ES2239500B1 - Dispositivo para la caracterizacion de materiales por ultrasonidos con acoplamiento por gases (aire) y su aplicacion para llevar a cabo un test no destructivo para verificar la integridad de membranas porosas. - Google Patents

Abstract

Dispositivo para la caracterización de materiales por ultrasonidos con acoplamiento por gases (aire) y su aplicación para llevar a cabo un test no destructivo para verificar la integridad de membranas porosas. Procedimiento no destructivo para verificar la integridad y las propiedades de filtración de membranas porosas empleadas en aplicaciones como filtración, ultrafiltración, ósmosis, diálisis, etc. Se hace uso de señales ultrasónicas de alta frecuencia (0.5-2.5 MHz). Se emplea acoplamiento por aire, es decir, entre la muestra y los dispositivos emisores y receptores de los ultrasonidos hay una capa de aire. Se excitan resonancias mecánicas en la muestra y del análisis espectral de las mismas se obtiene la densidad de la membrana, la velocidad de los ultrasonidos y la atenuación. Estos parámetros mecano-acústicos están estrechamente relacionados con propiedades del medio poroso (tamaño de poro, permeabilidad, etc.) y con otras propiedades de filtración (punto de burbuja, flujo de un fluido en condiciones standard, etc.).

Description

Dispositivo para la caracterización de materiales por ultrasonidos con acoplamiento por gases (aire) y su aplicación para llevar a cabo un test no destructivo para verificar la integridad de membranas porosas.

Sector de la técnica

En general, el dispositivo presentado se refiere a todos los sectores de la técnica en los que se emplean materiales porosos y que precisan determinar de forma no destructiva y no invasiva propiedades como: densidad, módulos elásticos, porosidad, tamaño de poro, tortuosidad y resistencia al flujo. En particular, la aplicación de este dispositivo para llevar a cabo tests de integridad es de interés para todos aquellos casos en los que la integridad del material y de su estructura porosa debe garantizarse sin deteriorar, deformar o contaminar el mismo: materiales porosos y membranas utilizadas para aplicaciones de separación, filtración, microfiltración, ósmosis, esterilización, diálisis, etc.

Estado de la técnica

El estudio de la propagación de ondas ultrasónicas en el interior de un material se emplea para la determinación de constantes elásticas y viscoelásticas y la detección de defectos (grietas, cavidades, inhomogeneidades, etc) entre otros. La generación y detección de estas ondas se hace por medio de transductores ultrasónicos que son capaces de generar este tipo de ondas a partir de una excitación eléctrica y viceversa. Probablemente los más utilizados sean los transductores piezoeléctricos, los cuales hacen uso del efecto piezoeléctrico para convertir la energía eléctrica en mecánica y viceversa.

Una posible clasificación de estas técnicas ultrasónicas viene dada en función del tipo de medio de acoplo que se emplea para garantizar una transmisión óptima de la energía ultrasónica entre el transductor y el material a inspeccionar. Cabe distinguirse entre acoplamiento por inmersión en agua (u otro líquido) en el que tanto transductores como materiales a inspeccionar se sumergen en agua;^{1} acoplamiento por gel, en el que los transductores se presionan contra la superficie del material a inspeccionar colocándose una capa de un gel especial entre ambos para garantizar un acoplamiento óptimo; acoplamiento en seco, en el que el transductor se recubre de un material flexible que, al presionarse contra el material a inspeccionar, proporciona un acoplamiento adecuado y, por último, el acoplamiento por aire, en el que entre material a inspeccionar y los transductores existe una capa de aire (ver ref. 2). El principal, y muy grave, inconveniente del acoplamiento por aire, por el cual las aplicaciones de esta técnica no son una realidad tan extensa como cabría esperar, viene dado por la enorme pérdida de energía que experimentan las ondas ultrasónicas al tener que atravesar la interfase entre cualquier medio sólido y el aire (esto es debido al fuerte desacoplamiento de impedancias acústicas entre ambos medios); otro inconveniente es la fuerte atenuación que experimentan las ondas ultrasónicas en el aire, especialmente por encima de los 500 KHz.

Los transductores empleados para la técnica de acoplamiento por aire emplean dos principios físicos diferentes de transducción^{2}: piezoeléctricos ^{3}, ^{4}, ^{5}, ^{6} y capacitivos o electroestáticos ^{7}, ^{8}, ^{9}, ^{10}. Estos dispositivos ya están siendo empleados para aplicaciones de inspección de materiales (ensayos no destructivos).

Las técnicas ultrasónicas empleando acoplamiento por aire están especialmente indicadas al estudio de materiales porosos por varias razones: 1. El problema de la desadaptación de impedancias entre el medio poroso y el aire es mucho menor que para el caso otros sólidos. 2. No es posible utilizar acoplamiento por gel o técnicas de inmersión pues estos fluidos penetran en la estructura del material poroso, lo cual modifica (reversible y/o irreversiblemente) las propiedades del material e incluso puede introducir algún tipo de contaminación. 3. No es aconsejable utilizar técnicas de acoplamiento en seco pues la presión ejercida sobre el material poroso puede modificar sus comportamiento o incluso dañar la estructura. Especialmente interesante es la aplicación de técnicas espectroscópicas; éstas proporcionan información acerca de la variación de las propiedades del material con la frecuencia, lo que resulta muy importante para el caso de materiales porosos.

Sin embargo, las técnicas espectroscópicas disponibles ^{11}, ^{12}, ^{13}, ^{14} no emplean acoplamiento por aire y las técnicas que emplean acoplamiento por aire, no emplean todo el potencial de las técnicas espectroscópicas debido a las limitaciones de banda de los transductores, la reducida sensibilidad de los mismos, o el tipo de material a inspeccionar: materiales de alta impedancia acústica específica (metales, polímeros, etc.). Debido a estas razones, las técnicas ultrasónicas para la caracterización de materiales mediante acoplamiento por aire que se han desarrollado hasta la fecha se limitan a la determinación de la velocidad de propagación de los ultrasonidos en el material objeto del estudio a frecuencias discretas. ^{15}, ^{16}, ^{17}, ^{18}, ^{19}, ^{20}, ^{21}, ^{22}. No es este el caso de la aplicación del dispositivo ultrasónico descrito en este trabajo a materiales porosos como los contemplados. La anchura de la banda de trabajo y la eficiencia de los transductores aquí empleados junto con la baja impedancia acústica específica intrínseca a los materiales porosos permite aplicar técnicas espectroscópicas con todo su potencial.

Es bien conocido que existe una relación estrecha entre los parámetros que determinan la microestructura del material (porosidad, tamaño de poro, conectividad entre los poros, tortuosidad, resistencia al flujo...) y la velocidad y atenuación de los ultrasonidos en el mismo, así como la variación con la frecuencia de estos dos parámetros. ^{23}, ^{24}, ^{25}, ^{26}
Una aplicación particular de un dispositivo que permita caracterizar materiales porosos por espectroscopia de ultrasonidos con acoplamiento por aire es el desarrollo de un test de integridad no destructivo para membranas porosas como las que se emplean para aplicaciones de filtración y/o separación, el cual obtenga las propiedades de interés para estas aplicaciones (p.e. punto de burbuja, flujo de agua, tamaño de poro) a partir de medidas acústicas. En general, el objeto de un test de integridad es doble. En primer lugar, determinar si existe algún tipo de deterioro o daño físico que afecte a su funcionamiento; en segundo lugar, determinar si la muestra bajo análisis se comporta tal y como las especificaciones dadas por el fabricante para ese tipo particular de membrana determinan. También pueden emplearse tests de integridad bien en condiciones reales de operación, con objeto de monitorizar el comportamiento "on-line" o bien tras la operación, para determinar si el material ha sido dañado o sus propiedades han sido modificadas durante la misma. En algunas aplicaciones, en particular todas aquellas que se refieren a esterilización por filtración u otras como hemodiálisis, es absolutamente necesaria la verificación previa del el estado de las membranas que se van a emplear.

