Estudio de propiedades de materiales mediante la generación de ultrasonido con luz láser

• Autores: Alvarez, Natalia Clara
• Año de publicación: 2016
• Idioma: español castellano
• Tipo de recurso: tesis doctoral
• Colaborador/a o director/a de tesis: Pérez Quintián, Luis Fernando; Garea, María Teresa
• Materia: ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS; ULTRASONIDO LASER; INTERFEROMETRIA; SIMULACION NUMERICA; CARACTERIZACION DE MATERIALES; NONDESTRUCTIVE TESTING; LASER ULTRASONICS; INTERFEROMETRY; NUMERICAL SIMULATION; MATERIALS CHARACTERIZATION
• Institución: Universidad Nacional de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales

Los ensayos no destructivos involucran técnicas de análisis que permiten el estudiode materiales sin modificar sus propiedades y manteniendo sus característicasfuncionales luego del ensayo. Estas técnicas se emplean tanto en el ámbito industrialcomo en el ámbito de la investigación. Existe gran interés en el desarrollo de estetipo de herramientas, ya que permiten el ahorro de costos y tiempos en la produccióny evaluación de materiales y productos. En el método de ultrasonido láser un pulso de luz incide sobre la superficie delmaterial bajo estudio y éste es parcialmente absorbido. A partir de este fenómeno sepueden producir diversos procesos (expansión térmica, evaporación y eyección dematerial, etc.) que generan una perturbación que se propaga en el medio, denominadaultrasonido. Para generar ondas de ultrasonido con un gran ancho de bandase utilizan pulsos cortos de láser de alta potencia. Las características del ultrasonidogenerado dependen de la forma y duración del pulso, de la extensión del área iluminaday de la potencia incidente. Si la potencia incidente es demasiado alta, puedeproducirse la ablación de la superficie. La ablación es en la mayoría de los casos algoque se desea evitar, ya que deteriora el material que se está estudiando. En los ensayosno destructivos se emplean potencias en el régimen denominado termoelástico,donde el material sólo se ve afectado por la expansión térmica y, por consiguiente,su estructura no resulta afectada. En la técnica de ultrasonido láser, las ondas de ultrasonido generadas en el materialson detectadas sobre su superficie mediante métodos ópticos de interferometría. Esta técnica es de no contacto y por lo tanto es ideal para ensayar materiales ensituaciones donde el acoplamiento de un sensor con la muestra puede ser riesgosoo puede degradar la exactitud de la medición. Una de las principales ventajas de ladetección interferométrica es su gran ancho de banda, a diferencia del caso de sensoresde contacto, como por ejemplo, los transductores piezoeléctricos. No obstante, lalimitación más importante de este método de detección es su gran sensibilidad a lasdiferencias de camino óptico introducidas por el ambiente, ya sea por vibraciones, fluctuaciones térmicas, etc. En esta Tesis se desarrolla, en el marco de los ensayos no destructivos, una técnicade ultrasonido láser de características robustas. Esta técnica puede ser aplicable aúnen entornos industriales, donde las técnicas interferométricas tradicionales suelenpresentar serios problemas debido a la presencia de fuertes vibraciones. Por un lado, en este trabajo se exploran técnicas interferométricas de detecciónde ondas superficiales de ultrasonido en régimen termoelástico. Se proponen métodosde recuperación de fase que permiten obtener el desplazamiento medio de lasuperficie bajo análisis, aún en presencia de fluctuaciones en la longitud de caminoóptico de varios órdenes de magnitud mayores a las generadas por el ultrasonido. Por otro lado, se estudia la capacidad de la técnica de ultrasonido láser propuestapara caracterizar diversos aspectos de la muestra bajo análisis, como son sus constanteselásticas y su espesor. También se generan defectos controlados en las muestrasy se realiza la caracterización de su profundidad y localización a través del análisis,en tiempo y frecuencia, de las señales de ultrasonido. Para validar los resultados obtenidos experimentalmente se desarrolla un esquemanumérico que simula el fenómeno termoelástico de generación de ultrasonidoen materiales elásticos lineales, a partir de la incidencia de ondas electromagnéticas. Este método numérico permite modelar, también, la propagación de las ondas deultrasonido en presencia de defectos en el material.
Nondestructive testing involves analysis techniques that allow the study of materialswithout altering their properties and maintaining their functional characteristicsafter testing. This methods are employed both in industrial applications and scienceresearch. There is great interest in the development of these kind of tools, sincethey allow to save costs and time in the production and evaluation of materials andproducts. In the laser ultrasonics method, a light pulse impinges on the surface of thematerial under test and it is partially absorbed, after which, diverse mechanisms mayoccur (such as thermal expansion, vaporization and material ejection) generating aperturbation that propagates in the medium, called ultrasound. In order to producehigh bandwidth ultrasound waves, a short high power laser pulse is employed. Theultrasound wavefront properties depend on the shape and temporal length of thepulse, as well as, on the extension of the illuminated area and the laser power. Ifthe laser power is too high, ablation can occur. Ablation is usually undesirable sinceit deteriorates the material under study. Hence, in nondestructive testing, the laserpower is kept within the thermoelastic regime where the material undergoes thermalexpansion only. Thus, maintaining its structural health. In the laser ultrasonics technique, ultrasound detection is achieved on the samplesurface by means of optical interferometric methods. Since this technique doesnot involve physical contact with the sample, it is ideal for performing material testingin situations where the coupling of the sensor and the sample is risky or mayjeopardize the validity of the test. One of the main advantages of interferometricdetection, in contrast to contact sensors such as piezoelectric transducers, is its highbandwidth. However, the major limitation of this method comes from its high sensitivity to optical path modifications introduced by vibrations, thermal fluctuationsand other undesired environmental variations. In this Thesis we develop a nondestructive technique based in laser ultrasonicswhich presents robust properties. This technique can be satisfactorily employed inindustrial environments, where traditional optical interferometric detection fails dueto the presence of strong vibrations. On the one hand, we explore interferometric techniques to achieve detectionof surface ultrasonic waves in thermoelastic regime. We propose phase retrievalmethods which allow to recover the surface mean displacement successfully, evenunder situations in which the undesired fluctuations in the optical path length areseveral orders of magnitude higher than the optical path differences introduced bythe ultrasound. On the other hand, we study the ability of the proposed laser ultrasonic techniqueto successfully characterize several properties of the sample under test, such as,elastic parameters and thickness. We also create controlled defects in aluminium samplesand estimate experimentally its depth and position by means of time-frequencysignal analysis techniques. In order to validate the experimental results, we also develop a numerical methodthat allows to simulate the thermoelastic ultrasound generation, in linear elasticmaterials, from incident electromagnetic waves. This method is also capable of modelingthe ultrasound propagation under the presence of defects in the simulatedsample.
Fil: Alvarez, Natalia Clara. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina.