La propagación del sonido

Comprender la impedancia acústica de las ondas sonoras.

Retrocedamos unos doscientos años. Sir John William Strutt, tercer barón Rayleigh (1842-1919), fue un físico inglés que codescubrió el elemento argón y recibió el Premio Nobel por dicho descubrimiento en 1904.

Sin embargo, Rayleigh también fue reconocido por sus importantes trabajos y contribuciones en los campos de la física cuántica, la óptica y la teoría del sonido. Nombrado profesor Cavendish de Física Experimental en 1879, su primera publicación se había publicado dos años antes, en 1877. Esta nueva teoría aclaró cómo se transmite y se emite el sonido desde diferentes medios. Hizo referencia y experimentó con cuerdas tensadas, campanas, placas de metal y membranas no solo para mostrar sino también para demostrar cómo se transmiten las ondas sonoras a través de diferentes medios, utilizando modelos matemáticos y debates sobre los resultados del experimento.

Sir John William Strutt, tercer barón Rayleigh

En su publicación, Rayleigh afirma que “a menudo basta una observación muy superficial para demostrar que los cuerpos sonoros están en estado de vibración y que los fenómenos del sonido y la vibración están estrechamente relacionados”. Además, “Cuando un dedo toca una campana o una cuerda vibrante, el sonido cesa en el mismo instante en que se amortigua la vibración. Pero, para afectar el sentido del oído, no basta con tener un instrumento vibrante; también debe existir una comunicación ininterrumpida entre el instrumento y el oído”.

¿Qué produce el ultrasonido?

Muchos elementos producen ultrasonidos, y la labor del analista de CBM consiste en identificar qué emisiones ultrasónicas se producen en la zona en la que trabajará, antes de recopilar datos y ondas sonoras .

Cinco categorías comunes de emisiones ultrasónicas se conocen a veces como FITEM : Fricción, Impacto, Turbulencia, Ambientales y Artificiales. La fricción, el impacto y la turbulencia suelen estar directamente relacionados con problemas fluidos, eléctricos o mecánicos, y por lo tanto, son precisamente los fenómenos que se pretenden detectar. Por otro lado, las emisiones ultrasónicas ambientales y artificiales son "antagónicas", lo que significa que compiten y entran en conflicto con las frecuencias del problema en cuestión.

• Fricción: Puede generarse de muchas maneras, como cuando dos superficies se deslizan una contra la otra, ruedan una sobre la otra o cuando un objeto se mueve a través de un gas o un líquido.

• Impacto: Descargas de energía más cortas y de mayor frecuencia causadas por el choque de superficies entre sí.

• Turbulencia: Solo se produce en gases o líquidos cuando interactúan con diversas superficies.

• Medioambiental: La presencia de ultrasonidos de forma natural no es infrecuente incluso en entornos industriales, como nidos de avispas y refugios de murciélagos.

• Objetos fabricados por el hombre: Los sensores de movimiento, los repelentes de plagas, los limpiadores industriales, los paneles de visualización, los monitores y muchos otros objetos fabricados por el hombre pueden emitir frecuencias ultrasónicas como subproducto de su función prevista.

Como inspector de ultrasonidos, es importante recordar que la onda sonora es una vibración del medio por el que se propaga . Dicho medio debe ser elástico para que pueda transmitir su energía sin interferencias con la herramienta o el módulo del inspector.

Ley del cuadrado inverso

Por cada duplicación de la distancia a la fuente del sonido, la intensidad sonora disminuye en 6 dB. Este conocimiento es crucial para la detección de emisiones ultrasónicas, ya que la distancia a la fuente influye directamente en las mediciones. Si partimos de una distancia de 30 cm (1 pie) sin pérdida de dB, la pérdida sería de 6 dB a 60 cm (2 pies) y de 32 dB a 9 metros (30 pies).

Ahora conocemos con gran detalle cómo se atenúa la energía acústica a lo largo de la distancia en un entorno gaseoso, y cómo la influencia atmosférica puede afectar la propagación de una onda sonora a través de dicho medio. Sin embargo, la Ley del Cuadrado Inverso (y las mediciones correspondientes mencionadas anteriormente) presuponen que el sonido se propaga en un campo libre, sin verse afectado por otros factores externos. En la práctica, esto no siempre es así. A continuación, se muestran seis de las impedancias de energía sonora más comunes.

Impedancias acústicas - Aire

• Transmisión: Transmisiones de ultrasonido que viajan a través de un medio atmosférico. Debemos tener en cuenta que el sonido viaja a menor velocidad a través de una atmósfera gaseosa, en comparación con un medio sólido o líquido . Por ejemplo, se puede oír un tren a kilómetros de distancia acercando el oído a la vía ( sólido : partículas de alta densidad ). Las ballenas pueden comunicarse entre sí bajo el agua a kilómetros de distancia con un retraso mínimo ( líquido : partículas de densidad moderada ). El sonido del trueno a veces tarda varios segundos en oírse después de que cae un rayo ( gas : partículas de menor densidad). Todas estas son transmisiones de sonido.

• Reflexión: Se produce cuando una onda sonora rebota en una superficie plana. El punto de reflexión (también conocido como ángulo de incidencia) a menudo se confunde con la fuente original del ultrasonido. Por ejemplo, si se ha detectado una emisión ultrasónica con un detector de ultrasonido, pero la ubicación identificada no presenta ninguna fuente posible de ultrasonido, es posible que se haya localizado un punto de reflexión donde rebotó la onda sonora ultrasónica original.