En el campo de la filtración y esterilización se viene considerando a los tests de integridad como un procedimiento indirecto para determinar si existen poros de tamaño mayor (que el que, a partir de los datos proporcionados por el fabricante, se supone a la membrana) que puedan comprometer el funcionamiento de la membrana en términos de eficiencia en la filtración o esterilización. En la actualidad existen diversos métodos no destructivos con el objetivo expuesto anteriormente; todos ellos basados en medidas indirectas, es decir, no se miden directamente el tamaño de poro, sino que se miden magnitudes macroscópicas que están relacionadas de forma directa y conocida con las propiedades microscópicas que en realidad se quiere conocer. Por este motivo, un test de integridad requiere no sólo de una técnica de medida, sino también, de un procedimiento (generalmente empírico) que permita establecer una relación unívoca entre el parámetro macroscópico medido y las propiedades del medio poroso que permiten asegurar su integridad. Caben citarse los tests basados en la medida del punto de burbuja (bubble point), del flujo de agua o aire en ciertas condiciones estándar y los basados en medidas de difusión. Probablemente el más extendido de éstos sea el método basado en la medida del punto de burbuja. Estos métodos se basa en impregnar el material poroso a inspeccionar con un líquido (agua) y después forzar el paso de un gas a través de él a presión conocida. ^{27}, ^{28}. El punto de burbuja se relaciona con el tamaño de poro en función del líquido empleado, el ángulo de contacto y la tensión superficial mediante la ecuación de Washburn. Posteriormente, estos métodos han sufrido notables mejoras, como las basadas en métodos acústicos y ultrasónicos para detectar el punto de burbuja (el ruido y/o la presión producida por la irrupción de las burbujas), ^{29}, ^{30} o las mejoras destinadas a incrementar el área y la geometría de material a inspeccionar, ^{31} u otras destinadas a incrementar la precisión del método. ^{32}, ^{33} Como demuestran trabajos previos no pocos son, sin embargo, los problemas que presenta esta técnica: variabilidad de los resultados, influencia del método empleado (si manual o automático), influencia de las dimensiones de la superficie del material a estudiar, y, finalmente, problemas intrínsecos a la propia medida entre las que cabe citar la correcta elección del fluido o el sellado perfecto entre el material y el aparato de medida ^{34}, ^{35}, ^{36}. Como resultado de estas limitaciones se desarrollaron tests basados en medidas de flujo^{37}. Sin embargo, estos tests necesitan de un tiempo elevado, mayor aún cuando se trata de elementos con bajos valores de flujo por las propiedades intrínsecas del material o por la reducida sección (Ref. 30).

Para completar esta revisión del estado de la técnica hay que mencionar que técnicas ultrasónicas en el dominio del tiempo han sido empleadas para determinar el estado de la superficie de membranas de filtración y detectar la aparición de suciedad y/o compactación. Esta técnica recibe el nombre de reflectometría en el dominio del tiempo (Time-domain reflectometry TDR por sus siglas en inglés), ^{38}, ^{39}, ^{40}, ^{41}, ^{42} pero nunca hasta ahora se han empleado técnicas de espectroscopia ultrasónica para estudiar el volumen del medio poroso (la membrana en este caso), obtener información sobre sus propiedades estructurales y desarrollar un test de integridad no destructivo tal y como se presenta en esta invención.

Descripción de la invención Problema técnico planteado

Se plantea la necesidad de desarrollar un dispositivo para la caracterización de materiales porosos empleando ultrasonidos con acoplamiento por aire para lograr una caracterización completa (densidad, velocidad de propagación y atenuación) sobre un rango suficientemente amplio de frecuencias: 50 kHz - 3.5 MHz. Como aplicación de este dispositivo se desarrolla un test de integridad no destructivo para membranas porosas de las aplicadas en procesos de filtración, separación diálisis, ósmosis, etc. En particular, dicho test, comparado con otros ya existentes (punto de burbuja o medidas de flujo) reduce el tiempo de medida, el número de variables experimentales implicadas en la misma y su aplicación no se ve afectada por el área del material a inspeccionar. Así mismo, es un procedimiento no destructivo, rápido, no invasivo y no contaminante que puede ser implementado de forma sencilla.

Breve descripción de la invención

La presente invención consta de un dispositivo ultrasónico compuesto de un emisor y un receptor de ultrasonidos que trabajan en acoplamiento por aire y operan en banda ancha. Emisor y receptor de ultrasonidos son transductores piezoeléctricos, el acoplamiento al aire se consigue mediante un apilamiento de dos capas de adaptación cuarto de onda (\lambda/4). La más externa de estas capas debe ser un material de muy baja impedancia acústica (del orden de 0.1 MRayl) y de baja atenuación (menor que 500 Np/m a la frecuencia de resonancia). Para este fin se seleccionan polímeros celulares de muy alta porosidad, poro abierto, tamaño de poro mucho menor que la longitud de onda. Las características de estos materiales, que las hacen muy adecuadas a la aplicación que se persigue, se pueden justificar en función del conocido marco teórico proporcionado por la teoría de Biot. Por este motivo se denomina a estos materiales tipo Biot. La sintonización en frecuencia de la capa de adaptación hecha con materiales tipo Biot no se hace, como en otros materiales, mediante el ajuste del espesor (ya que no es posible) sino mediante la variación del tamaño de poro (lo cual sí es técnicamente accesible).

El dispositivo ultrasónico se aplica para la caracterización de materiales porosos. En particular, este proceso de caracterización se aplica a membranas porosas, para desarrollar un test no destructivo de integridad para este tipo de materiales: de la medida de los parámetros acústicos es posible determinar propiedades intrínsecas de las membranas e incluso relacionar los parámetros acústicos con otros parámetros convencionalmente empleados como son los test de punto de burbuja o los test de flujo de agua o aire.

Descripción detallada de la invención

La presente invención describe un aparato ultrasónico, en adelante dispositivo ultrasónico, capaz de operar en el rango de frecuencia 50 kHz - 3.5 MHz y que consta, al menos, de dos transductores piezoeléctricos (uno emisor y otro receptor) especialmente diseñados para trabajar emitiendo y recibiendo señales al aire y desde el aire respectivamente; lo que se conoce como acoplamiento por aire.

Tal como se utiliza en la presente invención "capaz de operar" se refiere a que los transductores de dicho dispositivo ultrasónico son capaces de generar y de recibir señales ultrasónicas con una sensibilidad máxima en torno a -30 dB, definiéndose la sensibilidad como: 20 log(V_{rec}/V_{apl}), donde V se refiere al voltaje eléctrico en bornes del transductor y los subíndices rec y apl hacen referencia al voltaje en el transductor receptor y emisor respectivamente. Estos dispositivos son de naturaleza resonante, por lo que el rango útil de frecuencia comprende una banda más o menos ancha entorno a la frecuencia central. A diferencia de otros transductores que operan en inmersión acuosa o por contacto directo, en este caso es preferible definir la anchura de la banda útil de trabajo en frecuencia del dispositivo ultrasónico (emisor-receptor) como la anchura de la banda medida (gráfico sensibilidad vs. frecuencia, que se conoce como two-way insertion loss), por encima de -60 dB. En este caso, aplicamos el calificativo de banda ancha a aquella que es, al menos, del 60% (medido sobre el gráfico sensibilidad vs. frecuencia) referido a la frecuencia central. Las pérdidas típicas que se observan al atravesar una señal ultrasónica (de frecuencia próxima a 1 MHz) un material poroso empleando acoplamiento por aire se encuentran en el margen de 40 a 50 dB. El motivo de considerar la banda útil de los transductores como aquella que queda por encima de -60 dB es debido a considerar que las pérdidas totales en el dispositivo (transductores + material poroso) no deben superar los 120 dB. Ese límite viene determinado por la relación señal ruido (SNR). El máximo teórico para la SNR en un dispositivo de acoplamiento por aire y transmisión directa (como el que aquí se plantea) se haya en torno a 180 dB (ref. 2) aunque los valores reales siempre están por debajo de este límite teórico debido a las limitaciones en la electrónica de excitación y recepción, y en los propios transductores.

