Noticias

Apr 14, 2024

Comparación de tres completos.

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 3261 (2023) Citar este artículo 1385 Accesos 1 Detalles de Altmetric Metrics Correlación de imágenes digitales, deflectometría y holografía digital son algunas de las

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 3261 (2023) Citar este artículo

1385 Accesos

1 altmétrica

Detalles de métricas

La correlación de imágenes digitales, la deflectometría y la holografía digital son algunas de las técnicas de medición óptica de campo completo que han madurado en los últimos años. Su uso en aplicaciones vibroacústicas está ganando atención y existe la necesidad de catalogar su desempeño para proporcionar, a una amplia comunidad de usuarios y futuros usuarios potenciales, evaluaciones cuantitativas y cualitativas de estos tres enfoques. Este artículo presenta una comparación experimental de los tres métodos ópticos en el contexto de mediciones de vibraciones, junto con mediciones de referencia clásicas proporcionadas por un acelerómetro y un vibrómetro láser Doppler. El estudio se lleva a cabo sobre dos estructuras mecánicas que presentan diversas respuestas vibratorias cuando se someten a un impacto.

En muchos ámbitos, como el transporte terrestre, naval o aéreo, las vibraciones estructurales están estrechamente relacionadas con la confiabilidad mecánica y las fuentes de ruido. Las vibraciones pueden ser generadas por diferentes tipos de excitación: mecánica, acústica, aerodinámica, magnética, etc. La comprensión de los fenómenos vibratorios se realiza generalmente mediante el análisis de las respuestas de vibración operativas, que corresponden al campo vibratorio resultante de las excitaciones en el contexto práctico. . Las respuestas de vibración operativa son útiles para determinar rutas de transferencia vibratoria, realizar un análisis modal de la estructura, identificar fuentes de excitación o predecir el ruido irradiado. Por lo tanto, el campo de vibración es el dato de entrada básico para este tipo de aplicaciones. En aplicaciones de vibración y acústica estructural, las longitudes de onda de vibración de interés generalmente están en el rango de centímetros a metros. Una medición de vibración de campo completo de una superficie normalmente requerirá de 6 a 10 puntos por longitud de onda para garantizar un muestreo espacial adecuado y, por lo tanto, puede implicar una gran cantidad de puntos de datos en estructuras grandes. Desde un punto de vista experimental, varios enfoques más o menos sofisticados pueden proporcionar campos de vibración.

El acelerómetro es sin duda el sensor más utilizado para mediciones de vibraciones en el mundo académico e industrial debido a su robustez, sensibilidad, amplio ancho de banda y alto rango dinámico. Sin embargo, sólo proporciona mediciones puntuales del campo vibratorio en el lugar donde está unido a la estructura. Por lo tanto, para obtener una colección de puntos de datos de vibración, es necesario repetir la medición moviendo el sensor, o aumentar el número de sensores aumentando al mismo tiempo la complejidad general de la configuración. Además, el comportamiento de la estructura se puede modificar localmente mediante la masa adicional del acelerómetro y la amortiguación adicional del cable adjunto. En la mayoría de las aplicaciones, la masa del acelerómetro se elige de manera que la estructura sufra una perturbación suficientemente pequeña. Sin embargo, los acelerómetros siempre resultan intrusivos y más en el caso de estructuras ligeras.

Los importantes avances en la tecnología y la instrumentación láser han llevado al desarrollo de mediciones sin contacto con la vibrometría láser Doppler (LDV). El principio básico es el cambio de frecuencia Doppler de la frecuencia del láser reflejado debido al movimiento de la superficie medida. Por lo tanto, el vibrómetro láser Doppler proporciona mediciones de velocidad a lo largo de la dirección del haz1,2,3,4. El principal interés del vibrómetro láser es medir el campo vibratorio sin ningún contacto y sin ninguna intrusión en la superficie de la estructura. Además, el desarrollo del vibrómetro láser Doppler de barrido añade la posibilidad de obtener una colección de puntos de datos en la superficie inspeccionada5,6,7,8. En este sentido, trabajos anteriores reportaron el escaneo de 256 puntos a lo largo de una línea hasta 80 kHz5,6, el uso de elementos ópticos holográficos asociados con un sensor CMOS (vibración medida hasta 100 kHz7), el uso de multiplexación de frecuencia (20 puntos con \(5 \times 4\) haces8), o el uso de tres dispositivos acústico-ópticos y un único fotodetector de alta velocidad (\(5 \times 4\) haces con una velocidad de 500 Mmuestras/s9). Aunque estos enfoques producen un conjunto de mediciones independientes en varios puntos de la superficie, el número de mediciones simultáneas sigue siendo limitado. Para adquirir la respuesta vibratoria en muchos puntos, la vibrometría láser Doppler requiere una repetición de la medición y, por tanto, el uso de fuentes de excitación controladas y repetibles. En los últimos años han surgido diversas evoluciones, como la extensión 3D del vibrómetro láser Doppler de barrido para medir los 3 componentes del campo vibratorio, con posible acoplamiento con un brazo robótico10. Estas herramientas son muy potentes para el análisis de vibraciones de estructuras complejas, pero son costosas.

La recopilación simultánea de una gran cantidad de puntos de datos en la superficie de estructuras dinámicas se puede obtener mediante otros enfoques existentes basados ​​en imágenes ópticas. Como resultado de este registro de datos de campo completo, el tiempo de adquisición es independiente del número de puntos de medición, lo que permite realizar mediciones espaciales densas en una fracción del tiempo requerido para un vibrómetro de barrido clásico.

La correlación de imágenes digitales estéreo11,12,13 produce mediciones en estructuras grandes para detectar movimientos o deformaciones con gran amplitud. Es no intrusivo, de campo completo y aplicable a una amplia gama de geometrías. En el contexto de las mediciones de vibraciones, se han adaptado métodos de visión 3D con cámaras de alta velocidad basados ​​en los conceptos de fotogrametría dinámica para medir vibraciones estructurales14,15,16. Como las cámaras de alta velocidad son caras y requieren una sincronización precisa, se propuso el poco convencional sistema pseudoestéreo de una sola cámara, en el que el sensor de la cámara se divide en dos mitades, generando así dos cámaras virtuales. Recientemente se ha utilizado el método de correlación de imágenes digitales (DIC) acoplado a esta configuración pseudoestéreo y una única cámara de alta velocidad para medir las vibraciones de una placa en comparación con una técnica de referencia15. Dado que este método se basa en cambios de intensidad en las imágenes, la sensibilidad es menor que la vibrometría láser Doppler. Por otro lado, se pueden abordar desplazamientos de baja frecuencia y gran amplitud. Para las mediciones de vibraciones, la correlación de imágenes digitales junto con una única cámara de alta velocidad y métodos de triangulación dedicados han proporcionado resultados reveladores para señales transitorias16.

A finales del siglo XX, se produjo un desarrollo paralelo de la técnica de deflectometría tanto en la metrología de formas 3D17 como en la mecánica de sólidos18. Esto último condujo a aplicaciones de deflectometría en la identificación de materiales19,20 y la detección de daños21,22 a partir de mediciones de campo completo. La deflectometría proporciona directamente una medición de las pendientes de la superficie. Las deflexiones y curvaturas, que a menudo se necesitan para los cálculos en las vibraciones de las ondas de flexión, se pueden obtener mediante una única integración espacial y diferenciación de los campos de pendientes medidos, respectivamente. Con el uso de cámaras de alta velocidad, se deduce que se pueden analizar casos de excitación tanto estacionarios como transitorios23,24,25. En26, se utilizaron mediciones de deflectometría de campo completo en un panel metálico para identificar cargas puntuales estacionarias y fuerzas de impacto. De manera similar, las distribuciones de presión acústica y aerodinámica en placas planas se reconstruyeron a partir de datos de deflectometría27,28. Tenga en cuenta que el uso de deflectometría requiere una superficie de muestra que sea plana y especularmente reflectante, lo que corresponde a una superficie similar a un espejo en el espectro visible. Trabajos recientes29,30 muestran que el uso de fuentes de luz infrarroja y cámaras infrarrojas de alta velocidad puede superar dicha limitación.

También se puede obtener una evaluación de campo completo de la deformación, forma y vibración de la superficie con imágenes coherentes. Se necesitan rayos láser coherentes expandidos para producir interferencias mezclándolos con un rayo láser controlado (el llamado rayo de referencia). El enfoque de imágenes coherentes produce una alta densidad de puntos de datos e incluye una variedad de técnicas como shearografía, interferometría moteada y holografía digital31,32. Se desarrollaron métodos cuantitativos para la recuperación de vibraciones con iluminación estroboscópica33,34,35,36,37 y el régimen de pulso láser38,39,40,41,42,43. Como ejemplos, estos enfoques se aplicaron a la vibración de micromembranas37, al análisis modal40,41, a la determinación de la intensidad estructural41, a la observación de ondas acústicas40,41,42, a las altas amplitudes de las autooscilaciones de una caña de clarinete35 y también a los choques43. Aunque puede proporcionar datos cuantitativos, el proceso de grabación requiere operaciones complejas como el cambio de fase y la activación de pulsos láser. Más recientemente, el uso de sensores de alta velocidad permitió adquirir datos holográficos de la evolución temporal de los fenómenos estudiados42,44,45,46,47,48,49,50. La ventaja es que el conjunto óptico se simplifica considerablemente, ya que no requiere láser pulsado, láser de doble pulso, ni ninguna generación de pulsos de luz estroboscópica.

Estas tres técnicas de medición óptica de campo completo, DIC, deflectometría y holografía digital, se están volviendo cada vez más populares en la investigación académica y probablemente tendrán un fuerte impacto en la industria en el futuro cercano, incluso si, por ahora, LDV sigue siendo la herramienta clave para la medición sin contacto. mediciones de vibraciones. Sin embargo, a medida que los tres métodos ganan cada vez más madurez, existe una creciente necesidad de catalogarlos en términos de rendimiento y facilidad de configuración. Por lo tanto, este artículo tiene como objetivo proporcionar, a una amplia comunidad de usuarios y futuros usuarios potenciales, evaluaciones cualitativas y cuantitativas de los tres métodos en comparación con el acelerómetro clásico y el vibrómetro láser Doppler.

La vibrometría láser Doppler (LDV) es una técnica muy extendida que permite la medición sin contacto de vibraciones1,2,3,4,5,6,7,8, y tiene su origen en las mediciones de la velocidad de los fluidos que se realizaban ya en la década de 196051. . La mayoría de los sistemas disponibles comercialmente utilizan un solo haz de una fuente láser de baja potencia y la técnica se basa en la detección coherente del cambio de frecuencia Doppler que se produce cuando la luz láser es dispersada por una superficie vibrante. La Figura 1a presenta una imagen de la configuración de medición del vibrómetro láser sobre una mesa óptica, con el vibrómetro láser y la estructura estudiada en primer plano. El principio habitual de vibrometría láser se recuerda en la Fig. 1b. La velocidad de vibración de la superficie en cada punto de medición se obtiene directamente y se puede integrar o diferenciar aún más en función de la frecuencia para calcular el desplazamiento o la aceleración, respectivamente. Los mapas de vibraciones se pueden obtener utilizando varios puntos de medición distribuidos espacialmente. El cambio de frecuencia Doppler es directamente proporcional a la velocidad de la superficie y permite una medición sin contacto de la velocidad de vibración. Se pueden encontrar dos artículos de revisión de esta técnica en51,52.

(a) Fotografía de la configuración de vibrometría láser utilizada para las mediciones, (b) diagrama del principio típico de vibrometría láser y la cadena de procesamiento.

