo proceso empleado en las probetas de duraluminio, tendiendo los

resultados de la siguiente tabla.

Probeta P05

Material: Hierro

Longitud: 2x200 mm

Ancho: 200 mm

Altura: 10 mm

𝐶𝐿 5960 m/s

𝐶𝑇 3160 m/s

Figura 37.- Probeta de hierro con cordón de soldadura.

Es importante resaltar que en los procedimientos de cálculo de la velocidad

acústica, se debió tomar en cuenta los retrasos temporales (𝑡𝑟) que se producían dentro de

la propias cuñas de acople, sobre todo en el caso del cálculo de la velocidad transversal.


40

En la Probeta 06 se realizó un corte más fino en la mitad de una de sus caras, con

un ancho de 1.15 mm y una profundidad de 14.12 mm.

Probeta P06


Longitud: 220 mm

Ancho: 70 mm

Altura: 50 mm

𝐶𝐿 5960 m/s

𝐶𝑇 2980 m/s

Figura 38.- Probeta de duraluminio con corte fino en una de sus caras


41

2.4 Hoja de Cálculo y Parámetros de configuración TOFD

Con el propósito de simplificar las operaciones matemáticas que se necesitan para

el cálculo de los parámetros de la configuración de la técnica TOFD, se ha recurrido al

uso del software Excel de Microsoft. En este programa se ha elaborado una hoja de

cálculo que permite manipular indistintamente cada una de las variables de las distintas

fórmulas empleadas en esta técnica, de esta manera es posible valorar los parámetros

óptimos para el ensayo.

También fue necesario emplear gráficos dinámicos para hacer una representación

visual de los parámetros obtenidos y conocer el comportamiento de las ondas ultrasónicas

dentro del material de ensayo. Un ejemplo de estos gráficos es la mostrada en la Figura

39, en donde están representados los ejes imaginarios de los haces ultrasónicos,

trayectorias, zonas muertas, ángulos de incidencia, de refracción, separación de los

transductores, entre otros datos.

Figura 39.- Gráfica dinámica de Excel desarrollada para la parametrización de la técnica TOFD.

Para llegar a la gráfica anterior, fue necesario elaborar una hoja de cálculo que

recoja cada una de las fórmulas necesarias y descritas en el capítulo uno, además de

adoptar unas hipótesis y situaciones ideales que difícilmente se dan en la realidad, pero

que son suficientes para tener una buena aproximación de la misma.

El desarrollo de esta aplicación tuvo diferentes etapas y fue evolucionando

paulatinamente gracias a los resultados generados experimentalmente, permitiendo así,

corroborar la aproximación que tienen estos cálculos con la realidad y los equipos

utilizados en este trabajo.

El empleo de esta herramienta contribuye a reducir el tiempo en la configuración

de los parámetros utilizados en la inspección, optimizando de esta manera sus resultados,

ya que permiten conocer plenamente en qué sección de la probeta se está centrando el

análisis a través de la representación gráfica.

-125 0 -125 -33.0

125 0 125 -33.0

-125 -50.0 -125 -33.6

125 -50.0 125 -33.6

-125 -5.4 -12.5 0

125 -5.4 -2.5 -25

-125 -49.5 -2.5 -50

125 -49.5 12.5 0

0 0 2.5 -25

0 -33.0 2.5 -50

-30.9 0

-30.9 2.5 0 -50

30.9 2.5 30.9 0

-43.1 11 -39.2 11 39.2 11

-43.1 0 -30.9 0 30.9 0

0 -33.35 0 -33.3516

15.42 -50 -15.4247 -50

-31 0 31 0

42 -50 -42 -50

-31 0 31 0

-2 -50 2 -50

P02 Duraluminio Transversal 5 2730 3083 11.0 37 43 50.0 61.8 10.1 0.5 20.0 30.6 38.1 48.7 39.9

td

[µs]

tLW

[µs]Probeta Material

Tipo

onda

f

[Mhz]

C1

[m/s]

C2

[m/s]

tLW+tr

[µs]

tBW

[µs]

tBW+tr

[µs]

tR+tr

[µs]

e

[mm]

αi

[°]

αT

[°]

H

[mm]

2S

[mm]

tr

[µs]

PARÁMETROS PRINCIPALES DE LA TÉCNICA TOFD

REPRESENTACIÓN GRÁFICA TOFD

-55

-45

-35

-25

-15

-5

5

15

-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100

Z [m

m]

Y [mm]

Cara anterior probeta

Cara posterior probeta

Zona muerta superior

Zona muerta inferior

Resolución espacial


Profundidad de resolución R

Separación de transductores

Trayectoria eco de fondo

Eje de haz Tx

Eje de haz Rx

Borde superior haz Tx

Borde superior haz Rx

Borde inferior haz Tx

Borde inferior haz Rx

Posicion de Tx

Posicion de Rx

Altura origen de haz


42

Dentro de esta hoja de cálculo, las variables están grupadas con aquellas que

comparten similares características o que pertenecen a un elemento común utilizado en

esta técnica, como por ejemplo: transductores, probeta, pulsos ultrasónicos, tiempos de

vuelo, zonas muertas y trayectorias.

El extracto de la hoja de Excel está en la Figura 40 y en el apartado siguiente se

explica cómo está constituida esta herramienta, qué significa cada variable y cómo debe

ser utilizada.

Figura 40.- Hoja de cálculo desarrollado para la parametrización de la técnica TOFD.

1.0

1.1 Frecuencia f: 10 MHz

1.2 Diámetro D: 6 mm

1.3 Altura origen de haz e: 11 mm

1.4 Ángulo incidencia transductor αi: 22 °

1.5 Material de Cuña - Plexiglás -

1.6 Velocidad Longitudinal de cuña CL1: 2730 m/s

1.7 Velocidad transversal de cuña CT1: 1430 m/s

1.8 Desfase horizontal origen de haz -y: 4.4 mm

2.0

2.1 Probeta - material P02 Duraluminio

2.2 Tipo de onda util izada Transversal

2.3 Velocidad C2: 6367 m/s

2.4 Espesor de probeta H: 50.0 mm

2.5 Separación de transductores 2S: 120.0 mm

2.6 Separación recomendada (EN-583-6) 2S': 119.7 mm

2.7 Ángulo refractado αT: 61 °

2.8 Longitud total de probeta LP: 250 mm

3.0

3.1 Longitud de onda ʎ: 0.6 mm

3.2 Número de pulsos CN: 1.5 ʎ's

3.3 Duración de pulso tp: 0.2 µs

4.0

4.1 Retraso en cuñas (2X) tr: 8.7 µs

4.2 Tiempo vuelo onda lateral tLW: 18.8 µs

4.3 Tiempo vuelo onda lateral + retraso tLW+tr: 27.5 µs

4.4 Tiempo vuelo eco de fondo tBW: 24.5 µs

4.5 Tiempo vuelo eco de fondo + retraso tBW+tr: 33.2 µs

4.6 Profundidad de resolución R LR: 26 mm

4.7 Tiempo de vuelo resolución R tR: 20.5 µs

4.8 Resolución espacial R: 1.2 mm

4.9 Intersección de ejes de haces Tx y Rx L: 33.4 mm

5.0

5.1 Zona muerta superior OD: 7.6 mm

5.2 Zona muerta inferior ID: 0.7 mm

6.0

6.1 Límite de referencia dB: -24

6.2 Constante K: 1.09

6.3 Ángulo de difracción (ф/2) γ: 7 °

6.4 Angulo aux superior (αT+ф) αTs: 74 °

6.5 Angulo aux inferior (αT-ф) αTi: 48 °

7.0

7.1 Abertura Superior AS: 25.0 mm

7.2 Abertura Inferior AI: 5.0 mm

7.3 Longitud de bisel LB: 25.0 mm

DIVERGENCIA DEL HAZ

PARÁMETROS DE SOLDADURA

ZONAS MUERTAS

CARACTERÍSTICAS DE LOS TRANSDUCTORES Y CUÑAS

CARACTERÍSTICAS DE LA PROBETA

CARACTERÍSTICAS DE PULSO ULTRASÓNICO

TIEMPOS DE VUELO


43

2.4.1 Características de los Transductores y Cuñas de acople

En esta sección de la hoja de cálculo se introducen las características tanto de los

transductores como de las cuñas de acople que se van a utilizar en el ensayo. Para el

primer elemento es la frecuencia (𝑓𝑐) y el diámetro (𝐷) del cristal piezoeléctrico; en

cambio, para el medio de acople, la altura (𝑒) del origen del haz con respecto a la base de

la cuña, ángulo de incidencia (𝛼𝑖), material del que está fabricado (por lo general Plexiglás

®) y sus respectivas velocidades acústicas (𝐶𝐿 , 𝐶𝑇).

Figura 41.- Parámetros característicos de las cuñas de acople.

El valor del desfase horizontal (−𝑦) no es necesario introducir ya que es calculado

automáticamente a partir del ángulo de incidencia (𝛼𝑖) y de la altura del origen del haz

(𝑒).

Estas dimensiones que describen el origen real del haz ultrasónico, son necesarias

para posteriormente calcular la trayectoria que recorre la onda dentro de la cuña y por

ende el tiempo de retraso (𝑡𝑟) antes de llegar a la probeta.

En la siguiente tabla se muestra las características de cada una de las cuñas que se

han utilizado en este trabajo:

Tabla 7.- Dimensiones y características de las cuñas de acople.

CUÑA ÁNGULO DE

INCIDENCIA REAL (𝜶𝒊)

ALTURA ORIGEN HAZ

(e)

VELOCIDAD (𝑪𝑳)

Transductor de 2MHz Variable 11mm

2730m/s 45 37° 3.4mm

70 54° 5.2m

90 63° 5mm

2.4.2 Características de las Probetas de Ensayo.

En este apartado, a modo de información se introducen: la identificación de la

probeta, el material que está constituido y el tipo de onda utilizado en el ensayo, este

último parámetro es muy importante describirlo para indicar qué velocidad se ha

empleado en esta técnica.


44

Adicionalmente y para los cálculos posteriores se deben introducir: la velocidad

acústica (𝐶𝐿 o 𝐶𝑇) y las dimensiones, tanto el espesor (𝐻) como la longitud de la probeta

(𝐿𝑃).

Automáticamente con los datos introducidos hasta el momento y basándonos en

las recomendaciones de la norma CEN/TS 14751:2004 [12] que reglamenta las

inspecciones de soldadura por medio de esta técnica, sugieren que: para espesores (𝐻) de

6 hasta 50 mm, se deben procurar que los ejes imaginarios de los haces refractados dentro

de la probeta, tengan una intersección a dos tercios (2𝐻/3) de la cara superior de la misma,

por tal motivo, el valor 2𝑆′ corresponde a la distancia recomendada a la que deben estar

enfrentados los dos transductores, sin que esto sea obligatorio acoger, pero sin duda,

constituye un punto de partida para estimar la separación adecuada para cada ensayo.

El valor de 2𝑆′ es calculado en función del espesor y del ángulo refractado,

aplicando la siguiente expresión:

2𝑆′ =4

3𝐻 𝑡𝑎𝑛 𝛼𝑟 ( 44 )

La separación (2𝑆) real con que los transductores son enfrentados en la práctica,

debe ser introducido en la celda correspondiente, que a su vez es necesaria para los

cálculos posteriores. Hay que tener en cuenta que este valor es medido a partir de la

intersección del eje del haz incidente sobre la probeta, tal como se puede ver en la

siguiente figura.