El esquema del dispositivo ultrasónico se muestra en la figura 1. Consta, al menos, de una pareja de transductores piezoeléctricos especialmente diseñados para verificar las condiciones arriba impuestas. Los transductores se encuentran montados en un soporte (8) que los sitúa enfrentados a una distancia (L1 y L2 que puede ser variada) suficiente como para poder introducir entre ellos a la muestra a medir y evitar que la señal transmitida a través de la muestra se vea afectada por reverberaciones de la señal entre la superficie de la muestra y la de los transductores. La cota máxima para la distancia L1 (entre transductor emisor y la superficie de la muestra) viene determinada por la necesidad de reducir efectos de difracción del haz ultrasónico al incidir sobre la muestra. Los efectos de difracción dependen de la distancia recorrida desde la fuente, de las propiedades del medio por el que la señal se propaga y del diámetro (apertura) del área activa del dispositivo emisor. Se puede determinar la cota superior admisible para L1 y L2 a partir de los cálculos del efecto de la difracción proporcionados por Bass^{43}. La muestra (4) se coloca sobre un portamuestras (5); éste posee una apertura suficiente como para no interaccionar con el campo ultrasónico; además, dispone de un sistema de movimiento para desplazar la muestra en dirección perpendicular al haz ultrasónico, que proporciona lectura de las coordenadas exactas del punto de medida, con lo que es posible inspeccionar diversas zonas de una misma muestra. Además, el dispositivo ultrasónico consta de un generador de pulsos eléctricos de banda ancha para excitación del transductor emisor (3), de un filtro/amplificador que recibe la señal eléctrica proporcionada por el transductor receptor, la filtra y la amplifica (6), de un osciloscopio (o una tarjeta para la adquisición) que recibe la señal del transductor filtrada y amplificada, la digitaliza y representa gráficamente (7), el procesado y análisis de la señal puede hacerse con el propio osciloscopio o bien transferir la señal (vía GPIB, RS232 o similar) a un ordenador personal quien procesa la señal y lleva a cabo los cálculos necesarios (8).

Tal como se utiliza en la presente invención el término "transductores piezoeléctricos especialmente diseñados" se refiere a transductores piezoeléctricos, basados en cerámicas, composites o polímeros piezoeléctricos, operando en modo espesor, que presentan un apilamiento de capas de adaptación de impedancias para poder trabajar en aire, según las especificaciones dadas anteriormente. A diferencia de otros sistemas que intentan conseguir acoplamiento al aire mediante cavidades \lambda/2 ^{44} o mediante la inclusión de varias capas no \lambda/4 más una última capa de muy baja impedancia acústica ^{45}, la solución presentada en este caso presenta una doble capa de adaptación en el que las dos capas son \lambda/4 y la última es una capa de muy baja impedancia acústica específica y baja atenuación. El problema de esta solución radica en la identificación de materiales que tengan la impedancia acústica específica requerida para conseguir un acoplamiento óptimo entre el material piezoeléctrico y el aire. Según diversos autores ^{46}, empleando el modelo KLM, la impedancia acústica específica de la o las capas de adaptación viene dada por la expresión dada en la tabla I. Para el caso de querer acoplar un material piezoeléctrico cerámico (Zp \approx 30 MRayl) al aire (Zm=340 Rayl), los valores que se requieren para la impedancia acústica especifica se presentan, también en la tabla I:

TABLA I Impedancia acústica específica para la capas de adaptación Z_{p}^{4 / 7} Z_{m}^{3 / 7}

1

No es posible conseguir los valores exigidos anteriormente de anchura de banda de frecuencia útil empleando una sola capa de adaptación; es necesario emplear, al menos, dos. Sin embargo, no existen materiales que posean impedancia acústica específica por debajo de 0.01 MRayl. Los valores más bajos que se han publicado corresponden a aerogeles de silicio de muy baja densidad. De hecho, se ha intentado utilizar estos materiales para adaptar transductores piezoeléctricos al aire, pero esta tecnología sólo emplea una capa de adaptación y sólo ha sido capaz de proporcionar dispositivos de banda estrecha y baja frecuencia (< 80 kHz). ^{47}, ^{48} La solución propuesta para el dispositivo que se presenta en esta invención consiste en emplear un apilamiento de dos capas de adaptación (\lambda/4) que, aunque no presentan los valores óptimos predichos por la teoría, están próximos y son efectivos para conseguir los objetivos propuestos anteriormente: sensibilidad máxima próxima a -30 dB y banda útil de frecuencia (por encima de -60 dB) de, al menos, 60%.

El esquema de dicho apilamiento y del propio transductor se muestra en la figura 2. Para la primera capa de adaptación se emplea un polímero de impedancia acústica específica (Z) entorno a 3 MRayl (poliimida, poliamida, PMMA, silicona, resinas epoxy, etc.). Para la segunda capa, a diferencia de otros métodos que sugieren la utilización de materiales fibrosos, se emplean un polímeros celulares, ^{49} que son los que proporcionan los mejores resultados. De entre los polímeros celulares se seleccionan aquellos de muy alta porosidad (baja densidad), poro abierto y de impedancia acústica específica menor que 0.2 MRayl. Una peculiaridad importante de estos materiales es que la velocidad de propagación de los ultrasonidos es próxima e incluso menor que la velocidad de propagación en el aire (340 m/s), mientras que la estructura porosa es considerablemente más rígida que el aire. Esta es la única posibilidad de conseguir materiales de impedancia acústica específica tan baja como la indicada en la tabla anterior, pero que simultáneamente presentan valores de la atenuación relativamente bajos. El marco teórico adecuado para justificar tal comportamiento, en apariencia anómalo, viene dado por la teoría de Biot. ^{50}, ^{51}, ^{52}, ^{53} Por este motivo, estos materiales celulares de alta porosidad, poro abierto, velocidad de propagación de los ultrasonidos próxima o incluso menor que la velocidad del aire (que es el gas que rellena los poros) y atenuación menor que la de otros materiales semejantes los denominaremos materiales tipo Biot. Otros requisitos a imponer al material son que el tamaño de poro debe ser menor que la longitud de onda para minimizar las pérdidas por atenuación en el propio material. Como referencia puede tomarse un valor máximo (aceptable) para la atenuación en el material poroso de 300 Np/m a la frecuencia de trabajo (resonancia \lambda/4). Este es un grave inconveniente, ya que los materiales muy porosos presentan valores de la atenuación muy elevados, que aumentan rápidamente con la frecuencia. Valores por encima 1000 Np/m a 1 MHz son muy normales. De entre los materiales tipo Biot que pueden emplearse destacan membranas porosas de polyetersulfona (v\sim300 m/s, \alpha\sim200 Np/m @ 1 MHz), aunque también pueden emplearse otras que muestran valores de la atenuación algo mayores, como las de: nitratro de celulosa, acetato de celulosa, polipropileno, nylon, PVDF, etc.

Otro importante problema es el de producir una capa de adaptación del material poroso deseado (que tiene baja impedancia acústica y baja atenuación) con un espesor tal que de lugar a una resonancia (\lambda/4) a la frecuencia deseada. Este problema no existe con la capa intermedia (p. e. capa de PMMA), en este caso, se procede a la mecanización del material para ajustar el espesor de la capa a la frecuencia de resonancia (\lambda/4) a la que se quiere diseñar el transductor. Desafortunadamente, este procedimiento no es posible con materiales muy porosos de los que se utilizan aquí para la segunda capa (\lambda/4), la más externa, ya que al intentar mecanizarlos, normalmente se fracturan o se deshacen. Hay que tener en cuenta que el espesor típico de estas capas está en el rango 50-150 \mum. Sin embargo, las técnicas de producción de membranas porosas como las que se han indicado anteriormente (polietersulfonas, nitratos de celulosa, etc. como materiales de baja impedancia y baja atenuación) permiten producir membranas de un mismo material, con un mismo espesor, pero variando el tamaño de poro (ver p.e. Ref. ^{54}). Esta variación del tamaño de poro produce una variación en la velocidad de propagación de los ultrasonidos. Por lo tanto, membranas de un mismo material, con un mismo espesor y con distinto tamaño de poro, producirán resonancias (\lambda/4) sintonizadas a frecuencias diferentes. Este es el procedimiento que se utiliza para sintonizar la capa de adaptación a la frecuencia de trabajo del transductor sin tener que mecanizarla: una vez determinado el material a emplear, se seleccionan muestras de distinto tamaño de poro hasta que se localiza la que sintoniza mejor con la frecuencia de trabajo del transductor que se quiere diseñar.