Aparte de los problemas muy específicos relacionados con la sensibilidad a las vibraciones externas o ambientales53 que se encuentran en varias técnicas de medición, este método ha demostrado ser confiable y proporcionar una alta sensibilidad con un amplio rango dinámico. Su operación clásica de escaneo de puntos es conveniente para estudiar excitaciones estacionarias o con referencia de fase, pero muchos casos y procedimientos del mundo real, como las pruebas de impacto, involucran campos de vibración no estacionarios. Por lo tanto, LDV ha evolucionado notablemente desde su invención para abordar estos problemas específicos54, desde enfoques multipunto55 hasta escaneo continuo LDV56. Introducida en la década de 1990, la técnica de escaneo continuo modificó el paradigma tradicional de LDV, en el que el número de puntos de medición define la resolución espacial del mapa de medición. Un enfoque de escaneo escalonado ahora se reemplaza por un enfoque de escaneo continuo (un conjunto de mediciones de punto fijo se reemplaza por una trayectoria de barrido continuo que cubre la misma superficie). Finalmente, aparte del 3D-LDV que generalmente se basa en la combinación de tres cabezales LDV, el uso de un brazo robótico con un solo LDV ha demostrado recientemente ser un enfoque eficiente para realizar mediciones 3D de campo completo57. En este trabajo, LDV, junto con un acelerómetro, sirve como método de referencia con el que se compararán los tres métodos de medición óptica de campo completo.

La holografía digital es un método general para la obtención de imágenes y la metrología32,58,59,60 y se utiliza para muchas aplicaciones como microscopía, tomografía 3D, topografía de superficies y medición de rugosidad o deformación de superficies. Al utilizar un sensor de cámara de alta velocidad para mediciones dinámicas, la holografía digital puede proporcionar información relacionada con el desplazamiento instantáneo de vibraciones de cualquier estructura36,37,38,39,49. Aplicaciones recientes50,61 han demostrado que las mediciones holográficas de vibraciones pueden alcanzar altas resoluciones espaciales y temporales.

(a) Fotografía del conjunto holográfico, (b) esquema básico para la holografía digital Fresnel; la onda difractada del objeto se propaga en el espacio libre hasta el área del sensor, y la onda de referencia impacta directamente en la matriz de píxeles, (c) diagrama de procesamiento de imágenes holográficas.

La Figura 2a presenta una fotografía de la configuración de medición holográfica en su mesa óptica, con la cámara de alta velocidad, los componentes ópticos y la estructura de interés al fondo. La holografía digital se basa en la mezcla coherente de dos ondas. La primera onda es un rayo láser de referencia y la segunda onda proviene de la difracción del rayo láser por la estructura objetivo; consulte la Fig. 2b. La Figura 2c muestra un diagrama de procesamiento de imágenes holográficas. La iluminación global en el plano del sensor se expresa como:

En la ecuación. (1), \(\mathscr {H}\) es el holograma grabado resultante de la interferencia de la onda de referencia \(\mathscr {R}\) y la onda objeto \(\mathscr {O}\). La imagen reconstruida \(\mathscr {I}\) se calcula con la transformada discreta de Fresnel62 definida en la ecuación. (2) (FFT significa Transformada Rápida de Fourier).

con \(h_F\) el núcleo de Fresnel definido en el plano del objeto (x, y) dado por la ecuación. (3).

En la ecuación. (3), \(\lambda _0\) es la longitud de onda del láser, \(d_r\) es la distancia de reconstrucción en la transformada de Fresnel y \(d_0\) es la distancia entre la estructura medida y el sensor de imagen. Como regla general, la imagen del objeto se obtiene para \(d_r=-d_0\).

La fase Doppler \(\Delta \psi _{n}(x,y)\) relacionada con la diferencia de desplazamiento se extrae restando las fases de las imágenes complejas \(\mathscr {I}\). En el caso de las mediciones de vibraciones, esta diferencia de fase se produce entre instantes consecutivos a una alta velocidad de fotogramas. En definitiva, la diferencia de fase es proporcional al desplazamiento del objeto entre los dos instantes. Sin embargo, la diferencia de fase extraída se puede convertir ventajosamente en la velocidad instantánea \(V_h^n(x,y)\), conociendo la velocidad de fotogramas de la cámara \(f_e\) como se expresa en la ecuación. (4).

En la ecuación. (4), \(\theta\) es el ángulo de iluminación como en la Fig. 2b. En el caso de desplazamientos pequeños (rango de nm a \(\mu\)m), la resta se puede realizar con una fase de referencia fija y se obtiene el desplazamiento de vibración absoluto. En este estudio, para mayor robustez ante desplazamientos mayores, se considera la velocidad instantánea (consulte la ecuación (4)).

Dado que las imágenes holográficas permiten reconstruir el área del objeto, se deben aplicar varios pasos de posprocesamiento a los datos extraídos, como se muestra en la Fig. 2c. En primer lugar, se recorta la parte útil en la zona reconstruida. En segundo lugar, es necesario eliminar el ruido para eliminar el ruido de descorrelación moteado. El algoritmo de transformada de Fourier en ventana bidimensional (WFT2F)63,64 que consiste en aplicar un umbral en el dominio de Fourier (considerado como uno de los filtros más eficientes para el análisis de patrones de franjas65) se utiliza para extraer el mapa de fase envuelto sin ruido en cada instante. . Finalmente, el desenvolvimiento de fase se aplica cuando el desplazamiento de la estructura entre los dos instantes es mayor que casi la mitad de la longitud de onda de la fuente láser. El algoritmo de desenvolvimiento utilizado en este artículo se basa en la minimización de mínimos cuadrados66,67.

En las últimas décadas, los métodos que utilizan herramientas de correlación de imágenes digitales (DIC) se han disparado junto con el desarrollo de las cámaras digitales industriales68. Inicialmente, el DIC se utilizaba principalmente para medir deformaciones en el plano. Sin embargo, en los últimos años, el DIC también se ha aplicado para medir desplazamientos fuera del plano inducidos por vibraciones11,13.

Al medir posiciones y desplazamientos en el espacio 3D, el cálculo se basa en el principio de triangulación: una vez que se determinan la posición relativa y la orientación de la cámara con procedimientos de calibración, se obtiene una ubicación 3D a partir de posiciones 2D en cada sistema de coordenadas de la imagen (Fig. 3b). Las ubicaciones 2D (u, v) en las imágenes se obtienen con procesamiento de imágenes, es decir, herramientas DIC69. Para una secuencia de imágenes, los (u, v) iniciales se eligen en una imagen de referencia \(I_0\) y los desplazamientos locales en las imágenes (\(\delta u, \delta v)\) se calculan en cada imagen deformada \(I_d \) (ver Fig. 3c). Para hacerlo, se debe proyectar o pintar un patrón aleatorio sobre la superficie objetivo. Los desplazamientos se miden en la superficie mediante funciones de interpolación polinómica. La resolución espacial está así ligada al patrón aleatorio, al tamaño de la superficie de las imágenes y a las funciones de interpolación.

(a) Imagen de la configuración de U-DIC, (b) esquema del principio de triangulación, (c) diagrama de la cadena de procesamiento de U-DIC.

La técnica requiere dos puntos de vista. Si se dispone de dos cámaras de alta velocidad, se obtienen mediciones de vibración en 3D. Si se utiliza una única cámara de alta velocidad, hay varios métodos de medición disponibles para dividir la imagen en dos vistas: usando adaptadores de 2 o 4 espejos15,70,71, o biprismas, por ejemplo. Sin embargo, dividir la imagen en dos vistas reduce la cantidad de píxeles disponibles por punto de vista y, por lo tanto, reduce la precisión de la medición.

Para la medición de la vibración de las ondas de flexión, las vibraciones ocurren principalmente a lo largo de un solo eje: la normal local a la superficie. Por tanto, se puede utilizar una única cámara de alta velocidad. Para cada punto de medición, la primera línea de triangulación es el haz de perspectiva obtenido a través de la posición 2D en la imagen, y la segunda es la normal local estimada a partir de una medición de forma inicial (ver Fig. 3b)16. El mensurando obtenido es, por tanto, el desplazamiento normal a la superficie, \(\delta n\). Este método, aquí denominado Uni-axial DIC (U-DIC), es el empleado en este estudio. La cámara de alta velocidad (Cámara 2 en la Fig. 3a) se usa para medir la forma y la vibración, mientras que una segunda cámara de baja velocidad de fotogramas solo se usa para medir la forma (Cámara 1 en la Fig. 3a).

Tenga en cuenta que la sensibilidad para el desplazamiento fuera del plano está vinculada al ángulo entre el eje de desplazamiento y el eje óptico de la cámara69,72, el número de píxeles disponibles y la calidad del patrón moteado, pero también está relacionada con el tamaño. de la superficie medida.

La deflectometría es una técnica de medición de pendientes de campo completo basada en el registro de la reflexión especular de una rejilla de referencia en la superficie de una muestra de prueba plana. Se ha aplicado a varias superficies tipo espejo que requieren diferentes niveles de preparación. Algunos materiales como el acrílico19,23 y el vidrio25,28 pueden reproducirse directamente sin preparación. En 24,26,27 se utilizó un panel de metal pulido. Trabajos recientes también demostraron el principio de la deflectometría infrarroja para estudiar directamente placas metálicas sin pulir29,30. Para otros materiales, se pueden considerar recubrimientos como resina epoxi73 y películas adhesivas reflectantes74.

La configuración experimental utilizada en este estudio se muestra en la Fig. 4a. La cuadrícula se imprime con un espacio entre líneas p conocido y se coloca a una distancia L de una estructura objetivo especularmente reflectante.

(a) Fotografía de la configuración de la deflectometría, (b) ilustración del principio de deflectometría, (c) diagrama del procesamiento de deflectometría.

Cualquier vibración de la superficie de flexión distorsionará la imagen de cuadrícula reflejada registrada por la cámara (ver Fig. 4b). Las distorsiones espaciales correspondientes se pueden relacionar directamente con las pendientes locales \(\alpha _{x,y}\) del espécimen usando consideraciones geométricas (es decir, \(\alpha _x(x,y) = \frac{\partial w }{\partial x}(x,y)\), donde w(x, y) es el desplazamiento fuera del plano, y de manera similar para \(\alpha _y\)). En la aproximación de ángulo pequeño para \(\alpha\) y \(\theta\) (el ángulo del punto de vista relativo a la estructura normal), la variación de la intensidad óptica entre los estados de referencia y deformado registrados en un píxel dado se atribuye a un cambio en la posición observada en la cuadrícula a lo largo de una distancia \(\delta = 2L\alpha\) (consulte la Fig. 4b). Esta distancia está además relacionada con la variación de fase espacial local \(\phi\) identificada en el píxel correspondiente en las imágenes de la cuadrícula como \(\delta = \frac{p}{2\pi }\phi\). Las variaciones de fase se obtienen empleando un enfoque de desplazamiento de fase espacial. Se realiza una transformada de Fourier discreta en ventana mediante una convolución 2D26,27,29,75. El núcleo de convolución se detalla en los trabajos citados y tiene un tamaño de \((2N-1)\) píxeles, donde N es el número de píxeles por período de cuadrícula en la imagen grabada. Un requisito de ajuste de este enfoque de extracción de fase es que N debe ser aproximadamente un número entero, lo que se logra ajustando físicamente la configuración experimental.