Figura 42.- Separación (2S) entre transductores.

2.4.3 Características del Pulso Ultrasónico

En esta sección de la hoja de cálculo, se calcula la longitud (𝜆) de la onda acústica

en milímetros, para ello se ha empleado la ecuación ( 3 ) que está expresado en función

de la frecuencia del ultrasonido y la velocidad acústica del material de ensayo.

Adicionalmente, se puede calcular el tiempo de excitación o duración del pulso

(𝑡𝑝) en función del número de ciclos completos (𝐶𝑁) de onda que deseemos utilizar para

el ensayo, esto es importante, ya que esta técnica se caracteriza por el empleo de pulsos

de corta duración, aproximadamente entre 1 y 1.5 ciclos completos. Este valor calculado,

sirve para programar en el equipo ultrasónico el tiempo de excitación que se aplicará al

transductor.


45

Este tiempo es calculado con la siguiente fórmula:

𝑡𝑝 = 𝑓−1 𝐶𝑁 ( 45 )

2.4.4 Cálculos del Tiempo de Vuelo

En esta sección y con los valores introducidos anteriormente, se calculan los

diferentes tiempos de vuelo de las ondas acústicas empleadas en esta técnica. Dichas

ondas fueron descritas en el capítulo uno, así como sus respectivas fórmulas de cálculo.

Además, se calculan los tiempos de retraso (𝑡𝑟) que le toma al pulso atravesar las

dos cuñas de acople. Esto es requerido posteriormente para compensar los tiempos de

vuelo teóricos que son representados en el B-Scan respectivo. El dimensionamiento y

localización de los defectos observados en las imágenes de los B-Scans dependen de que

estos tiempos sean correctamente calculados.

Igualmente, existe la posibilidad de introducir un valor de longitud 𝐿𝑅, que

representa la profundidad de la resolución que deseamos conocer. Variando este

parámetro se puede calcular el tiempo de vuelo (𝑡𝑅) y la resolución espacial (𝑅) de un

punto cualesquiera y de interés entre el borde superior e inferior de la probeta. En la

Figura 39, ésta profundidad está representada por una línea de color marrón, que es

perpendicular a la superficie de la probeta y está en el centro de los dos transductores.

Finalmente, observando de nuevo la figura antes citada, la resolución espacial (𝑅)

calculada con la fórmula ( 39 ), está representada por el espacio comprendido entre las

dos líneas paralelas de color verde.

2.4.5 Cálculo de Zonas Muertas

Cómo ya se mencionó en el apartado correspondiente sobre las zonas muertas;

que debido a la duración pulso transmitido, se produce una pérdida de información junto

a los bordes de la probeta y es donde no se pueden dimensionar los fallos.

Para el cálculo de estos espesores (𝑂𝐷 y 𝐼𝐷) se emplean sus correspondientes

ecuaciones ( 37 ) y ( 38 ) y en la Figura 39 están representadas por las líneas amarillas.

2.4.6 Cálculo del Ángulo de Divergencia del Haz Ultrasónico.

En esta hoja de cálculo no se tiene como objetivo principal obtener el ángulo de

divergencia del haz ultrasónico para un valor de atenuación específico, sin embargo, se

ha considerado necesario hacer una estimación aproximada del mismo, con el fin de ser

representado en el gráfico dinámico y conocer el comportamiento de la apertura del haz

dentro del material estudiado.

En la siguiente figura y sin considerar el campo cercano del haz ultrasónico, están

trazados los bordes del ángulo de divergencia a partir del origen del cristal piezoeléctrico

para una atenuación de -24dB. Estas líneas de color verde atraviesan la cuña de acople y


46

finalmente pasan hacia el material de inspección, con una leve variación del ángulo que

dependerá de las características acústicas de los dos medios.

Ahora, si asumimos que el haz no se origina en el cristal, sino que empieza en la

intersección entre el haz incidente y la superficie del material, podemos darnos cuenta

que los nuevos bordes representados de color azul, no difieren en gran magnitud con los

límites reales. Por lo tanto, en esta sección se ha procedido a estimar los bordes de

apertura del haz para aun atenuación de -24dB, únicamente a partir de la intersección

entre el haz incidente y la probeta, tal como se observa en la siguiente figura.

Figura 43.- Ángulos de divergencia del haz ultrasónico con interacción de dos medios.

En el gráfico dinámico de la Figura 39 están representados estos bordes del haz

divergido para una atenuación de -24dB, pudiendo ser modificados para otros niveles de

atenuación, únicamente variando el valor de la constante K en la hoja de cálculo.


47

2.5 Adquisición y Tratamiento de Señales Ultrasónicas

En esta técnica de ensayos no destructivos para la generación y adquisición de las

señales ultrasónicas se han empleado los equipos detallados en los incisos anteriores y,

en el esquema de la Figura 44 se muestran como están conectados cada uno de ellos.

Los dos transductores {1} son conectados a los bornes de equipo ultrasónico

MATEC PR5000 {3} a través de los dos cables {2} de baja impedancia (50Ω) que,

respectivamente, el primero de ellos alimentará y excitará al transmisor con una señal

eléctrica de voltaje elevado (<1000Vpp) y el segundo en cambio retornará la señal de bajo

voltaje generado por el transductor receptor.

El osciloscopio {5} emplea dos de sus cuatro canales para comunicarse con el

equipo ultrasónico mediante otro par de cables {4} que así mismo son de baja impedancia.

A través del primer canal, el osciloscopio recibe la señal ultrasónica acondicionada y

amplificada, en cambio por el segundo se capta la señal de disparo o Trigger, que servirá

para referenciar los distintos tiempos de vuelo que son utilizados dentro de esta técnica

de inspección ultrasónica.

Figura 44.- Esquema del montaje experimental empleado para el desarrollo de la técnica TOFD.

Finalmente, se emplea un cable de conexión estándar USB {6} para comunicar el

osciloscopio con el ordenador {7} y trasmitir las diferentes señales digitalizadas de los

múltiples registros temporales.

En la Figura 45, se hace una descripción de cómo los diferentes parámetros

configurables utilizados en los equipos, actúan sobre la señal ultrasónica medida, es decir,

se detalla el proceso de adquisición de los diferentes A-Scans que posteriormente serán

procesados para obtener las imágenes B-Scans que son características de esta técnica

TOFD.

En esta figura, respectivamente un transductor trabaja en transmisión y el otro en

recepción; el primero de ellos, el transmisor (Tx), es excitado por la generación de un

pulso eléctrico proveniente del equipo ultrasónico MATEC PR5000, en dónde se

parametriza la frecuencia de repetición en PRF, la duración del pulso (𝑡𝑝) con la entrada


48

WIDTH, la frecuencia de excitación (𝑓𝑐) con el parámetro FREQ y la amplitud de la señal

con el valor introducido en AMP.

Además de los anteriores, aquí se determina el modo de disparo del pulso que,

para todo los ensayos se ha utilizado un disparo interno con flanco positivo (Tr + I).

Figura 45.-Proceso de configuración de equipos para la adquisición de A-Scans.

Al excitarse el trasmisor (Tx), la señal eléctrica es convertido a un pulso de presión

acústica que viaja por la probeta para posteriormente ser captado en el transductor

receptor (Rx). El cristal piezoeléctrico de este último, convierte las ondas acústicas en

señales eléctricas que son enviadas por el cable respectivo al equipo ultrasónico. Las

características principales de esta señal eléctrica son: baja amplitud, gran vulnerabilidad

a ser contaminada con ruido electromagnético debido a su baja relación señal ruido

(SNR7) y gran atenuación, por lo que la longitud del cable que lo comunica con el equipo

ultrasónico, debe ser lo más corto posible y de una impedancia muy baja [13].

Posteriormente, la señal recibida en el equipo ultrasónico pasa por una etapa de

amplificación, que mediante la entrada GAN, se establece la ganancia en valores de

decibelios (dB). El valor de la ganancia en la mayoría de los ensayos es mayor a 30dB,

esto se justifica porque en esta técnica se miden señales difractadas que se caracterizan

por su baja amplitud.

Luego se aplica un filtrado analógico que es parametrizable con las entradas LPF

(filtro paso bajo) y HPF (filtro paso alto), descartando así, el contenido en frecuencia que

está fuera de estos límites introducidos.

7 Nivel de amplitud entre la señal que se transmite y el ruido de fondo que la distorsiona [10].


49

Posteriormente de ser acondicionada la señal, ésta se envía al osciloscopio para

realizarle la conversión de analógica a digital. En este equipo se ha parametrizado para

todos los casos, una longitud de registro (𝑁𝑝) de 10000 puntos (Record Length8), por lo

que al seleccionar el tiempo de registro (𝑇𝑠) mediante el ajuste de la escala de

visualización en la pantalla, estaríamos modificando la frecuencia de muestreo (𝑓𝑠) que

es calculada con la siguiente fórmula.

𝑓𝑠 =𝑁𝑝

𝑇𝑠 ( 46 )

Ahora, los diferentes tiempos de vuelo de las ondas ultrasónicas de los ensayos

realizados, no superan en ningún caso los 100µs, por lo que el ajuste en la pantalla del

osciloscopio no será mayor al mismo. Si remplazamos éste valor en la ecuación anterior,

como si se tratara del máximo tiempo de registro, obtenemos una frecuencia mínima de

muestreo equivalente de 100MHz, que correspondería al caso más desfavorable.

Para tiempos de registro menores (𝑇𝑠 < 100µ𝑠), la frecuencia de muestreo será

mayor a 100MHz, mejorando aún más la resolución (Δ𝑡𝑠) de las ondas digitalizadas. Esta

resolución puede ser calculada con la siguiente ecuación:

∆𝑡𝑠 = 𝑓𝑠−1 ( 47 )

Para el caso anterior y registros temporales (𝑇𝑠) menores a 100µs, la resolución

temporal será menor a:

∆𝑡𝑠 =1

𝑚í𝑛𝑖𝑚𝑎 𝑓𝑠=

1

100𝑀𝐻𝑧= 10𝑛𝑠

Los distintos A-Scans visualizados en el osciloscopio con una resolución de Δ𝑡𝑠,

corresponden a la digitalización de la señal analógica previamente receptada desde el

equipo ultrasónico MATEC PR5000. Esta información se almacena temporalmente en la

memoria interna del osciloscopio, conformado por una matriz de 10000 valores

numéricos que abarcan el tiempo registrado 𝑇𝑠 muestreado a una frecuencia de 𝑓𝑠.

Finalmente, cada uno de los A-Scans es llevado al ordenador mediante una

interfaz de adquisición desarrollada en el entorno de Matlab para ser guardados en

archivos con la extensión .mat, posibilitando así, su posterior procesamiento y generación

de imágenes B-Scan.

8 Parámetro de entrada en el osciloscopio Tectronix PDO3014 para definir el número de puntos

digitalizados.


50

2.6 Generación de Imágenes TOFD

En el siguiente esquema se muestra el proceso para la obtención de los resultados

de cada uno de los ensayos realizados.

La primera etapa relacionada con la adquisición de las señales ultrasónicas fue

explicada minuciosamente en el apartado anterior, por lo que en esta sección abarcaremos

los procesos de almacenamiento y gestión de A-Scans, su posterior análisis y finalmente

la visualización de los resultados obtenidos a través de sus respectivas gráficas B-Scan.

