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Mediciones bajo el agua con vibrómetros láser
En ciertos contextos, se requiere llevar a cabo mediciones de vibraciones debajo del agua. Esto es especialmente relevante en aplicaciones como la evaluación de transductores médicos ultrasónicos con fines diagnósticos o la utilización de sensores de sonar en aplicaciones de defensa. Otra área en la que se emplean mediciones subacuáticas es la caracterización de modelos a escala en entornos acuáticos, como en el desarrollo de proyectos marinos o submarinos.
En esta nota técnica, se aborda el estudio de los cambios específicos en las propiedades vibratorias de una muestra cuando se sumerge en agua, con el objetivo de validar modelos de simulación posteriores.
Para llevar a cabo esta investigación, se utilizó una viga metálica simple como objeto de prueba.
Las vibraciones fueron generadas por un disco piezoeléctrico de pequeñas dimensiones adherido a la muestra y la medición completa de su comportamiento vibratorio se realizó sin contacto utilizando un vibrómetro láser Doppler 3D PSV-500-3D.
Las mediciones se realizaron inicialmente en aire y posteriormente se repitieron bajo el agua con la misma configuración y excitación, lo que permitió detectar los cambios inducidos por la inmersión.
Configuración experimental
Se empleó un vibrómetro de escaneo Polytec PSV-500-3D para caracterizar la dinámica estructural del dispositivo bajo prueba (DUT) en tres dimensiones.
Polytec ofrece dos variantes de interferómetros para afrontar distintos campos de aplicación: la serie Xtra del primer modelo de cabezal de escaneo, que cuenta con una fuente láser infrarroja de longitud de onda de 1.550 nm.
Esta longitud de onda proporciona una potencia de salida de 10 mW y, por ende, una relación señal-ruido mejorada en mediciones críticas, como a mayores distancias o con objetivos poco reflectantes. Aunque esta luz láser se absorbe rápidamente en el agua y no representa un riesgo para la retina humana, es ineficaz para mediciones acuáticas.
El segundo modelo incorpora una fuente láser de helio-neón rojo con longitud de onda de 633 nm. En este caso, la potencia de salida debe limitarse a 1 mW para cumplir con las normas de seguridad láser de clase 2.
La atenuación de la potencia láser en el agua es muy baja a 633 nm, lo que lo convierte en la elección adecuada para mediciones subacuáticas. Para obtener mediciones 3D, se emplean tres cabezales de escaneo que inciden en el DUT con diferentes ángulos. Un software de control asegura la superposición de los tres puntos focales láser en el DUT, permitiendo medir los vectores de vibración en las tres dimensiones (X, Y y Z) en todos los puntos de medición.
El DUT es una viga de aluminio simple de 150 mm de longitud y una sección transversal de 12 x 12 mm (ver Figura 1). La excitación de las vibraciones se logra mediante un pequeño disco piezoeléctrico (serie PRYY de PI Ceramic) con un diámetro de 10 mm y un grosor de 0,2 mm. Dicho disco se adhiere a la superficie del DUT mediante un adhesivo instantáneo. Esta forma de excitación también es efectiva bajo el agua, siempre y cuando la conductividad eléctrica no sea excesivamente alta y la tensión se mantengan moderados. Para mayor seguridad, se aplicó una fina capa de adhesivo eléctricamente aislante de uso doméstico y se limitó la tensión a 40 V.
En primera instancia, el DUT se coloca en un recipiente de vidrio vacío que se sostiene mediante amortiguadores de goma blanda. La medición utilizando el vibrómetro de escaneo 3D se realiza a través de la pared lateral de cristal del recipiente. Para las mediciones bajo el agua, basta con llenar el recipiente con agua destilada. En consecuencia, toda la configuración permanece sin cambios, a excepción de la presencia del agua.
Resultados
En la parte izquierda se presentan las mediciones en aire, mientras que en la parte derecha se muestra la deformación equivalente en agua.
Se puede observar claramente que las formas son similares, aunque las frecuencias son diferentes.
Un análisis detallado de los datos revela las diferencias ocasionadas por la presencia del agua circundante.
Las siguientes imágenes exhiben los espectros promedio de ambas mediciones.
Los cambios que se evidencian al sumergir la muestra en agua son:
- Disminución de los picos de frecuencia de resonancia.
- Incremento significativo de la amortiguación, reflejado en una ampliación marcada de los picos.
Por lo tanto, aunque las formas de deformación en resonancia se mantienen prácticamente sin cambios, las frecuencias de resonancia son más bajas en agua que en aire.
La amortiguación en agua es sustancialmente mayor, lo cual es predecible. Resulta interesante destacar que la forma de deformación en resonancia longitudinal (línea inferior en la Figura 4) presenta la menor reducción de frecuencia y el menor incremento en la amortiguación. Esto podría explicarse por el hecho de que solo las pequeñas superficies frontal y trasera de la viga deben ejercer presión sobre el agua circundante en esta configuración. En todas las resonancias transversales, toda la superficie (larga) de la viga debe mover agua, lo que conlleva un efecto más pronunciado.
Es importante mencionar que los valores absolutos de las amplitudes fuera del plano deben ajustarse por el índice de refracción del agua (aproximadamente 1,3), mientras que los componentes en el plano no se ven afectados. (Esta corrección es una aproximación para ángulos de incidencia pequeños). Sin embargo, esta corrección tiene un impacto mínimo en los valores absolutos de las amplitudes, y su influencia en la forma general de las deformaciones puede considerarse insignificante en este contexto.
Corrección del índice de refracción.
Las medidas que se muestran arriba representan valores brutos. Si el objetivo de la medición son magnitudes absolutas, es necesario tener en cuenta el índice de refracción del agua al medir en esta.
El cálculo es bastante simple y para ángulos pequeños debe aplicarse únicamente al componente fuera del plano:
Conclusiones
Al explotar las propiedades de la fuente de HeNe del vibrómetro de barrido PSV-500-3D, se demostró que las mediciones bajo el agua son factibles.
La configuración de la medición garantizó que solo se midiera la influencia del agua circundante como parámetro influyente en la dinámica estructural de una viga de aluminio.
Al comparar los resultados de las mediciones en el aire y en el agua, se hace evidente la influencia del agua circundante.
Si bien las formas de desviación de resonancia son las mismas, sus frecuencias se desplazan hacia valores más bajos y su amortiguación aumenta considerablemente cuando la muestra se sumerge en agua.
El vibrómetro de barrido es una herramienta sencilla y eficaz para la caracterización de vibraciones bajo el agua.
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