La primera de las capas de adaptación polimérica bien se fabrica directamente sobre el piezoeléctrico, o bien se pega sobre él. La segunda capa de adaptación (la de material poroso), a su vez, se pega sobre la primera capa polimérica. En este caso, es necesario emplear pegamentos que no afecten a la estructura porosa de esta capa. Para este fin pueden emplearse capas muy finas de pegamentos muy viscosos o adhesivos de doble cara.

Una característica particular de la presente invención es que los transductores que se emplean pueden variarse dependiendo de la geometría de campo acústico que se requiera, en función del tamaño de la superficie de material a inspeccionar, de la resolución espacial requerida (axial) y del tiempo a emplear en la inspección. De esta manera, pueden emplearse transductores de apertura grande (Figura 2.a) con lo que se obtienen magnitudes del material poroso promediados sobre la superficie de inspección. Por el contrario, es posible utilizar transductores bien de apertura reducida o bien focalizados (Figura 2.b) para aumentar la resolución espacial (axial) y medir las propiedades de un material punto a punto sobre su superficie bien moviendo el portamuestras o bien moviendo los transductores. En este caso también es posible emplear bien transductores monoelemento o bien transductores en configuración array
(Figura 2.c).

Un objeto adicional de la presente invención lo constituye la utilización del dispositivo ultrasónico para la realización de un test de integridad no destructivo para materiales porosos. Tal como se utiliza en la presente invención el término "materiales porosos" se aplica a materiales porosos naturales o manufacturados tipo fibroso, celular (Ref. 49) o granular, como pueden ser membranas de filtración, materiales tipo papel y derivados, maderas y derivados, espumas metálicas y poliméricas, aerogeles.

La utilización del dispositivo ultrasónico de la presente invención para llevar a cabo un test de integridad no destructivo para materiales porosos se fundamenta en la relación existente entre los parámetros acústicos y los propios del material (tamaño de poro, tortuosidad, resistencia al flujo). En primer lugar, es necesario llevar a cabo algunas operaciones de calibración. La primera es una calibración referida a los transductores; esto se realiza una sola vez y no es necesario repetir la calibración a no ser que se varíe la posición relativa de los transductores, se reemplacen alguno de ellos o se varíe la electrónica de excitación y/o la de recepción. El procedimiento es el siguiente. El transductor emisor es excitado mediante una señal eléctrica; éste emite una señal ultrasónica al aire, la cual atraviesa el tramo de aire que separa al transductor emisor y receptor y finalmente es recibida por el transductor receptor quien la convierte en eléctrica; se calcula su transformada de Fourier, y almacena ambas medidas en memoria.

Una vez calibrado el sistema, el modo de operación consiste en colocar la muestra a analizar sobre el portamuestras (4). El portamuestras permite colocar la muestra entre los dos transductores a la distancia adecuada y en condiciones de incidencia normal, la señal ultrasónica incide sobre la superficie de la muestra formando un ángulo de 90 grados con el plano de la muestra. El transductor emisor es excitado tal y como se hizo en el proceso de calibración del sistema y la señal recibida en el transductor receptor es almacenada y su transformada de Fourier calculada. La función de transferencia del material poroso viene determinada del cociente entre los módulos de las transformadas de Fourier de las señales recibidas con y sin muestra entre los transductores. La función de transferencia (FT) se relaciona de forma sencilla con el coeficiente de transmisión (T) de la muestra (definido como el cociente entre el flujo de energía que atraviesa la muestra y el flujo de energía incidente en dirección normal y por unidad de superficie):

|FT| = |T|^{1/2}

En primera aproximación se puede calcular la velocidad de propagación en el material (v_{m}) a partir de la diferencia entre los tiempos de vuelo se la señal de referencia y la señal de medida (\Deltat):

v_{m} = \frac{t}{t/v_{a} - \Delta t}, donde t es el espesor y v_{a} la velocidad de propagación en el aire.

Además, si no hay interferencias entre la señal directa y ningún otro eco, la atenuación de los ultrasonidos en la muestra (\alpha) viene dada por:

100 donde: TT = \frac{4Z_{s}Z}{(Z_{s} + Z)^{2}} y Z y Z_{s}, son la impedancia acústica específica del aire y de la muestra respectivamente. Para esto es necesario disponer de una medida independiente de la densidad del material.

Cuando la muestra es plano-paralela (como es el caso de las membranas de filtración) es posible obtener una medida más precisa de los parámetros acústicos así como obtener una medida acústica de la densidad a partir del análisis espectral de la señales. En este caso, la forma de esta función de transferencia (FT) corresponde a un patrón de interferencias entre la señal transmitida directamente a través de la muestra y las múltiples reverberaciones que aparecen en su interior; esto proporciona una secuencia de máximos y mínimos que depende de la banda de frecuencia en la que trabajan los transductores y de las propiedades específicas de cada muestra (espesor, densidad y velocidad y atenuación de los ultrasonidos). La expresión analítica que determina este comportamiento es depende del espesor de la muestra (t), el vector de onda en la muestra (k) y la impedancia acústica específica del aire (Z) y de la muestra (Z_{s}), y debido a que se trabaja en incidencia normal no es necesario incluir contribuciones asociadas a tensiones de cizalla en el material:

T = \frac{4}{2 + 2cos^{2} \ kt + \frac{Z^{4}_{s} + Z^{4}}{Z^{2}_{s} Z^{2}} sin^{2} \ kt}

De esta función de transferencia se determina la localización en frecuencia de cada máximo (f), el mínimo de T y el factor de calidad de cada resonancia (factor-Q: Q = \frac{f_{max}}{\Delta f}). De donde se determinan la velocidad (v), la atenuación (\alpha) de los ultrasonidos en la muestra de material poroso y la densidad (\rho), mediante las siguientes expresiones:

f^{(n)} = nv/2t, n=0, 1,2...

T_{min} = \frac{4Z^{2}_{s} Z^{2}}{(Z^{2}_{s} + Z^{2})^{2}}, donde Z = v\rho

\alpha = \frac{\pi f}{vQ} + \frac{log R^{2}}{2t}, siendo R = \frac{(Z_{s} - Z)^{2}}{(Z_{s} + Z)^{2}}

En algunos casos (densidad elevada o fuerte atenuación), no es fácil obtener una medida fiable del mínimo del coeficiente de transmisión (T_{min}); en estos casos, esta medida puede reemplazarse por medio de una medida independiente de la densidad de la muestra.

Los parámetros finalmente medidos: velocidad, atenuación y densidad se emplean para determinar el tipo de material (grado) y si existe algún tipo de contaminación o daño, por ejemplo grado de humedad del material. Para esto y al igual que los demás tests de integridad no destructivos, es necesario, por último, calibrar los resultados, en el sentido de establecer relaciones empíricas o semi-empíricas entre los parámetros medidos (en este caso velocidad y atenuación de los ultrasonidos en la muestra) y los parámetros propios del material (fundamentalmente el tamaño de poro) y, en su caso, poder establecer la presencia de algún tipo de daño mecánico. El procedimiento es equivalente al que se emplea para otros tests de integridad; se emplean materiales patrón o conocidos (por ejemplo una serie de membranas de filtración del mismo material pero de diferente tamaño de poro) que son medidos; los resultados son empleados para relacionar los parámetros proporcionados por el sistema con los parámetros propios del material. La aplicación de la técnica para verificar que muestras que se suponen equivalentes a una cierta muestra patrón cumplen los mismos criterios que las muestras patrón es, entonces, inmediata mediante el método propuesto.

