TECNOLOGÍA ULTRASÓNICA Y SUS APLICACIONES EN LA INDUSTRIA
Ediguer Enrique Franco G., Phd Depto. de Energética y Mecánica Universidad Autónoma de Occidente
Contenido 1. Presentación del grupo de investigación. 2. Introducción a la tecnología ultrasónica 3. Aplicaciones 4. Trabajos de investigación realizados y en curso 5. Ideas y trabajos futuros
Presentación del grupo de investigación GRUTTA – Research Group in Ultrasound Technology and Applications Profesores: Joao Luís Ealo, PhD (Universidad del valle) Ediguer E. Franco, PhD (Universidad autónoma de occidente) Alumnos: Maestría – 2, Pregrado – 3 Vínculos del grupo: Académicos: Universidad Nacional (Colombia), Consejo Superior de Investigaciones Científicas (España), Universidad de São Paulo (Brasil) Con empresa: Dasel Sistemas (España) y Elliptic Labs (Noruega).
Presentación del grupo de investigación Líneas de investigación: Desarrollo de transductores de ultrasonidos: Transductores piezoelectricos para inmersión y contacto Transductores sin contacto (acoplados en aire) Multitransductores (arrays) Caracterización y evaluación de materiales: Caracterización sin contacto de papel y textiles Caracterización de materiales de ingeniería Caracterización de líquidos
Introducción
Definición de ultrasonido ●
●
Ondas acústicas con frecuencia mayor al rango audible por el ser humano (>20 kHz). Las ondas acústicas se presentan en sólidos, líquidos y gases.
Infrasonido Umbral inferior Umbral superior Ultrasonido
20 Hz 20 kHz
El ultrasonido en la naturaleza En el mar, las ondas acústicas son la única manera de interacción a larga distancia. Animales como ballenas y delfines desarrollaron poderosos sistemas ultrasónicos para detectar presas y comunicarse. Los muerciélagos desarrollaron sonares ultrasónicos para localizar su presa en la oscuridad.
Historia El accidente del Titanic en 1912 mostró la necesidad de un sistema para detectar los icebergs.
En la WW1, submarinos alemanes (U-Boats) hundían barcos y no había manera de detectarlos.
Historia Trabajando en la Ecole de Physique et Chimie de París, usó el efecto piezoeléctrico de cristales de quartzo para desarrollar el primer hidrófono que fue usado para detectar icebergs y, posteriormente, submarinos.
Paul Langevin
En las décadas de 1930 y 1940, el científico austriaco Karl Dussik y el escosés Goerge Lewig generaron las primeras imágenes médica por ultrasonido.
Karl Dussik
Ventajas de ultrasonido La gran cantidad de ultrasonido se deben:
aplicaciones
del
Las ondas ultrasónicas viajan lentamente, aprox. 100.000 veces más lento que las ondas electromagnéticas. Esto permite mostrar información temporal, crear atrasos, etc.. ● Pueden penetrar materiales opacos, al contrario que otros tipos de radiación, como la luz visible. El ultrasonido es un método barato, sensitivo y confiable para testar y hacer imágenes del interior de materiales opacos. ●
¿Por qué investigar en ultrasonido? Hay muchas cosas aun por aprender: Por ejemplo, entender mejor como funcionan los sonares de los murciélagos y como se comunican los delfines. Como se propagan las ondas en materiales superconductores o en helio líquido, o en materiales anisotrópicos, medios periódicos, etc. El ultrasonido tiene muchas aplicaciones y en muchas disciplinas: química, física, biología, ingeniería, industria alimenticia, medicina, oceanografía, sismología, etc. Multidisciplinario: física, electrónica, ciencia de los materiales y computación.
Propagación de ondas acústicas Onda acústica: Es una perturbación de presión o tensión mecánica que se propaga en un medio elástico. Pueden propagarse en sólidos, líquidos y gases. Compresión
Rarefracción c: Velocidad de propagación de la onda
Ecuación de onda
Longitud de onda (λ): distancia recorrida por la onda en un periodo de oscilación
Ondas acústicas en sólidos Ondas de cuerpo
Ondas de superficie
Ondas acústicas en líquidos y gases En general, en medios líquidos y gaseosos solamente pueden propagarse ondas longitudinales o de presión. En la superficie libre de líquidos se propagan ondas.
