ES2597979B2 - Sistema de espectrometría vibroacústica para el análisis no destructivo de materiales - Google Patents

Abstract

Sistema espectral por ondas vibroacústicas de impacto indirecto para el análisis de propiedades mecánicas, químicas y defectos en materiales. Se detalla y reivindica la utilización de una estructura consistente en una plataforma antivibración, una lámina resonante, un percutor y micrófonos en el rango audible conectados a un sistema de adquisición, procesado y análisis de datos. Su aplicación se centra en la caracterización de materiales, tanto en fase sólida como fluida, mediante la determinación de sus propiedades elastodinámicas, así como alteraciones en su composición química o estructural, empleando técnicas espectroacústicas en el rango de frecuencias audible.

Description

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DESCRIPCION

Sistema de espectrometria vibroacustica para el analisis no destructive de materiales. Sector de la tecnica

Este sistema de analisis de materiales por medio de la exploracion resonante por ondas vibroacusticas, se inscribe dentro del sector de la tecnologla de Ingeniarla de Materiales, asl como el correspondiente al diseno y tecnologla de sistemas de ensayo no destructivo.

Estado de la tecnica

El origen de las tecnicas de impacto acustico se remonta a finales del siglo XIX y principios del siglo XX, para la detection de defectos y fracturas ocultas en estructuras metalicas y grandes piezas como ruedas y ejes de ferrocarril. Sobre todo, a ralz de los avances y necesidades surgidos de la II Guerra Mundial, el desarrollo de metodos de analisis no destructivos, en concreto los acusticos, fue extraordinario, aunque la mayor parte de los esfuerzos se dedicaron a las tecnologlas de ultrasonido. En la actualidad, existen multitud de sistemas de analisis no destructivo basados en ultrasonidos para el estudio de materiales, entre ellos los basados en metodos de impacto-eco.

Actualmente la practica totalidad de los sistemas de analisis no destructivo de materiales basados en tecnicas acusticas utilizan ultrasonidos, como puede verse en:

• M. Brigante and M A. Sumbatya, "Acoustic Methods for the Nondestructive Testing of Concrete. A Review of Foreign Publications in the Experimental Field", Russian Journal of Nondestructive Testing, 2013, Vol. 49, No 2, pp 100-111. (ISSN 1061-8309, DOI: 10.1134/S1061830913020034)

• Y. Ito, T. Uomoto Nondestructive testing method of concrete using impact acoustics-. NDT & E lnternational, 1997, Vol. 30, No. 4, pp. 217-222. (DOI: 10.1016/S0963- 8695(96)00059-X)

• Mary J Sansalone and William B. Streett. "The lmpact-Echo Method". NDTnet 1998 February, Vol. 3 No. 2 (
http://www.ndt.net/article/0298/streett/streett.htm)

Por contra, la invention que se propone trabaja en el margen audible lo que provoca una disminucion de los costes y de la complejidad tecnica de los analisis, que pueden realizarse in situ. Asimismo, al trabajar en el margen audible, no es necesario emplear geles que permitan adaptar las impedancias acusticas entre el Instrumento de medida y el material.

Existen invenciones como (Mary J. Sansalone, Donald G. Pratt, “Non-destructiva materials testing apparatus and technique for use in the field", US 5165270 A, 24 Nov 1992) basadas en el metodo de impacto-eco que hacen uso del estudio de ondas de tension en el interior del material provocadas por impacto directo, con percutores mecanicos (tecnicas de impacto directo sobre el material). Sin embargo, el sistema aqui propuesto se fundamenta en el acoplamiento vibroacustico entre el material bajo estudio y una lamina vibrante excitada por impacto, de modo que la excitation del material se produce de forma indirecta por medio de la lamina vibrante (tecnica de impacto indirecto). Esta nueva tecnica presenta ademas la ventaja de poder analizar materiales en cualquier

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estado (solido o fluido). La invention propuesta es de aplicacion a la medida no destructiva de diversas propiedades relevantes de los materiales, de una forma rapida, eficaz y con un coste menor que los sistemas actuales.

