Ultrasonido

Naturaleza de ondas ultrasónicas

Describir la naturaleza de las ondas ultrasónicas.

Son ondas mecánicas vibratorias o sea para que se propague el ultrasonido, se requiere que las partículas del medio ya sea liquido, aire o sólido oscilan alrededor de sus posiciones de equilibrio. Las ondas operan a una frecuencia por encima de la zona audible del espectro acústico

Características de la propagación de ondas

Definir:

Frecuencia: es el número de oscilaciones por segundo de una partícula dada, dentro de una misma onda esta es igual para todas las partículas que participen en la vibración, su magnitud está dada por el generador del ultrasonido, el cual se puede elegir arbitrariamente.

Amplitud: es el desplazamiento máximo de una partícula desde su posición cero o de equilibrio.

Longitud de onda: es la distancia entre dos planos en los que las partículas se encuentran en el mismo estado de movimiento, por ejemplo dos zonas de compresión.

Velocidad acústica: es la velocidad de propagación de la onda para una condición dada. Esta velocidad es una característica del material y en general, es constante para un material dado, independientemente de la frecuencia y de la longitud de onda.

Impedancia acústica: La impedancia acústica es una resistencia que se opone a la vibración de la onda.

Presión acústica: está presente no sólo en los gases sino también en los líquidos y sólidos y el mayor valor de esta, que la onda alcanza, se conoce como amplitud de la presión acústica y está íntimamente ligada con la amplitud de la oscilación.

Intensidad acústica: Es la cantidad de energía que pasa por unidad de área en la unidad de tiempo.

Determinar las relaciones matemáticas correspondientes.

Frecuencia f=1/T

Velocidad acustica C=λf

Impedancia acustica Z=ρC=P/V

Intensidad acustica I=1/2 ρCV^2=1/2 ZV^2

Presion acustica P=ZV=ZωA=ρCωA

Amplitud maxima de oscilacion A/λ=√(I/(2π^2 ρC^2 ))

Tipos de ondas ultrasónicas y sus aplicaciones

Definir:

Ondas longitudinales: Se tienen ondas longitudinales cuando la dirección de oscilación de las partículas es paralela a la dirección de propagación de la onda. En los líquidos y los gases sólo es posible la propagación de este tipo de ondas mecánicas.

Ondas superficiales: Se habla de ondas superficiales (o de Rayleigh) cuando el haz de ondas ultrasónicas se propaga exclusivamente en la superficie del material siguiendo el perfil del cuerpo, siempre que no haya variaciones bruscas en el mismo. Las deformaciones inducidas por este tipo no son estrictamente sinusoidales, asemejándose en cierto modo a las ondas del agua; aunque estas últimas no son ondas elásticas, sino consecuencia de la fuerza gravitacional. Las ondas superficiales se obtienen cuando el ángulo de incidencia del haz ultrasónico sobre el material tiene un valor tal que se alcanza el segundo ángulo crítico de refracción. En las ondas superficiales, la oscilación de las partículas es normal a la dirección de propagación

Ondas de lamb: Las ondas de lamb se obtienen en láminas delgadas y también en tubos cuyos espesores son aproximadamente del orden de la longitud de onda y, prácticamente en materiales con espesores comprendidos entre 0,1 y 30 mm, en los cuales intervienen en la propagación del haz ultrasónico, la totalidad del material, vibrando la lámina en su conjunto. Para un espesor o diámetro dado son posibles infinitos modos de vibración. Las ondas de Lamb se propagan en sentido paralelo a la superficie del medio material y en la dirección del impulso recibido. Existen dos formas fundamentales de ondas de lamb Ondas simétricas de compresión y Ondas asimétricas de flexión.

b) Determinar las relaciones entre el tipo de onda y su aplicación:

Comportamiento de ondas ultrasónicas

a) Distinguir entre

Incidencia normal: Se consideran dos casos: 1) Incidencia perpendicular en superficie límite única y plana. Si una onda acústica plana incide perpendicularmente sobre una superficie plana y lisa que separa dos medios diferentes, una parte de la energía de la onda se refleja y vuelve en la misma dirección de la incidente, otra parte se propaga en el segundo medio manteniendo su dirección y sentido. ; 2) Incidencia perpendicular en superficies límites múltiples (chapas, películas de acoplamiento y grietas).

Incidencia angular: Cuando una onda longitudinal o transversal cruza oblicuamente la interfase entre dos materiales de diferente velocidad o impedancia acústica, una porción de la onda se refleja y la otra se refracta. Esta energía transmitida cambia su dirección de propagación de forma similar a lo que ocurre en óptica, la pasar un haz luminoso de un material a otro con diferentes índices de refracción.

Definir

Reflexión: Cantidad de energía ultrasónica que es reflejada al incidir en una interfase acústica. El ángulo de onda reflejada es igual al ángulo de la onda incidente de la misma especie.

Refracción: Se lleva a cabo cuando un haz ultrasónico pasa de un medio a otro, siendo su velocidad del medio diferente entre sí y cambia la dirección en relación con la dirección de incidencia. El cambio de dirección de la onda refractada, acercándose en la normal a su superficie de separación de ambos medios, depende de la velocidad del sonido en el segundo medio sea menor o mayor que en el primer medio.

Explicar los modos de conversión

Los modos de conversión se realizan siempre y cuando la transmisión se haga entre dos medios diferentes. Cuando el haz incidente en el medio 1, alcanza la superficie limite con el medio 2 y se desdobla en dos ondas reflejadas y dos ondas transmitidas (un haz reflejado longitudinal, un haz reflejado transversal, un haz transmitido longitudinal y un haz transmitido transversal). Se observa en primer lugar que si la onda incidente y reflejada son del mismo tipo, forman el mismo ángulo con la normal a la superficie limite, ya que poseen la misma velocidad acústica.

Dado

...