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 libre de 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 magnetoestrictivos . Dependiendo del diseño y la orientación de las bobinas y los imanes, se pueden excitar modos de onda de masa de corte horizontal (SH) (haz normal o haz angular), ondas superficiales, ondas de placa como las ondas SH y Lamb , y todo tipo de otros modos de onda de masa y guiada. [1] [2] [3] Después de décadas de investigación y desarrollo, EMAT ha encontrado sus aplicaciones en muchas industrias, como la fabricación y el procesamiento de metales primarios, la industria automotriz, ferroviaria, de tuberías, de calderas y de recipientes a presión , [3] en las que se utilizan típicamente para pruebas no destructivas (NDT) de estructuras metálicas.
Hay dos componentes básicos en un transductor EMAT. Uno es un imán y el otro es una bobina eléctrica. El imán puede ser un imán permanente o un electroimán , que produce un campo magnético estático o cuasiestático. En la terminología EMAT, este campo se denomina campo magnético de polarización. La bobina eléctrica se activa con una señal eléctrica de corriente alterna (CA) a una frecuencia ultrasónica , normalmente en el rango de 20 kHz a 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 con corriente CA también genera un campo magnético CA. Cuando el material de prueba está cerca del EMAT, se generan ondas ultrasónicas en el material de prueba a través de la interacción de los dos campos magnéticos.
Existen dos mecanismos para generar ondas a través de la interacción del campo magnético. Uno es la fuerza de Lorentz cuando el material es conductor. El otro es la magnetostricción cuando el material es ferromagnético.
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 las corrientes parásitas se da solo en una capa muy delgada del material, llamada profundidad superficial. Esta profundidad se reduce con el aumento de la frecuencia de CA, la conductividad del material y la permeabilidad. Normalmente, para una excitación de CA de 1 MHz, la profundidad superficial es solo una fracción de milímetro para metales primarios como el acero, el cobre y el aluminio. La corriente parásita en el campo magnético experimenta la fuerza de Lorentz . En una vista microscópica, la fuerza de Lorentz se aplica a los electrones en la corriente parásita. En una vista macroscópica, la fuerza de Lorentz se aplica a la región de 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 el diseño 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 para el 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 EMAT exitosas se basan en el mecanismo de fuerza de Lorentz. [4]
Un material ferromagnético tendrá un cambio dimensional cuando se le aplica un campo magnético externo. Este efecto se llama magnetostricción . El campo de flujo de un imán se expande o colapsa dependiendo de la disposición del material ferromagnético que tiene voltaje inductor en una bobina y la cantidad de cambio se ve afectada por la magnitud y dirección del campo. [5] La corriente alterna en la bobina eléctrica induce un campo magnético alterna y, por lo tanto, produce magnetostricción a frecuencia ultrasónica en el material. Las perturbaciones causadas por la magnetostricción luego se propagan en el material como una onda ultrasónica.
En el material policristalino, la respuesta de magnetostricción es muy complicada. Se ve afectada por la dirección del campo de polarización, la dirección del campo de la bobina eléctrica de CA, la fuerza del campo de polarización y la amplitud de la corriente de CA. En algunos casos, se pueden observar una o dos respuestas de pico con el aumento del campo de polarización. En algunos casos, la respuesta se puede mejorar significativamente con el cambio de dirección relativa entre el campo magnético de polarización y el campo magnético de CA. Cuantitativamente, la magnetostricción se puede describir 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 al efecto de magnetostricción más fuerte en el níquel que en el acero, se han desarrollado sensores de magnetostricción que utilizan parches de níquel para las pruebas no destructivas de productos de acero.
Como método de prueba ultrasónica (UT), EMAT tiene todas las ventajas de UT en comparación con otros métodos de END. Al igual que las sondas UT piezoeléctricas, las sondas EMAT se pueden utilizar en configuraciones de pulso-eco, emisión-recepción y transmisión directa. Las sondas EMAT también se pueden ensamblar en sondas de matriz en fase, lo que ofrece capacidades de enfoque y dirección del haz. [6]
En comparación con los transductores piezoeléctricos, las sondas EMAT tienen las siguientes ventajas:
Las desventajas del EMAT en comparación con el UT piezoeléctrico se pueden resumir de la siguiente manera:
El EMAT se ha utilizado en una amplia gama de aplicaciones y tiene potencial para utilizarse en muchas otras. A continuación se ofrece una lista breve e incompleta.
Además de las aplicaciones mencionadas anteriormente, que caen dentro de la categoría de pruebas no destructivas , los EMAT se han utilizado en la investigación para 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 submarinos y subterráneos, así como entornos sellados, por ejemplo, la comunicación con un sensor dentro de un tanque de presión.
También se está estudiando el uso de EMAT para aplicaciones biomédicas, [16] en particular para imágenes acústicas electromagnéticas. [17] [18]
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