En particular, para membranas de un mismo material, pero de diferente grado, se obtiene que el producto de la atenuación por la longitud de onda es constante e independiente del tamaño de poro. Como la presencia de contaminación o defectos como grietas afecta fuertemente a la atenuación de los ultrasonidos, este es un primer método para determinar el estado de la membrana. Igualmente, se observa que la relación entre la velocidad y parámetros como el punto de burbuja (PB) es del tipo: \frac{v - v_{0}}{v_{0}} = k \cdot PB, donde v_{0} y k son constantes que dependen del material, pero no del grado (es decir, del tamaño de poro), por tanto, es posible determinar el punto de burbuja directamente de la medida de la velocidad de los ultrasonidos.

Descripción detallada de los dibujos

Figura 1

Esquema general del aparato ultrasónico

1: Emisor de ultrasonidos especialmente diseñado para operar en aire. 2: Receptor de ultrasonidos especialmente diseñado para operar en aire. 3: Generador de pulsos eléctricos de banda ancha para excitación del transductor emisor. 4: Sistema de soporte para la muestra (portamuestras) de apertura suficiente como para no interaccionar con el campo ultrasónico. 5: Muestra de material poroso a estudiar. 6: Etapa de filtrado y amplificación de la señal recibida. 7: Procesado de la señal recibida y cálculo. 8: PC. 9: Sistema para el desplazamiento (horizontal) del portamuestras.

Figura 2

Esquema de los transductores empleados en el dispositivo ultrasónico

1: Capa cuarto de onda de un material tipo Biot (\sim0.1 Mrayl aprox.). 2: Capa cuarto de onda de polimérica (\sim3 MRayl). 3: Disco piezoeléctrico (\lambda/2). 4: Backing o contramasa. 5: Carcasa metálica (conexión a tierra). 6: Conector eléctrico tipo BNC o similar.

Figura 3

Detalle de transductores y muestras para tres configuraciones de campo acústico diferentes

2.a. Transductor plano de apertura grande. 2.b. Transductor focalizado. 2.c. Transductor array, cada monoelemento de apertura reducida. En todos los casos: 1. Transductor emisor. 2. Cara radiante del transductor emisor y geometría del campo. 3. Muestra a estudiar. 4. Superficie de la muestra que se insonifica (área sombreada). 5. Transductor receptor.

Figura 4

Sensibilidad en modo emisión-recepción de dos transductores piezoeléctricos diseñados para operar en acoplamiento por aire (emisor y receptor), enfrentados y separados por aire una distancia de 5 cm

Figura 5

Módulo de la función de transferencia (en dB) en función de la frecuencia

Medida para una membrana porosa de polipropileno (\blacklozenge) (Pall-Gelman) y otra de éster de celulosa (\bullet) (Millipore). En ambos casos aparece el primer pico de resonancia asociado al espesor.

Figura 6.a

Relación entre la velocidad de propagación de los ultrasonidos en membranas porosas y el punto de burbuja

(\sqbullet): polietersulfona (Pall-Gelman), (\medbullet): nitrato de celulosa (Whatman), (\ding{58}): polipropileno (Pall-Gelman). La línea continua representa un ajuste lineal.

Figura 6.b

Relación entre la velocidad de propagación de los ultrasonidos en membranas porosas y el flujo de agua a través de la membrana (mL/min/cm^{2}) en presencia de un gradiente de presión a través de la membrana de 0.7 bar

(\sqbullet): polietersulfona (Pall Gelman), (\medbullet): nitrato de celulosa (Whatman), (\ding{58}): polipropileno (Pall Gellman). La línea continua representa un ajuste potencial.

Figura 7.a

Módulo de la función de transferencia de una membrana de nitrato de celulosa (0.65 \mum Whatman), mostrando la primera resonancia asociada al espesor, para siete grados de humedad diferentes

(1) humedad del 21%, (2) humedad del 16%, (3) humedad del 12%, (4) humedad del 8%, (5) humedad del 6%, (6) humedad del 0% (membrana seca de partida).

Figura 7.b

Módulo de la función de transferencia de una membrana de nitrato de celulosa (0.2 \mum Whatman), mostrando la primera resonancia asociada al espesor, para siete grados de humedad diferentes

(1) humedad del 48%, (2) humedad del 46%, (3) humedad del 26%, (4) humedad del 10%, (5) humedad del 0% (membrana seca de partida).

Ejemplos de realización de la invención Ejemplo 1 Construcción del dispositivo ultrasónico con transductores de banda ancha en el entorno de 1 MHz

Se diseñan dos transductores piezoeléctricos (emisor y receptor) idénticos. Como material piezoeléctrico se emplean discos cerámicos (PZ-34, Ferroperm) de 20 mm de diámetro y 2 mm de espesor, cuya frecuencia de resonancia en modo espesor es de 1 MHz. Las dos caras de cada disco cerámico tienen un recubrimiento de plata y la polarización es a lo largo del eje del disco. Tal y como se indica en la figura 2, los discos cerámicos se pegan mediante un epoxi cargado con plata (Goodfelllow) que es conductor de la electricidad a la carcasa metálica, que queda así adherido a la cara externa del disco cerámico, el cual estará en conexión eléctrica con la carcasa metálica, la cual se conectará a tierra. El otro electrodo se conecta a la cara interior de la cerámica. La conexión de ambos electrodos se realiza mediante un conector tipo BNC alojado en la tapa posterior de la carcasa metálica.

Una vez montados los discos piezoeléctricos en las carcasas metálicas y colocadas las conexiones, como se ha explicado anteriormente, se procede a colocar las capas de adaptación sobre la cara radiante del transductor (cara externa del disco piezoeléctrico). La primera capa de adaptación, un disco de PMMA (cuya resonancia \lambda/4 es exactamente 1 MHz). Para la segunda capa se busca una membrana porosa de baja impedancia acústica y baja atenuación que proporcione una resonancia (\lambda,/4) lo más próxima a 1 MHz posible. Como ya se ha indicado, esto no se consigue variando el espesor de una determinada muestra, ya que no es posible mecanizar este tipo de materiales. El procedimiento consiste en seleccionar un tipo de membrana porosa que cumpla con los requisitos necesarios (impedancia y atenuación) y conseguir el ajuste de la resonancia (\lambda/4) a la frecuencia deseada variando el tamaño de poro. El material seleccionado en este caso son membranas de nitrato de celulosa producidas por Whatman con una porosidad de 70%-80%. Los tamaños de poro disponibles son 0.65 \mum, 0.3 \mum, 0.2 \mum y 0.1 \mum. El espesor varía entre 0.13 y 0.15 mm. La velocidad de los ultrasonidos en cada una de estas membranas es de 288 m/s, 440 m/s, 506 m/s, y 520 m/s, por lo tanto la frecuencia de resonancia \lambda/4 de cada uno de estos tipos de membrana es: 0.5 MHz, 0.8 MHz, 0.97 MHz y 1.2 MHz. Por lo tanto, para este caso, se selecciona la membrana de nitrato de celulosa (Whatman, 0.2 \mum) de 0.13 mm de espesor, la impedancia acústica específica es 0.2 MRayl, la atenuación 400 Np/m a 1 MHz. Como hemos visto, la resonancia \lambda/4 de esta membrana es muy próxima a 1 MHz, exactamente 0.97 MHz.

Para comprobar que este sistema de transductores (emisor-receptor) verifica los requisitos impuestos para estos sistemas, se efectúa medida de la curva de sensibilidad (pérdidas por inserción). El transductor emisor se excita empleando un pulso cuadrado de 200 V p-p y banda centrada en torno a 1 MHz, generado por un Masterscan 330 (Sonatest). Emisor y receptor se sitúan enfrentados a una distancia de 2 cm en aire a condiciones normales. Para este fin se emplea un soporte desarrollado según el esquema de la figura 1. La señal eléctrica recibida por el transductor receptor se digitaliza en un osciloscopio Tektronix 2420 A y se transfiere a un ordenador mediante conexión GPIB. La sensibilidad de esta pareja de transductores se obtiene del cociente de las transformadas de Fourier de la señal eléctrica de excitación aplicada al transductor emisor y la señal eléctrica medida en el transductor receptor. El resultado obtenido se muestra en la figura 4. Como se requiere, la sensibilidad máxima es del orden de -30 dB, mientras que el ancho de banda por encima de -60 dB de pérdidas corresponde a un 60%.

