[ FIBRA ÓPTICA ]
Generación de ondas de Lamb por láser utilizando fibras ópticas integradas

Por D. Balageas y F. Lepoutre (ONERA).
Jaroslavsky, Lambda Comunicaciones Ópticas, S.L.

El problema de la integración de un sistema de control y monitorización en estructuras hechas de materiales composites es un tema de investigación en muchos laboratorios en el mundo.

Hasta ahora, la mayor atención fue dada a sistemas de sensores de fibra óptica para la detección de defectos. El problema con este tipo de sistema "pasivo" es que el sensor debe estar cerca de la región defectuosa. La cantidad de sensores necesaria es importante, lo que implica sistemas complejos y caros.
Una solución alternativa podría ser la utilización de ondas propagativas para establecer un diagnóstico. Con tal sistema "activo", toda la región entre la fuente y el detector es examinada. Si la atenuación de las ondas es baja, la distancia entre emisión y detección puede ser importante y por lo tanto, se necesitan menos transductores integrados.

Las ondas de Lamb son especialmente interesantes porque se propagan a largas distancias y afectando todo el material. La detección de defectos en metales y composites con ondas de Lamb fue demostrada por varios autores. La generación y detección de ondas de Lamb puede ser realizada por transductores piezoeléctricos de superficie o integrados. Se pueden utilizar transductores polímeros de tipo PVDF, pero solamente en superficie, siendo la temperatura de fabricación del material composite demasiado alta. Generalmente se utilizan transductores cerámicos de tipo PZT para generación y detección acústica en superficie o dentro del material, pero sufren de propiedades mecánicas bajas, de fragilidad, y de tamaño importante comparado con el espesor de los pliegues.
Una solución combinando las ventajas de los sensores de fibra óptica y de la propagación acústica sería ideal. Existen muchos estudios sobre la detección de ondas acústicas con sensores de fibra óptica. Un sistema totalmente basado en fibras ópticas integradas para generación y detección acústica es altamente deseable, pero se han realizado pocos estudios hasta ahora. Para la generación, la solución consiste en utilizar una fibra óptica integrada que guía un pulso láser dentro del material. Este artículo es dedicado a ese problema y presenta resultados de experimentos hechos en el ONERA, Francia.

SISTEMA EXPERIMENTAL
El sistema esta mostrado en la figura 1. La fuente utilizada es un láser Nd: YAG operando a 1,064
mm bombeado en continuo y pulsado por un modulador acústico-óptico que permite obtener pulsos de manera repetitiva. La duración de cada pulso es típicamente de 140 ns, lo que es largo comparado con los experimentos clásicos de ultrasonidos-láser, pero en nuestro caso, permite la inyección del rayo láser en la fibra sin ningún tipo de degradación y también, permite generar ultrasonidos de frecuencia más baja. El sistema de inyección de los pulsos en la fibra óptica consiste en una lente de 10 mm de focal. La otra extremidad de la fibra óptica esta integrada al material composite durante su fabricación. Las fibras utilizadas son fibras multimodo de 100 o 200 mm de núcleo con cobertura de poliamida para poder resistir a altas temperaturas. Ese tamaño de fibra aparece compatible con las propiedades mecánicas del composite y permite inyectar los impulsos láser sin degradación. Los movimientos de la superficie del material son medidos con un interferómetro tipo Mach-Zehnder heterodino, comercializado por BMI, de ancho de banda entre 20 kHz y 40 MHz. La disposición de la fibra óptica dentro del material esta mostrada en las figuras 2 y 3.

EXPERIMENTOS
La detección se realiza a lo largo del eje de la fibra óptica #1 integrada como lo muestra la figura 4.
Se realizan mediciones de 5000 o 10 000 puntos en 90 posiciones axiales. La suma de todas estas mediciones sobre una misma imagen permite obtener una cartografía de la propagación de las ondas producidas (B scan). El punto clave de este experimento es la producción de ultrasonidos de manera reproducible y en régimen termoelástico, es decir, de manera no destructiva. Un estudio preliminar ha permitido determinar un límite para la generación de ultrasonidos-láser en composites, en el caso de una generación a la superficie del material. La determinación de las condiciones de generación ideales cuando la fibra esta integrada al material esta todavía por hacer. Sin embargo, el valor determinado nos sirve de límite superior. Ese límite es de 10 mJ/mm2 para impulsiones de 100 ns a 200 ns.
En nuestro primer experimento, la energía por pulso es de 0,08 mJ y la duración del pulso de 140 ns. Ese valor muy bajo ha permitido sin embargo producir ondas que hemos podido medir como lo muestra la figura 5. En cada punto de medida se han sumado 2000 mediciones para salir del ruido, los desplazamientos producidos son muy pequeños y corresponden al límite de la sensibilidad del interferómetro, utilizado aquí con un ancho de banda entre 20 kHz y 4 MHz.