Al combinar las dos fórmulas para \(\delta\), los mapas de fases resultantes \(\phi _{x,y}\) están directamente relacionados con los campos de pendiente en la superficie de la estructura \(\alpha _{x, y}\) utilizando la siguiente relación geométrica:

La cadena de procesamiento de imágenes de deflectometría se ilustra en la Fig. 4c. El cálculo de mapas de desplazamiento fuera del plano requiere una operación de integración espacial adicional de los campos de pendientes medidos, que se lleva a cabo aquí utilizando una aproximación escasa. El punto considerado para definir la constante de integración se elige entre los puntos de medición que tienen un supuesto desplazamiento nulo (frontera sujeta o simplemente apoyada). Alternativamente, el desplazamiento en un punto arbitrario de la región observada se puede medir utilizando un instrumento secundario como un vibrómetro láser Doppler de un solo punto.

En la Tabla 1 se enumeran las cantidades medidas con las 5 técnicas consideradas en el estudio. Cada uno de ellos está asociado a un código de color utilizado a lo largo de este artículo. Los cuadros grises definen las cantidades medidas básicas (mensurandos) y los subíndices se refieren a los métodos, anotados a, v, h, u, d, respectivamente, para el acelerómetro (a) con aceleración medida \(A_a\), el vibrómetro ( v) con velocidad medida \(V_v\), holografía (h) con velocidad medida \(V_h\), DIC uniaxial (u) con desplazamiento medido \(X_u\) y deflectometría (d) con pendientes medidas \( Sx_d\) y \(Sy_d\) según las direcciones x e y. Para cada método, la transición de una cantidad física a otra se realiza mediante las relaciones indicadas, que se utilizarán a continuación para permitir la comparación del desplazamiento fuera del plano medido.

Este estudio se centra en la medición de la vibración fuera del plano de vigas en voladizo. Se utilizan dos estructuras para comparar las técnicas de medición. La primera en la Fig. 5a es la configuración de terminación uniforme y es una viga de aluminio de sección transversal uniforme (dimensiones dadas en la Tabla 2). La segunda (Fig. 5a) es la configuración de terminación del Agujero Negro Acústico (ABH) y es una viga de aluminio de espesor variable cuyo perfil viene dado por la ecuación. (6).

Estas variaciones de espesor constituyen un agujero negro acústico, conocido por ser un dispersor penetrable, resonante y absorbente76. El extremo delgado del haz produce amplitudes de vibración grandes y localizadas, así como longitudes de onda de flexión cortas, lo que pone a prueba los límites de las técnicas de medición.

Las dos vigas quedan sujetas por la base y libres por el otro extremo. Esta configuración mecánica se mantiene inalterada y, por tanto, idéntica para los cinco tipos de medidas implementadas. La Tabla 2 da las propiedades geométricas de las dos vigas. La ventaja de utilizar dos de estas vigas mecánicas es demostrar las ventajas y limitaciones de cada técnica tanto en un caso académico (viga uniforme) como en una estructura altamente contrastada (haz no uniforme). Este último caso presenta un desafío de medición en términos de rango dinámico, ancho de banda y resolución espacial.

La excitación se logra mediante un martillo de impacto cerca del extremo sujeto y el mango del martillo es flexible para evitar impactos dobles (ver Fig. 5b). El martillo se coloca descentrado para excitar los modos de flexión y torsión de la viga. Se utilizan impactos de diferentes amplitudes para proporcionar una relación señal-ruido aceptable para las diferentes técnicas de medición.

Los lados de las dos vigas están respectivamente pulidos (lado 1) y sin pulir (lado 2), para implementar deflectometría en el lado 1 o uno de los otros métodos en el lado 2 con diversas preparaciones de superficie. La holografía requiere una pintura plateada no despolarizante, mientras que DIC utiliza un patrón de pintura aleatorio. La vibrometría es más versátil, lo que significa que se puede aplicar directamente sobre el metal desnudo o sobre la superficie preparada. En la Fig. 5c se muestra una fotografía de las diversas condiciones de la superficie. Se supone que las pinturas tienen efectos insignificantes sobre la dinámica de las vigas.

(a) Ilustración de la viga mecánica uniforme y no uniforme utilizada como estructuras de prueba, (b) vista en primer plano del acelerómetro y el martillo de impacto, (c) fotografía de la terminación de la viga no uniforme para las tres superficies consideradas condiciones; Los valores de los parámetros en la Fig. 5a para ambas vigas se dan en la Tabla 2.

La fuerza de impacto proporcionada por el martillo se adaptó a las diferentes técnicas. Se logró una fuerza máxima de \(\sim 35\) N para mediciones uniaxiales DIC (u) y deflectometría (d) tirando hacia atrás y soltando manualmente el martillo. Por otro lado, se utilizó un martillo de impacto automático (Maul-Theet vImpact) que produce una fuerza máxima de \(\sim 5\) N para las mediciones de vibrometría (v) y holografía (h). El martillo de impacto automático es imprescindible en las mediciones vibrométricas para conseguir impactos repetibles en cada punto de la malla de medición. Este nivel de fuerza más bajo también era adecuado para mediciones holográficas con el fin de limitar la densidad marginal en la fase reconstruida entre dos instantes. Los martillos de impacto estaban equipados con un sensor de fuerza (PCB 086E80, sensibilidad 22,5 mV/N), que determina la fuerza aplicada a la estructura. Se montó un acelerómetro en miniatura (PCB 352C23, sensibilidad 5 mV/g, masa 0,2 g) en el lado opuesto de la posición de impacto. Las señales de fuerza y ​​aceleración se muestrearon a 102,4 kHz utilizando un convertidor analógico a digital USB-4431 de National Instruments.

Las Figuras 6a,b muestran las señales de tiempo y los espectros de frecuencia de los impactos, respectivamente. La respuesta de frecuencia de la fuerza de impacto es plana hasta 1 kHz y su frecuencia de corte es ligeramente superior a 1 kHz. Esta frecuencia de corte está relacionada con la duración del impacto, que depende de la flexibilidad del brazo y de la dureza de las superficies de contacto durante el impacto. Tenga en cuenta que una pequeña punta de plástico cubre el extremo del martillo de impacto; esta configuración permite un compromiso razonable entre la banda de frecuencia útil y el nivel de respuesta. Las Figuras 6c, d muestran la función de respuesta de frecuencia (FRF) de aceleración / fuerza derivada del acelerómetro para el haz uniforme y no uniforme, respectivamente. Ambos haces presentan modos de vibración de baja amortiguación de hasta 20 kHz; la terminación en agujero negro del haz no uniforme induce una mayor densidad modal y una mayor aceleración en el rango de alta frecuencia77. Esto muestra que la configuración no uniforme es relevante para probar el desempeño metrológico de las diferentes técnicas.

(a) señales de excitación; (b) densidades del espectro de potencia de las señales de excitación; (c) aceleración/fuerza FRF del haz uniforme a partir de la medición del acelerómetro; (d) aceleración/fuerza FRF del haz no uniforme a partir de la medición del acelerómetro.

Todos los métodos ópticos de campo completo utilizaron la misma cámara de alta velocidad (Photron SA-X2 tipo 1080K, resolución máxima \(1024\,\times \,1024\) píxeles de hasta 12 500 fps, velocidad de fotogramas máxima de 1 080 000 fps como mínimo resolución de \(128\,\times \,8\) píxeles). Dependiendo de los requisitos de los métodos, la cámara se colocó en diferentes ubicaciones: frente a la superficie medida para holografía digital, con un ángulo cercano a 45\(^{\circ }\) para DIC uniaxial, y con un ángulo de unos pocos grados para deflectometría (en el lado opuesto de la viga, que fue pulida hasta obtener un acabado especular). En la Fig. 7 se muestra un esquema del posicionamiento de cada técnica alrededor de la viga probada. Dicha configuración se elige para evitar mover la estructura probada entre mediciones. Las mediciones se llevaron a cabo durante un período de 2 días para cada haz en una habitación con temperatura controlada (18 °C).

Configuración experimental de las técnicas de medición.

Para las mediciones utilizando la cámara de alta velocidad, se utilizó el mismo software (Photron FASTCAM Viewer) para controlar la cámara y controlar parámetros como la velocidad de fotogramas, la resolución, la velocidad de obturación, etc. Estos parámetros se ajustaron de forma independiente para cada técnica en función de sus requisitos. Los ventiladores de refrigeración de la cámara se apagaron durante la adquisición para evitar ruido y las mediciones se sincronizaron utilizando un sistema Transistor-Transistor Logic (TTL) que se activó a partir de la señal de fuerza.

Todas las señales se registraron durante una duración de 0,25 s para el haz uniforme y 0,5 s para el haz no uniforme. El análisis de Fourier se realiza utilizando una ventana exponencial, \(w(t) = \exp \left( -D t \right)\), con D una constante de desintegración fijada arbitrariamente en 15 para el haz uniforme y en 5 para el no -haz uniforme. Se aplica una ventana de fuerza/compuerta (ventana rectangular corta que aísla el pico de fuerza) a la señal de fuerza para eliminar artefactos de la dinámica del martillo antes y después del impacto.

Se utilizó una malla de \(185\,\times \,7\) puntos de medición para la viga uniforme y \(179\,\times \,21\) puntos para la viga no uniforme. Las mediciones se realizaron utilizando un vibrómetro láser Doppler Polytec PSV 500 Xtra con un único impacto por punto de medición del martillo automático (sin promediar). Se observó una pequeña variación en el rendimiento del martillo de impacto; Sin embargo, la dispersión de los impactos sigue siendo aceptable. Dada la frecuencia de muestreo (100 kHz) y la ventana de tiempo de medición, el ancho de banda es de casi 50 kHz con una resolución de frecuencia de 0,25 Hz.

La resolución de la cámara se estableció en 512 \(\times\) 512 píxeles y el tiempo de exposición fue de 1 μs. La potencia del láser se configuró en 3,50 W. La velocidad de fotogramas fue de 40.000 fps tanto para el haz uniforme como para el ABH. Con referencia a la Fig. 2b, la distancia entre los haces y el plano del sensor era \(d_0 =2.435\) my un zoom divergente de longitud focal \(-100\) mm se colocó a 265 mm del sensor. Estos parámetros conducen a una distancia de reconstrucción \(d_0' = 337\) mm. La reconstrucción de la vibración del haz se realizó para una imagen virtual de dimensiones \(L_{x}' = L_{y}' \aprox 9,1\) mm. Luego se recupera el tamaño real de la superficie vibratoria mediante el uso de un aumento óptico de \(g_{opt} \sim 0.031\). El haz de iluminación impacta la superficie del objeto con un ángulo \(\theta = 15\)° y la observación se realizó con incidencia normal. La cantidad de puntos de datos en el mapa de vibraciones reconstruido depende de la cantidad de puntos utilizados para el cálculo de la transformada de Fresnel. En el caso del haz uniforme, se utilizó la resolución nativa del holograma para la reconstrucción de la imagen. En el caso del haz no uniforme, la reconstrucción de la imagen se realizó duplicando el número de puntos de datos en la transformada de Fresnel usando relleno cero, lo cual es útil cuando la amplitud de la vibración es alta y genera muchos saltos de fase78.

