Resonancia Acústica

Fundamentos
La evaluación no destructiva consiste en un conjunto de técnicas de análisis, utilizadas tanto en la ciencia como en la industria, para la detección de fallas y defectos en una pieza sin causarle daño. El uso de ensayos no destructivos (non-destructive testings, NDTs) en la industria permite reducir costos, incrementar la calidad del producto y mantener altos dichos niveles de calidad.

La mayoría de los métodos de NDT utilizados hoy en día, tales como, la inspección visual, tintas penetrantes fluorescentes, tintas con partículas metálicas magnetizables y métodos de inspección por corrientes de eddy, entre otros, requieren de un operador entrenado para rastrear los defectos e interpretar los resultados subjetivamente [1].

Esto no sólo hace que el ensayo esté sujeto al error humano y requiera de un operador con entrenamiento especial, sino que también hace que el tiempo para ensayar cada pieza y obtener los resultados sea significativo. Si bien existen otros métodos de NDT (para mayor detalle consultar el trabajo de Tur y Aygun [2]), varios de estos no están ampliamente difundidos debido principalmente a su elevado costo de instalación y mantenimiento.

La resonancia acústica, como método para detectar fallas, no es novedoso.
Desde la antigüedad se la ha utilizado para diagnosticar fallas, pues los objetos dañados, al ser golpeados, producen un sonido diferente que suele ser detectable por el oído humano [3]. Es decir, al golpear un objeto, las vibraciones mecánicas que se producen en la estructura (sonido transmitido por vía sólida) y las vibraciones radiadas al aire circundante (sonido audible) llevan información. Las resonancias son claros criterios físicos que describen en su totalidad al objeto (piezas para este estudio), tanto interna como externamente, respecto al material que lo conforma, su estructura y su geometría. Diferencias en estas características vibracionales permiten encontrar defectos en dichos objetos [1], [4], [5]. El ensayo de resonancia acústica es también conocido como ART (acoustic resonance testing).

Los métodos convencionales de diagnósticos de fallas no son globales, es decir requieren numerosas mediciones en pequeñas secciones, incrementando la dificultad y el costo de las mediciones [3]. En cambio, el ART ensaya la pieza entera, por lo que las mediciones realizadas en un lugar específico de la pieza pueden indicar defectos en cualquier lugar de la misma. Además, es una prueba rápida que puede ser completamente automatizada y permite realizar juicios objetivos y cuantitativos, eliminando el error humano y evitando el uso de aerosoles con tintas que contienen partículas metálicas tóxicas. Esto posibilita su uso en el control de calidad del 100% de las piezas en una línea producción en serie.

Los defectos típicos que pueden ser detectados incluyen grietas, cavidades, porosidades, nodularidad, dureza, dimensiones fuera de la tolerancia, diferencias en la densidad, entre otros [6]. Cada imperfección cambiará la respuesta acústica de alguna manera. Pero dependiendo del tamaño de dicha imperfección, estos cambios pueden ser muy pequeños, por lo que es esencial un procesamiento inteligente de la señal acústica capturada [1].

Procedimiento de medición de la respuesta acústica

El procedimiento a seguir en el sistema AFENsis para la detección de fallas se detalla a continuación. En primer lugar, la pieza a ensayar es excitada por un martillo de impacto.

 

pieza-martillo

 

El impacto actúa como un impulso blanco proveyendo de energía constante a todas las frecuencias, causando que la pieza comience a vibrar. Las frecuencias que no corresponden a los modos de resonancia se atenúan muy rápidamente, en cambio, las oscilaciones correspondientes a los modos de vibración del objeto se mantienen en el tiempo, produciendo ondas sonoras. Un micrófono captura la respuesta acústica de la pieza y una computadora la almacena digitalmente en la memoria. Se utilizan frecuencias de muestreo altas (44.1 kHz ó 48 kHz) para asegurar que se capturan todos los modos de resonancia relevantes. A los datos capturados se le aplica una ventana de Hann para reducir el efecto del manchado espectral (leakage) y para reducir la distorsión debida al sonido del impacto del martillo. Para identificar las frecuencias de resonancia (picos en el espectro), es necesario realizar la transformada de Fourier a estos datos.

 

En piezas con múltiples modos de vibración, no todos estos modos son afectados por la presencia de una falla. Sólo los modos en los cuales la sección fallada sufre una deformación son afectados y somete un cambio en la frecuencia de resonancia. De esta manera, analizando el espectro, y comparándolo con espectros de piezas sin fallas, es posible identificar una pieza defectuosa por un corrimiento en alguna frecuencia de resonancia [7](Figura 2).

tecnica

Este enfoque requiere algunas consideraciones preliminares antes de poner en funcionamiento el sistema. Por un lado, se debe determinar el comportamiento vibracional de una pieza patrón o de referencia sin fallas con el menor error posible. Esto, comúnmente se realiza capturando la respuesta acústica de varias piezas que se suponen sin fallas y luego se promedian estas mediciones.

 

Referencias

[1] E. Coffey, “Acoustic resonance testing,” in  Future of Instrumentation International Workshop (FIIW), 2012, 2012, pp. 1–2. 8

[2] K. Tur and H. Aygun, “The Role of Nondestructive Inspection as a Part of Quality Assurance in Casting Industry.,” Indian Foundry Journal, vol. 49, no. 1, pp. 33–41, 2003.

[3] A. Zapico, L. Molisani, R. O’Brien, J. C. Del Real, Y. Ballesteros, and N. Ponso, “Diagnóstico Global de Fallas en Vigas de Aluminio Usando Niveles de Presión Sonora,”  Mecánica Computacional, vol. XXX, no. 42, pp. 3271–3276, 2011.

[4] I. Hertlin and D. Schultze, “Acoustic Resonance Testing: the upcoming volume-oriented NDT Method,” in  III Pan-American Conference for Nondestructive Testing, 2003.

[5] G. R. Stultz, R. W. Bono, and M. I. Schiefer, “Fundamentals of Resonant Acoustic Method NDT,” in Advances in Powder Metallurgy and Particulate Materials, Montreal, Canada, 2005, vol. 3, pp. 1–11.

[6] R. W. Bono and S. Sorensen, “Resonant Acoustic Method Delivers Defect-free Parts,”  Advanced Materials & Processes, pp. 25–28, Jul-2008.

[7] M. I. Schiefer and L. Sjoeberg, “Physical Basis of the Resonant Acoustic Method for Flaw Detection,” in Advances in Powder Metallurgy and Particulate Materials, Montreal, Canada, 2005, vol. 3, pp. 87–97.