Esta imagen representa los desplazamientos de un punto de la superficie del material a varias posiciones x y en función del tiempo, aquí 50
ms. Se pueden hacer las observaciones siguientes:

  • La simetría de la imagen indica que la fibra no perturba la propagación de las ondas
  • Cerca del epicentro de las ondas acústicas, se observa una fuerte variación de la amplitud de los desplazamientos y una casi simultaneidad de esos movimientos cuando x queda inferior a 2 mm. Como no hay retraso, es decir, que no hay propagación, el efecto observado en esa zona está ligado con la dimensión finita de la fuente, ligada al volumen de materia que absorbe la onda luminosa (campo muy próximo)
  • Para x = 0, la evolución de las deformaciones en función del tiempo está compuesta de una oscilación a baja frecuencia (16 kHz) que se extienda sobre 30 ms y de una oscilación a más alta frecuencia (periodicidad de mas o menos 2,5 ms, que corresponde a una frecuencia de 400 kHz)
  • Para x ¹ 0, las rectas oblicuas sobre la imagen demuestran la existencia de ondas progresivas propagándose a una velocidad que se puede deducir de la pendiente de esas rectas. Se observa, además, que para los tiempos cortos, las ondas son de alta frecuencia y se propagan lentamente, y que a tiempos más grandes, las ondas son de frecuencia más baja pero de velocidad alta. Esos efectos son característicos de un fenómeno de dispersión de modos o de conversiones de energía entre modos.
  • Para x ¹ 0, se observa también en los tiempos breves ondas de frecuencia muy elevada y de velocidad alta (rectas representativas casi verticales).

La misma fibra fue utilizada en otro experimento con pulsos de 0,45 mJ, lo que permitió detectar ondas a mas de 40 mm de la posición del final de la fibra (fuente ultrasónica), y también sobre una ventana temporal de 100 ms que permite notar la presencia de reflexiones sobre los bordes del material (véase la figura 6). El comentario hecho antes sobre el primer B scan vale también en este caso, se observa igualmente la existencia de modos de propagación.
La determinación del modo de generación (destructivo o no) se hace teniendo en cuenta que los desplazamientos producidos en régimen termoelástico son proporcionales a la energía depositada. Para eso, hemos comparado las señales detectadas en los dos experimentos a la misma posición y no solamente podemos ver en la figura 7 que las amplitudes son del mismo orden, pero que también la forma de la señal es parecida.
En un tercer experimento, hemos inyectado una energía de 0,45 mJ en la fibra #2 (figura 8). Los desplazamientos producidos son 10 veces más grandes que en el caso precedente. Sin embargo, la forma del B scan es la misma. Una posible explicación es que la posición de la fibra, aquí muy cerca de la superficie tenga una influencia sobre la amplitud de las ondas producidas. Sin embargo, podemos notar que la forma de las ondas creadas no depende de la integración de la fibra, sino solamente del material, que también es característico de ondas dispersivas como lo son las ondas de Lamb.

DISCUSIÓN
Estos tres experimentos han mostrado la existencia de distintos modos de propagación, con un modo predominante cuya frecuencia esta alrededor de 400 kHz. El interés de realizar estas imágenes reside también en la posibilidad de efectuar un análisis gráfico para determinar algunas características de las ondas producidas. En la figura 9, hemos calculado la velocidad y la frecuencia de algunos modos de propagación, esos puntos son después comparados con curvas de dispersión calculadas como lo muestra la figura10. Se observa que le modo dominante es el modo S0.
La determinación de los modos de orden superior es difícil con este método gráfico y se ha desarrollado un método de caracterización que está por publicarse.

CONCLUSIÓN
Estos experimentos, que deben ser considerados como un trabajo preliminar, demuestran que las fibras ópticas de diámetro entre 100 y 200
mm integradas pueden usarse para llevar pulsos láser, que generan ondas de Lamb propagándose en el material composite sobre una distancia de varios cm. Se puede ahora pensar en utilizar esta fuente de ultrasonidos para un sistema integrado de control.

Leyenda de Figuras
Figura 1.- Esquema del montaje utilizado
Figura 2.- Disposición de las fibras dentro del material
Figura 3.- Posición de las fibras
Figura 4.- Método de medición empleado.
Figura 5.- B-scan con una energía de pulso de 0,08 mJ
Figura 6.- B-scan con una energía de pulso de 0,45 mJ
Figura 7.- Desplazamientos normalizados demostrando la generación en modo termoelástico
Figura 8.- B-scan con una energía de 0,45 mJ en la fibra #2
Figura 9.- Análisis gráfico del B-scan 1
Figura 10.- Comparación entre los datos del análisis gráfico y curvas de dispersión calculadas


Figura 1




Figura 2




Figura 3




Figura 4




Figura 5




Figura 6




Figura 7




Figura 8




Figura 9




Figura 10



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