Contribución al estudio de la modificación del diagrama de radiación de sensores ultrasónicos en aire mediante bocinas

Resumen

Se presenta una contribución al estudio de las modificaciones sufridas en los patrones de radiación ultrasónicos mediante el uso de elementos mecánicos acoplados al sensor, de tipo bocinas, y de distintas características físicas y geométricas, con el fin de conseguir que el nuevo patrón de radiación sea más adecuado para una determinada aplicación, y teniendo en cuenta las condiciones ambientales en las que se desarrolla la misma. 1. Motivación y alcance La aplicación de los ultrasonidos es amplia y muy variada, pero en ciertas aplicaciones la garantía de éxito con el uso de sistemas ultrasónicos puede verse mermada o convertirles incluso en inoperantes. La principal causa que limita el uso de los ultrasonidos es la distancia de trabajo, ya que la atenuación de la onda sonora aumenta al incrementar la frecuencia del ultrasonido. Para conseguir distancias de trabajo mayores es necesario la disminución de la frecuencia, pero este hecho provoca que los lóbulos de radiación que se obtienen sean más anchos. El uso de sistemas ultrasónicos podría aumentarse considerablemente si se pudiera aumentar la distancia de trabajo, sin modificar de manera negativa el ancho del lóbulo, es decir, manteniendo la directividad de los lóbulos. Por ello, en este trabajo de Tesis Doctoral se plantea la obtención de un modelo que prediga la modificación que va a sufrir el patrón de radiación de un sensor ultrasónico cuando se le acoplen diferentes elementos acoplados y cuales son las características que ha de tener el elemento mecánico para que se obtenga el patrón de radiación más adecuado en una cada aplicación concreta. En ambientes industriales, la presencia de partículas de impurezas en el aire puede provocar que los sistemas de visión artificial, generalmente de alto coste, resulten dañados además de no conseguir los objetivos de detección de piezas defectuosas. En este caso, se pueden usar sistemas ultrasónicos que además de ser más baratos y resistentes frente a condiciones adversas, resultan efectivos para este fin, eso si, siendo necesario la realización de un estudio que caracterice las modificaciones sufridas por el ultrasonido en este tipo de entorno. La propagación ultrasónica también se ve afectada por parámetros ambientales, como son la temperatura y la humedad, causas que también pueden afectar y dañar los sistemas de visión artificial. Aunque la influencia de la temperatura en la propagación ultrasónica ya ha sido ampliamente estudiada surge la necesidad de realizar estudios que caractericen la influencia tanto de la temperatura como de la humedad, de forma conjunta, en la propagación ultrasónica. Por otro lado, existen técnicas para modificar el patrón de radiación. Entre ellas destacan el diseño y/o construcción de arrays o el acoplamiento elementos mecánicos al propio sensor. La primera posibilidad además de un mayor coste computacional es más compleja de llevar a cabo, por lo que en este trabajo se ha optado por el uso de bocinas para la modificación de los lóbulos de radiación. En este trabajo se han realizado acoplamientos de bocinas de distintos materiales y geometrías en las medidas experimentales del laboratorio con el fin de validar los modelos obtenidos por simulación. A partir del mismo se tratará de conseguir el desarrollo de una herramienta software que, para una aplicación concreta usando un determinado sensor ultrasónico, sea capaz de seleccionar las características del elemento mecánico que se ha de acoplar al sensor para que el lóbulo de radiación del sensor más adecuado para dicha aplicación. Por todo ello surge la necesidad de tener un sistema de medida que sea capaz de obtener el patrón de radiación, con y sin elemento acoplador, de una manera fácil, rápida y versátil. El sistema desarrollado para las medidas experimentales que aquí se presenta para la toma de datos ha sido desarrollado con el fin de cumplir esas premisas además de hacerlo en unas condiciones medioambientales conocidas y controlables. El sistema también ha sido optimizado, vía software, en cuanto al numero de datos que debe capturar, como en el tiempo que tarda en la captura de los mismos. Con todo esto la principal motivación de este trabajo es incrementar el uso de sistemas ultrasónicos, generalmente mucho más económicos que otro tipo de sistemas, en aplicaciones en las que de manera convencional no pueden ser usados debido a la alta absorción por el medio de las ondas sonoras. Con todo esto se conseguirá ampliar el campo de utilización de sistemas ultrasónicos, además de ser viables en condiciones medioambientales adversas como son ambientes industriales o condiciones meteorológicas de alta temperatura y/o humedad. 2. Objetivos y metodología El objetivo principal de esta Tesis Doctoral es determinar los parámetros óptimos que debe poseer una bocina para que el patrón de radiación sea el más adecuado para una aplicación concreta desarrollada bajo condiciones ambientales que no siempre son las más adecuadas. La metodología de trabajo sera la obtención de modelos simulados que representen de manera fiel los patrones de radiación de sensores ultrasónicos, tanto del sensor en solitario como del conjunto acoplado de sensor y bocina. Para la validación de estos modelos se han de realizar medidas en el laboratorio en distintas condiciones que van desde la variación de la temperatura y la humedad, hasta la presencia de partículas en suspensión pasando por el acoplamiento de elementos mecánicos con diferentes geometrías y materiales. Las distintas técnicas existentes en el mercado para la obtención de modelos simulados son, por ejemplo, los métodos de diferencias finitas, elementos de contorno o elementos finitos. Finalmente se optó por la elección de ésta última técnica debido a su alta versatilidad y disponibilidad. El programa elegido es el software de Comsol Multiphysics, en el que se destaca su alta capacidad para incluir las condiciones reales del ambiente, que se traduce en una descripción más fiel y próxima a la del problema a tratar. Las medidas llevadas a cabo en el laboratorio constan de varias fases. Una de ellas hace referencia a la presencia de impurezas en el ambiente. Las aplicaciones que generalmente se desarrollan en este tipo de ambiente tienen que ver con la detección de defectos en piezas, y el estudio se basa en garantizar el uso de sistemas ultrasónicos bajo estas condiciones. También es necesario realizar estudios que revelen cual es la influencia de las condiciones medioambientales de temperatura y humedad en la propagación acústica. Y, por último, las medidas del laboratorio tienen que ser realizadas usando bocinas de diferentes características. Todas estas situaciones, estudiadas inicialmente de manera aislada, podrán ser tenidas en cuenta de manera conjunta en el sistema final desarrollado, dejando abierta futuras líneas de investigación que den continuidad a esta Tesis.