Estudio de la propagación de ondas guiadas en medios multicapa. Aplicación a la inspección de algunas estructuras industriales

Resumen

Este trabajo se focaliza en el estudio de la propagación de ondas guiadas en medios multicapa y su conexión con la técnica de Impacto-Eco. La aplicación del Impacto-Eco implica el uso de una fuente de excitación (típicamente un martillo instrumentado) y la medida de las vibraciones generadas en la estructura cerca del punto de impacto. Se asume que el impacto genera una onda P que viaja hasta la superficie opuesta (viaje de ida y vuelta) y que el fenómeno permanece en el tiempo, de forma que, en el espectro de la señal obtenida aparecerá un pico de frecuencia que puede ser relacionado con el espesor del sistema si se tiene una estimación de la velocidad de la onda P. La técnica introduce el uso de un factor de corrección geométrica que reduce la velocidad de la onda P. La razón por la que se introduce este factor en la literatura es que la onda se ve afectada por los contornos de la estructura, por lo que la velocidad se reduce ligeramente. Es un factor empírico que toma el valor 0.96 para el caso de una capa infinita, varía con la forma, el coeficiente de Poisson y es, en general, desconocido en sistemas más complejos. Por otra parte, las predicciones derivadas del Impacto-Eco para las posiciones de los picos de frecuencia en sistemas multicapa son, en general, erróneas. En ocasiones, los valores de los picos son suficientemente diferentes a los esperados como para que sea necesario el uso de factores de corrección muy diferentes al valor aceptado de 0.96. En general, los picos esperados no aparecen en el espectro o aparecen otros que no pueden ser explicados en base a las predicciones de la técnica. En esta tesis se aplica la perspectiva de ondas guiadas para explicar y caracterizar los picos de frecuencia obtenidos en un ensayo de Impacto-Eco en sistemas multicapa. Desde la década anterior se conoce que el pico de frecuencia obtenido en un ensayo de Impacto-Eco sobre una capa simple coincide con una frecuencia no propagante (mínimo con velocidad de grupo cero) en las curvas de dispersión de la capa. Las curvas de dispersión representan los pares de frecuencia-número de onda que pueden propagarse en la capa y son la principal herramienta de análisis en este trabajo. Se estudian diferentes configuraciones de sistemas multicapa que son aplicables para caracterizar la estructura interna del crisol de hornos altos. Los resultados muestran que los picos de frecuencia en un ensayo de Impacto-Eco pueden ser completamente descritos y localizados como puntos característicos de las curvas de dispersión del sistema. Siempre se corresponden con frecuencias de velocidad de grupo cero (mínimos de las curvas) y con frecuencias de número de onda cero (puntos de corte con el eje). El espectro está dominado (en términos de amplitud de picos) en unas ocasiones por mínimos de las curvas de dispersión y en otras por frecuencias de corte. Los resultados sugieren que esto puede suceder debido a los contrastes de impedancia entre las capas. Así, cuando la naturaleza elástica de las capas es muy diferente (como en el caso de las dos primeras capas de los altos hornos) en términos de la rigidez, las frecuencias que dominan el espectro se corresponden con mínimos en las curvas de dispersión. Sin embargo, cuando la rigidez de las capas es similar (como en el caso de las capas interiores en altos hornos), son las frecuencias de corte las que dominan el espectro. Sin embargo, existen situaciones en las que la técnica de Impacto-Eco ha demostrado proporcionar resultados satisfactorios. En esta tesis se dan algunas de las razones por las que esto es así para sistemas multicapa. Los resultados muestran que la técnica de Impacto-Eco puede predecir la resonancia del sistema completo cuando los tiempos de viaje de la onda dentro de cada capa por separado son iguales o muy similares. Los resultados obtenidos son verificados por simulación por elementos finitos y por ensayos de campo y laboratorio.