La emisión acústica ( EA ) es el fenómeno de radiación de ondas acústicas (elásticas) en sólidos que ocurre cuando un material sufre cambios irreversibles en su estructura interna, por ejemplo como resultado de la formación de grietas o deformación plástica debido al envejecimiento, gradientes de temperatura o fuerzas mecánicas externas. [1]
En particular, la EA ocurre durante los procesos de carga mecánica de materiales y estructuras acompañados de cambios estructurales que generan fuentes locales de ondas elásticas . [2] Esto da como resultado pequeños desplazamientos superficiales de un material producidos por ondas elásticas o de tensión [3] generadas cuando la energía elástica acumulada en un material o en su superficie se libera rápidamente. [4] [5] [6]
El mecanismo de emisión del pulso elástico primario AE (acto o evento AE) puede tener una naturaleza física diferente. La figura muestra el mecanismo del acto (evento) AE durante la nucleación de una microfisura debido a la ruptura de la acumulación de dislocaciones (la dislocación es un defecto lineal en la red cristalina de un material) a través del límite en metales con una red cúbica centrada en el cuerpo (bcc) bajo carga mecánica, así como diagramas de tiempo del flujo de actos (eventos) AE (1) y el flujo de señales AE registradas (2). [5] [6]
El método AE permite estudiar la cinética de los procesos en las primeras etapas de microdeformación, nucleación de dislocaciones y acumulación de microfisuras. En términos generales, cada grieta parece "gritar" sobre su crecimiento. Esto permite diagnosticar el momento de origen de la grieta por el AE que la acompaña. Además, para cada grieta que ya ha surgido, existe un cierto tamaño crítico, que depende de las propiedades del material. [5] [6] Hasta este tamaño, la grieta crece muy lentamente (a veces durante décadas) a través de una gran cantidad de pequeños saltos discretos acompañados de radiación AE. Después de que la grieta alcanza un tamaño crítico, se produce una destrucción catastrófica, porque su crecimiento posterior ya se produce a una velocidad cercana a la mitad de la velocidad del sonido en el material de la estructura. Con la ayuda de un equipo especial de alta sensibilidad y midiendo en el caso más simple la intensidad de dNa/dt (cantidad por unidad de tiempo), así como el número total de actos (eventos) de AE, Na, es posible estimar experimentalmente la tasa de crecimiento, la longitud de la grieta y predecir la proximidad de la destrucción según los datos de AE. [5] [6]
Las ondas generadas por fuentes de EA son de interés práctico en el monitoreo de la salud estructural (SHM), el control de calidad, la retroalimentación del sistema, el monitoreo de procesos y otros campos. En aplicaciones de SHM, la EA se utiliza típicamente para detectar, localizar [7] y caracterizar [8] daños.
La emisión acústica son ondas elásticas transitorias dentro de un material, causadas por la liberación rápida de energía de tensión localizada. Una fuente de evento es el fenómeno que libera energía elástica en el material, que luego se propaga como una onda elástica. Las emisiones acústicas se pueden detectar en rangos de frecuencia inferiores a 1 kHz y se han reportado en frecuencias de hasta 100 MHz, pero la mayor parte de la energía liberada se encuentra dentro del rango de 1 kHz a 1 MHz. Los eventos de liberación rápida de tensión generan un espectro de ondas de tensión que comienzan en 0 Hz y, por lo general, disminuyen a varios MHz.
Las tres principales aplicaciones de las técnicas de EA son: 1) ubicación de la fuente: determinar las ubicaciones donde se produjo la fuente de un evento ; 2) rendimiento mecánico del material: evaluar y caracterizar materiales y estructuras; y 3) monitoreo de la salud: monitorear el funcionamiento seguro de una estructura, por ejemplo, puentes, contenedores de presión, tuberías, etc.
Investigaciones más recientes se han centrado en el uso de AE no solo para localizar sino también para caracterizar los mecanismos fuente [8] como el crecimiento de grietas, la fricción, la delaminación, el agrietamiento de la matriz, etc. Esto le daría a AE la capacidad de indicar al usuario final qué mecanismo fuente está presente y permitirle determinar si son necesarias reparaciones estructurales.
El uso de un procesamiento y análisis de señales adecuados permite obtener una comprensión más profunda de las señales de ondas elásticas y su relación con los procesos que ocurren dentro de las estructuras.
Una expansión significativa de las capacidades y un aumento en la confiabilidad del método de diagnóstico de EA se proporciona mediante el uso de métodos estadísticos para analizar flujos de eventos aleatorios (por ejemplo, el modelo de flujo aleatorio de Poisson ) [5] [6]
La representación en el dominio de frecuencia de una señal obtenida a través de la transformada rápida de Fourier (FFT) proporciona información sobre la magnitud de la señal y el contenido de frecuencia. [9]
La EA puede estar relacionada con una liberación irreversible de energía. También puede generarse a partir de fuentes que no impliquen fallas materiales, como la fricción , la cavitación y el impacto.
La aplicación de la emisión acústica a las pruebas no destructivas de materiales se lleva a cabo normalmente entre 20 kHz y 1 MHz. [10] A diferencia de las pruebas ultrasónicas convencionales , las herramientas de emisión acústica están diseñadas para monitorear las emisiones acústicas producidas por el material durante una falla o tensión, y no para el efecto del material sobre las ondas generadas externamente. La falla de la pieza se puede documentar durante una monitorización sin supervisión. La monitorización del nivel de actividad de emisión acústica durante múltiples ciclos de carga constituye la base de muchos métodos de inspección de seguridad de emisión acústica, que permiten que las piezas sometidas a inspección permanezcan en servicio. [11]
La técnica se utiliza, por ejemplo, para estudiar la formación de grietas durante el proceso de soldadura, en lugar de localizarlas después de que se haya formado la soldadura con la técnica de prueba ultrasónica más conocida.
En materiales sometidos a tensión activa, como algunos componentes de un avión durante el vuelo, los transductores montados en una zona pueden detectar la formación de una grieta en el momento en que comienza a propagarse. Se puede utilizar un grupo de transductores para registrar señales y luego localizar el área precisa de su origen midiendo el tiempo que tarda el sonido en llegar a diferentes transductores.
El monitoreo continuo a largo plazo de las emisiones acústicas es valioso para detectar grietas que se forman en recipientes a presión [12] [13] y tuberías que transportan líquidos a altas presiones. La ASME , la ISO y la Comunidad Europea han desarrollado estándares para el uso de la emisión acústica para pruebas no destructivas de recipientes a presión .
Esta técnica se utiliza para la estimación de la corrosión en estructuras de hormigón armado. [11] [14]
En la actualidad, el método AE se utiliza activamente en las tareas de monitoreo y diagnóstico de objetos de ingeniería de energía nuclear, aviación, tecnología espacial y de cohetes, transporte ferroviario, artefactos históricos (por ejemplo, la Campana del Zar en el Kremlin de Moscú), así como otros productos y objetos de propósito responsable. [15]
La detección de AE puede utilizarse potencialmente para monitorear el estado de salud de las baterías de iones de litio, particularmente en la detección y caracterización de eventos mecanoelectroquímicos parásitos, como el pulido electroquímico de electrodos , las transiciones de fase y la evolución de gases . El sensor piezoeléctrico se emplea para recibir señales acústicas liberadas por los materiales de la batería durante el funcionamiento. [16]
Además de las pruebas no destructivas, el control de emisiones acústicas tiene aplicaciones en el control de procesos . Entre las aplicaciones en las que se ha utilizado con éxito el control de emisiones acústicas se incluyen la detección de anomalías en lechos fluidizados y puntos finales en la granulación por lotes.
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