Figura 46.- Esquema de: adquisición, procesamiento y generación de B-Scans

2.6.1 Almacenamiento y Gestión de A-Scans.

En la Figura 47 se representa el recorrido de los transductores a lo largo del eje x,

donde cada cierta distancia van generando un nuevo A-Scan, estos datos luego de ser

acondicionados y digitalizados, son almacenados en matrices fila de la forma

[𝑎11, … , 𝑎1𝑗, … , 𝑎1𝑁𝑝].

Figura 47.-Recorrido de transductores y adquisición de A-Scans.

Luego, en función de la distancia analizada y el intervalo en que son tomadas las

mediciones, todas éstas se agrupan en matrices con un número de Nscans, tal como se

expresa a continuación.

𝐴 =

[

𝑎11 … 𝑎1𝑗 … 𝑎1𝑁𝑝

⋮ ⋮ ⋮ ⋮ ⋮𝑎𝑖1 … 𝑎𝑖𝑗 … 𝑎𝑖𝑁𝑝

⋮ ⋮ ⋮ ⋮ ⋮𝑎𝑁𝑠𝑐𝑎𝑛1 … 𝑎𝑁𝑠𝑐𝑎𝑛𝑗 … 𝑎𝑁𝑠𝑐𝑎𝑛 𝑁𝑝]

( 48 )


51

En este trabajo, la matriz anterior se ha guardado en ficheros compatibles con el

programa de Matlab, permitiendo así, el análisis diferido de estos datos para la generación

de resultados visuales.

2.6.2 Generación de B-Scans.

A continuación se explica cómo son generadas las gráficas B-Scans, sin olvidar

que su utilidad posterior estará condicionada por la información que podamos extraer de

ellas; por lo que antes de la obtención de los resultados finales, la información deberá ser

analizada y procesada adecuadamente. Ese tratamiento de la información, dada su

complejidad se aborda en el siguiente tema.

Si retomamos la expresión ( 48 ), la primera información disponible en esa matriz

es: el desplazamiento espacial del par de transductores que está en función del valor de i,

la duración del tiempo de vuelo por el subíndice j y la intensidad de la onda acústica por

la amplitud a.

La manera de representar esta información es a través de un gráfico de dos

dimensiones conocido como B-Scan; donde el tiempo de vuelo está en el eje de las

ordenadas y la distancia analizada en el eje de las abscisas, ver Figura 48.

Los valores de tiempo para cada uno de los puntos estará dado por el producto

entre la resolución temporal (∆𝑡𝑠) y el valor del subíndice j, teniendo como máximo, el

tiempo de registro 𝑇𝑠.

𝑡𝑗 = ∆𝑡𝑠. 𝑗 = 𝑓𝑠−1. 𝑗 ( 49 )

𝑡𝑗𝑚𝑎𝑥 = ∆𝑡𝑠. 𝑁𝑝 = 𝑇𝑠 ( 50 )

De la misma manera, los valores de distancia para cada A-Scan se calcula como

el producto entre el intervalo espacial (∆𝑥) y el valor del subíndice i.

𝑥𝑖 = ∆𝑥(𝑖 − 1) ( 51 )

Figura 48.-B-Scan obtenido experimentalmente en escala de grises


52

En la figura anterior, el valor de la amplitud de todos los elementos de la matriz

( 48 ) se representan por una intensidad de tono gris, de tal manera: los valles de las ondas

son codificados con un tono de menor intensidad (oscuro) y las crestas, por uno de mayor

intensidad (claro) [14]. Esta representación de los B-Scans es la más utilizada por los

técnicos e investigadores que emplean esta técnica.

En este trabajo, además de la representación descrita anteriormente, se decidió

también hacerlo por colores; los valles con el azul y las crestas con el color rojo. Sin

embargo, esta segunda opción es más adecuada para la representación de niveles de

potencia que contiene la señal acústica digitalizada, donde esos valores son obtenidos a

partir de su correspondiente procesamiento de la señal original. Un ejemplo de estas

imágenes está en el apartado correspondiente al promediado temporal y espacial.

A modo de ejemplo, se expone a continuación el proceso para la obtención de un

B-Scan de una inspección realizada sobre la probeta P02 de duraluminio, que tiene un

agujero de 10 mm de diámetro. Ver Figura 49.

Según definiciones anteriores, el eje x debería estar en la misma dirección que el

desplazamiento de los transductores, sin embargo, esto no es una regla estricta a cumplir,

ya que el movimiento también puede ser practicado a lo largo del eje y, tal como se

observa en la siguiente figura.

Figura 49.- Desplazamiento de los transductores sobre la probeta de duraluminio

El resultado de este ensayo generó una matriz de 46 x 10000 valores de la señal,

que significan: 46 A-Scans con una longitud de 10000 puntos digitalizados cada uno. La

frecuencia de muestreo (𝑓𝑠) para este caso es de 100MHz y, a partir de estos valores se

construye los ejes del B-Scan de la Figura 48.

Aplicando las ecuaciones ( 46 ) y ( 47 ), el contenido del eje de las ordenadas

estará dado por el tiempo de registro (𝑇𝑠) con una resolución de ∆𝑡𝑠.

𝑇𝑠 = ∆𝑡𝑠. 𝑁𝑝 = 10𝑛𝑠. 10000 = 100𝜇𝑠

∆𝑡𝑠 =1

𝑓𝑠=

1

100𝑀𝐻𝑧= 10𝑛𝑠

La distancia entre cada A-Scan (∆𝑥) para este ensayo fue de 2.5 mm, por lo tanto,

el total de la distancia analizada es:


53

𝑥 = 2.5𝑚𝑚(46 − 1) = 112.5𝑚𝑚

En el cálculo anterior se resta la unidad debido a que el primer valor está registrado

en la posición de origen (𝑥𝑖 = 0𝑚𝑚) de la distancia a inspeccionar.

Finalmente, con los datos anteriores y aplicando un zoom, se genera el B-Scan de

la Figura 50, donde se identifican, tanto la onda lateral (LW) como el eco de fondo (BW).

El espacio temporal entre estas dos franjas corresponde a la zona de inspección por medio

de esta técnica. Las líneas de colores representan los tiempos de vuelo que son calculados

a partir de las ecuaciones ( 29 ), ( 30 ), ( 31 ) y ( 32 ) respectivamente. Se puede observar,

que existe una cierta paridad entre los tiempos teóricos y los datos experimentales

obtenidos.

Figura 50.- Gráfica B-Scan obtenida experimentalmente en escala de grises

Las restricciones de estas mediciones manuales, está en que la resolución (∆𝑥) de

la distancia analizada es de 2.5mm, 2.5 veces mayor de lo que recomienda la norma9 para

la generación de los diferentes A-Scans [11].

Una de las soluciones a este problema, es contar con un equipo automático que

permita adquirir a una mayor velocidad cada uno de los A-Scans, logrando tener registros

cada milímetro o incluso a intervalos menores. Para lograr esto, el equipo debe incorporar

un encoder que controle la toma de medidas en base al desplazamiento, aumentando la

eficiencia y eficacia en comparación con el procedimiento manual.

En todas las mediciones de este trabajo se lo ha hecho de forma manual, por no

disponer aún del sistema automático que está en fase de desarrollo.

9 La norma UNE EN 583-6 recomienda que el paso entre cada A-Scan sea de 1mm.

tLW

tUT

tBW

tLT


54

2.7 Procesamiento de imágenes B-Scan

El B-Scan de la Figura 50, no corresponde a la representación inmediata de la

información almacenada; para llegar a este resultado, fue necesario realizar un

procesamiento previo.

En este apartado, se describirán los principales tratamientos efectuados sobre las

señales almacenadas, abordando de una forma general y sin dar un análisis exhaustivo de

los mismos, ya que eso correspondería a otro trabajo más especializado.

Para explicar la necesidad de recurrir al procesamiento de la información para

obtener la representación definitiva, se grafica a continuación el B-Scan de la Figura 50

sin ningún tipo de procesamiento previo. Los datos son representados tal como son

adquiridos (Figura 51), eso sí, con los valores correspondientes de los ejes de tiempo y

desplazamiento, de acuerdo lo explicado en el apartado anterior.

Figura 51.- Gráfica B-Scan obtenida experimentalmente sin procesamiento

Al comparar las dos gráficas, tanto la Figura 50 como de la Figura 51, se puede

notar la diferencia sustancial entre estas dos presentaciones. En el segundo caso, al

representar los datos sin un procesamiento adecuado, no se consigue resaltar la

información sobre el estado y características de la probeta bajo ensayo e incluso no se

logra distinguir formalmente la onda superficial.

Existen un sinnúmero de algoritmos desarrollados para el tratamiento de estas

imágenes que están documentadas en varias publicaciones bibliográficas [10] [15] [16],

que como fin principal, tratan de mejorar la nitidez de las ondas y poder distinguir sus

diferentes tiempos de vuelo, para de esta manera, poder calcular las dimensiones de las

discontinuidades que pueda tener la pieza inspeccionada.


55

En este trabajo se ha decidido tomar los procesamientos que a criterio propio son

los más elementales y que contribuyen a mejorar significativamente la información

presentada en las distintas B-Scans.

2.7.1 Eliminación de Promedio Estadístico de la Señal.

Se considera que este tipo de señales temporales registradas en cada A-Scan son

estacionarias, por lo tanto, las distribuciones de probabilidad de sus componentes no

varían con el tiempo [17].

Partiendo de la premisa anterior, será necesario una etapa de preprocesamiento de

la señal, con el objetivo de eliminar cualquier tendencia estadística que pudiera presentar

el A-Scan y así asegurar la linealidad del sistema [16].

En la Figura 52, se expone el ejemplo de un A-Scans, al que se eliminó el

promedio estadístico, que consiste en restar a la amplitud de cada punto digitalizado, la

correspondiente media aritmética de todos ellos.

Se puede evidenciar en esta figura, que no existe un cambio visual sustancial entre

las dos señales temporales: original y procesada; comprobándose de esta manera que las

señales medidas experimentalmente mantienen una cierta linealidad y que el sistema

utilizado para la adquisición de datos no ha introducido ruido de cuantificación que

originen tendencias estadísticas [16].

Este filtrado, sin bien no introdujo cambios que mejoren la presentación de las

ondas difractadas en este A-Scan, es importante realizarlo en todos, para estar seguros de

que la señal no presenta indicios de una tendencia estadística que pudiera haber sido

introducida por los equipos y/o procedimientos empleados en los diferentes ensayos.

Figura 52.- Eliminación del promedio estadístico de un A-Scan.

Además, para aplicar los siguientes procesamientos, es obligatorio eliminar esa

tendencia estadística por pequeña que sea, ya que si no se efectúa esto, las pequeñas

desviaciones pueden llegar a ser mayores con los coeficientes de amplificación utilizados,

distorsionando la señal y por ende, la información que pueda ser obtenida de las mimas.

tLW tUT tBW

tLW tUT tBW


56

2.7.2 Control Automático de Ganancia (CAG)

Éste es un procesamiento que tiene como fin amplificar las señales atenuadas que

no se distinguen fácilmente.