Para el método DIC uniaxial se utilizaron dos cámaras. La primera es una cámara estática y se colocó delante del haz, a una distancia de 70 cm y con incidencia normal. Según el procedimiento DIC descrito en16, esta cámara se utilizó para el proceso de calibración óptica (compensación de la distorsión de la lente) y la estimación de la forma inicial del objeto medido (enfoque de visión estéreo). Las imágenes grabadas tenían un tamaño de \(1200 \times 1600\) píxeles y el haz se vio en aproximadamente \(90 \times 1100\) píxeles. La cámara principal de alta velocidad Photron estaba equipada con una lente de zoom ajustable (Sigma 17–50 mm f/2.8 EX DC OS HSM) y se colocó a unos 40 cm del haz con un ángulo de incidencia de \(45^\circ\) (ver figura 3a). Se grabaron secuencias de imágenes con \(104 \times 1024\) píxeles a una velocidad de fotogramas de 40 kHz para el haz uniforme y de 20 kHz para el haz no uniforme. Tenga en cuenta que la elección de la velocidad de cuadros más baja en la última medición se debe a que el nivel de respuesta está por debajo del piso de ruido de medición por encima de 10 kHz. Para realizar la correlación de imágenes, se aplicaron patrones aleatorios a las dos vigas probadas sobre una capa de pintura blanca. Para optimizar la precisión de la medición, cada parche del patrón debe representarse en un área de 3 a 8 píxeles de ancho69. Se utilizaron dos focos LED para obtener suficiente brillo (aproximadamente el 90% de la intensidad de saturación del sensor de la cámara para los píxeles más brillantes). El conjunto de imágenes fue grabado por la cámara de alta velocidad y luego utilizado para calcular el desplazamiento normal de los haces mediante triangulación.

El patrón de cuadrícula utilizado en las mediciones de deflectometría se imprimió en un tablero de señalización blanco con un paso (separación de líneas) de \(p=4\) mm. La rejilla se colocó al lado de la cámara, cerca del punto medio de la lente de la cámara (Sigma 105 mm f/2.8 EX DG Macro HSM), y se iluminó con dos focos LED. Para la medición en el haz uniforme, la distancia de la cámara y la cuadrícula al haz se ajustó a \(L=1.45\) m para obtener \(N=7\) píxeles por período de cuadrícula en la imagen. Las imágenes se grabaron con una resolución de \(88 \veces 1024\) píxeles y a una velocidad de fotogramas de 40 kHz.

Para la viga no uniforme, la deformación del metal en la delgada terminación ABH (visible en el acabado de espejo de la Fig. 5) distorsionó la imagen de cuadrícula inicial. La deformación se produce después de mecanizar el perfil ABH en la viga y es causada por tensiones almacenadas en el metal cuando se forja. Para reducir el efecto de estas distorsiones, la cámara y la rejilla se colocaron a una distancia más cercana de \(L=0.38\) m del haz y una lente con una distancia focal más corta (Sigma 17–50 mm f/2.8 EX DC OS HSM) fue utilizado. Dado que la lente tenía una distancia focal variable, la calibración para lograr un valor entero de \(N=9\) píxeles por período de cuadrícula se realizó ajustando el zoom sin necesidad de desplazar la cámara. De manera similar a la medición DIC uniaxial, se usó una velocidad de cuadros más baja de 20 kHz para el haz no uniforme debido a los niveles de respuesta insuficientes (por debajo del piso de ruido de medición) por encima de 10 kHz.

La extracción de fase de las imágenes se realizó mediante una convolución espacial 2D utilizando un núcleo de tamaño \((2N-1)\) píxeles, donde N es el número de píxeles por período de cuadrícula. Por tanto, el tamaño del núcleo fue de 13 píxeles para la medición del haz uniforme y de 17 píxeles para la medición del haz no uniforme. Los campos de pendiente obtenidos de la técnica de deflectometría se integran para obtener el desplazamiento fuera del plano para compararlo con las otras técnicas. Tanto la operación de convolución como la de integración espacial suavizan naturalmente los datos espacialmente. Sin embargo, no se realizó ningún suavizado explícito de los datos.

Esta sección está dedicada a los resultados obtenidos para las dos estructuras mecánicas. Como se detalla en la Tabla 1, el mensurando elegido es el desplazamiento transversal de la viga. Esto requiere convertir la aceleración, la velocidad y las pendientes de flexión en desplazamientos para varias de las técnicas de medición. Para ambos casos, haz uniforme y haz no uniforme, los resultados se organizan de la siguiente manera. El espectro de desplazamiento y el desplazamiento/fuerza FRF de los dos sistemas se comparan para cada uno de los métodos de medición para analizar la frecuencia máxima alcanzable en el espectro. Las formas de deflexión operativa se extraen en frecuencias de resonancia para evaluar la reconstrucción de formas modales. También se proporcionan espectros de frecuencia e histogramas del ruido de medición sin ninguna excitación externa de la estructura para caracterizar el ruido residual asociado a cada técnica de medición. Finalmente, se muestran comparaciones temporales de los campos de desplazamiento transitorios y señales de vibración después del impacto para comparar la reconstrucción de las respuestas temporales de las técnicas.

Las medidas con el haz uniforme se realizan con niveles de excitación adaptados para cada método. La fuerza de impacto máxima es de 35 N para DIC y deflectometría utilizando el martillo de impacto manual. Para holografía y LDV, la fuerza máxima es de 5 N con el martillo de impacto automático.

Los espectros de frecuencia de los desplazamientos medidos se muestran en la Fig. 8a y el desplazamiento/fuerza FRF se proporcionan en la Fig. 8b. Los desplazamientos se comparan en el punto de excitación, que corresponde al punto de medición más cercano al acelerómetro para todos los métodos de medición. Los menores niveles de desplazamiento obtenidos con mediciones de holografía y vibrometría se deben a la menor fuerza de impacto utilizada en estos dos casos (ver Fig. 6). Las cuatro técnicas de medición sin contacto pueden producir la respuesta modal del haz hasta aproximadamente 4 kHz. A mayor frecuencia, las mediciones están dominadas por el ruido, especialmente en los datos DIC y, en menor medida, en los datos de deflectometría y holografía.

Respuesta en el dominio de la frecuencia del haz uniforme cerca del punto de excitación: (a) espectro de desplazamiento, con los 8 modos mostrados en la Fig. 10 indicados por flechas rojas; (b) desplazamiento/fuerza FRF comparando cada técnica con el acelerómetro.

Los desplazamientos calculados con el acelerómetro son muy cercanos a los obtenidos con los demás métodos, excepto en el rango de baja frecuencia entre 10 y 100 Hz. De hecho, como se indica en la Tabla 1, el espectro de desplazamiento se obtiene dividiendo el espectro de aceleración por \(-\omega ^2\), lo que induce una dificultad en frecuencias muy bajas. Las mediciones DIC generalmente exhiben un ruido de medición más alto e incluyen un ligero cambio en las frecuencias de las antirresonancias. La mayor frecuencia de resonancia observada con este método es de alrededor de 3234 Hz. Las medidas por deflectometría y holografía son muy similares, con una identificación de resonancias y antirresonancias acorde con el acelerómetro hasta 5500 Hz. Los picos resonantes son identificables hasta aproximadamente 10 kHz. Las mediciones realizadas por el vibrómetro de barrido concuerdan con los resultados del acelerómetro hasta 10 kHz, pero muestran un ruido significativo por encima de esta frecuencia.

El nivel de ruido en los datos es uno de los factores que limitan la frecuencia máxima medible con cada técnica de medición. Esta sección investiga el espectro de frecuencia del ruido de medición y sus funciones de densidad de probabilidad para cada método de medición, en un punto determinado de la superficie de la estructura. Tenga en cuenta que en esta sección no se investiga el ruido espacial, es decir, la distribución del ruido de medición sobre los puntos de la cuadrícula en un momento dado. El ruido de medición de los desplazamientos transversales se obtuvo registrando datos sin ninguna fuerza externa aplicada a la estructura durante un período de 1 s. El ruido de medición combina así posibles vibraciones o derivas residuales del haz mecánico, el ruido de los fotones, el ruido electrónico del sensor de imagen (que es idéntico para todas las técnicas) y los errores relacionados con las operaciones de posprocesamiento de cada técnica. El espectro de frecuencia de los ruidos de medición en la misma ubicación que los datos proporcionados en la Fig. 8 se muestra en la Fig. 9a. Los espectros se proporcionan para el desplazamiento extraído de los datos sin procesar para cada método. El procesamiento de datos para reconstruir los desplazamientos transversales sigue las indicaciones de la Tabla 1. Las funciones de densidad de probabilidad del ruido residual se estiman a partir de los mensurandos originales, antes de la conversión a desplazamientos. Las Figuras 9b-f muestran las funciones de densidad de probabilidad y demuestran que, en todos los casos, pueden aproximarse mediante estadística gaussiana.

(a) espectros de ruido de desplazamiento; (b – f) densidades de probabilidad en el mensurando de cada técnica (consulte la Fig. 7 para ver el código de colores).

De acuerdo con los resultados de las Figs. 8, 9a muestra que, en todo el rango de frecuencia, las mediciones DIC exhiben un ruido de fondo más alto. Además, las mediciones de deflectometría presentan un ruido mayor que la holografía y la vibrometría, mientras que las dos últimas tienen un nivel de ruido similar. Estos niveles de ruido son generalmente más altos que el nivel de ruido de fondo del acelerómetro. De manera más cuantitativa, el ruido en la señal de desplazamiento calculada a partir del acelerómetro disminuye con la frecuencia, según una pendiente del orden de −20 dB/década. Esta observación es consistente con el hecho de que el nivel de ruido de la señal de aceleración es independiente de la frecuencia. Para el ruido en las señales de desplazamiento obtenidas a partir de mediciones holográficas y vibrométricas, la caída observada es del orden de −10 dB/década. El espectro de ruido de desplazamiento, obtenido a partir de mediciones de deflectometría y DIC, es aproximadamente plano a altas frecuencias, lo que es consistente con sus respectivas mensurandos. Estos pisos de ruido establecen los valores mínimos que se pueden medir. Por ejemplo, a 1000 Hz, la Fig. 9a muestra que el orden de magnitud de los pisos de ruido es 100 nm para DIC, 10 nm para deflectometría y 1 nm para holografía y vibrometría. A partir de los datos de la Fig. 9b–f, se estiman las desviaciones estándar y obtenemos \(\sigma _u \approx 5 \times 10^{-7}\) m para DIC, \(\sigma _d \approx 1.7 \times 10 ^{-6}\) m/m para deflectometría, \(\sigma _h \approx 3.3 \times 10^{-5}\) m/s para holografía, \(\sigma _v \approx 5 \times 10^{ -5}\) m/s para vibrometría y \(\sigma _a \approx 0.13\) m/s\(^2\) para el acelerómetro.

La Figura 10 muestra un conjunto de formas de desplazamiento operativo correspondientes a los picos de resonancia indicados por las flechas rojas en la Figura 8b. Además, las formas modales se calcularon numéricamente utilizando un modelo de elementos finitos en COMSOL y concuerdan bien con la medición de vibrometría de referencia. Las diferencias en las frecuencias de resonancia entre los resultados numéricos y experimentales se deben a imprecisiones en los parámetros del material elegido y a imperfecciones en las condiciones de sujeción de la viga. Tenga en cuenta que las frecuencias de resonancia también varían ligeramente entre mediciones y estas formas de desplazamiento corresponden a los picos de resonancia identificados para cada técnica de medición. En la parte inferior de la Fig. 10 también se muestra un perfil a lo largo del eje de la viga, indicado por una línea roja vertical. Los mapas de desplazamiento están normalizados por el valor absoluto de la deflexión más grande, en cada caso. Como consecuencia, la amplitud de cada perfil varía entre \(-1\) y \(+1\) y toma un valor casi cero en el extremo sujeto de la viga mecánica.

