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Impedancia acústica en la reflexión ultrasónica

1920
Científico realizando pruebas ultrasónicas para medir la impedancia acústica en un laboratorio.

Acústico La impedancia ([latex]Z[/latex]) es la resistencia intrínseca de un material al flujo acústico, definida como su densidad ([latex]\rho[/latex]) multiplicada por su velocidad acústica ([latex]c[/latex]), por lo que [latex]Z = \rho c[/latex]. El porcentaje de ultrasónico La energía reflejada en el límite entre dos materiales se rige por la diferencia, o desajuste, de sus impedancias acústicas respectivas. Este principio es el que hace posible la detección de defectos.

El concepto de impedancia acústica es análogo al de impedancia eléctrica en los circuitos y es fundamental para comprender cómo interactúan las ondas ultrasónicas con los materiales. Cuando una onda que viaja a través de un material (Material 1) encuentra una interfaz con un segundo material (Material 2), parte de la onda se refleja y parte se transmite. La cantidad de reflexión se cuantifica mediante el coeficiente de reflexión ([latex]R[/latex]), que depende de las impedancias acústicas de los dos materiales, [latex]Z_1[/latex] y [latex]Z_2[/latex].

Para una onda con incidencia normal, el coeficiente de reflexión de la presión viene dado por [latex]R = (Z_2 - Z_1) / (Z_2 + Z_1)[/latex]. La intensidad de la onda reflejada, que es lo que se suele medir, es proporcional al cuadrado de este valor. Un gran desajuste en la impedancia, como entre el acero ([latex]Z aproximadamente 45 veces 10^6[/latex] Pa-s/m) y el aire ([latex]Z aproximadamente 415[/latex] Pa-s/m), da lugar a un coeficiente de reflexión muy elevado (casi 100%). Esta es la razón por la que las grietas y huecos internos, que están llenos de aire o gas, son tan fácilmente detectables con ultrasonidos; actúan como reflectores casi perfectos.

Por el contrario, si dos materiales tienen impedancias acústicas muy similares, la mayor parte de la energía sonora pasará a través de la interfaz con una reflexión mínima. Este principio se aprovecha en el diseño de acoplantes ultrasónicos (geles o líquidos utilizados entre el transductor y la pieza de prueba) y capas de adaptación del transductor, diseñadas para tener una impedancia intermedia entre el elemento transductor y el material de prueba para maximizar la transmisión de energía y mejorar la calidad de la señal.

UNESCO Nomenclature: 3301
- Acústica

Tipo

Principio físico

Disrupción

Fundacional

Utilización

Uso generalizado

Precursores

  • La obra fundacional de Lord Rayleigh sobre la teoría de las ondas y la acústica ('The Theory of Sound')
  • Estudios de la propagación del sonido en sólidos y fluidos realizados por físicos del siglo XIX
  • desarrollo del continuo mecánica para describir las propiedades del material
  • Las primeras investigaciones sobre sonares requerían comprender la reflexión acústica de los objetos.

Aplicaciones

  • Pruebas no destructivas para la detección de grietas (interfaz metal-aire)
  • Imágenes médicas para distinguir entre diferentes tejidos y órganos
  • Diseño de capas de adaptación acústica para transductores para mejorar la transmisión de energía
  • Prospección geofísica mediante reflexión sísmica para mapear la geología del subsuelo
  • diseño de sistemas de limpieza ultrasónica

Patentes:

NA

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Relacionado con: impedancia acústica, coeficiente de reflexión, ensayos ultrasónicos, END, propiedad del material, densidad, velocidad acústica, interfaz, desajuste, física de ondas.

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