Por tanto, el sistema que se propone permite el analisis mediante impacto indirecto de materiales, tanto solidos como fluidos, utilizando sonidos audibles y sin necesidad de geles adaptadores de impedancias.

Description de la invencion

La presente invencion plantea la posibilidad de analisis no destructivos de materiales a traves de impacto indirecto, lo cual redunda en un menor coste de production y diversas ventajas tecnicas. La energla de excitation del material se transfiere por medio de la vibration por impacto de una lamina vibrante a frecuencias de sonido audible. El acoplamiento entre el material y la lamina vibrante va a provocar modificaciones en las caracterlsticas espectrales de emision de la lamina vibrante en vaclo, cuyo analisis permite determinar la respuesta del material y sus propiedades mecanicas, qulmicas y estructurales La desadaptacion de impedancias acusticas entre el material bajo estudio y la lamina vibrante es la parte esencial de la presente invencion.

El sistema que se propone esta constituido por:

1. Una plataforma antivibracion de bajo coste compuesta por un laminado de corcho y madera a dos niveles. Lo que permite que el sistema sea portatil, robusto y de facil transporte.

2. Estructura de soporte de la lamina vibrante realizada con el mismo material que la plataforma antivibracion.

3. Una lamina cuadrada de vidrio (lamina vibrante), de 200 x 200 x 2.5 mm, cuyas frecuencias de vibracion se encuentran en el margen audible (20 Hz-20 kHz). La lamina vibrante dispone de unas marcas indelebles que permiten el correcto posicionamiento de las muestras bajo estudio.

4. Plataforma soporte para el microfono, que se encuentra elevada sobre la lamina vibrante y que permite el posicionamiento del microfono a lo largo del eje central de la muestra.

5. Pendulo de acero soportado por un hilo de nylon con un mecanismo de suelta sincronizado con el comienzo de grabacion.

6 Microfono de condensador o electreto con respuesta plana entre los 20 Hz y 20 kHz.

7 Equipo hardware tipo PC conectado al microfono para la obtencion de los datos registrados por este a traves de una tarjeta de sonido capaz de grabar a 192 kHz. Este PC dispone de software de procesado de sonido y audio.

El sistema propuesto tiene aplicacion para el analisis del estado o composicion de materiales y estructuras de manera no destructiva, presentando la ventaja de no necesitar geles adaptadores de impedancias que pueden, en algunos casos, deteriorar el material a estudiar.

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El sistema descrito ha sido disenado para su uso, tanto en entorno de laboratorio como in situ, siendo completamente portatil y modular, por lo cual incluso podrla ser transportado por piezas Asimismo, no requiere un mantenimiento exhaustivo salvo por un nivel aceptable de limpieza. Es ideal para entornos agresivos donde otros sistemas con componentes mas fragiles podrlan sufrir facilmente danos

Explicacion de los dibujos

Para una facil comprension de la description que se esta realizando, esta se complementa con un juego de dibujos en donde con caracter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente

Figura 1: muestra los elementos basicos que conforman el sistema de espectrometrla vibroacustica.

Figura 2: muestra otra perspectiva del sistema.

Figuras 3, 4 y 5: muestran las dimensiones de cada uno de los elementos del sistema. Figura 6: muestra el registro y extraction de los sonidos de impacto sobre la lamina.

Figura 7: muestra el analisis impacto a impacto.

Figura 8: muestra el resultado final del proceso de analisis espectral de la senal de impacto.

Modo de realizacion

Para la realizacion del sistema se requiere los siguientes elementos:

1. Una lamina de vidrio (1.1) cuyas frecuencias de vibration caen dentro del rango audible (20 Hz-20 kHz). Las dimensiones de la lamina son. 200 x 200 x 2,5 mm (Anchura x Longitud x Grosor). El material que conforma dicha lamina debe ser vidrio.

2. Una estructura de soporte (1.2) de la lamina de vidrio, previamente descrita. En concreto, esta estructura esta formada por cuatro Cilindros de corcho y madera y de dimensiones 20 x 30 mm (Diametro x Altura).

