Comparação de três completos

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 3261 (2023) Citar este artigo

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Correlação de imagem digital, deflectometria e holografia digital são algumas das técnicas de medição óptica de campo completo que amadureceram nos últimos anos. Seu uso em aplicações vibroacústicas está ganhando atenção e há a necessidade de catalogar seu desempenho para fornecer, a uma ampla comunidade de usuários e potenciais futuros usuários, avaliações quantitativas e qualitativas dessas três abordagens. Este artigo apresenta uma comparação experimental dos três métodos ópticos no contexto de medições de vibração, juntamente com medições de referência clássicas fornecidas por um acelerômetro e um vibrômetro laser Doppler. O estudo é realizado em duas estruturas mecânicas que apresentam diversas respostas vibratórias quando submetidas a um impacto.

Em muitos domínios, como transporte terrestre, naval ou aéreo, as vibrações estruturais estão intimamente relacionadas à confiabilidade mecânica e às fontes de ruído. As vibrações podem ser geradas por diferentes tipos de excitação: mecânica, acústica, aerodinâmica, magnética, etc. A compreensão dos fenômenos vibratórios é geralmente realizada através da análise das respostas vibratórias operacionais, que correspondem ao campo vibratório resultante das excitações no contexto prático . As respostas de vibração operacional são úteis para determinar caminhos de transferência vibratória, realizar uma análise modal da estrutura, identificar fontes de excitação ou prever ruído irradiado. Portanto, o campo de vibração é o dado de entrada básico para tais aplicações. Em aplicações de vibração e acústica estrutural, os comprimentos de onda de vibração de interesse estão geralmente na faixa de centímetro a metro. Uma medição de vibração de campo completo de uma superfície normalmente requer 6 a 10 pontos por comprimento de onda para garantir uma amostragem espacial adequada e, portanto, pode implicar em um número muito grande de pontos de dados em grandes estruturas. Do ponto de vista experimental, várias abordagens mais ou menos sofisticadas podem fornecer campos de vibração.

O acelerômetro é certamente o sensor mais utilizado para medições de vibração no meio acadêmico e industrial devido à sua robustez, sensibilidade, ampla largura de banda e alta faixa dinâmica. No entanto, ele fornece apenas medições pontuais do campo vibratório no local onde está preso à estrutura. Para obter uma coleção de pontos de dados de vibração, é necessário repetir a medição movendo o sensor ou aumentar o número de sensores enquanto aumenta a complexidade geral da configuração. Além disso, o comportamento da estrutura pode ser modificado localmente pela massa adicionada do acelerômetro e pelo amortecimento adicional do cabo conectado. Na maioria das aplicações, a massa do acelerômetro é escolhida de forma que a estrutura sofra uma pequena perturbação. No entanto, os acelerômetros são sempre intrusivos e ainda mais no caso de estruturas leves.

O progresso significativo na tecnologia e instrumentação a laser levou ao desenvolvimento de medições sem contato com a vibrometria laser Doppler (LDV). O princípio básico é a mudança de frequência Doppler da frequência do laser refletido devido ao movimento da superfície medida. O vibrômetro laser Doppler, portanto, fornece medições de velocidade ao longo da direção do feixe1,2,3,4. O principal interesse do vibrômetro a laser é medir o campo vibratório sem nenhum contato e sem nenhuma intrusão na superfície da estrutura. Além disso, o desenvolvimento do vibrômetro Doppler a laser de varredura agrega a possibilidade de obtenção de uma coleção de pontos de dados na superfície inspecionada5,6,7,8. A esse respeito, trabalhos anteriores relataram a varredura de 256 pontos ao longo de uma linha até 80 kHz5,6, o uso de elementos ópticos holográficos associados a um sensor CMOS (vibração medida até 100 kHz7), o uso de multiplexação de frequência (20 pontos com \(5 \times 4\) feixes8), ou o uso de três dispositivos acústico-ópticos e um único fotodetector de alta velocidade (\(5 \times 4\) feixes com uma taxa de 500 Msamples/s9). Embora essas abordagens produzam um conjunto de medições independentes em vários pontos da superfície, o número de medições simultâneas permanece limitado. Para adquirir a resposta de vibração em muitos pontos, a vibrometria laser Doppler requer uma repetição da medição e, portanto, o uso de fontes de excitação controladas e repetíveis. Várias evoluções surgiram nos últimos anos, como a extensão 3D do vibrômetro Doppler a laser de varredura para medir todos os 3 componentes do campo de vibração, com possível acoplamento com um braço robótico10. Essas ferramentas são muito poderosas para análise de vibração de estruturas complexas, mas são caras.