Cámaras acústicas en ensayos estructurales: los beneficios de ver el sonido

Los métodos de ensayo no-destructivos tradicionales (NDT) tienen algunas desventajas cuando nos referimos a la calidad del monitoreo. Por ejemplo, a la hora de detectar los errores que ocurren durante los ensayos de estructuras.

¿Por dónde empezamos?  Supongamos que estamos llevando a cabo un ensayo de fatiga a una estructura aeroespacial de grandes dimensiones. Comprobamos cada parte de la estructura por posibles defectos, sin embargo, una vez encontramos una grieta, no hay forma de saber exactamente cuándo empezó a aparecer o bajo cuántos Kilonewtons (Kn).

Presentamos la cámara acústica.

Con la habilidad de mapear el sonido, podemos ver de forma inmediata como se rompe la estructura sin necesidad de un largo y tedioso proceso de búsqueda. Además, podemos detectar el punto exacto en el que la rotura empezó y cruzando los datos, saber la carga aplicada en ese momento.

Más adelante en este artículo, explicaremos como esta tecnología puede ser utilizada en combinación con los métodos clásicos NDT, sin reemplazarlos. Por ahora, basta con decir que automatiza el proceso y además incrementa la precisión de los resultados. Antes de continuar, tenemos que hacernos unas preguntas básicas: ¿Qué es una cámara acústica? ¿Cómo funciona?

EL MÉTODO DE LA CÁMARA ACÚSTICA

Se originó en el campo de las ciencias informáticas. Las cámaras acústicas fueron utilizadas para estudios, en proyectos que analizaban el comportamiento de los peces bajo el hielo ártico. Hoy en día, esta tecnología ha sido desarrollada hasta el punto que es suficientemente madura y flexible en gran variedad de entornos acústicos.

Está todo basado en la visualización de fuentes de sonido, como pasa con la imagen térmica, pero para acústica. Para simplificarlo, mide el sonido y los ultrasonidos con múltiples micrófonos, 64 para ser exactos, y localiza las diferentes fuentes de sonido, basándose en las diferentes frecuencias e intensidades y mapea el sonido para verlo en pantalla.

El equipo opera en un rango de frecuencias muy amplio, capaz de capturar los ultrasonidos, entonces calcula los tiempos entre los 64 micrófonos y el objeto ensayado. Cuando el sonido se propaga por un material, las fuentes de estos sonidos son detectadas por los micrófonos en diferentes momentos e intensidades. Estas dos variables dependen de la posición de la fuente y del micrófono. Así es como puede localizar y mostrar desde que punto de la estructura se genera el sonido (donde se está rompiendo). Todo ello en tiempo real y mostrando los resultados en una pantalla.

También podemos poner la cámara a grabar el procedimiento. Esto permite validar la posición de los defectos detectados, ya que podemos empezar la grabación 10 segundos antes de la aparición de la grieta, comprobando así, la presencia (e impacto) de las posibles fracturas previas.

Los Resultados

El software muestra, en blanco y negro, una imagen del ensayo. Una vez el ensayo y la cámara acústica están en marcha y la carga es aplicada a la estructura, puntos de colores empiezan a aparecer en el video dependiendo de donde se detecta el sonido. Una vez tenemos esta información, podemos inspeccionar los defectos y localizarlos de forma precisa mediante el método NDT tradicional.

A pesar de que el uso de una cámara acústica reduce en gran medida el tiempo empleado en el ensayo, especialmente para grandes estructuras, no ofrece información cuantitativa sobre los daños. Ahí es donde el ensayo NDT clásico nos puede ayudar. La cámara acústica indica el lugar y el ensayo NDT otorga los valores.

Las siguientes imágenes muestran los resultados en pantalla – la primera muestra el inicio de las grietas en la estructura y la segunda muestra el desarrollo de estas grietas a medida que se aplica más carga.

CAMARAS ACÚSTICAS VS EMISIONES ACÚSTICAS

Otra técnica relacionada que deberíamos mencionar, es la de las emisiones acústicas. Esta conlleva el uso de pequeños micrófonos con sensores piezoeléctricos – los cuáles entregan una señal eléctrica cuando reciben presión – directamente en la estructura a ensayar. Cuándo empieza el estrés, el sensor convierte las ondas generadas en señales eléctricas, las cuales son enviadas a un ordenador que las procesa y muestra en pantalla.

A pesar de ser igual de efectivo, solamente funciona si conocemos realmente el material de nuestra estructura, su densidad y composición. ¿Por qué? Porque el método de emisiones acústicas también detecta las variaciones de velocidad del sonido y los reflejos como ondas de estrés, no sólo las grietas y defectos. Con la cámara acústica no tenemos este problema – está basado en ultrasonidos que detectan el daño en la estructura.

UNA HERRAMIENTA INNOVADORA PARA PROYECTOS INNOVADORES

En Applus+ Laboratories, estamos usando las cámaras acústicas en varios proyectos innovadores que requieren del monitoreo de la salud estructural, ayudándonos a obtener resultados más precisos y rápidos.

Uno de estos proyectos es TABASCO. Su objetivo es mejorar la precisión del ensayo virtual basado en modelos FEM y así facilitar su aceptación en las campañas de certificación del sector aeroespacial. Otro proyecto es DEMONSTRATE, dónde evaluamos la resistencia estructural de dos nuevos diseños de fuselaje – uno en aleación de Al-Li y el otro en termoplástico. El tercer proyecto en el cual usamos esta cámara es SOFIA, aquí validamos un nuevo concepto de panel de fuselaje hecho con compuestos termoestables.

Estos proyectos han conseguido financiación de Clean Sky 2 Joint Undertaking (JU) under bajo el acuerdo No 864940 (TABASCO), 101007881 (DEMONSTRATE) and 101007984 (SOFIA). La JU recibe soporte del programa de innovación e investigación de la Unión Europea, Horizon 2020 y de miembros de Clean Sky 2 JU además de la UE.