Comportamiento de las ondas acústicas Difracción: dispersión de la onda a medida que se propaga. Reflexión y transmisión: las ondas se reflejan y atraviesan obstáculos dependiendo de las características físicas de los medios. Interferencia: composición o suma que puede generar patrones complejos. Atenuación: la onda pierde energía a medida que se propaga, debido a procesos irreversibles a nivel molecular. Conversión de modo: ondas longitudinales pueden convertirse en trasversales, y viceversa, en procesos de transmisión-reflexión con sólidos.
Transductores ultrasónicos Son los dispositivos encargados de generar y recibir las ondas acústicas. Principios de funcionamiento: piezoelectricidad magnetostricción, campo electrostático
Características de un transductor ultrasónico Tipo de onda: longitudinal, trasversal, de superfície. Frecuencia de trabajo: 1 MHz, 5 MHz, etc. Superficie irradiante: área y geometría (circular, rectangular, etc.) Ancho de banda: Dominio del tiempo
Dominio de la frecuencia
Tipos de transductores ultrasónicos Monoelemento
Multitransductores (arrays)
Campo acústico generado por transductores ultrasónicos Campo irradiado por un transductor circular plano (φ 0,75 inch) 1 MHz
4 MHz
8 MHz
Fuente: www.ndt-ed.org
Modos de funcionamiento
Funcionamiento en modo pulso-eco.
Funcionamiento en modo transmisiónrecepción.
Tipos de acoplamiento Dedido a la baja impedancia acústica del aire, las ondas no se propagan del transductor al material sin la presencia de una sustancia acoplante.
Fluido acoplante entre el transductor y la pieza. Acoplamiento por inmersión.
Generación y adquisición de U.T. Montaje sencillo de laboratório Osciloscopio
Equipo portátil de uso industrial
Pulsador/receptor
Transductor
(fuente: Krautkramer)
Aplicaciones del ultrasonido
Ensayos no destructivos por ultrasonido Principio de detección de fallas en piezas mecánicas: initial pulse crack echo
back surface echo
crack 0
2
4
6
8
10
plate
Discontinuidades en el material o cambios de sus propiedades causan ecos o atenuación que modifican la propagación de la onda. La técnica es importante en los programas de mantenimiento preventivo. Totalmente no invasiva.
Ensayos no destructivos por ultrasonido
Sistema de inspección de soldaduras circunferenciales (fuente: Olympus NDT)
Sistema para inspeccionar oleoductos en busca de corrosión (pigs ultrasónicos)
Robot usado para inspeccionar cascos de barco por debajo de la línea de flotación
Sonar Eco-localización en cuerpos de agua: defensa, pesca, geología, etc.
Aplicaciones civiles
Aplicaciones de defensa
El ultrasonido en la medicina La ecografía es la aplicación más ampliamente conocida. Los ecógrafos son equipos sofisticados, que usan un hardware complejo y su costo es muy alto. Sin embargo, estos equipos se han vuelto esenciales en la medicina moderna. Existen otras aplicaciones como fisioterapia (especialmente en medicina deportiva) y tratamientos estéticos.
Eliminación de cálculos renales Ecografía
Fisioterapia
Imágenes y microscopía ultrasónica
Imagen producida usando el eco reflejado por la superficie
Imagen producida usando el eco reflejado por el fondo
Microscopio ultrasónico
Imagen ultrasónica de un chip semiconductor
Ultrasonido de potencia ●
Se usan campos acústicos de alta intensidad para realizar tareas como limpieza de piezas mecánicas, soldadura de tejidos sintéticos, levitación acústica, entre otras aplicaciones.
Ultrasonido de potencia Reducción temporal de la viscosidad:
Fuente: Cavitus Pty Ltd., Australia
Ultrasonido de potencia Extracción:
Fuente: Cavitus Pty Ltd., Australia
Ultrasonido de potencia Eliminación de espuma:
Fuente: Pulsonics Inc., USA
Ultrasonido de potencia Eliminación de espuma:
Fuente: Ultratecno – Ultrasonidos Lover S.A., España
Trabajos de investigación realizados y en curso
Caracterización de papel • Caracterización sin contacto de papel y membranas de
microfiltración usando ultrasonido.
•
Montaje Experimental: 1- Equipo ultrasonido 2 - Transductor emisor 3 - Transductor receptor 4 - Muestra de papel 5 - Computador.
Propiedades medidas: densidad, espesor, velocidad de propagación y atenuación.