Ejemplo 2 Determinación de velocidad y atenuación de los ultrasonidos y densidad de diferentes membranas empleando el dispositivo ultrasónico de la presente invención

Para ilustrar la aplicación del presente dispositivo a la caracterización de las propiedades de materiales porosos, se eligen dos membranas microporosas diferentes: una membrana de polipropileno (0.1 mm de espesor, poro de 0.2 \mum y punto de burbuja 2.9 bar, producida por Pall-Gelman) y otra de éster de celulosa (0.16 mm de espesor, poro de 0.22 \mum y punto de burbuja 3.52 bar, producida por Millipore). Se emplean dos parejas de transductores producidos según propone en esta memoria y se ha ilustrado en el ejemplo 1. La frecuencia dentral es de 1 y 1.7 MHz respectivamente y la banda útil de trabajo es de 0.6-1.3 MHz y 1.3-2.4 MHz respectivamente. La apertura de los transductores es de 25 mm. Se emplea este rango de frecuencia para poder observar, al menos, una resonancia en el coeficiente de transmisión asociada al espesor de las muestras.

Empleando el soporte (fig. 1) se colocan los transductores enfrentados a una distancia total de 2 cm. El transductor emisor se excita empleando un pulso cuadrado de 200 V p-p y banda centrada en torno a 1 MHz, generado por un Masterscan 330 (Sonatest). La señal eléctrica recibida por el transductor receptor se digitaliza en un osciloscopio Tektronix 2420 A y se transfiere a un ordenador mediante conexión GPIB. Teniendo en cuenta la apertura del emisor, la frecuencia de trabajo y la velocidad de propagación en el aire, la distancia del emisor a la superficie de la muestra se toma de 1 cm para así minimizar los efectos de difracción del haz. La muestra se coloca en el portamuestras (fig. 1) y se obtiene el coeficiente de transmisión de los ultrasonidos a través de la muestra a partir del cociente entre las transformadas de Fourier de las señales recibidas en el transductor receptor con y sin muestra. Las medidas obtenidas se muestran en la figura 5. Los parámetros velocidad (v), atenuación (\alpha) y densidad (\rho) se obtienen a partir de la frecuencia de resonancia: f_{máx}, el mínimo del coeficiente de transmisión: T_{min} y el factor Q.

Los resultados se muestran en la tabla II.

TABLA II

2

De estas medidas se calculan, mediante las expresiones proporcionadas anteriormente, los parámetros del material: velocidad de propagación (v), atenuación (\alpha) y densidad (\rho). Los resultados se muestran en la tabla III.

TABLA III

3

Ejemplo 3 Calibración del procedimiento de medida con objeto de determinar el grado y punto de burbuja de membranas porosas

Una vez determinado (ejemplo 2) el procedimiento para medir las propiedades del material poroso que el presente dispositivo permite obtener (velocidad y atenuación de los ultrasonidos y densidad), el objetivo puede ser establecer el modo de operar para determinar, a partir de éstas medidas, otros parámetros del material poroso directamente relacionados bien con la microestructura del material (porosidad, tamaño de poro, tortuosidad de los poros...) o bien con otros parámetros estándar empleados para determinar ciertas propiedades de interés (según la aplicación), ejemplos de estos serían: el punto de burbuja o el flujo de aire o agua medido en condiciones estándar.

En este segundo caso, se trata de establecer una relación bien teórica o bien empírica para una serie de materiales conocidos, entre los parámetros acústicos (v, \alpha y \rho) y otros parámetros que los tests convencionales emplean para caracterizar estos materiales: punto de burbuja o flujo de agua. Una vez conocida esta relación, será posible estimar magnitudes como el punto de burbuja o el flujo de agua a partir de medidas puramente acústicas para muestras de propiedades desconocidas. En este caso se presenta un procedimiento de calibración basado en relaciones empíricas.

Se toman dos conjuntos de membranas de distinto grado de dos tipos de material. El primer conjunto son muestras de membrana de éster de celulosa (Millipore) de tamaño de poro: 0.025 \mum, 0.1 \mum, 0.22 \mum, 0.45 \mum, 0.6 \mum, 0.8 \mum, 1.2 \mum, 3 \mum y 5 \mum. El segundo son membranas de polietersulfona (Pall-Gelman) de tamaño de poro 0.1 \mum, 0.2 \mum y 0.45 \mum. Los datos de punto de burbuja y flujo de agua a través de la membrana expresado en mL/min/cm^{2}, medido en condiciones de 0.7 bar (gradiente de presión a través de la membrana) se toman de la información que proporcionan los propios fabricantes.

La figura 6.a muestra la variación de la velocidad de propagación de los ultrasonidos medida según se explica en la presente memoria en función del punto de burbuja que proporciona el fabricante para cada una de las membranas medidas (9 membranas de diferente grado de éster de celulosa y 3 membranas de diferente grado de polietersulfona). La relación que se observa entre v (velocidad de los ultrasonidos) y el punto de burbuja (PB) es del tipo:

\frac{v - v_{0}}{v_{0}} = k \cdot PB, donde v_{0} y k son constantes que dependen del material, pero no del grado (es decir, del tamaño de poro). Para la serie de membranas de éster de celulosa se obtiene k = 0.16 bar^{-1} v_{0} = 222 m/s, para la serie de polietersulfona, se obtiene: k = 0.24 bar^{-1} v_{0} = 246 m/s. Además se obtiene que el producto de la atenuación por la longitud de onda es prácticamente constante para cada material, es decir, no depende del tamaño de poro.

Igualmente se procede con el parámetro de flujo de agua en condiciones estándar (Fs). En este caso, se sabe, que PB \propto \sqrt{1/Fs}, por lo tanto, \frac{v - v_{0}}{v_{0}} \propto \sqrt{1/Fs}, Los resultados para este caso se muestran en la figura 6.b.

Lo que se ha conseguido de esta forma es establecer una relación empírica entre los parámetros acústicos y dos de los parámetros más utilizados en la caracterización de membranas para operaciones de filtración (el punto de burbuja y el flujo de agua) para dos familias de membranas en concreto: ésteres de celulosa (Millipore) y polyetersulfonas (Pall-Gellman). Supongamos que ahora tenemos una membrana que corresponde a una de estas familias, pero de la que bien desconocemos el grado (tamaño de poro), o bien (aunque conocemos su grado) desconocemos si por cualquier defecto de fabricación o manipulación posterior se va a comportar como establece el fabricante, o bien es una membrana conocida, que tras un periodo de funcionamiento correcto queremos saber si ha sufrido alguna alteración o deterioro de sus propiedades. En todos estos casos, con el dispositivo y el procedimiento aquí presentado, basta con una medida acústica para determinar bien el grado de la membrana, o su integridad o el posible deterioro. La ventaja de las medidas acústicas es que son no invasivas, no destructivas y no contaminantes. Además el proceso de medida es más sencillo que el de los otros parámetros mencionados.

Ejemplo 4 Determinación de la presencia de contaminación en una membrana porosa

En ocasiones interesa conocer el grado de contaminación de una membrana tras un cierto tiempo de operación. La detección de la deposición de partículas sólidas o gotas de líquido adheridas a la superficie de la membrana o atrapadas en el interior de la misma, así como la determinación de la cantidad y concentración de éstas es posible mediante el dispositivo aquí presentado.

