ONDAS MECÁNICAS - GENERALIDADES

ULTRASONIDO-ONDAS MECÁNICAS

La técnica de ultrasonido utiliza ondas mecánicas de alta frecuencia, 0.5 MHz hasta 25MHz que son generadas por  una fuente (transductor), que transfiere el movimiento por vibración a las partículas adyacentes del material, y estos a sus otras con la que se repite esta operación a lo largo del material a evaluar hasta llegar a un interfaz  (ejemplo, borde entre el material y discontinuidad) donde la onda se descompone en onda reflejada y transmitida, figura 1. La onda reflejada retorna a la fuente (transductor) y la onda transmitida continúa el viaje hasta desaparecer por la atenuación del material o retornar si se encuentra con un nuevo interfaz. Un ejemplo claro es cuando escuchamos un eco en una cueva, nosotros generamos ondas longitudinales (el  sonido de nuestra voz) estas viajan por el aire, incide con las paredes de la cueva y se genera una onda reflejada (eco) que llega a nuestros oídos (sensor), la cual lo detecta.

Figura 1: Propagación de una onda al incidir en un interfaz

En la figura 2 muestran las partículas enlazadas de un cuerpo elástico en dos dimensiones, cualquier movimiento en uno de las partículas incita a las partículas vecinas y estas a la vez a sus adyacentes, de esta forma se propagan las  ondas. Ninguna partícula desplaza totalmente a sus vecinos, sólo oscilan en su punto de reposo, como un péndulo de un reloj. 

Figura 2 Enlaces entre partículas en un material isotrópico.

Las ondas mecánicas necesitan un medio para desplazarse, debido a que transfieren movimiento por vibración. Por lo contrario de las ondas electromagnéticas (ondas de radio o teléfono) que no lo necesitan, por lo que pueden viajar por el espacio vacío sin restricciones. Existen  cuatro clases de  ondas mecánicas: longitudinales, transversales,   superficiales o Rayleigh y  Lamb.

En la onda longitudinal el movimiento de las moléculas es en dirección a la propagación de la onda, las moléculas  son empujadas de su estado de reposo,  para luego regresar a su posición original, figura 3. Este movimiento es permanente hasta que la fuente de movimiento (transductor) deje de vibrar o no haya contacto entre el transductor y el material. En los sólidos, líquidos y gases, se presentan este tipo de onda, debido a que en estos medio existe una fuerza que mantiene las partículas juntas para resistir fuerzas externas que tienen a separar a las partículas. Por ejemplo si consideramos una un cilindro de  gas, figura 4,  que está sujeto   a fuerzas de compresión, el gas tiende a comprimirse hasta el punto de no ceder, internamente el medio ejerce una fuerza para contrarrestar a la de compresión. Caso similar se  presenta si existiera una fuerza de tensión. La propiedad que gobierna este fenómeno es  el modulo de elasticidad, conocido como “Modulo de elasticidad de Young”, esta constante te indica que tanto se contrae el  medio. 

Figura 3: Propagación delas partículas sujetas a onda longitudinales.

Figura 4 Cilindro de gas sujeto a esfuerzos de tensión o tracción y compresión.

La onda transversal el movimiento de las moléculas es en dirección perpendicular a la propagación de la onda, las fuerzas perpendiculares a la dirección de la onda son las que desplazan a las partículas figura 5.  Los sólidos, a diferencia los líquidos y gases, aparte del modulo de elasticidad, también tienen rigidez que es la resistencia de las cargas de corte, se le llama “modulo de rigidez”, la cual permite a las partículas   propagarse perpendicularmente a la dirección de la onda. El módulo de rigidez  mide la facilidad o dificultad para deformar por cizalladura (o esfuerzo cortante) al material. En la figura 6 muestra un paralelepípedo  donde se ejerce una fuerza en la parte superior y  se mantiene fija la parte inferior, modulo de rigidez nos indica cuanto  esfuerzo necesita  para deformar al material. Los líquidos y gases no tienen rigidez por lo tanto no existe ondas transversales.

Figura 5: Propagación delas partículas sujetas a onda transversales.

Figura 6 Paralelepípedo solido sujeto a esfuerzos de corte F.

Cuando una onda transversal es configurada para encaminar sobre la superficie de un sólido. El movimiento de la partícula no se desplaza estrictamente en forma perpendicular a la dirección de la onda, si no, en forma elíptica como se muestra en la figura 7. A este tipo de onda se le  llama ondas superficiales o Rayleigh.

Cuando existe un material  con espesores delgados las ondas superficiales tienden a transformarse en ondas Land o guiadas, el espesor para que  aparezca este tipo de onda es aproximadamente la longitud de onda. Ellos ocurren en dos tipos, la simétrica o extensión y la asimétrica o doblado. Las partículas de las zona media, en el tipo simétrica, es puramente longitudinal y en el tipo asimétrica puramente transversal. El resto de las partículas se mueven  en forma elíptica,  como se observa en la figura 7.

Figura 7 Movimiento de las partículas en ondas de Rayleigh y Lamb.

REFERENCIAS

• J. krautkramer y H. krautkramer,Ultrasonic Testing Of Materials, Segunda Edición, 1969,  NewYork.
• www.gphycics.net