Campo cercano y campo lejano en un Transductor UT

Campo cercano

El día de hoy explicaremos ¿Qué es el campo cercano y campo lejano en un Transductor de Ultrasonido UT?

Al aplicar una señal eléctrica a un transductor vibra generando ondas ultrasónicas debido al material piezoeléctrico contenido en su interior pero no vibra en forma uniforme, lo hace emitiendo pequeñas ondas en la misma dirección, pero ligeramente fuera de fase con respecto a las demás dando como resultado muchas ondas que interactúan entre sí.

Este efecto se puede observar cuando se avienta una piedra al agua y al caer se generan muchas ondas pequeñas que conforme van avanzando en el agua se combinan hasta generar ondas uniformes.

Cuando las ondas interactúan varían irregularmente presentando máximos y mínimos.

En el campo cercano se pueden detectar discontinuidades, medir espesores o conocer la profundidad a la que se encuentra una discontinuidad, pero debido a las variaciones esta zona no es recomendada para hacer una evaluación en amplitud y en algunas ocasiones se utiliza una CURVA DAC. 

Después del campo cercano tenemos el campo lejano en donde se presentan variaciones proporcionales en los ecos y la perdida de amplitud será uniforme es decir que tenemos una señal más estable.

ilustración campo cercano y campo lejano de un transductor ultrasónico

En el campo lejano, el haz se propaga siguiendo un patrón que se origina en el centro del transductor. El cambio entre el campo cercano y el campo lejano se puede visualizar en el barrido A que hemos hecho con ayuda de nuestro equipo Wave de Sonatest 

La  distancia del campo cercano,  puede calcularse de forma teórica por la siguiente formula:

D2f/4v

Donde:

N= Es la Longitud del campo cercano

D= es el Diámetro del transductor  

F= es la Frecuencia que estamos utilizando en el transductor

V= velocidad de la onda ultrasónica dentro del material

Por ejemplo:

Si tenemos un bloque de acero 4140 que tiene una velocidad ultrasónica de 0.232 pulg/useg con 3 pulgadas de espesor y barrenos laterales a diferentes profundidades.

Y queremos inspeccionar con transductores de 5Mhz a diferentes diámetros

Al sustituir en la formula con 5Mhz y 1/4 de pulgada de diámetro nos da como resultado un campo cercano de 0.330 pulgadas

Si cambiamos por un transductor con la misma frecuencia y aumentamos el diámetro a ½ pulgada el campo cercano aumenta a 1.34 pulgadas

Y con un transductor de 1 pulgada aumenta a 5.38 pulgadas

Utilizando un diámetro de ¼ de pulgada se aprecia que la longitud del campo cercano es menor a la profundidad de nuestro primer barreno, lo que nos permite  evaluarlo, en cambio conforme va aumentando el diámetro, aumenta la longitud  del campo cercano, lo que provoca que las indicaciones que estén más cerca de la superficie de contacto queden dentro del campo cercano y las amplitudes en los ecos no sean proporcionales lo que significa que las evaluaciones  en amplitud en esa zona no son recomendables.

Ahora bien, si variamos la frecuencia y fijamos el diámetro del transductor

Al sustituir en la formula con 1/2 pulgada de diámetro y 2.25 MHz nos da como resultado un campo cercano de 0.606 pulgadas

Si cambiamos por un transductor con el mismo diámetro y una frecuencia de 5mhz   el campo cercano aumenta a 1.34 pulgadas

Y con un transductor de 7.5 MHz aumenta a 2.02 pulgadas

En conclusión, podemos decir que cuando aumenta la frecuencia o diámetro del nuestro transductor, de igual manera aumenta la longitud de nuestro campo cercano, haciendo más difícil la evaluación de las discontinuidades que se encuentren más cerca de la superficie de contacto entre el transductor y nuestra pieza de inspección.

En algunas aplicaciones de ultrasonido se utilizan transductores con línea de retardo para materiales con espesores pequeños y que el campo cercano quede dentro del material de la línea de retardo y no afecte en la medición.

Con esto demostramos que al variar el diámetro o la frecuencia de nuestro transductor la longitud del campo cercano puede modificarse de acuerdo a nuestra aplicación.