Formas de deflexión operativa en resonancia (parte real) medidas en el haz uniforme para las primeras 8 frecuencias de resonancia indicadas por flechas en la Fig. 8b. Las amplitudes normalizadas a lo largo de una sección transversal vertical indicada por una línea roja se comparan para cada forma de modo. Las formas de deflexión obtenidas mediante un modelo numérico (\(X_n\)) se incluyen para comparación.

Se observan las formas de deflexión operativa correspondientes a los modos de vibración de la estructura sujeta. Debido al impacto descentrado, los dos primeros modos de torsión son visibles a aproximadamente 1300 Hz y 3900 Hz). Los otros modos son modos de flexión de la viga mecánica. Se encuentra que las frecuencias de resonancia son aproximadamente las mismas para todas las técnicas, excepto para las mediciones DIC, que presentan algunas desviaciones, especialmente en las frecuencias 3324 Hz, 3900 Hz y 4788 Hz. Esto puede explicarse por un ligero cambio no deseado en la configuración mecánica. Otra explicación es el hecho de que el área alrededor del punto de impacto tuvo que ser interpolada espacialmente porque la presencia del martillo interrumpió la operación de correlación de imágenes. De este modo, los picos se seleccionan con la FRF interpolada desde los puntos circundantes.

Las formas de deflexión concuerdan bastante bien, especialmente a frecuencias más bajas (\(< 3000\) Hz) donde la amplitud es mayor. Se observan desviaciones en frecuencias más altas, por ejemplo en DIC, debido a una baja relación señal-ruido. Esto concuerda con la Fig. 8. Las formas de deflexión operativa proporcionadas por la deflectometría y la holografía son notablemente cercanas.

La resolución de cada técnica se define como el número de puntos de datos por unidad de longitud y se supone que es la misma en las direcciones (x, y). Las mediciones DIC utilizan un área de píxeles cuasicirculares de tamaño \(7,9\times 6\) mm\(^2\) (debido al ángulo de la cámara) en la superficie con un polinomio 2D de orden 2\(^{nd}\) para interpolar la vibración. Las mediciones se reconstruyen aquí con una resolución de \(255\,\times \,12\) puntos de medición. Esta resolución conduce a una densidad de 9,9 DPCM (puntos por centímetro) o 90 DPI (puntos por pulgada). El análisis de deflectometría produjo un punto de medición para cada píxel de la imagen, lo que generó una malla de \(925\,\times \,71\), o 35,3 DPCM (\(\sim\)90 DPI). Sin embargo, es probable que la verdadera resolución espacial sea menor debido al suavizado realizado por la operación de convolución espacial. Las mediciones holográficas contienen \(450\,\times \,31\) puntos de medición, lo que da como resultado 16,2 DPCM (\(\sim\)41 DPI). Para las mediciones del vibrómetro, el haz se muestreó de manera diferente en las direcciones x e y con \(185\,\times \,7\) puntos de medición, lo que dio una densidad promedio de 5,3 DPCM (13,1 DPI).

Para apreciar la capacidad de las técnicas de campo completo para capturar con precisión eventos dinámicos cortos tanto en el tiempo como en el espacio, en la Fig. 11 se muestra la respuesta transitoria del haz justo después del impacto. Las señales provienen de una adquisición de datos de un solo disparo. y no se realiza ningún promedio. Los perfiles de desplazamiento normalizados por fuerza capturados en la posición del acelerómetro se muestran en la Fig. 11a para los métodos de medición. Las respuestas temporales de los métodos de medición son similares. DIC subestimó ligeramente la amplitud, de acuerdo con la Fig. 8b, y puede estar relacionado con la señal interpolada espacialmente en el punto de excitación debido a la presencia del martillo. Los mapas de desplazamiento del haz se muestran en la Fig. 11b durante los instantes consecutivos identificados por las líneas rojas en la Fig. 11a. Estos mapas se normalizan en cada instante para cada método de medición con el fin de compararlos mejor.

(a) Perfiles de las respuestas de desplazamiento transitorio temporal medidas con el haz uniforme cerca del punto de excitación, (b) formas de deflexión operativa en 10 instantes seleccionados indicados por líneas rojas en (a).

De manera similar a los resultados presentados en la Fig. 10, los mapas de desplazamiento medidos son bastante similares entre los métodos de medición. Todos los métodos capturan correctamente el impacto inicial y la flexión y propagación de ondas torsionales resultantes. Es notable la buena concordancia entre deflectometría y holografía en la respuesta transitoria temprana. Tenga en cuenta que los artefactos/errores de interpolación son visibles para el DIC en el área del acelerómetro en los cuatro primeros mapas.

Los experimentos informados en la sección anterior se repitieron para una viga similar sin abrazaderas en la que se mecanizó una terminación de agujero negro acústico (ABH) (Fig. 5a). Este haz mecánico no uniforme se caracteriza por un gran contraste en la amplitud de vibración y la longitud de onda entre la región uniforme y la terminación ABH. Estas condiciones pretenden suponer un desafío para los métodos de medición.

El desplazamiento/fuerza FRF se muestran en la Fig. 12 en dos posiciones de la viga. El primer punto está ubicado en el acelerómetro/punto de excitación cerca de la base del haz (Fig. 12a), mientras que el segundo punto está ubicado al final de la terminación ABH (Fig. 12b). Los parámetros para la configuración de medición son los mismos que para el haz uniforme.

Desplazamiento/fuerza FRF en dos posiciones en el haz no uniforme: (a) cerca del punto de excitación comparando cada técnica con el acelerómetro, con los 10 modos mostrados en la Fig. 13 indicados por flechas rojas; (b) al final de la terminación ABH comparando cada técnica con el vibrómetro.

La comparación entre las Figs. 8b y 12a muestran que el haz no uniforme tiene una densidad modal mayor y una relación (o cumplimiento) de desplazamiento a fuerza mayor en la posición de impacto que el haz uniforme. Los tres métodos de campo completo pueden capturar picos de resonancia en un rango de frecuencia más amplio (hasta aproximadamente 6000 Hz). En comparación con la Fig. 8b, los resultados proporcionados por DIC son más ruidosos entre resonancias en la Fig. 12a. Mientras que se utilizó un sello de tinta personalizado para crear patrones DIC aleatorios en la viga uniforme, el patrón en la viga no uniforme se creó con pintura en aerosol y una plantilla. La plantilla no se adhirió uniformemente y produjo un contraste más bajo y, por lo tanto, gradientes de intensidad más bajos en la región del acelerómetro. Nuevamente, la señal tuvo que ser interpolada espacialmente debido a la presencia del martillo. Estos parámetros conducen a una respuesta medida más ruidosa en la ubicación del acelerómetro en el haz no uniforme.

Los resultados de la Fig. 12b en el extremo de la viga son bastante diferentes. Como regla general, la adaptabilidad aumenta a medida que disminuye el espesor de la viga, lo que se traduce en desplazamientos transversales mucho mayores en la terminación de la viga no uniforme. Además, el campo de desplazamiento varía rápidamente en el espacio. Si bien la precisión de las mediciones DIC es esencialmente similar a la de la Fig. 12a, las mediciones de deflectometría y holografía se degradan. Para estos dos métodos, es difícil capturar con precisión las deformaciones al final de la viga. En el caso de la deflectometría, la deformación del haz en la terminación delgada distorsiona la imagen de cuadrícula observada por la cámara. Estas distorsiones modifican el número de píxeles por período de la cuadrícula (un factor de ajuste para la extracción de fase; se supone constante en toda la imagen), produciendo errores de fase. La curvatura local del extremo delgado también crea un espejo curvo que modifica la distancia de enfoque de la configuración óptica, lo que genera un efecto de desenfoque local que disminuye la precisión. Estos fenómenos se ven intensificados por las altas amplitudes de vibración. Para las mediciones holográficas, es la gran diferencia en las pendientes de flexión entre dos instantes lo que produce un gran número de saltos de fase en la fase envuelta calculada, lo que dificulta mucho el procesamiento y desenvolvimiento de la fase. Para superar este problema, la solución sería aumentar la velocidad de cuadros de la cámara hasta 100-120 kHz para muestrear mejor los saltos de fase de altas amplitudes de vibración. Sin embargo, esto aumentaría drásticamente la cantidad de datos a procesar y, por tanto, el tiempo total de cálculo.

Formas de deflexión operativa en resonancia (parte real) medidas en el haz no uniforme a 10 frecuencias seleccionadas indicadas por flechas en la Fig. 12a. Las amplitudes normalizadas a lo largo de una sección transversal vertical indicada por una línea roja se comparan para cada forma de modo. Las formas de deflexión obtenidas mediante un modelo numérico (\(X_n\)) se incluyen para comparación.

La Figura 13 muestra los mapas de desplazamiento operativo de la estructura extraídos en las frecuencias de resonancia indicadas por las flechas rojas en la Fig. 12a. Nuevamente, las formas modales se calcularon numéricamente utilizando un modelo de elementos finitos en COMSOL. Cabe señalar que no existe una solución analítica para la dinámica de flexión de la viga no uniforme. Se observan diferencias en las frecuencias de resonancia entre los resultados numéricos y experimentales debido a imprecisiones en los parámetros del material elegido, incertidumbres en el perfil geométrico de la viga no uniforme e imperfecciones en las condiciones de sujeción. Sin embargo, las formas del modo numérico muestran una buena concordancia con la medición de vibrometría de referencia. Los perfiles a lo largo de la línea roja también se muestran en la parte inferior de la Fig. 13. Las mediciones de DIC utilizan píxeles cuasicirculares de tamaño \(7\times 6\) mm\(^2\) en la superficie con un polinomio 2D de segundo orden para interpolar. el campo de vibración con una resolución de \(238\,\times \,19\) puntos de medición. Esta resolución conduce a una densidad de aproximadamente 9,3 DPCM o 23,6 DPI. Las mediciones de deflectometría se obtienen con \(925\,\times \,71\) puntos de medición o 35,3 DPCM (89,7 DPI), las mediciones holográficas tienen \(913\,\times \,61\) puntos de medición o 32,5 DPCM (82,6 DPI ), y las mediciones del vibrómetro contienen \(179\,\times \,21\) puntos de medición o una densidad promedio de 8,6 DPCM (21,5 DPI).

Las longitudes de onda más cortas son visibles en la parte delgada del haz. Los mapas de desplazamiento medidos son similares para todos los métodos de medición en la parte uniforme del haz, pero las mayores discrepancias se observan en la parte no uniforme. Esto puede explicarse por el hecho de que el haz ABH es muy sensible a las condiciones ambientales. Por tanto, las condiciones experimentales no fueron exactamente las mismas durante los cuatro experimentos. DIC proporciona resultados confiables en toda la longitud del haz, mientras que la deflectometría y la holografía tienen dificultades en la reconstrucción por las razones discutidas anteriormente. Tenga en cuenta la buena concordancia general entre DIC y vibrometría para la mayoría de las resonancias.

(a) Perfiles de las respuestas de desplazamiento transitorio temporal medidas en el haz no uniforme cerca del punto de excitación; (b) formas de deflexión operativa en 10 instantes seleccionados indicados por líneas rojas en (a).

Las mediciones de la respuesta de desplazamiento transitorio del haz no uniforme después del impacto se muestran en la Fig. 14. Los perfiles de tiempo normalizados por la fuerza capturados en la posición del acelerómetro se muestran en la Fig. 14a. De manera similar a la Fig. 11, las mediciones DIC subestiman ligeramente la amplitud, probablemente debido a la interpolación espacial de la señal como se discutió anteriormente. Los mapas de desplazamiento normalizados se presentan en la Fig. 14b en los puntos de tiempo marcados con líneas rojas en la Fig. 14a. Estos instantes se eligen para observar el comportamiento vibratorio en las diferentes partes (uniformes y no uniformes) para resaltar los desafíos de los métodos.