La deposición de sólidos o líquidos ya sea en la superficie de la membrana o en el interior de los poros produce tres efectos: aumenta la densidad efectiva de la membrana, altera el comportamiento elástico (y por tanto afecta tanto a la velocidad como a la propagación de los ultrasonidos en la membrana) y, por último, introduce cierto grado de inhomogeneidad en la medida que las partículas o el líquido no presenten una distribución homogénea sobre toda la membrana. En este ejemplo se muestra cómo es posible determinar la presencia de humedad en una membrana porosa y así como obtener información acerca de la homogeneidad de la distribución de humedad en la membrana. El procedimiento es el siguiente: en el portamuestras (figura 1) se coloca una membrana que ha sido humedecida al 100%, y se deja secar a temperatura ambiente. Mientras se está secando, el coeficiente de transmisión de los ultrasonidos a través de la membrana se mide a intervalos de tiempo de 30 segundos. El tiempo de secado completo de las membranas estudiadas oscila entre 60 min y 30 min. De cada medida del coeficiente de transmisión se obtienen velocidad y atenuación de los ultrasonidos y la densidad efectiva de la membrana. De la diferencia entre la densidad medida para la membrana húmeda y la densidad medida para la membrana seca, es posible determinar el contenido de humedad de la membrana.

En la figura 7.a. y 7.b. se presentan las medidas del coeficiente de transmisión obtenidas para dos membranas de nitrato de celulosa (Whatman) distintas: 0.65 \mum y 0.2 \mum, respectivamente. En todos los casos se observa la resonancia asociada al espesor de la membrana. Los detalles del sistema de medida son los mismos que los empleados en el ejemplo anterior. En el primer caso (figura 7.a) las curvas corresponden a humedades del: 21%, 16%, 12%, 8%, 6% y 0%.; en el segundo caso (figura 7.b) a humedades de: 48%, 46%, 26%, 10% y 0%.

Por último, en ambos casos se observa que para humedades muy bajas, el pico de resonancia se distorsiona notablemente. Esto es debido a la distribución irregular de la humedad sobre la membrana cuando la cantidad de agua es insuficiente para mantener una película uniforme sobre la membrana frente al efecto de la tensión superficial.

Referencias

1. J. Krautkramer and H. Krautkramer. Ultrasonic testing of materials. Springer-Verlag, Berlin 1989.

2. W.A. Grandia and C. M. Fortunko, "NDE applications of air-coupled ultrasonic transducers," in. IEEE Ultrasonics Symp. Proc., New York: IEEE, 1995, pp. 697-708.

3. T. Yano, M. Tone y A. Fukumoto. Range finding and surface characterization using high-frequency air transducers. IEEE Trans. Ultrason., Ferroelec. Freq. Control. 34, no. 2, 1987, 232-236.

4. G. Hayward y A, Gachagan. An evaluation of 1-3 connectivity composite transducers for air-coupled ultrasonic applications. J. Acoust. Soc. Am. 1996.

5. S. P. Kelly, G. Hayward y T. E. Gómez. "Characterization and assessment of an integrated matching layer for air-coupled ultrasonic applications" enviado a IEEE-UFFC.

6. T. E. Gómez, B. González, F. Montero. Paper characterization by measurement of thickness and píate resonances using air-coupled ultrasound. in. IEEE Ultrasonics Symp. Proc., New York: IEEE, 2002.

7. W. Kuhl, G. R. Schodder, and F-K. Schröder. Condenser transmitters and microphones with solid dielectric for airborne ultrasonics. Acustica, vol. 4, no. 5, 1954, 519-532.

8. K. Geide. Schwingungseigenschafte von elektrostatichen Wandlern nach dem Sell-Prinzip. Acustica, 10, 295, 1960.

9. W.W. Wright. High frequency electrostatic transducers for use in air. IRE National Conv. Rec. 10(6), 1962, 95-100.

10. M.I. Haller y T. Khuri-Yakub "A surface micromachined electrostatic ultrasonic air transducer" 1994 Ultrasonics Symposium, 1241-1244 (IEEE).

11. W. Sachse Y. Pao. "On the measurement of phase and group velocities of dispersive waves in solids" J. Appl. Phys. 49(8), 4320-4327, 1978.

\newpage

12. N. F. Haines, J. C. Bell, P. J. McIntyre "The application of broadband ultrasonic spectroscopy to the study of layered media" J. Acoust. Soc. Am. 64(6), 1645-165. 1978.

13. R. A. Kline "Measurement of attenuation and dispersion using an ultrasonic spectroscopy technique" J. Acoust. Soc. Am. 76(2), 498-504, 1984.

14. J. Wu. "Determination of velocity and attenuation of shear waves using ultrasonic spectroscopy" J. Acoust. Soc. Am. 99(5), 2871-2875, 1996.

15. D. W. Shindel and D. A. Hutchins, "Through-thickness characterization of solids by wideband air-coupled ultrasound," Ultrasonics, vol. 33(1), pp. 11-17, 1995.

16. M. J. Anderson, P. R. Martin, and Ch. M. Fortunko, "Gas coupled ultrasonic measurement of stiffness moduli of polymer composite plates," in. IEEE Ultrasonics Symp. Proc., New York: IEEE, 1994, pp. 1255-1259.

17. D. A. Hutchins, W. M. D. Wrigh,t and D. W. Shindel, "Ultrasonic measurements in polymeric materials using air-coupled capacitance transducers," J. Acoust. Soc. Am., vol. 96 (3), pp. 1634-1642, 1994.

18. A. Safaeinili, O. I. Lobkis, and D. E. Chimenti, "Air-coupled ultrasonic estimation of viscoelastic stiffnesses in plates," IEEE Trans. Ultrason., Ferroelec., Freq. Contr., vol. 43(6), pp1171-1179, 1996.

19. M. Luukkala and P. Meriläinen, "Metal plate testing using airborne ultrasound," Ultrasonics, pp. 218-221, 1973.

20. W.M.D. Wright and D. A. Hutchins, "Air-coupled ultrasonic testing of metals using broadband pulses in through-transmission," Ultrasonics, vol. 37, pp. 19-22, 1999.

21. C. M. Fortunko, M. C. Renken, and A. Murray, "Examination of objects made of wood using air-coupled ultrasound," en IEEE Ultrasonics Symp. Proc., New York: IEEE, 1990, pp. 1099-1103.

22. D. W. Schindel, D. A. Hutchins. Non-contact characterization and inspection of materials using wideband air coupled ultrasound. Patente USA, 20 octubre de 1998, no. 5,824,908.

23. M. E. Delany and E. N. Bazley, "Acousical properties of fibrous absorbent materials," Appl. Acoust., vol. 3, pp. 105-116, 1970.

24. W. Qunli, "Empirical relations between acoustical properties and flow resistivity of porous plastic open-cell foam," Appl. Acoust., vol. 25, pp. 141-148, 1988.

25. R. N. Chandler and D. Linton Johnson, "The equivalente of quasistatic flow in fluid-saturated porous media and the Biot's slow wave in the limit of zero frequency," J. Appl. Phys., vol. 52(5), pp. 3391-3395, May 1981.

26. D. Linton-Johnson, T. Plona, C. Scala, F. Pasieb, and H. Kojima, "Tortuosity and acoustic slow waves," Phys. Rev. Lett., vol. 49(25), pp. 1840-1844, Dec. 1982.

27. D. B. Pall. Method and apparatus for determining the maximum pore size of hydraulic filter elements. Patente no. US3007334. 7.11.1961.

28. S. Hirayama, T. Akashi, A. Ikuta, I. Sasaki, H. Fukuda. Apparatus for testing membrane filters, and for sterilizing liquids with use of membrane filter. Patente no. US4872974. 10.10.1989.

29. G. Reichelt. Method for determining the bubble point or the largest pore of membranes or of filter materials. Patente no. US4744240. 17.05.1988.

30. D. S. Hopkins, W. D. Spencer, P. Lipari, A. G. Altemose. System and method for testing the integrity of porous elements. Patente EE.UU. No. U S 5576480. 19.11.1996.

31. J. Simonetti. System and method for continuous integrity testing of a material web. Patente no. W002095370. 28.11.2002.

32. S. Emory, J. L. Burns, R. Gray, F. Lentine, S. Proulx. Electrically testing the integrity of membranes. Patente no. EP0638798, B1. 15.02.1995.

