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Introducción al Sonido y Ultrasonido

Clasificación de las ondas sonoras según la frecuencia
Velocidad de Onda en el agua y el acero. (3.2)
El ultrasonido en el campo industrial se puede calificar como una de las técnicas que se implementan para la detección de discontinuidades en los materiales y medición de espesores. Ahora bien, para definir el ultrasonido hay que hablar acerca del sonido. El sonido básicamente es una propagación de energía mecánica a través de un medio que puede ser sólido, liquido o gaseoso. La vibración de las ondas sonoras ocurre en un rango de frecuencia de 16 a 20.000 Hz. Dichas ondas son las que permiten la comunicación entre individuos y, por lo tanto, fundamental para nuestro día a día. El ser humano solo es capaz de percibir frecuencias superiores a 20 Hz e inferiores a 20.000Hz. En la siguiente figura podemos ver la clasificación de las ondas sonoras en función de la frecuencia. El ultrasonido se caracteriza por tener una frecuencia mayor a 20.000 Hz. Al igual que el sonido, el ultrasonido requiere de un medio físico para poder propagarse y por lo tanto no podrá propagarse en el vacío. La ventaja primordial que ofrece el ultrasonido es que a frecuencias mayores a 100 kHz la onda forma un haz ultrasónico que puede utilizarse para evaluar los materiales ya que el haz sigue las reglas físicas de la óptica.

Ondas, Propagación y Vibración

Como mencionamos anteriormente sabemos que el sonido es una propagación de energía mecánica a través de un medio. Pero hablemos un poco acerca de la naturaleza del sonido.

Si evaluamos como los seres humanos escuchamos podemos decir que el sonido se genera desde un punto en el espacio (una persona hablando) y el sonido viaje desde esa fuente hasta el sistema auditivo de la persona. Entonces podemos afirmar que el sonido viaja en el medio.

Si pensamos en como el sonido viaja deberíamos pensar en que toda onda audible es resultado de una vibración sonora, en el caso de una persona hablando seria la vibración de las cuerdas vocales. Si evaluamos la física de las vibraciones entenderemos que a partir de una oscilación se generan las ondas.

Como podemos ver las vibraciones mecánicas se caracterizan por tener movimientos ondulatorios. Dicho movimiento se propaga a través de las partículas del medio y es por ello que la existencia de un medio es fundamental para la propagación de las ondas. Ya que la energía se propaga de una partícula a la próxima para poder desplazarse.

Ese movimiento se realiza debido a que las partículas salen de su estado de equilibrio, el hecho de que la partícula salga de su estado de equilibrio genera esfuerzos internos que básicamente son energía cinética que se tiene acumulada.

Cuando la partícula sale del equilibrio genera compresiones y rarefacciones que básicamente se comportan como un resorte entre las partículas y esto produce dos cosas. La primera seria que el material vuelva a su posición original y por otra parte permite el movimiento de las ondas.

Propiedades Físicas de la Onda

Para definir ciertos parámetros de la onda es mejor hacerlo haciendo uso de una ilustración. En la siguiente imagen se presenta una onda siendo evaluada en función del tiempo y la amplitud.Lo primero que debemos aclarar es que la onda se evalúa en función del tiempo y de la amplitud. El tiempo permite observar la oscilación de la onda y la amplitud define el tamaño de la onda.
http://picasion.com/
Ondas
  • Periodo (T): El periodo (T) es el tiempo que le toma a la onda efectuar un ciclo, su unidad es el segundo.
  • Ciclo: El ciclo se refiere al movimiento completo de la onda. Se puede definir como el movimiento que tiene que seguir para regresar al punto de partida, entre dos picos, por ejemplo.
  • Longitud de Onda: Es la longitud de un ciclo. Se puede decir que es la distancia entre los picos. La longitud de onda se representa con el símbolo lambda (λ). La distancia entre un pico y otro también se puede definir como una compresión y una rarefacción.
  • Amplitud: Define el tamaño de la onda. Se mide desde el eje central de la onda hasta el pico de la onda, tal y como se aprecia en la Figura 2.2.1.
  • Frecuencia: La Frecuencia de una onda es el número de veces que una onda cumple un ciclo en una determinada cantidad de tiempo, generalmente representado por segundo. La frecuencia se mide en Hertz (Hz), en donde 1 Hz representa 1 ciclo por segundo. La frecuencia se puede calcular haciendo uso de la siguiente ecuación: F [Hz]= 1/(T [s])

Velocidad de la Onda

Como ya hemos comentado anteriormente sabemos que si la onda se propaga por un medio debe tener una velocidad de propagación.
Si usamos la definición de velocidad sabemos que podemos calcular la velocidad sabiendo la distancia recorrida y dividiéndola por el tiempo que tomo recorrer dicha distancia.

La velocidad se puede expresar en diversas unidades, pero para los sistemas ultrasónicos y para disminuir los cálculos matemáticos se suele utilizar la unidad de kilómetros por segundo [km/s], también se suele utilizar la unidad de centímetros por microsegundos [cm/µs].

Si hablamos de las ondas podemos calcular su velocidad de propagación, pero esta se ve afectada por diversos factores que hay que tomar en cuenta. Observemos la siguiente animación: (3.2)

Como podemos apreciar la onda tiene distintas velocidades dependiendo del medio de propagación que tenga. Para sintetizar un poco los factores que pueden afectar la velocidad de la onda establecemos los siguientes puntos:

  • Densidad del material
  • Elasticidad del material
  • Modo de la onda
  • Temperatura del material
Velocidad de Onda en el agua y el acero. (3.2)
Moléculas de Medios de Propagación
Moléculas de Medios de Propagación

A partir de los puntos a y b podemos decir que la velocidad de la onda variara dependiendo del material por el cual se propague.
En el croquis que se tiene de los estados de la materia se puede apreciar que no todos los estados son iguales y se ve como el estado sólido posee una mayor densidad de átomos, esto evidentemente tendrá un impacto en la propagación de la onda y por ende en su velocidad.

Del punto c podemos establecer que las ondas tienen diversos modos para su propagación. Dicho modo afectara la velocidad de la propagación. Mas adelante explicaremos los modos de propagación de las ondas.

Del punto d podemos decir que el cambio de temperatura afectara la velocidad de propagación.

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