Las mediciones en los primeros instantes (0,15 ms a 0,35 ms) presentan resultados similares entre todos los métodos de medición. En efecto, la parte inferior de la viga es uniforme y no presenta ninguna dificultad particular para los métodos. Cuando el frente de onda alcanza la terminación no uniforme a 0,45 ms, la medición holográfica no proporciona una estimación correcta del desplazamiento y da una estimación inexacta del desplazamiento debido a su alta amplitud, generando saltos de fase sin resolución espacial. El gran número de saltos de fase imposibilita cualquier eliminación de ruido y desenvolvimiento de la fase Doppler. La deflectometría también tiene dificultades cuando el frente de onda alcanza el extremo superior del haz (a 0,55 ms) y proporciona estimaciones incorrectas del perfil cerca del final del haz debido a las grandes deformaciones que distorsionan la imagen de rejilla reflejada. Por otro lado, se puede observar una buena concordancia general para la mayoría de los mapas entre DIC y vibrometría. Estos resultados demuestran que la vibrometría láser y DIC son sólidas cuando se trata de amplitudes de vibración altas, como las que se encuentran en la terminación del haz delgado.

La Tabla 3 muestra una comparación cualitativa de las diferentes características intrínsecas y evaluadas de las tres técnicas de medición óptica. El propósito de esta tabla es proporcionar un resumen completo e intuitivo de las capacidades de medición de cada método. Al cuestionarse la elección del método de medición adaptado, los lectores pueden consultar la tabla para utilizar el método más adecuado a su problema.

La Tabla 3 resume primero las diferentes características de las mediciones, a saber, la cantidad medida, la resolución temporal, el tiempo máximo de adquisición y la cantidad mínima mensurable. Se dan interpretaciones del ruido de fondo y la dinámica de medición que se pueden obtener. Se proporcionan comentarios relacionados con la resolución espacial, así como las dimensiones realistas de una muestra que se puede estudiar utilizando cada enfoque. Se resalta el estado de la superficie requerido para las mediciones, además de los tiempos de instalación y adquisición. El último punto trata del tiempo de procesamiento para obtener el mensurando a partir de las imágenes capturadas.

Los tres métodos ópticos de campo completo poseen una ventaja significativa sobre el escaneo LDV: los datos en todos los puntos espaciales se adquieren simultáneamente, lo que reduce drásticamente el tiempo de adquisición, suprimiendo así la deriva/variaciones mecánicas debidas a tiempos de adquisición prolongados y permite la posibilidad de medir fenómenos no repetibles. Si bien el vibrómetro láser Doppler es un método de larga data, con hardware y software que se han optimizado durante décadas, los tres métodos ópticos de campo completo son relativamente nuevos para aplicaciones de medición de vibraciones. De ello se deduce que es necesario mejorarlos en un futuro próximo, especialmente en términos de facilidad de uso, software y tiempo de cálculo.

En primer lugar, un elemento clave es la preparación de la superficie. La holografía digital requiere una reflexión difusa que no sea despolarizante debido a la fuente láser coherente. Esto se puede conseguir rápidamente con determinadas pinturas en aerosol blancas o metalizadas. Hasta hace poco, el escaneo de LDV también necesitaba una superficie reflectante de forma difusa. Sin embargo, desde la aparición de los láseres infrarrojos, muchas superficies pueden medirse sin una preparación específica. DIC requiere un patrón moteado/aleatorio que se pinta o proyecta sobre la superficie79 y es aplicable a geometrías 3D más complejas. La deflectometría mide superficies similares a espejos, pero con cámaras infrarrojas adaptadas, algunas superficies metálicas pueden inspeccionarse casi sin preparación.

En segundo lugar, considerando el hardware y la configuración, hay paquetes completos disponibles para escanear LDV (sistema láser, placa de adquisición, software de adquisición y procesamiento). También existen sistemas comerciales para mediciones DIC y generalmente están destinados a mediciones 2D con una sola cámara o mediciones 3D (incluidas fuera del plano) con dos cámaras. Mientras tanto, el enfoque DIC uniaxial aplicado en este estudio permitió obtener desplazamientos fuera del plano con una sola cámara de alta velocidad. Esto demuestra que todavía existe interés en desarrollar software interno para aplicaciones específicas como el análisis de vibraciones. Para los otros dos métodos, se debe diseñar una configuración y un software adaptados. Si bien la configuración de la deflectometría es relativamente sencilla, la holografía digital requiere una mesa óptica, una fuente láser y elementos ópticos que deben disponerse con precisión. En un futuro próximo, se podrían incluir imágenes holográficas en un cabezal óptico empaquetado, lo que simplificaría y optimizaría la implementación práctica.

Finalmente, para realizar mediciones ópticas de campo completo, normalmente hay que lidiar con el software del controlador de la cámara, que no siempre está completamente adaptado al método experimental. La sincronización precisa de las mediciones ópticas con otras señales puede resultar difícil. Algunos equipos de cámara pueden medir el retardo de tiempo entre la señal de activación y el primer fotograma adquirido. De lo contrario, es necesario estimar el cambio de tiempo registrando de forma independiente la señal de exposición de la cámara. Además, las velocidades de transferencia de imágenes pueden llevar mucho tiempo dependiendo de la cámara, el software o el dispositivo de almacenamiento.

Tenga en cuenta que los métodos de campo completo considerados en este artículo pueden utilizar dos tipos de cámaras. Por un lado, las cámaras de alta velocidad permiten medir fenómenos transitorios y no repetibles, pero pueden incluir ventiladores de refrigeración que no pueden apagarse durante la adquisición, generando vibraciones no deseadas en el sistema óptico. Con la mayoría de las cámaras de alta velocidad, también suele haber un equilibrio entre la velocidad de fotogramas y el tamaño de la imagen, lo que disminuye la resolución espacial (o el número de puntos de medición) a velocidades de muestreo más altas. Por otro lado, las cámaras industriales de baja velocidad de fotogramas se pueden utilizar para mediciones de bloqueo con varias señales de excitación estacionarias, incluso si no se pueden utilizar para fenómenos transitorios. Estas cámaras tienen altas resoluciones espaciales y sensores de bajo ruido, lo que mejora la precisión general de la medición. Como regla general, hay bibliotecas de control de cámara disponibles que permiten a los usuarios crear software personalizado para facilitar los experimentos.

Este artículo proporciona una evaluación cuantitativa y cualitativa de tres técnicas de medición óptica de campo completo (olografía digital, correlación de imágenes digitales uniaxial (DIC) y deflectometría) en el contexto del análisis de vibraciones. Las comparaciones presentadas en este artículo resaltaron las fortalezas y debilidades de cada método de medición a través de dos estudios de caso que involucran una viga en voladizo uniforme (caso de medición básica) y una viga en voladizo no homogénea que genera una gran dinámica de amplitud de vibración y longitud de onda. Las estructuras probadas fueron excitadas por un impacto de martillo descentrado cerca del extremo sujeto de la viga. También se implementaron dos mediciones de referencia clásicas: un vibrómetro Doppler láser de barrido y un acelerómetro.

Los resultados con la viga uniforme muestran que los tres métodos son capaces de medir la propagación de ondas de flexión resultantes del impacto de un martillo sobre la estructura. Los datos temporales se pueden utilizar para realizar análisis modal extrayendo espectros de frecuencia en toda la estructura y las formas del modo operativo del haz. Los tres enfoques de campo completo proporcionan mediciones espaciales de alta resolución en todos los puntos a partir de una única excitación de impacto, con un tiempo de adquisición del orden de 1 segundo. En comparación, el vibrómetro láser debe medir un impacto repetible para cada punto de medición, lo que lleva a adquisiciones prolongadas (varias horas) para una resolución temporal y espacial equivalente. Las mediciones deflectométricas y holográficas también demuestran una alta precisión y un bajo nivel de ruido para tales mediciones transitorias.

Los resultados con el haz no uniforme muestran que las tres técnicas pueden realizar mediciones precisas en la parte uniforme del haz. Sin embargo, sólo el DIC uniaxial puede estudiar la terminación delgada. La deflectometría se ve alterada por la no planaridad de la estructura (la superficie medida debe ser lo más plana posible). La holografía se ve perturbada por la gran amplitud de la respuesta de vibración, lo que provoca una gran cantidad de saltos de fase y un alto nivel de ruido que imposibilita realizar las operaciones de eliminación de ruido y desenvolvimiento. Una posible solución sería aumentar la velocidad de fotogramas de la cámara hasta 100-120 kHz, pero a costa de una enorme cantidad de datos a procesar. El DIC uniaxial aprovecha el alto nivel de vibración para proporcionar mediciones precisas porque el método es intrínsecamente más robusto a altos niveles de vibración.

Las ventajas y desventajas resaltadas en este documento se enumeran en una tabla comparativa, que brinda al lector un resumen intuitivo de la capacidad de cada medición. El texto también incluye recomendaciones para la implementación práctica de las técnicas, permitiendo a los experimentadores elegir el método más adaptado a su aplicación.

Los conjuntos de datos de las mediciones realizadas durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

Drenaje, LE La técnica láser Doppler vol. 1 (Wiley, 1980).

Google Académico

Scruby, CB & Drain, LE Ultrasónico láser: técnicas y aplicaciones (1990).

Monchalin, JP Avances hacia la aplicación de los ultrasonidos láser en la industria. En Revisión del progreso en la evaluación cuantitativa no destructiva: volúmenes 12A y 12B (eds Thompson, DO & Chimenti, DE) 495–506 (Springer US, 1993).

Capítulo Google Scholar

Castellini, P., Revel, GM & Tomasini, EP Vibrometría láser Doppler: una revisión de avances y aplicaciones. Vibración de choque. Excavar 30, 443–456 (1998).

Artículo de Google Scholar

MacPherson, WN y cols. Vibrómetro láser multipunto para análisis modal. Aplica. Optar. 46, 3126. https://doi.org/10.1364/AO.46.003126 (2007).

Artículo ADS PubMed Google Scholar

Sun, K. y col. Técnica de escaneo de fuente de línea láser para la evaluación no destructiva de grietas en dientes humanos. Aplica. Optar. 53, 2366. https://doi.org/10.1364/AO.53.002366 (2014).

Artículo ADS PubMed Google Scholar

Connelly, MJ y cols. Vibrometría láser Doppler multipunto mediante elementos ópticos holográficos y una cámara digital CMOS. Optar. Letón. 33, 330. https://doi.org/10.1364/OL.33.000330 (2008).

Artículo ADS PubMed Google Scholar

Fu, Y., Guo, M. & Phua, PB Vibrometría láser Doppler multipunto con detector único: principios, implementaciones y análisis de señales. Aplica. Optar. 50, 1280. https://doi.org/10.1364/AO.50.001280 (2011).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Fu, Y., Guo, M. y Phua, PB Vibrometría Doppler láser multihaz codificada espacialmente utilizando un solo fotodetector. Optar. Letón. 35, 1356. https://doi.org/10.1364/OL.35.001356 (2010).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Johansmann, M. & Sauer, J. Una nueva herramienta para mediciones tridimensionales de vibraciones sin contacto en aplicaciones automotrices. Tecnología. Rep., documento técnico de SAE https://doi.org/10.4271/2005-26-052 (2005).

