Elasticidad

Las constantes elásticas por medio de ultrasonidos

Introducción

Hay varias técnicas para medir las constantes elásticas de los sólidos. Una de estas técnicas consiste en estudiar la velocidad de propagación de ondas acústicas dentro del sólido (que viene determinada por las constantes elásticas del sólido).
Mediante un generador de señales producimos un pulso eléctrico. A continuación, uncristal piezoeléctrico convierte esta señal eléctrica en una señal acústica. Los pulsos que se utilizan tienen frecuencias superiores al umbral de detección del oído humano por lo que reciben el nombre de ultrasonidos. El cristal se acopla al sólido que se desea estudiar, de forma que la señal acústica pasa a propagarse a través del mismo. Para que la transmisión de la onda sea lo más efectivaposible, se utiliza una sustancia de acople entre el piezoeléctrico y la muestra. La señal atraviesa el sólido y se refleja parcialmente en su superficie, volviendo a la posición del piezoeléctrico y generando una señal eléctrica. Posteriormente el pulso acústico se refleja parcialmente en la superficie del sólido y se va atenuando a medida que viaja a través del mismo. Estas señales son recogidaspor un equipo de detección que nos permite observar en pantalla los impulsos correspondientes a los “ecos” del pulso inicial. Para poder determinar las constantes elásticas es necesario medir la velocidad de propagación de las ondas longitudinales y transversales.

El objetivo de esta práctica es determinar experimentalmente la velocidad del sonido en sólidos isótropos a temperatura ambienteutilizando está técnica de ultrasonidos. Posteriormente se utilizarán los datos para calcular las constantes elásticas y las temperatura de Debye de dichos materiales.

Equipo experimental

1.Piezoeléctricos
Disponemos de dos piezoeléctricos, uno para ondas longitudinales y otro para ondas transversales (que tiene un punto rojo cerca de la superficie de contacto). Estos cristales llevanincorporados los sensores necesarios y un cable para su conexión con el módulo de control.

2 Muestras
Se disponen de muestras de Aluminio, Cobre y Hierro de distintos tamaños y espesores.

Método experimental

1. Conexión del modulo de control
Antes de encender el módulo comprobamos que todos los controles se encuentran en su posición inicial, que es la que se indica en la figura 3. Acontinuación conectamos el piezoeléctrico adecuado (longitudinal o transversal) al submódulo Pulser/Receiver (conector T con el anillo negro)
2. Acople de la muestra
Lo primero que debemos hacer es medir el espesor de la muestra que vamos a analizar. Una vez hecho esto, colocamos una película de la sustancia de acople correspondiente sobre la muestra y situamos el piezoeléctrico sobre la misma. Para lasondas longitudinales se usa como sustancia de acople el ZG-F y para las transversales miel. Las muestras a analizar son sólidos policristalinos. Los defectos como grietas, irregularidades en la superficie o grandes policristales pueden producir dispersiones de los pulsos ultrasónicos. Por ello las muestras se han preparado cuidadosamente y deben tratarse de igual manera. Es esencial que la superficieesté muy limpia y que no se formen burbujas entre el piezoeléctrico y la muestra.

3. Ajuste de los controles
Utilizamos los controles 203 y 204 del submódulo Pulser/Receiver hasta que visualicemos bien los ecos en la pantalla. También podemos cambiar el número de ecos que vemos con los controles 304 y 305 del submolulo Time Base. Con el control
307 podemos desplazar los ecos paraobservarlos mejor.
A continuación comprobamos que el submódulo DTM 12 el control 701 indica “mm” el 711 “1-2” y el 712 “Sound path”.
Para colocar las puertas sobre los ecos que queremos utilizar para la medida, comprobamos primero que el control 408 está en OFF. Veremos dos líneas horizontales cortas sobre la pantalla que corresponden a las dos puertas. Para modificar la anchura de la primera puerta,...