En la señal temporal original de la Figura 53, se nota la diferencia entre las

amplitudes de la onda superficial (LW) y del eco de fondo (BW), caracterizándose la

primera por tener una amplitud más baja que el resto de las ondas. Para mejorar la

visualización de esta sección temporal atenuada se aplica unos coeficientes correctores

que de manera proporcional y controlada vayan amplificando el contenido de la señal

temporal de interés.

Para el ejemplo citado, los coeficientes son generados para que abarquen

únicamente el espacio temporal comprendido entre el tiempo de llegada de la onda

superficial y el eco de fondo, con un rango de tolerancia fuera de estos límites.

En la segunda gráfica de la Figura 53 están representados los coeficientes para

este ejemplo; esta función tiene la forma de una rampa decreciente con valores que van

desde 20 hasta 1. La selección de la magnitud y el sentido de los coeficientes fueron en

función de la necesidad de amplificar únicamente la onda superficial que presentaba una

menor magnitud que el eco de fondo.

El producto de la señal original y los coeficientes del CAG generan la tercera

gráfica de la misma figura. Esta representación, tiene mejores características y permite

identificar las ondas acústicas que en un principio no estuvieron bien detalladas.

Figura 53.- Aplicación del CAG (Control Automático de Ganancia) de un A-Scan.

Si representamos todas las señales A-Scan con este nuevo procesamiento,

obtendremos el B-Scan de la siguiente figura. En esta vez, fácilmente la onda superficial

puede ser identificada, además de que se ha mejorado la nitidez de la onda difractada por

el fallo que tiene esta probeta en particular.


57

Figura 54.- Procesado del B-Scan con el CAG.

Para otras configuraciones de inspección, el comportamiento de las ondas puede

variar, por ejemplo: podría estar atenuado el eco de fondo y no la onda superficial; en la

zona de inspección, las ondas difractadas podrían tener una muy baja amplitud respecto

al resto de la señal; para estos y otros casos, la función CAG debe ser diseñada de forma

diferente.

En la siguiente figura están representados ejemplos de funciones CAG que pueden

ser utilizados.

Figura 55.- Ejemplos de funciones CAG.


58

2.7.3 Filtros Pasa-Banda

2.7.3.1 Selección de las Frecuencias de Corte

Como se comentó en el apartado relacionado con la adquisición y digitalización

de las señales acústicas, el equipo ultrasónico MATEC PR5000 permite utilizar filtros de

corte analógico que dejan pasar un ancho de banda entre los límites seleccionados. El

propósito de estos filtros está en eliminar todo el contenido espectral fuera de esa banda;

pero su parametrización, está condicionada a los límites preestablecidos que tiene el

equipo por defecto; por lo tanto, en algunos casos, esto no es suficiente y es necesario

recurrir a un filtrado posterior de tipo digital sobre los datos almacenados.

Para tomar la decisión o no de un filtrado posterior, se debe hacer un análisis del

factor de calidad Q del filtro analógico ya aplicado. Ésta es una forma de medir lo cuán

selectivo es el filtro y es calculado a través de la siguiente expresión:

𝑄 =𝑓𝑐

𝐵𝑊=

𝑓𝑐𝑓2 − 𝑓1

( 52 )

Donde 𝑓𝑐 corresponde a la frecuencia central de excitación del transductor y 𝐵𝑊

el ancho de banda, que es la diferencia entre las frecuencias 𝑓2 y 𝑓1 de corte utilizadas.

Estos parámetros están representados en la siguiente gráfica.

Figura 56.- Parámetros principales de un filtro pasa-banda.

En la técnica TOFD, es recomendable trabajar con factores de selectividad muy

bajos (𝑄 ≈ 1), con el fin de no distorsionar las señales y evitar pérdidas de resolución

temporal [10], ya que el método de estimación del tamaño y localización de los fallos,

están basados en los tiempos de vuelo de las ondas difractadas.

Ahora, si el valor de selectividad es menor a la unidad (𝑄 < 1), se puede aún

recurrir al filtrado digital, caso contrario, no es recomendable según la referencia citada.

Si finalmente se adopta realizar un filtrado digital adicional, las frecuencias de

corte deben ser seleccionadas procurando no superar el valor de 1 en el factor de calidad

𝑄.

Para el ensayo que se aborda como ejemplo, se utilizó un transductor con una

frecuencia central (𝑓𝑐) de 2 MHz, por lo tanto, en el equipo ultrasónico se fijó los límites


59

de los filtros en: paso bajo (𝐿𝑃𝐹) igual a 5MHz y filtro paso alto (𝐻𝑃𝐹) a 1MHz. Estos

límites disponibles, son los que más se ajustaron a los requerimientos.

El factor de calidad para este ejemplo es:

𝑄 =𝑓𝑐𝐵

=𝑓𝑐

𝐿𝑃𝐹 − 𝐻𝑃𝐹=

2

5 − 1= 0.5

En este caso, al tener un factor 𝑄 (0.5 < 1) menor al máximo sugerido por la

referencia, permite hacer un filtrado digital pasa-banda adicional con un contenido

espectral más estrecho.

Si se analiza la ecuación ( 52 ) y con el objetivo de tener un factor de calidad igual

a 1, los límites del filtro pueden ser expresados en función de la frecuencia central del

transductor como:

𝑓1 = 0.5 𝑓𝑐 𝑦 𝑓2 = 1.5 𝑓𝑐 ( 53 )

2.7.3.2 Diseño de Filtros

El diseño del filtro a utilizar depende de algunos factores y requisitos

prestablecidos por las propias circunstancias y formas de abordar esta técnica de

inspección. Uno de estos requisitos es: que la señal de salida, tenga la menor distorsión

en cuanto a su fase, discriminado únicamente contenidos frecuenciales no deseados, pero

manteniendo la información temporal de las diferentes ondas acústicas digitalizadas, que

son el objeto en sí, de análisis en esta técnica.

Para ello se ha decidido emplear un filtro digital de respuesta impulsional finita

FIR10, que es posible diseñarlo para que presente una respuesta de fase estrictamente

lineal (distorsión de fase nula) y que dependa únicamente de las entradas actuales y

anteriores, sin retroalimentaciones y evitar inestabilidades [18].

Quizá una de las desventajas de este tipo de filtro es que para obtener pendientes

de corte más pronunciadas, requieren de un elevado número de términos y/o coeficientes

en sus ecuaciones, que implica una mayor demanda en requerimientos de memoria y

cálculo computacional, por lo que los tiempos de procesamiento son mayores. Sin

embargo, esto no constituye un impedimento en este trabajo, ya que la velocidad con que

opere el filtro carece de importancia para nuestros objetivos.

Otra desventaja de este filtro es que introduce un retardo temporal (𝑡𝑑) a la señal

de salida, el mismo que obligatoriamente debe ser calculado para compensarlo, a fin de

que los tiempos de vuelos teóricos tengan una paridad con los datos experimentales. Más

adelante se explica cómo debe puede ser calculado este valor.

Los datos digitalizados de cada A-Scan con los procesamientos anteriores ya

aplicados: el CAG y la eliminación de promedio estadístico, corresponden a la señal de

entrada 𝑥[𝑛] que necesitamos procesar para obtener una señal de salida 𝑦[𝑛]. Donde el

10 FIR: Finite Impulse Response


60

espectro de esta última 𝑌(𝜔), se obtiene multiplicando el espectro de entrada 𝑋(𝜔) por

la respuesta en frecuencia del filtro 𝐻(𝜔) considerado:

𝑌(𝜔) = 𝑋(𝜔).𝐻(𝜔) ( 54 )

Esta ecuación equivaldría a la operación de convolución entre las dos señales

digitales correspondientes en el dominio de tiempo.

𝑦[𝑛] = 𝑥[𝑛] ∗ ℎ[𝑛] ( 55 )

En el caso de un filtro FIR, una muestra de salida se define como la combinación

lineal de muestras de la entrada actual 𝑥[𝑛] y las pasadas 𝑥[𝑛 − 𝑘], así para un filtro de

longitud 𝑁, se tendría [18]:

𝑦[𝑛] = 𝑏0𝑥[𝑛] + 𝑏1𝑥[𝑛 − 1] + ⋯+ 𝑏𝑁−1𝑥[𝑛 − 𝑁 + 1] = ∑ 𝑏𝑘𝑥[𝑛 − 𝑘]

𝑁−1

𝑘=0

( 56 )

Los valores de 𝑏𝑘 corresponden a los coeficientes del filtro, es decir, a la respuesta

impulsional ℎ[𝑛] de la ecuación ( 55 ), por lo tanto, el diseño del filtro tendrá como

objetivo el calcular estos coeficientes, aplicar dicha ecuación y conseguir el filtrado de la

señal de entrada.

En este trabajo, para el cálculo de los coeficientes 𝑏𝑘, se ha utilizado la función

fir1 de Matlab® descrita en la siguiente expresión.

b = fir1(n,[W1 W2],'ftype') ( 57 )

Con el propósito de tener pendientes de corte muy pronunciadas, se seleccionó

una longitud (𝑁) de 10211 coeficientes. Las frecuencias normalizadas12 de corte W1y W2

para el ejemplo son: 1 y 3 MHz respectivamente. Para este y otros casos, las frecuencias

de corte fueron calculadas con la expresión ( 53 ) que depende exclusivamente de las

frecuencia del transductor y de un factor de calidad Q=1. El tipo de filtro (ftype)

seleccionado es pasa-banda (bandpass).

Figura 57.- Coeficientes del filtro pasa-banda diseñado. N=102, f1=1MHz, f2=3MHz, fs=100MHz.

11 Este valor exige mayores tiempos en cálculos computacionales, pero en este trabajo no es

relevante. Además, en Matlab, este valor debe ser introducido en la variable n, como 𝑁 − 1. 12 Estos valores deben ser normalizados con respecto a dos veces (2𝑓𝑠) la frecuencia de muestreo

a la que han sido digitalizados los datos.


61

Los coeficientes calculados para estos filtros se caracterizan por ser de longitud

par y respuesta impulsional simétrica alrededor del punto central, tal como se puede

observar en la Figura 57.

Con las características ya conocidas del filtro, se puede deducir la ecuación

correspondiente a su respuesta en frecuencia 𝐻(𝜔), ésta es la expresión ( 58 ), que

proviene de su respectiva demostración:

𝐻(𝜔) = 𝐴(𝜔) 𝑒𝑗𝛷(𝜔) ( 58 )

Donde:

𝐴(𝜔) = ∑ 2 . ℎ(𝑘). 𝑐𝑜𝑠 (𝜔. [𝑁 − 1

2− 𝑘]) + ℎ (

𝑁 − 1

2)

𝑁−12

−1

𝑘=0

( 59 )

𝛷(𝜔) = −𝜔.𝑁 − 1

2 ( 60 )

Según la ecuación ( 60 ), la respuesta en fase de este filtro FIR presenta una

linealidad en todo su contenido frecuencial, significando que los diferentes armónicos

que componen la señal filtrada, tendrán el mismo retardo temporal. Este retardo puede

ser calculado a través de la derivación de la misma ecuación.

𝜏(𝜔) =𝑑𝛷(𝜔)

𝑑𝜔=

𝑁 − 1

2 ( 61 )

Por lo tanto, el retardo en unidades temporales (segundos) estará dado por la

siguiente ecuación:

𝑡𝑑 =𝑁 − 1

2𝑓𝑠 ( 62 )

Analizando la ecuación anterior, se puede deducir que el tiempo de retraso no está

condicionado ni por la amplitud de los coeficientes, ni por el contenido frecuencial de la

señal filtrada. Ahora, si se mantiene el mismo número de coeficientes y la misma

frecuencia de muestreo, el tiempo de retardo del grupo será igual y constante para todos

los ensayos.