Baqersad, J., Poozesh, P., Niezrecki, C. y Avitabile, P. Fotogrametría y métodos ópticos en dinámica estructural: una revisión. Mec. Sistema. Proceso de señal. 86, 17–34. https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2016.02.011 (2017).

ADS del artículo Google Scholar

Tiwari, V., Sutton, MA y McNeill, SR Evaluación de sistemas de imágenes de alta velocidad para mediciones de deformación 2D y 3D: desarrollo y validación de metodología. Exp. Mec. 47, 561–579. https://doi.org/10.1007/s11340-006-9011-y (2007).

Artículo de Google Scholar

Reu, PL, Rohe, DP & Jacobs, LD Comparación de DIC y LDV para mediciones prácticas de vibración y modales. Mec. Sistema. Proceso de señal. 86, 2–16. https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2016.02.006 (2017).

ADS del artículo Google Scholar

Beberniss, TJ y Ehrhardt, DA Medición de vibración de correlación de imágenes digitales 3D de alta velocidad: avances recientes y limitaciones observadas. Mec. Sistema. Proceso de señal. 86, 35–48. https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2016.04.014 (2017).

ADS del artículo Google Scholar

Durand-Texte, T., Simonetto, E., Durand, S., Melon, M. & Moulet, MH Medición de vibraciones utilizando un sistema pseudoestéreo, seguimiento de objetivos y métodos de visión. Mec. Sistema. Proceso de señal. 118, 30–40. https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2018.08.049 (2019).

ADS del artículo Google Scholar

Durand-Texte, T., Melon, M., Simonetto, E., Durand, S. & Moulet, MH Método de visión de un solo eje con una sola cámara aplicado para medir vibraciones. J. Vibración de sonido. 465, 115012. https://doi.org/10.1016/j.jsv.2019.115012 (2020).

Artículo de Google Scholar

Huang, L., Idir, M., Zuo, C. y Asundi, A. Revisión de la deflectometría de medición de fase. Optar. Ing. Láseres. 107, 247–257. https://doi.org/10.1016/j.opt.2018.03.026 (2018).

Artículo de Google Scholar

Surrel, Y., Fournier, N., Grédiac, M. y Paris, P.-A. Deflectometría escalonada de fase aplicada a la medición de la forma de placas dobladas. Exp. Mec. 39, 66–70. https://doi.org/10.1007/BF02329303 (1999).

Artículo de Google Scholar

Giraudeau, A., Pierron, F. & Guo, B. Una alternativa al análisis modal para la rigidez del material y la identificación de la amortiguación de placas vibratorias. J. Vibración de sonido. 329, 1653–1672. https://doi.org/10.1016/j.jsv.2009.11.031 (2010).

ADS del artículo Google Scholar

Xavier, J. et al. Caracterización de los componentes de rigidez a la flexión de paneles de MDF a partir de mediciones de pendientes en campo completo. Ciencia de la madera. Tecnología. 47, 423–441. https://doi.org/10.1007/s00226-012-0507-6 (2013).

Artículo CAS Google Scholar

Kim, JH, Pierron, F., Wisnom, MR y Syed-Muhamad, K. Identificación de la reducción de rigidez local de una placa compuesta dañada mediante el método de campos virtuales. Compos. Solicitud de la Parte A. Ciencia. Fabricante. 38, 2065-2075. https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2007.04.006 (2007).

Artículo CAS Google Scholar

Devivier, C., Pierron, F. & Wisnom, MR Detección de daños por impacto en placas compuestas mediante deflectometría y el método de campos virtuales. Compos. Solicitud de la Parte A. Ciencia. Fabricante. 48, 201–218. https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2013.01.011 (2013).

Artículo de Google Scholar

Giraudeau, A. y Pierron, F. Medición de las respuestas espaciales de placas vibratorias mediante deflectometría y cámara de alta velocidad. Conferencia AIP. Proc. 1253, 241–246. https://doi.org/10.1063/1.3455463 (2010).

ADS del artículo Google Scholar

O'Donoughue, P., Robin, O. & Berry, A. Medición de la respuesta a la vibración de paneles planos bajo excitaciones mecánicas estacionarias y transitorias mediante deflectometría. En INTER-NOISE NOISE-CON Congr. Conf. Proc., vol. 253, 4686–4692 (2016).

Devivier, C., Pierron, F., Glynne-Jones, P. & Hill, M. Imágenes de campo completo resueltas en el tiempo de ondas ultrasónicas de Lamb mediante deflectometría. Exp. Mec. 56, 345–357. https://doi.org/10.1007/s11340-015-0099-9 (2016).

Artículo CAS Google Scholar

O'Donoughue, P., Robin, O. & Berry, A. Identificación resuelta en el tiempo de cargas mecánicas en placas utilizando el método de campos virtuales y mediciones de deflectometría. Cepa 54, e12258. https://doi.org/10.1111/str.12258 (2018).

Artículo de Google Scholar

O'Donoughue, P., Robin, O. & Berry, A. Identificación espacio-temporal de impactos mecánicos y excitaciones aleatorias distribuidas en placas y membranas. Proc. Inst. Mec. Ing. Parte C J. Mech. Ing. Ciencia. 233, 6436–6447. https://doi.org/10.1177/0954406219839094 (2019).

Artículo de Google Scholar

Kaufmann, R., Ganapathisubramani, B. & Pierron, F. Reconstrucción de presión superficial de campo completo utilizando el método de campos virtuales. Exp. Mec. 59, 1203–1221. https://doi.org/10.1007/s11340-019-00530-2 (2019).

Artículo de Google Scholar

Toniuc, H. & Pierron, F. Deflectometría infrarroja para mediciones de deformación de pendientes. Exp. Mec. 59, 1187-1202. https://doi.org/10.1007/s11340-019-00480-9 (2019).

Artículo CAS Google Scholar

Robin, O., O'Donoughue, P., Berry, A., Farley, V. y Prithipaul, K. Mediciones de vibración de campo completo en una viga en voladizo bajo impacto utilizando deflectometría visible e infrarroja. Aplica. Acústico. 183, 108294. https://doi.org/10.1016/j.apacoust.2021.108294 (2021).

Artículo de Google Scholar

Kreis, T. Interferometría holográfica: principios y métodos. No. 1 en la serie Akademie Verlag sobre metrología óptica, 1 ed. (Akad.-Verl, 1996).

Picart, P. (ed.) Nuevas técnicas en holografía digital. Serie de instrumentación y medición (ISTE Ltd, Wiley, 2015).

Hazell, CR & Liem, SD Análisis de vibraciones de placas mediante holografía estroboscópica en tiempo real. Exp. Mec. 13, 339–344. https://doi.org/10.1007/BF02322393 (1973).

Artículo de Google Scholar

Leval, J., Picart, P., Boileau, JP y Pascal, JC Vibrometría de campo completo con holografía digital de Fresnel. Aplica. Optar. 44, 5763–5772. https://doi.org/10.1364/AO.44.005763 (2005).

Artículo ADS PubMed Google Scholar

Picart, P. y col. Seguimiento de oscilaciones automáticas de alta amplitud con hologramas digitales de Fresnel. Optar. Expreso 15, 8263. https://doi.org/10.1364/OE.15.008263 (2007).

Artículo ADS PubMed Google Scholar

Alexeenko, I., Gusev, M. y Gurevich, V. Registro separado de frecuencias de vibración relacionadas racionalmente mediante interferometría holográfica estroboscópica digital. Aplica. Optar. 48, 3475. https://doi.org/10.1364/AO.48.003475 (2009).

Artículo ADS PubMed Google Scholar

De Greef, D., Soons, J. & Dirckx, JJ Configuración de holografía estroboscópica digital para medición de deformación en frecuencias cuasiestáticas y acústicas. En t. J. Optomechatronics 8, 275–291 (2014).

ADS del artículo Google Scholar

Pedrini, G., Tiziani, HJ & Zou, Y. Holografía digital de TV de doble pulso. Optar. láseres ing. 26, 199–219. https://doi.org/10.1016/0143-8166(95)00113-1 (1997).

Artículo de Google Scholar

Pedrini, G., Fröning, PH, Fessler, H. & Tiziani, HJ Mediciones de vibraciones transitorias mediante holografía digital de pulsos múltiples. Optar. Tecnología láser. 29, 505–511. https://doi.org/10.1016/S0030-3992(97)00048-0 (1998).

ADS del artículo Google Scholar

Foltete, E., Piranda, J. y Raynaud, JL Mediciones dinámicas cuantitativas para la actualización de modelos mediante interferometría electrónica moteada. En Actas de SPIE, Sociedad Internacional de Ingeniería Óptica, vol. 4359, 1305–1310 (Sociedad de Ingenieros de Instrumentación Fotoóptica, 2001).

Chambard, JP, Chalvidan, V., Carniel, X. y Pascal, JC Grabación de holografía de TV pulsada para aplicaciones de análisis de vibraciones. Optar. Ing. Láseres. 38, 131-143. https://doi.org/10.1016/S0143-8166(02)00006-4 (2002).

Artículo de Google Scholar

Trillo, C. et al. Medición de la amplitud compleja de ondas acústicas superficiales transitorias mediante holografía de TV de doble pulsación y un método de transformada espacial de Fourier de dos etapas. Medidas. Ciencia. Tecnología. 14, 2127. https://doi.org/10.1088/0957-0233/14/12/012 (2003).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Georges, M. y col. Interferometría holográfica de doble pulsación con cristales fotorrefractivos para análisis de vibraciones y choques. En Efectos, materiales y dispositivos fotorrefractivos, 661, https://doi.org/10.1364/PEMD.2005.661 (OSA, 2005).

Aguayo, DD et al. Mediciones de la deformación de las alas de insectos mediante interferometría holográfica digital de alta velocidad. Optar. Expreso 18, 5661. https://doi.org/10.1364/OE.18.005661 (2010).

Artículo ADS PubMed Google Scholar

Solís, SM, Santoyo, FM & Hernández-Montes, M. Mediciones de desplazamiento 3D de la membrana timpánica con interferometría holográfica digital. Optar. Expreso 20, 5613. https://doi.org/10.1364/OE.20.005613 (2012).

Artículo ADS PubMed Google Scholar

Samson, B., Verpillat, F., Gross, M. y Atlan, M. Vibrometría láser Doppler de velocidad de vídeo mediante holografía heterodina. Optar. Letón. 36, 1449. https://doi.org/10.1364/OL.36.001449 (2011).

Artículo ADS PubMed Google Scholar

Khaleghi, M., Guignard, J., Furlong, C. y Rosowski, JJ Vibrometría tridimensional simultánea de campo completo del tímpano humano utilizando holografía multiplexada de ancho de banda espacial. J. Biomed. Opción 20, 111202. https://doi.org/10.1117/1.JBO.20.11.111202 (2015).

Artículo ADS PubMed PubMed Central Google Scholar

Kakue, T. y col. Imágenes holográficas digitales en 3D de alta velocidad para la vibrometría de fenómenos que ocurren rápidamente. Ciencia. Rep. 7, 10413. https://doi.org/10.1038/s41598-017-10919-5 (2017).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Poittevin, J., Picart, P., Faure, C., Gautier, F. & Pézerat, C. Vibrómetro multipunto basado en holografía digital en línea de alta velocidad. Aplica. Optar. 54, 3185–3196. https://doi.org/10.1364/AO.54.003185 (2015).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Meteyer, E. et al. Recuperación de vibración de bloqueo basada en imágenes coherentes de campo completo de alta velocidad. Ciencia. Rep. 11, 7026. https://doi.org/10.1038/s41598-021-86371-3 (2021).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Rothberg, SJ y cols. Una revisión internacional de la vibrometría láser Doppler: simplificar la medición de vibraciones. Optar. Ing. Láseres. 99, 11-22. https://doi.org/10.1016/j.optlaseng.2016.10.023 (2017).