• Refracción: Al igual que la reflexión, la refracción se refiere al paso de una onda sonora de un medio a otro. Sin embargo, mientras que la reflexión ocurre en una superficie sólida, la refracción generalmente tiene lugar en un líquido (un estado de la materia que permite el paso de la energía sonora). La onda sonora refractada experimentará la influencia de la elasticidad y la densidad del nuevo medio (también conocidas como su índice de refracción). Esto permite calcular el efecto del material en la velocidad de la energía del nuevo sonido al viajar a través del nuevo medio, en comparación con la del medio original, utilizando la Ley de Snell.

• Difracción: El cambio de dirección de una onda sonora al curvarse alrededor de un espacio o al propagarse/comprimirse a través de él. La difracción suele ocurrir cuando una onda sonora pasa por una abertura muy pequeña. Escuchar a alguien hablar desde detrás de una esquina es también un ejemplo común de difracción, ya que la onda sonora se curva alrededor del espacio y lo atraviesa hasta llegar al oído del oyente.

• Absorción: La absorción acústica se refiere a la capacidad de un medio para capturar una porción de la energía sonora recibida . Los materiales sólidos y porosos, como la espuma o la fibra de vidrio, son ejemplos comunes de materiales fonoabsorbentes. La porción absorbida de la onda sonora original se transforma en una forma de energía completamente nueva (generalmente calor) y se transmite fuera del material. La porción restante de la onda sonora que no fue absorbida se refleja .

• Dispersión: Proceso por el cual una onda sonora interactúa con una superficie particularmente rugosa, generando múltiples ondas sonoras nuevas con energía reducida. Estas ondas resultantes tienen direcciones y amplitudes impredecibles, lo que dificulta contrarrestar la dispersión durante la detección ultrasónica.

Impedancias acústicas: efecto de la densidad:

Además de los factores mencionados anteriormente, la velocidad real de una onda mecánica (sonora) que viaja a través de un medio es directamente proporcional a la temperatura, la elasticidad y la densidad de dicho medio. Los diferentes medios provocarán distintos grados de retraso debido a sus propiedades de absorción y reemisión.

Cuanto más cálido y denso sea el material, más juntos estarán los átomos y más rápido viajará el sonido a través de él. Por eso, las ondas mecánicas, como el sonido, no pueden existir en el espacio. Las ondas mecánicas requieren un medio físico para propagarse. El espacio es un vacío , donde los átomos están tan separados que la propagación del sonido no puede ocurrir. A continuación se muestran las velocidades del sonido en diversos materiales comunes.

De la propagación del sonido a la detección de fugas por ultrasonidos

Ahora que hemos aprendido más sobre los factores externos y ambientales y las impedancias, existen algunos consejos generales y buenas prácticas que deben utilizarse al realizar la detección ultrasónica. Los entornos industriales donde suelen presentarse problemas ultrasónicos suelen ser ruidosos, caóticos y estar llenos de ondas sonoras que abarcan todo el espectro acústico. Es importante saber cómo contrarrestar los ultrasonidos antagonistas y el ruido que compite con ellos, y así obtener datos precisos.

1. Antes de comenzar el proceso de detección, acote la sala con sonido para obtener una mejor comprensión inicial del espacio y determinar la ubicación aproximada de cualquier anomalía ultrasónica.

2. Si tiene una fuga de aire comprimido, existen algunos consejos comunes que pueden ayudarle a identificar el origen:

   1. Confirme que los sistemas estén completamente presurizados.

   2. Siga el recorrido de las tuberías desde el compresor.

   3. Confirme que todas las válvulas pertinentes estén abiertas.

3. Si utiliza el PROSARIS OL2 Puck para centralizar la ubicación de origen, es importante implementar las siguientes mejores prácticas:

   1. Reduzca físicamente la distancia a la fuente. Una vez que comience a localizar la fuente, el siguiente paso lógico es acercarse para obtener una ubicación más precisa. Sin embargo, recuerde ajustar el control deslizante de Distancia en la aplicación PROSARIS de su tableta cuando se encuentre dentro del rango de 1,8 metros (6 pies). Esto garantizará que los cálculos de los registros sean correctos.

   2. Inspeccione en todas las direcciones alrededor de la fuente de la emisión. Es común encontrar otras fugas cerca. Estas fugas podrían confundirse con la principal a menos que se acerque lo suficiente para confirmar la presencia de múltiples fuentes.

4. Si tiene dificultades para localizar la fuga, ya sea por otras fugas o por ultrasonidos antagonistas en general, intente implementar una técnica de blindaje. La forma más sencilla de hacerlo es colocarse entre la fuente objetivo y las demás emisiones ultrasónicas no deseadas.

   1. En caso de apuro, incluso se puede utilizar un trozo de cartón o un portapapeles para bloquear temporalmente cualquier fuente de ultrasonido antagónica restante.

   2. Cubrir una fuga con un trapo también ayuda a amortiguar el ruido en la zona. Esto facilita el aislamiento, especialmente en el caso de fugas a baja altura.

El conocimiento es uno de los elementos más valiosos a la hora de realizar con éxito trabajos de detección ultrasónica. Comprender la ciencia que hay detrás del sonido le permitirá siempre saber qué técnicas, estrategias y herramientas son las más adecuadas para cada tarea.