Caracterización de papel Señales adquiridas
Modelo adquirido
Caracterización de papel Muestras de papel producido por PROPAL S.A. Medidas Preliminares Muestra (Densidad Espesor Densidad superficial ) (μm) Volumétrica (Kg/m3) 75 105 722 90 125 737 115 150 762 150 205 746
Espectro de la primera resonancia del modo espesor para la muestra de 115 g/m2
Densidad superficial (gramaje) determinada por ultrasonido frente a la del fabricante
• Extensible a la caracterización de hojas de plantas,
especialmente para la determinación de su contenido de humedad.
Caracterización ultrasónica de materiales Materiales isotrópicos:
Dispositivo de medición
Montaje experimental
Medición del módulo elástico y el módulo Poisson en materiales puros (aluminio, cobre) y otros materiales de ingeniería (acero y vidrio) con desvíos menores al 3,0%.
Caracterización ultrasónica de materiales Materiales anisotrópicos: El mismo montaje experimental usado para materiales isotrópicos permite caracterizar materiales anisotrópicos, como materiales compuestos y cristalinos, de gran importancia en la industria. Inspección por ultrasonido de materiales de ingeniería. Materiales compuestos en un avión comercial
Diseño de transductores cónicos Diseño de transductores cónicos para mapeo sin contacto de superficies
Ventajas: Profundidad de foco Resolución lateral
Generación de vórtices acústicos • Generación
y caracterización polímeros piezoeléctricos
de
vórtices
usando
Generación de vórtices acústicos Características del haz: Capacidad de autoreconstrucción y robustez en medios heterogéneos o ante obstrucción parcial. Útil para entender fenómenos ópticos y de la mecánica cuántica. Transporta momento angular (trans. De partículas). Control de rotación de objetos en un “tweezer”. Posibilidad de usar el haz para propósitos de alineamiento.
Generación de vórtices acústicos • Generación de vórtices en aire con multitransductores:
Deflexión y focalización
Inspección ultrasónica y sin contacto de textiles • Diseño, fabricación y caracterización
de un multi-transductor basado en ferroelectretos para inspección sin contacto de textiles.
Detección de perdida de fibras textiles
Inspección ultrasónica y sin contacto de textiles • Diseño, fabricación y caracterización de un multi-transductor
cóncavo basado en ferroelectretos para inspección sin contacto de textiles.
Tela pintada
Imagen por ultrasonido
Interacción sin contacto con dispositivos electrónicos Lentes especiales diseñadas.
Fuente: Elliptic Labs.
Medición de viscosidad por ultrasonido
Viscosidad de aceite de oliva medido por ultrasonido a Diferentes frecuencias
Aplicaciones con emulsión agua-aceite Determinación de la presencia de aceite en agua:
Montaje experimental
Celda de medición Posibles aplicaciones: Monitorización de la calidad del agua en ciclos térmicos.
Resultados para una adición de 0,5% de aceite motor en agua
Detección de vertimientos en ríos (Ing. Ambiental).
Desarrollo de transductores convencionales Un transductor de ultrasonido convencional, como los usados en END, puede costar entre 200 y 1500 dólares, y su parte central es una cerámica piezoeléctrica que cuesta 5 dólares.
Ideas y trabajos futuros
Ideas y trabajos futuros 1. Aproximación a la medición sin contacto de suavidad/rugosidad en papel tisue con 2. 3. 4.
5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12.
ultrasonidos en aire. Caracterización de materiales especiales empleando espectroscopía ultrasónica por incidencia oblicua. Implementación de la medición de vibración de ondas de placa (Lamb Waves) empleando métodos híbridos (acusto ópticos). Implementación de un laboratorio para la inspección ultrasónica No Destructiva de componentes mecánicos en concordacia con las normas ASTM E-797, E-1001, E-273, E-114 y E-1901. Caracterización de fenómenos de fricción por métodos acústicos. Diseño de un actuador Langevin para aplicación en tamizado de finos. Estudio y análisis de no lineal de resonancias en actuadores electroacústicos (nonlinear resonance analysis). Desarrollo y caracterización de acelerómetros para medición de vibraciones empleando ferroelectretos celulares. Desarrollo y caracterización de multitransductores para inspección por inmersión empleando sistemas Phased Array. Caracterización sin contacto de fenómenos de desgaste por emisión acústica. Estudio detallado de la estrategias de control activo de ruido proveniente de la líneas de embotellado. Implementación de un laboratorio de control activo de vibraciones.
Muchas gracias por su atención
¿Preguntas? Contacto: Joao Luís Ealo – Universidad del Valle,
[email protected] Enrique Franco G. – Universidad Autónoma de occidente,
[email protected]