En las gráficas de la Figura 58, están representados los módulos de la respuesta

en frecuencia |𝐻(𝜔)|, respuesta en fase Φ(𝜔) y el retardo temporal 𝜏(𝜔) para el ejemplo

abordado.

En la primera de ellas, se nota como el filtro está abarcando la frecuencia central

de interés que en este caso del 2MHz. En la segunda gráfica permite notar que para este

filtro, su respuesta de fase es estrictamente lineal, sin distorsión de la misma. Y

finalmente, si se deriva la respuesta de fase que es lineal, el tiempo de retardo para todo

el contenido frecuencial será constante y eso puede ser apreciado en la tercera gráfica.


62

Figura 58.- Características del filtro digital FIR pasa-banda diseñado.

2.7.3.3 Filtrado digital de los A-Scans

Luego del diseño del filtro, se procede aplicar el mismo sobre cada uno de los A-

Scans que vienen a constituir las señales de entrada, para ello, se ha utilizado la función

filter del programa Matlab®.

Y = filter(b,a,X) ( 63 )

Donde el vector X corresponde a los datos de entrada 𝑥[𝑛] y el vector Y los de

salida 𝑦[𝑛], b son los coeficientes del filtro digital calculados anteriormente y a toma el

valor de 1, característico de este filtro FIR.

Figura 59.-Aplicación del filtro digital sobre un A-Scan genérico.


63

En la Figura 58 se ha representado el filtrado digital de un A-Scan genérico, donde

se puede apreciar el retardo de la señal de salida. Si aplicamos la ecuación ( 62 ), podemos

calcular el tiempo de retardo para este ejemplo.

La longitud de los coeficientes 𝑁 del filtro son 102 y la frecuencia de muestreo 𝑓𝑠

100MHz se obtiene:

𝑡𝑑 =𝑁 − 1

2𝑓𝑠=

102 − 1

2(100𝑀𝐻𝑧)= 0.505𝜇𝑠

Se puede constatar efectivamente, que este tiempo de retardo 𝑡𝑑 es el que aparece

en la segunda gráfica y que está delimitado por las líneas de color rojo. Por lo tanto, este

tiempo debe ser tomado en cuenta en el respectivo análisis de los tiempos de vuelo para

poder determinar correctamente la posición y tamaño de los defectos.

2.7.3.4 Representación de los nuevos B-Scans.

Finalmente, luego de aplicar el filtrado a todas los A-Scans, se ha representado el

nuevo B-Scan de la Figura 60. Si comparamos con el de la Figura 54, podemos darnos

cuenta que ha mejorado la nitidez de la representación de las ondas acústicas.

Algo que fue necesario y, que ya se lo comentó anteriormente, es que en esta

representación B-Scan, fue necesario desplazar el trazado de las líneas teóricas (trazos de

colores), ya que la aplicación del filtro FIR ocasionaba un retraso en todo el contenido

temporal de la señal. El tiempo de retardo que fue necesario agregar, es el calculado

anteriormente como 𝑡𝑑 = 0.505𝜇𝑠.

Si analizamos el resultado final, se comprueba que existe una correlación bastante

exacta entre los tiempos de vuelo teóricos y los generados experimentalmente a través de

estas imágenes TOFD.

Figura 60.- Procesado de un B-Scan con un filtrado digital FIR (Q=1)


64

2.7.4 Promediado Temporal

Los procesados anteriores se han caracterizado por mejorar la resolución y nitidez

de las ondas acústicas en las imágenes B-Scan.

Ahora, si bien ya se han obtenidos resultados bastante aceptables, en cambio

ciertos problemas como la aparición de “alas hiperbólicas” [15] alrededor de los defectos

en las imágenes aún no han sido evitadas. En la Figura 60 se puede observar este

fenómeno y se trata de un problema intrínseco de algunas técnicas de END donde se

utiliza los ultrasónicos.

Este fenómeno se da principalmente por razones constructivas del cristal

piezoeléctrico. Si revisamos la Figura 14, la divergencia del haz ultrasónico generado por

los cristales depende del diámetro (𝐷) del cristal y de la frecuencia de excitación (𝑓). Esta

apertura del haz, que no es igual en todos los transductores, hace que se abarque un área

de inspección mayor al deseado. Particularmente en esta técnica, cuando se utilizan

transductores con una gran apertura de su haz, tanto en transmisión como en recepción,

los defectos son detectados mucho antes de que estos estén en el eje imaginario de los

haces cuando hacen su recorrido, por lo tanto, estas alas hiperbólicas que se generan,

corresponden a señales de los mismos defectos pero que en un principio empiezan a ser

detectados por los lóbulos laterales del haz ultrasónico. Éstas presentan una menor

amplitud, pero sin duda, dificultan la detección de los defectos que posiblemente se hallen

en ese sector y que están apantallados por esas señales no deseadas.

Figura 61.- B-Scans obtenidos con distintas frecuencias: probeta (sup.), 2MHz (izq.) y 5MHz (der.)

Una de las soluciones para eliminar estos fenómenos no deseados, es emplear

transductores con menor apertura de su haz ultrasónico, que si analizamos la ecuación (


65

21 ), esto equivale a emplear cristales piezoeléctricos de mayor diámetro constructivo o

mayor frecuencia de excitación.

En la Figura 61, se mostraron dos B-Scans obtenidos sobre la misma probeta

(imagen superior). El de la izquierda corresponde a una inspección con 2MHz y el de la

derecha con 5MHz.

Podemos observar que en el segundo caso, cuando se emplea un transductor de

mayor frecuencia, desaparecen las alas hiperbólicas que en la primera imagen están

presentes y es fácil determinar el ancho real del defecto. Sin embargo, al reducirse la

apertura del haz usando este transductor, otras áreas de la probeta dejan de ser

inspeccionadas, incluso el mismo borde inferior del defecto no es detectado.

Existen unas técnicas de postratamiento muy eficientes que son utilizadas para

eliminar esas alas hiperbólicas sin recurrir al cambio de transductores de características

constructivas diferentes. Por ejemplo, está la técnica de apertura sintética, SAFT

(Synthetic Aperture Focusing Techniques) [10] que reduce de manera eficiente esos

fenómenos no deseados.

En este trabajo no se abordó esta técnica de postratamiento de las señales, pero lo

que se intentó es que mediante otros procedimientos, como el Promediado Temporal, se

logre mejorar la presentación de los B-Scans.

Con el Promediado Temporal, lo que se busca es conseguir resaltar los defectos

en función de la potencia que contiene la señal temporal digitalizada. Esta potencia es

proporcional al grado de difracción de la onda sobre el defecto. Por lo tanto, si se

representa la potencia de estas señales en el B-Scan, se lograrían resaltar los defectos

detectados a partir de estos valores que son calculados y promediados.

Para explicar este procesamiento, se recurre a la Figura 62, donde la gráfica

superior corresponde a un A-Scan digitalizado y que ahora es troceado en ventanas de

tamaño 𝑁𝑣, con 𝑁𝑠 puntos de solapamiento entre ellas.

Figura 62.- Promediado temporal de potencia de la señal


66

Por lo tanto, el número de ventanas (𝑘) estará condicionado por los valores que

tomen: 𝑁𝑣 y 𝑁𝑠; y para calcular su valor, se emplea la siguiente expresión:

𝑘 = 𝑟𝑒𝑑𝑜𝑛𝑑𝑒𝑎𝑟 𝑎 𝑚𝑎𝑦𝑜𝑟 (𝑁𝑝

𝑁𝑣 − 𝑁𝑠) ( 64 )

Donde 𝑁𝑝 corresponde al número de total de puntos digitalizados que tiene un A-

Scan.

Luego, de cada ventana [𝑘1 …𝑘𝑖 …𝑘] se calcula la potencia media con la expresión

( 65 ) y estos valores se representan en un nuevo A-Scan. Un ejemplo, sería el gráfico

inferior de la Figura 62 que se caracteriza únicamente por tener datos positivos.

𝑃(𝑘) =1

𝑁𝑣∑ 𝑎(𝑛)2

𝑘(𝑁𝑣−𝑁𝑠)

𝑛=𝑘(𝑁𝑣−𝑁𝑠)−𝑁𝑣+1

( 65 )

Todos estos cálculos fueron realizados en el entorno Matlab®, para finalmente

obtener el mismo número de A-Scans pero con una longitud de 𝑘 valores. Estos son

representados en un nuevo B-Scan de colores (Figura 63), que corresponde al ejemplo de

estudio.

Figura 63.- Procesado del B-Scan con promediado temporal.

Para este caso se utilizó ventanas de 𝑁𝑣=120 puntos, con solapamientos de 𝑁𝑠 =

60, teniendo un resultado final de 46 A-Scans, cada uno con longitudes de 167 valores

de amplitud de potencia. El resultado final ha sido un B-Scan, en el cual las alas

hiperbólicas han desaparecido considerablemente, mejorando la resolución del ancho del

defecto.


67

2.7.5 Promediado lateral o de desplazamiento

Este procesamiento es similar al caso anterior, aunque esta vez, el promediado no

se lo hace entre valores contiguos de amplitud dentro de un mismo registro, sino entre los

valores correspondientes de varios A-Scans, tal como se observa en la Figura 64.

Para este caso se han tomado ventanas (𝑁𝑣) de 4 A-Scans, con un solapamiento

(𝑁𝑠) de 2.

Figura 64.- Promediado lateral de potencia entre varios A-Scans

El resultado de este procedimiento está presentado en la siguiente imagen, que es

similar al anterior en cuanto a su elaboración, pero lo que se consigue en este tipo de

procesado, es alcanzar una alineación entre las diferentes ondas, mejorando

sustancialmente la resolución temporal que se ve afectada por la presencia de las alas

hiperbólicas.

Figura 65.- Procesado del B-Scan con promediado lateral o de desplazamiento

3 Capítulo 3:

Resultados

Capítulo 3: Resultados

69

3.1 Ensayos Aplicando la Técnica TOFD

El desarrollo experimental estuvo conformado por un sinnúmero de mediciones

que principalmente se realizaron sobre las probetas de duraluminio y de las cuales se

conocían perfectamente sus morfologías internas y características acústicas. De esta

manera se lograba contrastar las dimensiones reales de los defectos de las probetas con

los resultados que se iban adquiriendo en la ejecución de esta técnica. Luego, los

problemas que se presentaban en las experimentaciones, eran solucionadas

adecuadamente con el conocimiento contrastado de las diferentes referencias

bibliográficas citadas.

Así también, el resto de tareas estuvieron encaminadas a mejorar las prestaciones

de los equipos, explotando al máximo sus bondades técnicas y corrigiendo los errores de

cuantificación asociados a cada uno; para finalmente, obtener imágenes con un

importante contenido de información sobre el estado real de las piezas inspeccionadas.

En este capítulo, se detallan los resultados que se obtuvieron en la inspección de

las probetas, pero ya con un dominio pleno del conocimiento de lo que implica la

modificación de cada una de las variables y las configuraciones adoptadas en cada

inspección realizada.