3. Una plataforma de soporte formada por los siguientes elementos:

a. Lamina rectangular (1.3) de dimensiones 280 x 350 x 23 mm (Anchura x Longitud x Grosor). Esta lamina esta formada por corcho y madera a dos niveles.

b. Cuatro cilindros de corcho natural (1.4) de 35 x 30 mm (Diametro x Altura), sobre los que apoya la plataforma descrita anteriormente.

4. Estructura para soporte del microfono, formada por-

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a. Dos arcos identicos (1.5) situados a ambos lados de la lamina de vidrio y adheridos, sin contacto con dicha lamina, a la plataforma descrita en el punto 3.a. Sus dimensiones son de 165 x 235 mm (Altura x Longitud), siendo los listones de perfil cuadrado y lado 17 mm.

b. Gula de ajuste movil del microfono (1.6), situada por encima de la lamina de vidrio y apoyada en ambos arcos descritos en el apartado 4.a. La longitud de dicho elemento es de 275 mm.

c. Microfono de condensador o electreto (1.7), con sensibilidad en todo el rango audible, con conexiona un ordenador. Ira en la gula movil (1.6).

5. Plataforma de lanzamiento (2.1) del elemento percutor (pendulo) (2.2). Consiste en una escuadra, situada en el centro de una de las caras de la lamina de vidrio (1.1) y adherida a la plataforma de madera 3.a. Sus dimensiones son de 345 mm de altura y un perfil cuadrado de 45 mm de lado. En un lateral, se adherira un elemento que sirva de soporte para el hilo de nylon del cual pende el percutor.

6. Elemento percutor formado por un pendulo de acero (2.2), que cuelga de un hilo de nylon.

7. Mecanismo de disparo o suelta del percutor, sincronizado con la adquisicion de datos por parte del microfono, integrado dentro de la plataforma de lanzamiento del elemento percutor (2.2).

8 Un ordenador con tarjeta de sonido y entrada de microfono, capaz de grabar sonido audible.

El funcionamiento en general del sistema descrito se basa en la liberation del pendulo (2.2) desde un angulo fijo, este impacta sobre la superficie lateral de la lamina de vidrio (1.1) que produce un sonido audible cuyas frecuencias de resonancia estaran en funcion de la muestra situada sobre la misma. El sonido es registrado por el microfono (1.7), almacenado y procesado en el ordenador correspondiente.

El proceso de extraccion de propiedades de los materiales mediante el sistema descrito conlleva las siguientes etapas:

• Se procede a la excitation de la lamina de vidrio (1.1) en vaclo, es decir, sin ningun material encima de dicha lamina de vidrio (1.1), generando con ello lo que denominaremos, un patron espectral caracterlstico, que servira de referencia para el resto de medidas. Dicho espectro resulta de las medidas en el rango audible con el microfono (1.7) y su posterior procesado

• Posteriormente, se repite la excitacion de la lamina de vidrio (1.1) con el material bajo estudio situado en el centro de dicha lamina de vidrio (1.1) y se realiza un analisis diferencial de su espectro respecto al patron caracterlstico, obtenido de la medida en vaclo descrita previamente. Esta comparativa es caracterlstica de cada material y permite su diferenciacion.

• En ultimo lugar, se determinan las propiedades deseadas del material mediante el analisis y procesado de las diferencias del sonido recogido a partir de las dos

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medidas directas realizadas. Debido a las diferentes velocidades de propagation en cada material, se obtienen las propiedades de los materiales bajo estudio.

En las figuras 1 y2se representa en distintas proyecciones el sistema propuesto, mostrando todos y cada uno de los elementos esenciales y descritos previamente

En las figuras 3, 4 y 5 se detalla la acotacion y dimensiones del sistema propuesto, asl como las de los de cada uno de los elementos constitutivos del mismo.