Artículo de Google Scholar

Lutzmann, P., Gohler, B., Hill, CA y van Putten, F. Detección de vibración láser en fraunhofer IOSB: revisión y aplicaciones. Optar. Ing. 56, 1-19. https://doi.org/10.1117/1.OE.56.3.031215 (2016).

Artículo de Google Scholar

Halkon, BJ & Rothberg, SJ Quitar la vibrometría láser Doppler del trípode: corrección de mediciones afectadas por la vibración del instrumento. Optar. Ing. Láseres. 91, 16-23. https://doi.org/10.1016/j.optlaseng.2016.11.006 (2017).

Artículo de Google Scholar

Castellini, P., Martarelli, M. & Tomasini, EP Vibrometría láser Doppler: Desarrollo de soluciones avanzadas que respondan a las necesidades de la tecnología. Mec. Sistema. Proceso de señal. 20, 1265–1285, https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2005.11.015 (2006).

ADS del artículo Google Scholar

Fu, Y., Guo, M. & Phua, P. Vibrometría láser Doppler multipunto con detector único: principios, implementaciones y análisis de señales. Aplica. Optar. 50, 1280–1288. https://doi.org/10.1364/AO.50.001280 (2011).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Di Maio, D. et al. Vibrometría láser de barrido continuo: una razón de ser y aplicaciones a las mediciones de vibraciones. Mec. Sistema. Proceso de señal. 156, 107573. https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2020.107573 (2021).

Artículo de Google Scholar

Margerit, P., Gobin, T., Lebée, A. y Caron, JF El vibrómetro láser Doppler robotizado: sobre el uso de un brazo robótico industrial para realizar mediciones de velocidad de campo completo en 3D. Optar. Ing. Láseres. 137, 106363. https://doi.org/10.1016/j.optlaseng.2020.106363 (2021).

Artículo de Google Scholar

Gabor, D. Un nuevo principio microscópico. Naturaleza 161, 777–778. https://doi.org/10.1038/161777a0 (1948).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Leith, EN y Upatnieks, J. Nuevas técnicas de reconstrucción de frente de onda. J. Optar. Soc. Soy 51, 1469-1473 (1961).

Google Académico

Poon, TC Holografía digital y visualización tridimensional (Springer, 2006).

Reservar Google Académico

Lagny, L. y col. Visualización de ondas viajeras que se propagan en una placa equipada con ABH 2D mediante vibrometría holográfica de campo amplio. J. Vibración de sonido. 461, 114925. https://doi.org/10.1016/j.jsv.2019.114925 (2019).

Artículo de Google Scholar

Goodman, JW Introducción a la óptica de Fourier (WHFreeman & Co Ltd, 2005).

Google Académico

Kemao, Q., Gao, W. & Wang, H. Algoritmo de desenvolvimiento de fase guiado por calidad y filtrado de Fourier en ventana. Aplica. Optar. 47, 5420. https://doi.org/10.1364/AO.47.005420 (2008).

Artículo ADS PubMed Google Scholar

Kemao, Q. Transformada de Fourier en ventana bidimensional para análisis de patrones marginales: principios, aplicaciones e implementaciones. Optar. Ing. Láseres. 45, 304–317. https://doi.org/10.1016/j.optlaseng.2005.10.012 (2007).

Artículo de Google Scholar

Montresor, S., Tahon, M., Laurent, A. y Picart, P. Eliminación de ruido computacional basada en aprendizaje profundo para datos de fase en interferometría holográfica digital. Fotónica APL 5, 030802. https://doi.org/10.1063/1.5140645 (2020).

ADS del artículo Google Scholar

Xia, H., Guo, RX, Fan, ZB, Cheng, HM & Yang, BC Medición mecánica no invasiva para objetos transparentes mediante interferometría holográfica digital basada en desenvolvimiento iterativo de fases de mínimos cuadrados. Exp. Mec. 52, 439–445. https://doi.org/10.1007/s11340-011-9516-x (2012).

Artículo de Google Scholar

Xia, H. y col. Algoritmo de desenvolvimiento de calibración de fase para datos de fase dañados por ruido moteado de descorrelación fuerte. Optar. Expreso 24, 28713–28730. https://doi.org/10.1364/OE.24.028713 (2016).

Artículo ADS PubMed Google Scholar

Hild, F. & Roux, S. Correlación de imágenes digitales: desde la medición del desplazamiento hasta la identificación de propiedades elásticas: una revisión. Cepa 42, 69–80. https://doi.org/10.1111/j.1475-1305.2006.00258.x (2006).

Artículo de Google Scholar

Sutton, MA, Orteu, JJ y Schreier, H. Correlación de imágenes para mediciones de forma, movimiento y deformación (Springer, 2009).

Google Académico

Yu, L. & Pan, B. Correlación de imágenes estéreo-digitales de alta velocidad con una sola cámara para medición de vibraciones de campo completo. Mec. Sistema. Proceso de señal. 94, 374–383. https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2017.03.008 (2017).

ADS del artículo Google Scholar

Durand-Texte, T., Melon, M., Simonetto, E., Durand, S. & Moulet, MH Método de visión 3D aplicado para medir las vibraciones de elementos no planos con un adaptador de dos espejos. J. Física. Conf. Ser. 1149, 012008. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1149/1/012008 (2018).

Artículo de Google Scholar

Durand-Texte, T., Simonetto, E., Durand, S., Melon, M. & Moulet, MH Estimación de las incertidumbres de un método de medición de las deformaciones por vibración mediante visión 3D. Instrumentación Mesure Métrologie 16, 71–95 (2017).

Google Académico

Devivier, C., Pierron, F. & Wisnom, MR Detección de daños en materiales compuestos mediante deflectometría, una técnica de medición de pendientes de campo completo. Compos. Solicitud de la Parte A. Ciencia. Fabricante. 43, 1650–1666. https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2011.11.009 (2012).

Artículo CAS Google Scholar

Shepherd, MR, Robin, O., Hambric, S. y O'Donoughue, P. Estimación del índice de Poisson de un panel rectangular libre mediante análisis modal basado en video. J. acústico. Soc. Soy. 144, 1682–1682. https://doi.org/10.1121/1.5067481 (2018).

ADS del artículo Google Scholar

Grédiac, M., Sur, F. & Blaysat, B. El método de cuadrícula para la medición de deformación y desplazamiento en el plano: una revisión y análisis: el método de cuadrícula. Cepa 52, 205–243. https://doi.org/10.1111/str.12182 (2016).

Artículo de Google Scholar

Pelat, A., Gautier, F., Conlon, SC y Semperlotti, F. El agujero negro acústico: una revisión de la teoría y sus aplicaciones. J. Vibración de sonido. 476, 115316. https://doi.org/10.1016/j.jsv.2020.115316 (2020).

Artículo de Google Scholar

Denis, V., Pelat, A., Gautier, F. y Elie, B. Factor de superposición modal de un haz con terminación de agujero negro acústico. J. Vibración de sonido. 333, 2475–2488. https://doi.org/10.1016/j.jsv.2014.02.005 (2014).

ADS del artículo Google Scholar

Picart, P. & Li, JC Holografía digital (ISTE, 2012).

MATEMÁTICAS Google Scholar

Etchepareborda, P., Moulet, MH & Melon, M. Proyección aleatoria de patrones de moteado láser para mediciones de vibraciones sin contacto utilizando una única cámara de alta velocidad. Mec. Sistema. Proceso de señal. 158, 107719. https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2021.107719 (2021).

Artículo de Google Scholar

Descargar referencias

Los autores agradecen a la Cátedra de Investigación NSERC Canadá en vibroacústica aplicada al sector del transporte, al Centro Internacional de Proyectos de Investigación Acústica Jacques-Cartier del CNRS y al Institut d'Acoustique - Escuela de Graduados de la Universidad de Le Mans por la financiación y las becas proporcionadas para apoyar el programa de investigación. .

Centro de Investigación Humana-Señal Acústica, Universidad de Sherbrooke, 2500 Boulevard de l'Université, Sherbrooke, QC, Canadá

Patrick O'Donoughue, Olivier Robin y Alain Berry

Laboratorio de Acústica de la Universidad de Le Mans (LAUM), UMR 6613, Instituto de Acústica-Escuela de Graduados (IA-GS), CNRS, Universidad de Le Mans, Avenue Olivier Messiaen, 72085, Le Mans, Francia

Patrick O'Donoughue, François Gautier, Erwan Meteyer, Thomas Durand-Texte, Mathieu Secail-Geraud, Félix Foucart, Manuel Melon, Charles Pézerat, Adrien Pelat y Pascal Picart

También puedes buscar este autor en PubMed Google Scholar.

También puedes buscar este autor en PubMed Google Scholar.

También puedes buscar este autor en PubMed Google Scholar.

También puedes buscar este autor en PubMed Google Scholar.

También puedes buscar este autor en PubMed Google Scholar.

También puedes buscar este autor en PubMed Google Scholar.

También puedes buscar este autor en PubMed Google Scholar.

También puedes buscar este autor en PubMed Google Scholar.

También puedes buscar este autor en PubMed Google Scholar.

También puedes buscar este autor en PubMed Google Scholar.

También puedes buscar este autor en PubMed Google Scholar.

También puedes buscar este autor en PubMed Google Scholar.

FG y AB dirigieron el proyecto. PO, EM, TD-T. y MS-G. realizó las mediciones ópticas y el posprocesamiento. FF y MM ayudaron en instrumentación y mediciones. PO recopiló los datos y produjo las cifras con la ayuda de EM, TD-T. y O Todos los autores contribuyeron a las discusiones y a la preparación del artículo.

Correspondencia a Patrick O'Donoughue o François Gautier.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

Springer Nature se mantiene neutral con respecto a reclamos jurisdiccionales en mapas publicados y afiliaciones institucionales.

Acceso Abierto Este artículo está bajo una Licencia Internacional Creative Commons Attribution 4.0, que permite el uso, compartir, adaptación, distribución y reproducción en cualquier medio o formato, siempre y cuando se dé el crédito apropiado al autor(es) original(es) y a la fuente. proporcione un enlace a la licencia Creative Commons e indique si se realizaron cambios. Las imágenes u otro material de terceros en este artículo están incluidos en la licencia Creative Commons del artículo, a menos que se indique lo contrario en una línea de crédito al material. Si el material no está incluido en la licencia Creative Commons del artículo y su uso previsto no está permitido por la normativa legal o excede el uso permitido, deberá obtener permiso directamente del titular de los derechos de autor. Para ver una copia de esta licencia, visite http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Reimpresiones y permisos

O'Donoughue, P., Gautier, F., Meteyer, E. et al. Comparación de tres técnicas de medición óptica de campo completo aplicadas al análisis de vibraciones. Representante científico 13, 3261 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-30053-9

Descargar cita

Recibido: 12 de junio de 2022

Aceptado: 15 de febrero de 2023

Publicado: 24 de febrero de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-30053-9

Cualquier persona con la que compartas el siguiente enlace podrá leer este contenido:

Lo sentimos, actualmente no hay un enlace para compartir disponible para este artículo.

Proporcionado por la iniciativa de intercambio de contenidos Springer Nature SharedIt

Al enviar un comentario, acepta cumplir con nuestros Términos y pautas de la comunidad. Si encuentra algo abusivo o que no cumple con nuestros términos o pautas, márquelo como inapropiado.