33. C. Bejtlich. Integrity test for porous structures using acoustic emission. Patente no. US5581017, 3.12.1996.

34. P.R. Johnston, R. C. Lukaszwicz, and T. H. Meltzer, Certain imprecisions in the bubble point measurement, J. Parenteral Sci. Technol., 35 (1981) 36-39.

35. S. Sundaram, J. D. Brantley, G. Howard, Jr, and H. Brandwein, Considerations in Using "Bubble point" type tests as filter integrity tests, Part I Phamaceutical Technology, (2000) 90-114.

36. S. Sundaram, J. D. Brantley, G. Howard, Jr, and H. Brandwein, Considerations in Using "Bubble point" type tests as filter integrity tests, Part II, Phamaceutical Technology, (2000) 108-136.

37. D. B. Pall. Quality control of absolute bacterial removal filters. Parenteral Drug Association, 2. Nov. 1973.

38. R.A. Peterson, A. R. Greenberg, L.J. Bond, and W. B. Krantz, Use of ultrasonic TDR for real-time noninvasive measurement of compressive strain during membrane compaction, Desalination 116 (1998) 115-122.

39. A. P. Mairal, A. R. Greenberg, W. B. Krantz and L. J. Bond, Real-time measurement of inorganic fouling of RO desalination membranes using ultrasonic time-domain reflectometry, J. Membr. Sci., 159 (1999) 185-196.

40. A. P. Mairal, A. R. Greenberg, and W. B. Krantz, Investigation of membrane fouling and cleaning using ultrasonic time-domain reflectometry, Desalination 130 (2000) 45-60.

41. V. E. Reinsch, A. R. Greenberg, S. S. Kelley, R. Peterson and L.J. Bond, A new technique for the simultaneous, real-time measurement of membrane compaction and performace during exposure to high-pressure gas, J. Membrane Sci. 171 (2000) 217-228.

42. J. Li, R. D. Sanderson and E. P. Jacobs, Non-invasive visualization of the fouling of microfiltration membranes by ultrasonic time-domain reflectometry, J. Membrane Sci. 201 (2002) 17-29.

43. R. Bass, "Diffraction effects in the ultrasonic field of a piston source," J. Acoust. Soc. Am., vol. 30 (7), pp. 602-605, 1958.

44. S. P. Kelly, G. Hayward, T. E. Gómez. An air-coupled ultrasonic matching layer employing half wavelength cavity resonance. IEEE Ultrasonics Symp. Proc., New York: IEEE, 2001, pp. 965-968.

45. M. C. Bardwahj. Ultrasonic transducer for high transduction in gases and method for non-contact ultrasound transmission into solid materials. Patente Internacional WO 98/58519, 23 diciembre, 1998.

46. S. Rhee, T. A. Ritter, K. K. Shung, H. Wang, W. Cao. Materials for acoustic matching in ultrasound transducers. 2001 IEEE International Ultrasonics Symposium, Atlanta 7-10, Conf. Proceedings.

47. O. Krauss, R. Gerlach, J. Fricke. Experimental and theoretical investigations of SiO2-aerogel matched piezo-transducers.

48. R. Gerlach, J. Fricke, V. Mágori. Verfahren zur Herstellung eines hydrophoben Aerogels. Patente Europea, EP 0 640 564 Al. 1.03.1995.

49. L. J. Gibson, M. F. Ashby. Cellular solids. Cambridge University Press. 1997.

50. M.A. Biot, "Theory of propagation of elastic waves in a fluid-saturated porous solid. I. Low frequency range," J. Acoust. Soc. Am., vol. 28, pp. 168-178, 1956.

51. M. A. Biot, "Theory of propagation of elastic waves in a fluid-saturated porous solid. II. Higher frequency range," J. Acoust. Soc. Am., vol. 28, pp. 179-191. 1956.

52. K. Wu, Q. Xue, and L. Adler, "Reflection and transmission of elastic waves from a fluid-saturated porous solid boundary," J. Acoust. Soc. Am., vol. 87 (6), pp. 2349-2358, 1990.

53. S. Feng and D. L. Johnson, "High-frequency acousti properties of a fluid/porous solid interface," J. Acoust. Soc. Am., vol. 74(3), pp. 906-914, 1983.

54. M. Kraus, M. Heisler, I. Katsnelson y D. Velazques. Filtration membranes and method of making the same. Patente. no. US4900449. 13.02.1990.

Claims (11)

1. Dispositivo ultrasónico para emitir (a un gas) y recibir (de un gas) señales ultrasónicas de banda ancha con alta eficiencia en el rango de frecuencias de 50 kHz- 3.5 MHz.

2. Dispositivo ultrasónico según reivindicación 1 caracterizado por emplear una o varias parejas de transductores piezoeléctricos que se adaptan a trabajar en gases (en particular en aire) mediante un apilamiento de capas de adaptación de impedancias cuarto de onda.

3. Dispositivo según reivindicación 2 en el que, al menos, la última capa de adaptación es un material tipo Biot, en particular, cumple las propiedades:

-

Alta porosidad (>60%).

-

Poro abierto.

-

Baja densidad (<600 kg/m^{3}).

-

Baja velocidad de propagación (v<700 m/s).

-

Baja atenuación (<600 Np/m a la frecuencia de trabajo).

-

Tamaño de poro menor que la longitud de onda de los ultrasonidos a la frecuencia de trabajo.

4. Dispositivo según reivindicación 3 caracterizado por emplear polímeros celulares como materiales tipo Biot para la última de las capas de adaptación.

5. Dispositivo según reivindicaciones 4 caracterizado por que la sintonización en frecuencia de la capa de adaptación más externa (material tipo Biot) se realiza variando el tamaño de poro del material y no necesariamente su espesor.

6. Dispositivo según reivindicaciones 1 y 2 caracterizado por que los transductores empleados presentan un máximo de sensibilidad no inferior a -45 dB y una banda efectiva (por encima de -60 dB) de al menos el 60%. Esta banda de frecuencia debe permitir observar una o varias de las resonancias del coeficiente de transmisión asociadas al espesor de la muestra.

7. Dispositivo según reivindicaciones 1-2 caracterizado por que los transductores empleados pueden realizarse en configuración array o monoelemento y la geometría del campo puede ser plana o focalizada.

8. Dispositivo según reivindicaciones 1-7 que incorpora un sistema mecánico para desplazar el haz ultrasónico sobre la superficie del material a inspeccionar y para almacenar los resultados obtenidos para cada punto de medida junto con sus coordenadas espaciales, para los casos en los que pueda ser necesario analizar muestras mucho mayores que el tamaño del haz ultrasónico o bien ser necesario un análisis punto a punto de la muestra con mayor resolución axial.

9. Procedimiento para la realización de tests de integridad para materiales porosos en aire y sin contacto directo empleando el dispositivo diseñado según reivindicaciones 1-8. El test se basa en la medida de los parámetros acústicos mediante transmisión directa a través de la muestra y acoplamiento de los ultrasonidos por aire (gas) y en la relación existente entre los parámetros acústicos y los parámetros intrínsecos del material: tamaño de poro, porosidad, tortuosidad, resistencia al flujo, punto de burbuja, etc.

10. Test de integridad para materiales porosos según 9 caracterizado por medir la velocidad de propagación de los ultrasonidos, su atenuación y la densidad empleando uno de los dos métodos que se indican.

A.

Cálculo de la velocidad a partir de medidas de tiempo de vuelo; y cálculo de la atenuación a partir de medidas de amplitud, conocida la impedancia del material.

B.

Cálculo de la velocidad, la atenuación y la densidad a partir del análisis espectral de resonancias en el coeficiente de transmisión de los ultrasonidos a través de la muestra asociadas al espesor de la misma (sólo para muestras plano-paralelas).

11. Test de integridad para materiales porosos según reivindicación 10 caracterizado por ser no destructivo, no invasivo, no contaminante del material poroso e indirecto: las propiedades intrínsecas del material (tamaño de poro, porosidad, tortuosidad, resistencia al flujo, punto de burbuja) se obtienen de forma indirecta a partir de las medidas acústicas, bien mediante una calibración empírica de los resultados, bien mediante relaciones teóricas entre los parámetros.