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Transductor acústico electromagnético

Se muestra un transductor ultrasónico (UT) EMAT junto con un transductor ultrasónico piezoeléctrico convencional . Un transductor acústico electromagnético ( EMAT ) es un transd...

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Se muestra un transductor ultrasónico (UT) EMAT junto con un transductor ultrasónico piezoeléctrico convencional .

Un transductor acústico electromagnético ( EMAT ) es un transductor para la generación y recepción de ondas acústicas sin contacto en materiales conductores. Su efecto se basa en mecanismos electromagnéticos , que no necesitan acoplamiento directo con la superficie del material. Debido a esta característica sin acoplante, los EMAT son particularmente útiles en entornos hostiles, es decir, calientes, fríos, limpios o secos. Los EMAT son adecuados para generar todo tipo de ondas en materiales metálicos y/o magnetostrictivos . Dependiendo del diseño y la orientación de las bobinas y los imanes, se pueden excitar modos de onda volumétrica horizontal de corte (SH) (haz normal o haz angular), ondas superficiales , ondas de placa como ondas SH y ondas Lamb , y todo tipo de otros modos de onda volumétrica y guiada. [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] Después de décadas de investigación y desarrollo , el EMAT ha encontrado aplicaciones en muchas industrias como la fabricación y el procesamiento de metales primarios, la automotriz, ferroviaria, de oleoductos, calderas y recipientes a presión , [ 3 ] en las que se utilizan típicamente para ensayos no destructivos (END) de estructuras metálicas.

Componentes básicos

Un transductor EMAT consta de dos componentes básicos: un imán y una bobina eléctrica. El imán puede ser permanente o electroimán , y genera un campo magnético estático o cuasiestático. En la terminología EMAT, este campo se denomina campo magnético de polarización. La bobina eléctrica se alimenta con una señal eléctrica de corriente alterna (CA) a frecuencia ultrasónica , generalmente entre 20 kHz y 10 MHz. Según las necesidades de la aplicación, la señal puede ser una onda continua, un pulso de pico o una señal de ráfaga de tono. La bobina eléctrica, al recibir corriente alterna, también genera un campo magnético de CA. Cuando el material de prueba se encuentra cerca del EMAT, se generan ondas ultrasónicas en dicho material debido a la interacción de los dos campos magnéticos.  

Mecanismo de transducción

Existen dos mecanismos para generar ondas mediante la interacción de campos magnéticos. Uno es la fuerza de Lorentz cuando el material es conductor. El otro es la magnetostricción cuando el material es ferromagnético .

fuerza de Lorentz

La corriente alterna en la bobina eléctrica genera corrientes parásitas en la superficie del material. Según la teoría de la inducción electromagnética , la distribución de estas corrientes se limita a una capa muy delgada del material, denominada profundidad de penetración. Esta profundidad disminuye con el aumento de la frecuencia de la corriente alterna, la conductividad del material y la permeabilidad. Típicamente, para una  excitación de corriente alterna de 1 MHz, la profundidad de penetración es de tan solo una fracción de milímetro en metales primarios como el acero, el cobre y el aluminio. Las corrientes parásitas en el campo magnético experimentan la fuerza de Lorentz . A nivel microscópico, la fuerza de Lorentz actúa sobre los electrones de las corrientes parásitas. A nivel macroscópico, la fuerza de Lorentz actúa sobre la superficie del material debido a la interacción entre electrones y átomos. La distribución de la fuerza de Lorentz está controlada principalmente por el diseño del imán y de la bobina eléctrica, y se ve afectada por las propiedades del material de prueba, la posición relativa entre el transductor y la pieza de prueba, y la señal de excitación del transductor. La distribución espacial de la fuerza de Lorentz determina la naturaleza precisa de las perturbaciones elásticas y cómo se propagan desde la fuente. La mayoría de las aplicaciones exitosas de EMAT se basan en el mecanismo de la fuerza de Lorentz. [ 4 ]

magnetostricción

Un material ferromagnético experimenta un cambio dimensional al aplicarle un campo magnético externo. Este efecto se denomina magnetostricción . El campo magnético de un imán se expande o contrae según la disposición del material ferromagnético que recibe la tensión inducida en una bobina, y la magnitud del cambio depende de la magnitud y la dirección del campo. [ 5 ] La corriente alterna en la bobina eléctrica induce un campo magnético alterno, produciendo así magnetostricción a frecuencia ultrasónica en el material. Las perturbaciones causadas por la magnetostricción se propagan en el material como una onda ultrasónica.

En materiales policristalinos, la respuesta de magnetostricción es muy compleja. Se ve afectada por la dirección del campo de polarización, la dirección del campo de la bobina eléctrica de CA, la intensidad del campo de polarización y la amplitud de la corriente alterna. En algunos casos, se puede observar una o dos respuestas máximas al aumentar el campo de polarización. En otros casos, la respuesta puede mejorar significativamente al cambiar la dirección relativa entre el campo magnético de polarización y el campo magnético de CA. Cuantitativamente, la magnetostricción puede describirse en un formato matemático similar al de las constantes piezoeléctricas. [ 5 ] Empíricamente, se necesita mucha experiencia para comprender completamente el fenómeno de la magnetostricción.