Respecto a los ángulos de incidencia utilizados, estos estuvieron limitados a las

características físicas de las cuñas disponibles, solo en el caso del transductor de 2 MHz,

hubo la posibilidad de variar los ángulos de incidencia, posibilitando trabajar con

velocidades longitudinales. No así en el resto de cuñas, que tienen un ángulo fijo, por lo

tanto, la inspección se limitó al uso de las velocidades transversales, contrario a lo que

recomiendan las normas (únicamente longitudinales), pero que en este trabajo se

obtuvieron resultados bastante aceptables con el empleo de las mismas.

El avance de cada una de las inspecciones fueron realizadas manualmente y los

pasos, es decir, los incrementos de distancia a los que fueron tomados los diferentes A-

Scans, fue de 2.5mm. Se escogió este intervalo, ya que proporcionaban un número

conveniente de mediciones para un tiempo prudente en cada inspección.

Sobre las probetas de duraluminio se realizaron desplazamientos que buscaban la

posibilidad de tener la máxima área de inspección, no fue posible realizarlo sobre todo el

cuerpo de la pieza, consecuentemente, cada uno de los B-Scans corresponden únicamente

de las áreas sombreadas de los planos respectivos.

Para el caso de la probeta de hierro, que contiene un cordón de soldadura, se

empleó el transductor más adecuado para este tipo de espesores, el de 10 MHz; además,

el ángulo fijo de incidencia de la cuña, obligó a trabajar con velocidades transversales.

En esta probeta y sobre todo en el cordón de soldadura, además de la inspección

ultrasónica, se realizó una toma radiográfica de todo el conjunto, obteniendo la imagen

correspondiente que sirvió para corroborar la información mostrada en el B-Scan.

El parámetro que más se modificaba, era justamente la separación (2𝑆) entre los

dos transductores, consiguiendo así focalizar la intersección de los ejes imaginarios a


70

diferentes profundidades de interés en la probeta. Estas intersecciones, las trayectorias y

los ángulos del haz ultrasónico son representados al inicio de cada ensayo y permiten

tener una idea del comportamiento de estas variables dentro del material a inspeccionar.

Así mismo, los diferentes tiempos de vuelo calculados, sirvieron en el momento

de la adquisición de los datos, para centrar la atención en esos espacios temporales en que

deberían aparecer las diferentes ondas acústicas. Demostrando que en casi todas las

medidas, dichos tiempos concuerdan con las mediciones experimentales.

En todos los B-Scans en escala de grises, se han representado diferentes líneas de

trazado, horizontales y verticales; donde las primeras, corresponden a los tiempos de

vuelo de las profundidades de los trazos del mismo color que se ha hecho en el plano de

la probeta; en cambio, la línea vertical, indica de qué sector se ha extraído el A-Scan

representado posteriormente. Ahora, en algunos casos, las líneas horizontales se han

hecho coincidir con los bordes del defecto, posibilitando así el análisis posterior sobre la

eficiencia de las gráficas obtenidas y el procedimiento desarrollado para su adquisición.

Posteriormente se representa el A-Scan seleccionado con la línea amarilla de la

imagen anterior, así también, se adjuntan los B-Scans de colores que son los de

promediado temporal y desplazamiento, que ayudan a caracterizar la morfología de las

probetas en estudio.

Se han omitido la representación de algunos ensayos en los que se emplean otros

transductores y ángulos de incidencia, y solo se han representado aquellos que a criterio

propio son los más relevantes.

Posteriormente, y ya con el propósito de hacer una inspección sobre un elemento

real que requiera de una inspección ultrasónica, se aplicó este ensayo a la probeta de

hierro. A la cual se le hizo tres recorridos: uno sobre el área sin defecto, otro con el

recorrido sobre la vista superior a lo largo del cordón de soldadura y, finalmente, un

barrido desde la cara posterior del cordón de soldadura. Esto se justifica, debido a que no

se contaba con ángulos variables de incidencia en las cuñas y que en este caso, con el

disponible, la focalización se hacía cercana al borde posterior, dejando un área importante

de la probeta sin inspeccionar; por ende, fue necesario realizar la inspección desde las dos

caras de la probeta.

Además de las diferentes ilustraciones, se dan algunas observaciones que son

consideradas importantes y necesarias para el análisis de los resultados obtenidos


71

3.1.1 Inspección 1: Probeta 02 con 2 MHz

Ilustración 1.-Parámetros de ensayo para probeta P02 con 2MHz.

Ilustración 2.- Área inspeccionada de la probeta P02 con 2MHz.

Ilustración 3.- B-Scan en escala de grises de la probeta P02 con 2MHz.

Ilustración 4.- A-Scan correspondiente al cursor amarillo.

-125 0 -125 -32.4

125 0 125 -32.4

-125 -50.3 -125 -36.2

125 -50.3 125 -36.2

-125 -14.3 -12.5 0

125 -14.3 -2.5 -25

-125 -47.3 -2.5 -50.33

125 -47.3 12.5 0

0 0 2.5 -25

0 -32.4 2.5 -50.33

-41.5 0

-41.5 2.5165 0 -50.33

41.5 2.5165 41.5 0

-49.6 11 -45.1 11 45.1 11

-49.6 0 -41.5 0 41.5 0

0 -39.92 0 -39.9192

10.82 -50.33 -10.8231 -50.33

-42 0 42 0

2883655 -50 -2883655 -50

-42 0 42 0

-64 -50 64 -50

P02 Duraluminio Longitudinal 2 2730 6367 11 18 46 50.3 83.0 8.5 0.5 13.0 22.0 20.5 29.5 25.5


ProbetaTipo

onda

f

[Mhz]

C1

[m/s]

C2

[m/s]

αi

[°]

tLW+tr

[µs]

tBW

[µs]

tR+tr

[µs]Material

αT

[°]

H

[mm]

2S

[mm]

tr

[µs]

tLW

[µs]

tBW+tr

[µs]

e

[mm]

td

[µs]

-55

-45

-35

-25

-15

-5

5

15

-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100

Z [m

m]

Y [mm]










Eje de haz Tx

Eje de haz Rx





Posicion de Tx

Posicion de Rx



72

Ilustración 5.- B-Scan en promedio temporal de la probeta P02 con 2MHz.

Ilustración 6.- B-Scan en promedio lateral de la probeta P02 con 2MHz.

Observaciones

Se utilizó la velocidad longitudinal y los resultados son muy aceptables.

La profundidad y los bordes del agujero son observados correctamente y coincide

con los tiempos de vuelo teóricos (línea: magenta, cian).

Se detectan las dos ondas, superficial y eco de fondo y coinciden con los tiempos

de vuelo respectivos (línea: verde, roja).

Se presencian alas hiperbólicas (primer B-Scan) impiden determinar el acho del

agujero. En otros B-Scans se mejora la identificación del ancho real del mismo.

La continuidad del eco de fondo en todo el recorrido, permite deducir que el

defecto es interno y no sobresale a la superficie.


73

3.1.2 Inspección 2: Probeta 02 con 5 MHz

Ilustración 7.-Configuración de ensayo para probeta P02 con 5MHz.

Ilustración 8.- Área inspeccionada de la probeta P02 con 5MHz



125 0 125 -36.2

-125 -50.3 -125 -36.8

125 -50.3 125 -36.8

-125 -5.7 -12.5 0

125 -5.7 -2.5 -25

-125 -49.7 -2.5 -50.3

125 -49.7 12.5 0

0 0 2.5 -25

0 -36.2 2.5 -50.3

-35.5 0

-35.5 2.515 0 -50.3

35.5 2.515 35.5 0

-41.9 3.4 -38.1 3.4 38.1 3.4

-41.9 0 -35.5 0 35.5 0

0 -38.32 0 -38.3165

11.10 -50.3 -11.1026 -50.3

-36 0 36 0

38 -50 -38 -50

-36 0 36 0

-7 -50 7 -50

P02 Duralumnio Transversal 5 2730 3083 3 37 43 50.3 71.0 3.1 0.5 23.0 26.6 39.9 43.6 36.5


MaterialTipo

onda

f

[Mhz]

C1

[m/s]

C2

[m/s]

αi

[°]

tLW+tr

[µs]

tBW

[µs]

tR+tr

[µs]Material

αT

[°]

H

[mm]

2S

[mm]

tr

[µs]

tLW

[µs]

tBW+tr

[µs]

e

[mm]

td

[µs]

-55

-45

-35

-25

-15

-5

5

15

-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100

Z [m

m]

Y [mm]










Eje de haz Tx

Eje de haz Rx





Posicion de Tx

Posicion de Rx



74



Observaciones

Se utilizó la velocidad transversal y los resultados son aceptables.

La profundidad y el borde superior del agujero son observados correctamente y

coincide con tiempo de vuelo teórico (línea: magenta).

No se observa borde inferior del agujero (línea: cian).

No se detecta la onda superficial (línea: verde).

Se detecta eco de fondo y coincide con tiempo de vuelo teórico (línea: roja).

No existe la presencia de alas hiperbólicas y el ancho de agujero es más real.

Discontinuidades del eco de fondo, simétricas a la posición del defecto, sirven

para deducir que se trata de un agujero.


75

3.1.3 Inspección 3: Probeta 03 con 2MHz





-125 0 -125 -16.4

125 0 125 -16.4

-125 -71.9 -125 -23.1

125 -71.9 125 -23.1

-125 -16.0 -12.5 0

125 -16.0 -2.5 -47

-125 -69.0 -2.5 -71.9

125 -69.0 12.5 0

0 0 2.5 -47

0 -16.4 2.5 -71.9

-52.5 0

-52.5 3.595 0 -71.9

52.5 3.595 52.5 0

-61.7 11 -56.1 11 56.1 11

-61.7 0 -52.5 0 52.5 0

0 -50.50 0 -50.5002

22.25 -71.9 -22.2473 -71.9

-53 0 53 0

4119514 -72 -4119514 -72

-53 0 53 0

-85 -72 85 -72

P03 Duraluminio Longitudinal 2 2730 6367 11.0 18 46 71.9 105.0 8.5 0.5 16.5 25.5 28.0 36.9 26.2

td

[µs]

tLW

[µs]

tLW+tr

[µs]

tBW

[µs]

tBW+tr

[µs]

tR+tr

[µs]

e

[mm]

αi

[°]

αT

[°]

H

[mm]

2S

[mm]

tr


Tipo

onda

f

[Mhz]

C1

[m/s]

C2

[m/s]


-85

-75

-65

-55

-45

-35

-25

-15

-5

5

15

-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100

Z [m

m]

Y [mm]










Eje de haz Tx

Eje de haz Rx





Posicion de Tx

Posicion de Rx



76



Observaciones


Se detectan, la onda superficial y el eco de fondo, además que coinciden con los

tiempos de vuelo teóricos (línea: verde, roja).

El agujero superior izquierdo, no es detectado correctamente, éste se halla en la

zona muerta superior, pero si se deduce su presencia. (línea: magenta)

La profundidad del agujero derecho (Ilustración 15) es correctamente identificada

(línea: cian), pero por la presencia de las alas hiperbólicas es complejo determinar

sus dimensiones.

La no continuidad del eco de fondo, permite deducir que existe un defecto que

obstaculiza la propagación de las ondas.


