Confronto di tre completi

Dec 31, 2023

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 3261 (2023) Citare questo articolo

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La correlazione delle immagini digitali, la deflettometria e l'olografia digitale sono alcune delle tecniche di misurazione ottica a campo intero maturate negli ultimi anni. Il loro utilizzo nelle applicazioni vibroacustiche sta guadagnando attenzione e vi è la necessità di catalogare le loro prestazioni al fine di fornire, ad un'ampia comunità di utenti e potenziali futuri utenti, valutazioni quantitative e qualitative di questi tre approcci. Questo articolo presenta un confronto sperimentale dei tre metodi ottici nel contesto delle misurazioni delle vibrazioni, insieme alle classiche misurazioni di riferimento fornite da un accelerometro e un vibrometro laser Doppler. Lo studio viene condotto su due strutture meccaniche che presentano diverse risposte alle vibrazioni quando sottoposte ad un impatto.

In molti settori, come il trasporto terrestre, navale o aereo, le vibrazioni strutturali sono strettamente correlate all’affidabilità meccanica e alle fonti di rumore. Le vibrazioni possono essere generate da diversi tipi di eccitazione: meccanica, acustica, aerodinamica, magnetica, ecc. La comprensione dei fenomeni vibratori viene generalmente effettuata attraverso l'analisi delle risposte vibrazionali operative, che corrispondono al campo vibratorio risultante dalle eccitazioni nel contesto pratico . Le risposte operative alle vibrazioni sono utili per determinare i percorsi di trasferimento vibratorio, eseguire un'analisi modale della struttura, identificare fonti di eccitazione o prevedere il rumore irradiato. Pertanto, il campo di vibrazione costituisce il dato di input di base per tali applicazioni. Nelle applicazioni di vibrazione e acustica strutturale, le lunghezze d'onda di vibrazione di interesse sono generalmente nell'intervallo da centimetri a metri. Una misurazione delle vibrazioni a tutto campo di una superficie richiederà tipicamente da 6 a 10 punti per lunghezza d'onda per garantire un campionamento spaziale adeguato e pertanto potrebbe implicare un numero molto elevato di punti dati su strutture di grandi dimensioni. Da un punto di vista sperimentale, diversi approcci più o meno sofisticati possono fornire campi vibrazionali.

L'accelerometro è sicuramente il sensore più utilizzato per le misurazioni delle vibrazioni nel mondo accademico e industriale grazie alla sua robustezza, sensibilità, ampia larghezza di banda ed elevata gamma dinamica. Tuttavia, fornisce solo misurazioni puntuali del campo vibratorio nel punto in cui è attaccato alla struttura. Per ottenere una raccolta di punti dati sulle vibrazioni, è quindi necessario ripetere la misurazione spostando il sensore o aumentare il numero di sensori aumentando la complessità complessiva della configurazione. Inoltre, il comportamento della struttura può essere modificato localmente dalla massa aggiuntiva dell'accelerometro e dallo smorzamento aggiuntivo fornito dal cavo collegato. Nella maggior parte delle applicazioni, la massa dell'accelerometro viene scelta in modo tale che la struttura soffra di una perturbazione sufficientemente piccola. Tuttavia gli accelerometri sono sempre invadenti e lo sono ancora di più nel caso di strutture leggere.

I progressi significativi nella tecnologia e nella strumentazione laser hanno portato allo sviluppo di misurazioni senza contatto con la vibrometria laser Doppler (LDV). Il principio di base è lo spostamento della frequenza Doppler della frequenza laser riflessa a causa del movimento della superficie misurata. Il vibrometro laser Doppler fornisce quindi misurazioni di velocità lungo la direzione del fascio1,2,3,4. L'interesse principale del vibrometro laser è quello di misurare il campo vibratorio senza alcun contatto e senza alcuna intrusione sulla superficie della struttura. Inoltre, lo sviluppo del vibrometro laser Doppler a scansione aggiunge la possibilità di ottenere una raccolta di punti dati sulla superficie ispezionata5,6,7,8. A questo proposito, lavori precedenti riportavano la scansione di 256 punti lungo una linea fino a 80 kHz5,6, l'uso di elementi ottici olografici associati ad un sensore CMOS (vibrazione misurata fino a 100 kHz7), l'uso del multiplexing di frequenza (20 punti con \(5 \times 4\) raggi8), oppure l'uso di tre dispositivi acusto-ottici e un singolo fotorivelatore ad alta velocità (\(5 \times 4\) raggi con una velocità di 500 Msamples/s9). Sebbene questi approcci producano una serie di misurazioni indipendenti in diversi punti della superficie, il numero di misurazioni simultanee rimane limitato. Per poter acquisire la risposta vibrazionale in più punti, la vibrometria laser Doppler richiede la ripetizione della misura e, quindi, l'utilizzo di sorgenti di eccitazione controllate e ripetibili. Negli ultimi anni sono emerse diverse evoluzioni, come l'estensione 3D del vibrometro laser Doppler a scansione per misurare tutte e 3 le componenti del campo vibrazionale, con possibile accoppiamento con un braccio robotico10. Tali strumenti sono molto potenti per l’analisi delle vibrazioni di strutture complesse, ma sono costosi.