El efecto de magnetostricción se ha utilizado para generar ondas de tipo SH y de tipo Lamb en productos de acero. Recientemente, debido a que el efecto de magnetostricción es más intenso en el níquel que en el acero, se han desarrollado sensores de magnetostricción que utilizan parches de níquel para el ensayo no destructivo de productos de acero.

Comparación con transductores piezoeléctricos

Como método de ensayo ultrasónico (UT), EMAT presenta todas las ventajas de UT en comparación con otros métodos de END. Al igual que las sondas piezoeléctricas de UT, las sondas EMAT pueden utilizarse en configuraciones de pulso-eco, transmisión-recepción y transmisión directa. Las sondas EMAT también pueden ensamblarse en sondas de matriz de fase , lo que proporciona capacidades de enfoque y direccionamiento del haz . [ 6 ]

Ventajas

En comparación con los transductores piezoeléctricos, las sondas EMAT presentan las siguientes ventajas:

  1. No se necesita acoplante. Gracias al mecanismo de transducción de EMAT, no se requiere acoplante. Esto hace que EMAT sea ideal para inspecciones a temperaturas inferiores al punto de congelación y superiores al punto de evaporación de los acoplantes líquidos. Además, resulta conveniente en situaciones donde la manipulación de acoplantes sería poco práctica.
  2. EMAT es un método sin contacto. Si bien se prefiere la proximidad, no se requiere contacto físico entre el transductor y la muestra analizada.
  3. Inspección en seco. Dado que no se necesita acoplante, la inspección EMAT se puede realizar en un ambiente seco.
  4. Menos sensible a las condiciones de la superficie. Con los transductores piezoeléctricos de contacto, la superficie de prueba debe estar mecanizada con precisión para garantizar el acoplamiento. Con EMAT, los requisitos de suavidad de la superficie son menos estrictos; el único requisito es eliminar la cascarilla suelta y otras impurezas.
  5. Facilita la instalación de sensores. Al utilizar un transductor piezoeléctrico, el ángulo de propagación de la onda en la pieza de prueba se ve afectado por la ley de Snell . Como resultado, una pequeña variación en la instalación del sensor puede provocar un cambio significativo en el ángulo de refracción.
  6. Es más fácil generar ondas de tipo SH. Con transductores piezoeléctricos, la onda SH es difícil de acoplar a la pieza de prueba. EMAT proporciona un medio conveniente para generar ondas SH volumétricas y ondas SH guiadas.

Desafíos y desventajas

Las desventajas de EMAT en comparación con UT piezoeléctrico se pueden resumir de la siguiente manera:

  1. Baja eficiencia de transducción. Los transductores EMAT suelen generar una señal bruta de menor potencia que los transductores piezoeléctricos. Por consiguiente, se requieren técnicas de procesamiento de señal más sofisticadas para aislar la señal del ruido.
  2. Limitado a productos metálicos o magnéticos. El ensayo no destructivo de materiales plásticos y cerámicos no es adecuado, o al menos no resulta conveniente, utilizando EMAT.
  3. Limitaciones de tamaño. Si bien existen transductores EMAT del tamaño de una moneda de un centavo, los transductores de uso común son de gran tamaño. Los problemas relacionados con los EMAT de bajo perfil aún se encuentran en fase de investigación y desarrollo. Debido a estas limitaciones de tamaño, también resulta difícil fabricar un arreglo de fase EMAT con elementos muy pequeños.
  4. Se debe tener precaución al manipular imanes cerca de productos de acero.

Aplicaciones

EMAT se ha utilizado en una amplia gama de aplicaciones y tiene el potencial de utilizarse en muchas otras. A continuación se presenta una lista breve e incompleta.

  1. Medición de espesor para diversas aplicaciones [ 7 ]
  2. Detección de defectos en productos de acero
  3. Inspección de defectos de laminación de placas
  4. Detección de laminación de estructura unida [ 8 ] [ 9 ]
  5. Inspección de soldadura láser para componentes de automoción
  6. Inspección de soldadura para unión de bobinas, tubos y tuberías [ 10 ]
  7. Inspección de oleoductos en servicio [ 11 ] [ 12 ]
  8. Inspección de rieles y ruedas de ferrocarril
  9. Inspección de soldaduras austeníticas para la industria energética [ 6 ]
  10. Caracterización de materiales [ 13 ] [ 14 ]

Además de las aplicaciones mencionadas anteriormente, que se engloban en la categoría de ensayos no destructivos , los EMAT se han utilizado en la investigación de la comunicación ultrasónica , donde generan y reciben una señal acústica en una estructura metálica. [ 15 ] La comunicación ultrasónica es particularmente útil en áreas donde no se puede utilizar la radiofrecuencia. Esto incluye entornos subacuáticos y subterráneos, así como entornos sellados, por ejemplo, la comunicación con un sensor dentro de un tanque de presión.