77






-125 0 -125 -52.0

125 0 125 -52.0

-125 -72.3 -125 -55.3

125 -72.3 125 -55.3

-125 -16.0 -12.5 0

125 -16.0 -2.5 -47

-125 -69.4 -2.5 -72.3

125 -69.4 12.5 0

0 0 2.5 -47

0 -52.0 2.5 -72.3

-52.5 0

-52.5 3.615 0 -72.3

52.5 3.615 52.5 0

-61.7 11 -56.1 11 56.1 11

-61.7 0 -52.5 0 52.5 0

0 -50.50 0 -50.5002

22.66 -72.3 -22.6631 -72.3

-53 0 53 0

4142432 -72 -4142432 -72

-53 0 53 0

-86 -72 86 -72


td

[µs]

tLW

[µs]

tLW+tr

[µs]

tBW

[µs]

tBW+tr

[µs]

tR+tr

[µs]

e

[mm]

αi

[°]

αT

[°]

H

[mm]

2S

[mm]

tr


Tipo

onda

f

[Mhz]

C1

[m/s]

C2

[m/s]


-85

-75

-65

-55

-45

-35

-25

-15

-5

5

15

-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100

Z [m

m]

Y [mm]










Eje de haz Tx

Eje de haz Rx





Posicion de Tx

Posicion de Rx



78



Observaciones


Se detectan la onda superficial y el eco de fondo, éstos coinciden con los tiempos

de vuelo teóricos (línea: verde, roja).

La profundidad del borde superior del corte se corresponde con el tiempo de vuelo

teórico (línea: cian).

Presencia de alas hiperbólicas impiden determinar la dimensión del corte.

La discontinuidad en el eco de fondo y en dirección del defecto detectado, es lo

que permite deducir que se trata de un corte que aflora a la superficie posterior;

contrario a los casos anteriores, donde los defectos eran agujeros y el eco de fondo

mantenía continuidad en la dirección de los mismos.


79






-125 0 -125 -36.2

125 0 125 -36.2

-125 -50.3 -125 -39.7

125 -50.3 125 -39.7

-125 -14.3 -12.5 0

125 -14.3 -2.5 -25

-125 -47.2 -2.5 -50.3

125 -47.2 12.5 0

0 0 2.5 -25

0 -36.2 2.5 -50.3

-41.5 0

-41.5 2.515 0 -50.3

41.5 2.515 41.5 0

-49.6 11 -45.1 11 45.1 11

-49.6 0 -41.5 0 41.5 0

0 -39.92 0 -39.9192

10.79 -50.3 -10.7919 -50.3

-42 0 42 0

2881936 -50 -2881936 -50

-42 0 42 0

-64 -50 64 -50


td

[µs]

tLW

[µs]

tLW+tr

[µs]

tBW

[µs]

tBW+tr

[µs]

tR+tr

[µs]

e

[mm]

αi

[°]

αT

[°]

H

[mm]

2S

[mm]

tr


Tipo

onda

f

[Mhz]

C1

[m/s]

C2

[m/s]


-55

-45

-35

-25

-15

-5

5

15

-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100

Z [m

m]

Y [mm]










Eje de haz Tx

Eje de haz Rx





Posicion de Tx

Posicion de Rx



80



Observaciones


Se detectan la onda superficial y el eco de fondo, coinciden con los tiempos de

vuelo teóricos (línea: verde, roja).

La profundidad del borde superior del corte se corresponde con el tiempo de vuelo

teórico (línea: cian).

Presencia de alas hiperbólicas impiden determinar la dimensión del corte.


que permite deducir que se trata de un corte que aflora a la superficie posterior

En dos sectores se nota que se ha perdido el acoplamiento adecuado entre el

transductor y la probeta, sin que eso signifique que se tratan de defectos.


81






-125 0 -125 -36.0

125 0 125 -36.0

-125 -50.3 -125 -36.6

125 -50.3 125 -36.6

-125 -5.7 -12.5 0

125 -5.7 -2.5 -25

-125 -49.7 -2.5 -50.3

125 -49.7 12.5 0

0 0 2.5 -25

0 -36.0 2.5 -50.3

-35.5 0

-35.5 2.515 0 -50.3

35.5 2.515 35.5 0

-41.9 3.4 -38.1 3.4 38.1 3.4

-41.9 0 -35.5 0 35.5 0

0 -38.32 0 -38.3165

11.10 -50.3 -11.1026 -50.3

-36 0 36 0

38 -50 -38 -50

-36 0 36 0

-7 -50 7 -50

P06 Duraluminio Transversal 5 2730 3083 3.4 37 43 50.3 71.0 3.1 0.5 23.0 26.6 39.9 43.6 36.4

td

[µs]

tLW

[µs]

tLW+tr

[µs]

tBW

[µs]

tBW+tr

[µs]

tR+tr

[µs]

e

[mm]

αi

[°]

αT

[°]

H

[mm]

2S

[mm]

tr


Tipo

onda

f

[Mhz]

C1

[m/s]

C2

[m/s]


-55

-45

-35

-25

-15

-5

5

15

-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100

Z [m

m]

Y [mm]










Eje de haz Tx

Eje de haz Rx





Posicion de Tx

Posicion de Rx



82



Observaciones

Se utilizó la velocidad transversal y los resultados son aceptables.

No se detecta la onda superficial (línea: verde).

El eco de fondo, coinciden con el tiempo de vuelo teórico (línea: roja).

La profundidad del borde superior del corte no se corresponde exactamente con el

tiempo de vuelo teórico en el B-Scan (línea: cian), sin embargo, si se analiza el A-

Scan se deduciría que con una cierta tolerancia, los tiempos de vuelos si coinciden.

No existe presencia de alas hiperbólicas y el ancho de corte es visualizado de

manera más reducida.


que permite deducir que se trata de un corte que aflora a la superficie posterior.


83

3.1.7 Inspección 7: Probeta 05 (Soldadura) con 10MHz


Figura 66.- B-Scan en escala de grises de la probeta P05 con 10MHz. Sin defecto.

En este B-Scan, es el eco de fondo que sobresale nítidamente antes que la onda

superficial, debido a que la focalización del haz (Ilustración 37) abarca solo este sector.

En algunos tramos existen unas distorsiones, pero no corresponden a fallos, al parecer

son resultado de una perdida de acoplamiento entre los transductores y la probeta.

Figura 67.- Radiografía probeta P05. 98kV, 20mA, 5s, 100cm. Vista superior.

-125 0 -125 -5.0

125 0 125 -5.0

-125 -10.0 -125 -5.8

125 -10.0 125 -5.8

-125 -2.8 -12.5 0

125 -2.8 -2.5 15

-125 -9.6 -2.5 -10

125 -9.6 12.5 0

0 0 2.5 15

0 -5.0 2.5 -10

-16.5 0

-16.5 0.5 0 -10

16.5 0.5 16.5 0

-26.0 5.2 -23.7 5.2 23.7 5.2

-26.0 0 -16.5 0 16.5 0

0 -6.18 0 -6.18131

10.19 -10 -10.1934 -10

-17 0 17 0

24 -10 -24 -10

-17 0 17 0

3 -10 -3 -10

P05 Hierro Transversal 10 2730 3160 5.2 54 69 10.0 33.0 6.5 0.1 10.4 17.0 12.2 18.8 17.5


tLW+tr

[µs]

tBW

[µs]

tBW+tr

[µs]

tR+tr

[µs]

e

[mm]

αi

[°]

αT

[°]

H

[mm]

2S

[mm]

tr

[µs]

td

[µs]

tLW


Tipo

onda

f

[Mhz]

C1

[m/s]

C2

[m/s]

-15

-5

5

15

-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100

Z [m

m]

Y [mm]










Eje de haz Tx

Eje de haz Rx





Posicion de Tx

Posicion de Rx


P0

5


84

Figura 68.- Soldadura de la probeta P05. Recorrido de inspección vista superior.

Figura 69.- B-Scan en escala de grises de la probeta P05 con 10MHz. Inspección vista superior.

Figura 70.- B-Scan en promedio temporal de la probeta P05 con 10MHz. Inspección vista superior.

Figura 71.- B-Scan en promedio lateral de la probeta P05 con 10MHz. Inspección vista superior.

P0

5

Rx Recorrido

Tx

Eje de inspección

a

b

c

d


85

Observaciones

La imagen de la radiografía, ver Figura 67, muestra que la soldadura no está

realizada correctamente, ya que no se ha conseguido la unión completa de las dos placas

de hierro (Figura 72). Por tal motivo, lo que se busca aplicando esta técnica es determinar

el estado real de la soldadura, es decir, el espesor de la unión o la profundidad de la grieta

a lo largo de todo el cordón. Se pretende dimensionar esas magnitudes con el análisis de

los B-Scan respectivos.

En la siguiente figura se puede corroborar que no ha existido la total penetración

del material de aportación para formar el cordón de soldadura en todo el espesor,

evidenciándose así, una abertura a lo a lo largo de la unión de las dos placas de hierro.

Figura 72.- Parte del cordón de soldadura vista del borde inferior.

Analizando el B-Scan (Figura 66) de la inspección sin soldadura, se deduce que

con esta configuración (ver Ilustración 37) solo se focaliza un sector del total de la sección

de interés, únicamente la parte inferior de la probeta; en tales circunstancias, es necesario

hacer la inspección desde la otra cara de la pieza para tener un barrido completo de toda

la sección. Por ahora se analiza el recorrido desde la superficie superior y desde la inferior

será analizada más adelante.

En la Figura 69, correspondiente al B-Scan de la inspección superior, se han

trazado: una línea verde para la onda superficial; otra de color cian, que representa la

mitad de la sección (5mm) de la probeta y finalmente una línea roja, donde en donde

debería estar el eco de fondo.

En esta figura no se aprecia el eco de fondo [d] y contrastando con la Figura 72,

se puede asegurar que la grieta (sección no soldada) está presente en todo el cordón de

soldadura. En el intervalo [a] de 15 a 18 cm, existe una onda muy nítida que mostraría el

borde inferior hasta donde ha penetrado la soldadura.

En los otros intervalos no se puede evidenciar con tanta nitidez dichas ondas, por

lo que es necesario recurrir al análisis del siguiente B-Scan (Figura 70). En esta imagen

se puede evidenciar los puntos de mayor potencia de la señal acústica, y al trazar una línea

entrecortada por los mismos, se puede obtener el perfil del cordón de soldadura existente.

Grieta

Espesor de

soldadura


86

A continuación se realiza la inspección desde la vista inferior.

F

Figura 73.- Soldadura de la probeta P05. Recorrido de inspección vista inferior

Figura 74.- B-Scan escala de grises de la probeta P05 con 10 MHz. Inspección vista inferior.

Figura 75.- B-Scan promedio temporal de la probeta P05 con 10MHz. Inspección vista inferior.

Figura 76.- B-Scan promedio lateral de la probeta P05 con 10MHz. Inspección vista inferior.

Recorrido

Eje de inspección

a’ b’ c’

Rx

Tx

d’


87

En esta nueva inspección, en el B-Scan de la Figura 74 se observa claramente el

eco de fondo [d’], aunque no de manera uniforme, debido quizá a la irregularidad del

borde del cordón de soldadura.

Los otros sectores presentan una correspondencia en cuanto al comportamiento de

las ondas con los mismos puntos del anterior B-Scan [a-a’, b-b’, c-c’]. Entonces, lo que

se hizo posteriormente es, copiar simétricamente las líneas entrecortadas tranzadas en la

imagen anterior sobre el B-Scan de la Figura 75, sin modificar su forma y

sobreponiéndola junto a los puntos de mayor potencia de la imagen.