En las figuras 6, 7 y 8 se representa el proceso de analisis de datos: se extrae una secuencia de impactos grabada a traves del microfono situado perpendicularmente a la muestra a una distancia de 10 mm, se analiza su contenido espectral por medio de operaciones matematicas basadas en autoconvolucion de la senal y se identifican las bandas de frecuencia que caracterizan los parametros de interes Los patrones de comparacion de muestras puras se obtienen en el laboratorio y se usaran para calibrar el sistema.

Aplicacion industrial

Un ejemplo de aplicacion de este sistema consiste en la caracterizacion en identification por especies de muestras laminadas de madera, siendo esto de gran utilidad en la industria de la madera y derivados celulosicos.

El sistema puede ser fabricado industrialmente y comercializado por empresas de sensores, electronica, bienes de equipos, etc.

Los usuarios finales serlan aquellos organismos y empresas dedicados al control de materiales y estructuras por ejemplo en la industria de la madera, construction, control de calidad, etc.

Claims (2)

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   REIVINDICACIONES

   Un sistema de espectrometrla vibroacustica para el analisis no destructive de materiales

   que comprende:

   a. Como parte principal, una lamina de vidrio (1.1) cuyas resonancias acusticas caen dentro del rango audible (20 Hz-20 kHz). La lamina de vidrio servira, asimismo, como soporte del material bajo estudio.

   b. Una estructura de soporte (1.2) de la lamina de vidrio, fabricada en un material antivibracion.

   c. Una plataforma de soporte que aporta unidad y estabilidad a todo el sistema.

   Dicha plataforma esta formada por los siguientes elementos:

   i. Lamina rectangular (1.3) de madera, forrada en la parte superior e inferior con laminas de corcho natural, dificultando con ello la propagation de ondas acusticas y mejorando el aislamiento de la lamina de vidrio.

   ii. Cuatro cilindros de corcho natural (1.4), sobre los que apoya la plataforma descrita.

   d. Estructura para el soporte del microfono, formada por.

   i. Dos arcos identicos (1.5) situados a ambos lados de la lamina de vidrio y adheridos, sin contacto con dicha lamina, a la plataforma de soporte (1.3).

   ii. Gula de ajuste movil del microfono (1.6), situada por encima de la lamina de vidrio y apoyada en ambos arcos (1.5). Dicha gula dispone de una ranura central, que permitira el desplazamiento del microfono en una de las dimensiones de la lamina de vidrio (1.1).

   iii. Microfono de condensador o electreto (1.7), con sensibilidad en todo el rango audible, con conexion a un ordenador Ira acoplado en la gula movil (1.6) y sera el elemento transductor del sistema.

   e. Plataforma de lanzamiento (2.1) del elemento percutor (pendulo). Consiste en una escuadra, situada en el centro de una de las caras de la lamina de vidrio (1.1) distanciada, y adherida a la plataforma de madera (1.3). En un lateral, se adherira un elemento que sirva de soporte para el hilo de nylon del cual pende el percutor.

   f. Elemento percutor (2.2) formado por un pendulo metalico macizo, que cuelga de un hilo de nylon.

   g. Mecanismo de disparo o suelta del percutor, sincronizado con la adquisicion de datos por parte del microfono.

   h. Un ordenador con tarjeta de sonido y entrada de microfono, capaz de grabar sonido audible.
2. 2. Procedimiento de medida, que utiliza el sistema de la reivindicacion 1, que se emplea para el estudio de propiedades flsicas y estructurales de los materiales, que comprende las siguientes etapas:

   5 a. La excitacion de la lamina de vidrio (1.1) por medio del impacto lateral del pendulo (2.1), que genera un patron espectral caracterlstico que servira de referencia para el resto de medidas. El espectro es el resultado de la autoconvolucion de las medidas en el rango audible con el microfono (1.7) realizado por medio del ordenador correspondiente.

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   b. Se repite la excitacion con el material bajo estudio situado en el centro de la lamina de vidrio y se realiza un analisis diferencial de su espectro (autoconvolucion) respecto a la medida descrita en el apartado 2.a.

   15 c. Se extraen ademas las propiedades del material, a partir del analisis acustico de las medidas diferenciales tomadas en los apartados 2.a y 2.b.