El uso de EMAT también está en estudio para aplicaciones biomédicas, [ 16 ] en particular para imágenes acústicas electromagnéticas. [ 17 ] [ 18 ]

Referencias

  1. ↑ RB Thompson, Principios físicos de las mediciones con transductores EMAT, Métodos de medición ultrasónica, Acústica física Vol. XIX, Editado por RN Thurston y Allan D. Pierce, Academic Press, 1990
  2. ↑ BW Maxfield, A. Kuramoto y JK Hulbert, Evaluación de diseños EMAT para aplicaciones seleccionadas, Mater. Eval. , Vol. 45, 1987, pág. 1166
  3. 1 2 Tecnologías Innerspec
  4. ↑ BW Maxfield y Z. Wang, 2018, Transductores acústicos electromagnéticos para evaluación no destructiva, en ASM Handbook, Volumen 17: Evaluación no destructiva de materiales , ed. A. Ahmad y LJ Bond, ASM International, Materials Park, OH, pp. 214–237.
  5. 1 2 Masahiko Hirao y Hirotsugu Ogi, EMATS para la ciencia y la industria, Kluwer Academic Publishers, 2003
  6. 1 2 Gao, H., y B. Lopez, "Desarrollo de EMAT de un solo canal y de matriz de fases para la inspección de soldaduras austeníticas", Materials Evaluation (ME), Vol. 68(7), 821-827,(2010).
  7. ^ M Gori, S Giamboni, E D'Alessio, S Ghia y F Cernuschi, 'Transductores EMAT y caracterización de espesor en tubos de calderas envejecidos', Ultrasónicos 34 (1996) 339-342.
  8. ↑ S Dixon, C Edwards y SB Palmer, 'Análisis de uniones adhesivas mediante transductores acústicos electromagnéticos', Ultrasonics Vol. 32 No. 6, 1994.
  9. ↑ H. Gao, SM Ali y B. Lopez, "Detección eficiente de delaminación en estructuras multicapa utilizando EMAT de ondas guiadas ultrasónicas" en NDT&E International Vol. 43 Junio ​​2010, pp: 316-322.
  10. ↑ H. Gao, B. Lopez, SM Ali, J. Flora y J. Monks (Innerspec Technologies), "Pruebas en línea de tubos ERW utilizando EMAT de ondas guiadas ultrasónicas" en el 16º Congreso Nacional de Mecánica Teórica y Aplicada de EE. UU. (USNCTAM2010-384), State College, PA, EE. UU., del 27 de junio al 2 de julio de 2010.
  11. ↑ M Hirao y H Ogi, 'Una técnica EMAT de onda SH para la inspección de gasoductos', NDT&E International 32 (1999) 127-132
  12. ↑ Stéphane Sainson, 'Inspección en línea de tuberías : principios y métodos, ed. Lavoisier 2007'
  13. ↑ H. Ogi, H. Ledbetter, S. Kim y M. Hirao, "Espectroscopia de ultrasonido de resonancia selectiva de modo sin contacto: resonancia acústica electromagnética", Journal of the ASA, vol. 106, pp. 660-665, 1999.
  14. ↑ MP da Cunha y JW Jordan, "Transductor EMAT longitudinal mejorado para la extracción de constante elástica", en Proc. IEEE Inter. Freq. Contr. Symp, 2005, pp. 426-432.
  15. ↑ X. Huang, J. Saniie, S. Bakhtiari y A. Heifetz, "Diseño de un sistema de comunicación ultrasónica utilizando un transductor acústico electromagnético", en 2018 IEEE International Ultrasonics Symposium (IUS), 2018, pp. 1–4.
  16. ↑ Liu S, Zhang R, Zheng Z, Zheng Y (2018). "Detección electromagnética - acústica para aplicaciones biomédicas" . Sensors . 18 (10): 3203. Bibcode : 2018Senso..18.3203L . doi : 10.3390/ s18103203 . PMC 6210000. PMID 30248969 .  {{cite journal}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
  17. ↑ Emerson JF, Chang DB, McNaughton S, Emerson EM, Cerwin SA (2021). "Métodos de imágenes acústicas electromagnéticas: resolución, relación señal-ruido y contraste de imagen en fantomas" . Journal of Medical Imaging . 8 (6) 067001. doi : 10.1117/1.JMI.8.6.067001 . PMC 8685282. PMID 34950749 .  {{cite journal}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
  18. ↑ Boonsang S, Richard J. Dewhurst (marzo de 2014). Un sistema de imágenes láser-EMAT de alta sensibilidad para aplicaciones biomédicas . Congreso Internacional de Ingeniería Eléctrica de 2014 (iEECON). doi : 10.1109/iEECON.2014.6925962 .

Códigos y normas

  • ASTM E1774-96 Guía estándar para transductores acústicos electromagnéticos (EMAT)
  • ASTM E1816-96 Práctica estándar para exámenes ultrasónicos mediante tecnología de transductores acústicos electromagnéticos (EMAT).
  • Métodos de ensayo estándar ASTM E1962-98 para exámenes ultrasónicos de superficies mediante tecnología de transductores acústicos electromagnéticos (EMAT).
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