El resultado de esta acción, es que el perfil de la soldadura, mantiene la misma

forma pero en sentido inverso, esto es de esperar ya que la segunda inspección se está

realizada desde la parte inferior de la probeta.

Si se analiza las líneas entrecortadas trazadas, se puede concluir que el espesor de

la soldadura es de aproximadamente el 50% del espesor de la probeta (5mm), aunque en

algunos sectores es un poco mayor. Esto se puede contrastar visualmente con la siguiente

figura, en donde es claro que la soldadura no cubre la totalidad del espesor.

Figura 77.- Grieta del cordón de soldadura vista inferior.


88

3.2 Procedimiento de inspección ultrasónica TOFD.

Figura 78.- Diagrama de procedimiento para inspección con la técnica TOFD.

INICIO

OBJETIVOS DE

ENSAYO

DEFINIR CONFIGURACIÓN

DEL ENSAYO

Hoja de Cálculo

RESULTADOS

ADQUISICIÓN Y

ALMACENAMIENTO DE

DATOS

MONTAJE Y

CONFIGURACIÓN

DE EQUIPOS

CARACTERIZACIÓN

DE PROBETAS Y

EQUIPOS

ANÁLISIS Y

PROCESAMIENTO

DE IMÁGENES

FIN


89

En la Figura 78 se ha representado de forma sintetizada el procedimiento que se

ha utilizado para la ejecución de inspecciones no destructivas en piezas de duraluminio y

hierro aplicando la técnica TOFD. Cada una de estas etapas han sido descritas y

desarrolladas a lo largo de este trabajo, por lo cual se explicará de manera breve y con las

recomendaciones más relevantes que deben ser consideradas al momento de ejecutarlas.

Los objetivos del ensayo, son los puntos de referencias a los cuales se pretende

llegar con la aplicación de esta técnica. Estos sirven para delimitar las acciones y los

recursos que se utilizarán a fin de aumentar la eficiencia y eficacia del procedimiento.

Los objetivos se definen pensando en los resultados generales que deseamos

obtener en las inspecciones, por ejemplo: El grado de precisión, resolución temporal y

espacial, profundidades de focalización; además otros aspectos como el económico,

tiempos, etc.

La caracterización de las probetas y equipos conlleva a determinar sus

características principales. En el caso de las probetas, sus velocidades acústicas,

dimensiones, composiciones, elementos constructivos, entre otros. Y, en el caso de los

equipos, sus parámetros de configuración, elementos auxiliares, de comunicación,

transmisión, almacenamiento, etc.

En la configuración del ensayo, se plantea el uso de la hoja de cálculo de Excel,

para determinar los parámetros más adecuados para poder realizar el ensayo. Éste permite

conocer previamente, el punto de focalización de los haces imaginarios de los

transductores utilizados. Además, la información sobre cómo deben ser excitado los

transductores, sus ángulos de incidencia, separaciones adecuadas y otros datos

importantes.

El montaje y la configuración de los equipos corresponden a la tarea de instalar

cada uno de los elementos necesarios para el ensayo y probar su funcionamiento. Así

como calibrar y ajustar los parámetros de acuerdo a los resultados obtenidos de la hoja de

cálculo.

La adquisición y almacenamiento de los datos es el proceso en el cual, a la par

de que se van realizando las mediciones, los datos capturados son guardados

adecuadamente para su posterior análisis.

Es en esta etapa donde se puede lograr optimizar y reducir los tiempos de las

inspecciones mediante el empleo de sistemas automáticos de adquisición de datos. En

este trabajo, se lo hizo manualmente y se pudo constatar esa necesidad, ya que esta técnica

requiere de muchas mediciones para obtener imágenes con mejores resoluciones.

El análisis y procesamiento de los datos, comprende la etapa en donde la

información almacenada es analizada y procesada con diferentes algoritmos, esto con el

fin de generar los B-Scans, que finalmente son los objetos de estudio que permitirán

describir la morfología real de los elementos inspeccionados.

Cabe recalcar que en el procesamiento se puede recurrir a otras técnicas. En este

trabajo se abordó aquellas que a criterio propio, son las más elementales.

4 Conclusiones

Conclusiones

91

La técnica TOFD es muy adecuada para la caracterización de la morfología de los

materiales metálicos, ya que permite generar imágenes (B-Scan) de fácil interpretación y

la posibilidad de dimensionar los defectos con gran exactitud.

Las diferentes normativas y referencias bibliográficas sugieren el uso de las ondas

longitudinales para esta técnica, pero en este trabajo, que también se experimentó con

ondas transversales, se pudo generar imágenes B-Scans bastante aceptables, incluso con

una mayor resolución temporal debido a que las ondas tardan el doble de tiempo de lo

que emplean las longitudinales en recorrer las mismas trayectorias. Sin embargo, la

desventaja está en que la apertura del haz se reduce a la mitad en comparación con el

empleo de las longitudinales, comprometiendo de esta manera que no se pueda abordar

toda la sección de interés, necesitando para ello transductores con menor frecuencia y

menor diámetro.

Cuando se usan transductores de menor frecuencia, la presencia de las alas

hiperbólicas alrededor de la señal del defecto es inevitable, y para solucionar este

inconveniente es necesario recurrir a un procesado diferido de las señales digitalizadas.

La información procedente de ondas transversales, necesitaron una mayor

compensación, es decir, que los coeficientes del CAG (Control automático de ganancia)

tenían unos valores más elevados que los usados para las señales procedentes de las

longitudinales. Esto será importante cuando se analicen materiales con defectos muy

pequeños, posiblemente el uso de la ondas transversales no sea la más adecuada. Esto

justificaría el por qué mayormente se sugieren trabajar con las ondas longitudinales.

Fue muy conveniente en este trabajo el uso de la Hoja de Cálculo para obtener y

valorar los parámetros óptimos requeridos en los diferentes ensayos, ya que permite

anticipar los resultados y por ende aumentar la eficiencia en las respectivas mediciones.

Las señales de salida de los filtros analógicos del equipo ultrasónico utilizado, han

sido muy aceptables, ya que no presentan distorsiones en la señal temporal y permiten en

algunos de los casos trabajar directamente, prescindiendo del filtrado digital. Sin

embargo, cuando se recurrió a este último, indudablemente las características de la señal

mejoraron sustancialmente, pero fue necesario prestar atención en la señal de salida, ya

que como consecuencia, existía un retardo en todo su contenido temporal, el mismo que

fue necesario compensarlo para la generación de los B-Scans.

Los resultados (imágenes B-Scan) de las inspecciones realizadas sobre cada una

de las probetas, permiten en forma general, aseverar de que se trata de una técnica bastante

fiable en la caracterización de la morfología de los materiales, sin embargo, es

indispensable contar con algoritmos de procesamiento eficaces para el tratamiento de la

información.

Bibliografía

92

5 Bibliografía

[1] D. Ortega T y S. Seguel B, «HISTORIA DEL ULTRASONIDO: EL CASO

CHILENO,» Revista Chilena de Radiología, pp. 89-92, 2004.

[2] G. E. Díaz , «Ultrasonido - Telemedicina,» 2010. [En línea]. Available:

http://www.gonzalodiaz.net/ultrasonido/ultrasonidos/ultrasonido.shtml.

[Último acceso: 16 02 2012].

[3] E. Gomez de León, END. Ultrasonidos Nivel II, Madrid: FC Editorial, 2006.

[4] A. D. Restrepo Girón, «Generalidades sobre los ultrasonidos,» Ingenium, nº

6, pp. 20-27, 2006.

[5] C. Rodríguez González, Tesis Doctoral: Sistema automatizado de detección

de defectos en piezas metálicas mediante Ensayos no Desctructivos,

Santander, 2012.

[6] Oympus NDT INC, Ultrasonic Transducers Technical Notes, 2011.

[7] C. Rubio y O. Marrero, «Fabricación de Transductores Ultrasónicos para

Equipos automatizados de inspección de líneas de Tuberías,» Centro de

Ingeniería y Desarrollo Industrial (CIDESI).

[8] Olympus NDT, Introduction to Phased Array Ultrasonic Technology

Aplications: R/D Tech Guideline, Canadá: Olympus NDT, 2007.

[9] G. Baskaran, K. Balasubramaniam y C. Lakshmana Rao, «Shear-wave time

of flight diffraction (S-TOFD) technique,» NDT & E International, nº 39,

pp. 458-467, 2006.

[10] C. J. Martín, R. González, R. Giacchetta y E. Moreno H., «ULTRASCOPE

TOFD: un sistema compacto para la captura y procesamiento de imágenes

TOFD,» de IV Conferencia Panamericana de END, Buenos Aires, 2007.

[11] Comité Europeo de Normalización, Norma UNE-EN 583-6: Técnica por

difracción de vuelo como método para la detección y dimensionamiento de

las discontinuidades, 2010.

Bibliografía

93

[12] British Standards Institution , Welding-Use of time-of-flight diffraction

technique (TOFD) for examination of welds., Londres: British Standards

Institution , 2004.

[13] L. Svilainis y V. Puodziunas, «The Hardware Concept of a new Digital

Ultrasonic NDE System,» NDTnet, vol. 3, nº 5, 1998.

[14] J. P. Charlesworth y J. A. G. Temple, Engineering applications of ultrasonic

time-of-flight diffraction, Hertfordshire: Research Studies Press LTD, 2001.

[15] D. Segura y A. Rodríguez , «Sistema de Formación de imágenes TOFD para

ensayos no destructivos.,» Revista EIA, nº 17, pp. 139-149, 2012.

[16] J. Rodríguez , J. Vitola, S. Sandoval y E. Forero, «Diseño y Construcción

de un sistema para examen no destructivo de las fallas y defecto en metales

utilizando señales ultrasónicas,» Revista EIA, nº 12, pp. 9-21, 2009.

[17] G. . A. Clark, «Impulse Response Estimation for Spatial Resolution

Enhancement in Ultrasonic NDE Imaging,» UCRL, 2004.

[18] M. S. J. G. S. L. G. C. J. S. L. A. J. V. F. Marcelino,

«http://ocw.uv.es/ingenieria-y-arquitectura/filtros-digitales,» OCW de la

Universitat de Valencia, 25 10 2010. [En línea]. Available:

http://ocw.uv.es/ingenieria-y-arquitectura/filtros-digitales/Course_listing.

[Último acceso: 09 07 2013].

[19] A. H. A. Pereira, «Cerámicas piezoeléctricas: funcionamiento y

propiedades,» 01 03 2010. [En línea]. Available:

http://www.atcp.com.br/imagenes/productos/ceramicas/articulos/RT-

ATCP-01-[ES].pdf. [Último acceso: 23 03 2013].

[20] R. G. J. Miralles, Escritor, Ensayos no destructivos sónicos y ultrasónicos.

[Performance]. 2011.

[21] Motor Giga, «MotorGiga,» 02 11 2010. [En línea]. Available:

http://diccionario.motorgiga.com/diccionario/duraluminio-definicion-

significado/gmx-niv15-con193925.htm. [Último acceso: 21 05 2013].

A É A ÍA Ñ - Repositorio Digital Senescyt: Página de...

Documents

Transcript of A É A ÍA Ñ - Repositorio Digital Senescyt: Página de...