Software Sonelastic®

La Técnica de Excitación por Impulso proporciona una determinación precisa y exacta de los módulos elásticos y del amortiguamiento de materiales. Sin embargo, depende de un software para que sea práctica y confiable. El software es responsable de la adquisición de la respuesta acústica, procesamiento de señales, detección de frecuencias y cálculos. Para este propósito, la ATCP Ingeniería Física desarrolló el Sonelastic® Software. Lanzado en 2010, se encuentra en la versión 6.0.

Pantallas del Software Sonelastic®, desarrollado por la ATCP Ingeniería Física para la determinación de los módulos elásticos y amortiguamiento de materiales mediante la Técnica de Excitación por Impulso.

Módulos elásticos

El Software Sonelastic® es capaz de determinar los módulos elásticos de barras rectangulares, cilindros, discos, anillos y vigas en voladizo. Para los cálculos, es necesario informar la masa de la muestra, las dimensiones y las respectivas incertidumbres. Para barras y cilindros rectangulares, el software calcula e informa automáticamente la posición y el espaciado de las líneas nodales para facilitar la colocación de la muestra, así como la densidad aparente y el punto para la excitación simultánea de torsión y flexión. La información de densidad aparente es útil para que el usuario detecte errores al ingresar las dimensiones y la masa de la muestra. Las imágenes a continuación muestran los campos para seleccionar la geometría de la muestra e insertar sus datos. Para la caracterización de discos, se debe elegir la opción de anillo y establecer el diámetro interno en cero.

Campo Sonelastic para geometrias retangulares

Campos do Sonelastic para geometrias cilíndricas

Campos do Sonelastic para geometrias em anéis e discos

Campos do Sonelastic para barras engastadas

Campos del Software Sonelastic® para seleccionar la geometría de la muestra e ingresar las dimensiones y masa. Estas informaciones son necesarias para calcular los módulos elásticos.

Con los datos de la muestra y después del procesamiento de la respuesta acústica, el software calcula los módulos elásticos de acuerdo con los modos de vibración involucrados. Para barras y cilindros rectangulares, el módulo de corte (G) se calcula con la frecuencia del modo torsional y el módulo de Young (E) con la frecuencia del modo de flexión o longitudinal. El coeficiente de Poisson (μ) se calcula a partir de E y G. Para ensayos con modo de flexión o longitudinal únicamente, el resultado se limita al módulo del Young. Los discos, anillos y vigas en voladizo se caracterizan en el modo de vibración de flexión y es posible determinar solo el módulo de Young. Las imágenes a continuación muestran ejemplos de resultados informados en la pestaña “Módulos Elásticos” del software.

Resultado dos módulos de elasticidade para barra retangular de alumina

Resultado dos módulos elásticos de um refratário

Resultado dos módulos elásticos para um cilindro de concreto

Resultado dos módulos elásticos para anéis de piezoceramicas PZT

Ejemplos de resultados informados por la pestaña “Módulos Elásticos” del Software Sonelastic®. La primera imagen es del resultado de una barra rectangular de cerámica, la segunda de una barra rectangular metálica, la tercera de una muestra de hormigón y la última de un anillo cerámico piezoeléctrico (PZT-8).

Las ecuaciones y algoritmos utilizados por el Software Sonelastic® dependen de la geometría de la muestra; las principales variables son la frecuencia, las dimensiones y la masa de las muestras. La siguiente tabla enumera los estándares relacionados con las ecuaciones utilizadas. Los cálculos de incertidumbre de los resultados se detallan en el manual del software, Apéndice B.

Referencias de las ecuaciones utilizadas por Sonelastic® Software.

Geometría	Modos de vibración	Referencias
Cilindros	Todos	ASTM E1876-01
Barras rectangulares	Flexión y torsión	ASTM E1876-01
Barras rectangulares	Longitudinal	ASTM E1876-22
Vigas en voladizo	Flexión	ASTM E756-05

El Software Sonelastic® también es capaz de estimar el módulo de cuerda/secante de los hormigones según el modelo de Popovics.

Amortiguamiento

La respuesta acústica de la muestra a la excitación por impulso contiene dos datos principales: las frecuencias naturales de vibración y las tasas de amortiguamiento correspondientes. Cuando golpeada, la muestra emite sonidos durante un tiempo finito hasta que cesa la vibración debido al amortiguamiento del material. Además de procesar la respuesta acústica para la identificación de las frecuencias, el software Sonelastic® también obtiene las tasas de atenuación respectivas para calcular el amortiguamiento del material. Para hacerlo, tiene dos algoritmos, el ajuste tradicional de la curva de caída exponencial de la señal en el dominio del tiempo y un algoritmo alternativo, más sofisticado, que aplica el ajuste exponencial a la amplitud del pico de frecuencia. El algoritmo alternativo tiene ventajas cuando los picos de frecuencias están cercanos. En las siguientes imágenes, se muestran dos ejemplos de determinación de amortiguamiento para la misma muestra: la primera imagen es mediante el ajuste de curva en el dominio del tiempo tradicional y la segunda es mediante el algoritmo de ajuste de amplitud de pico de frecuencia.

Exemplo de resultado, da aba de amortecimento, pelo método tradicional de ajuste no domínio do tempo

Exemplo da aba de Amortecimento TF, o qual usa o método de ajuste na amplitude do pico da frequência.

Ejemplos de resultados de la pestaña Sonelastic® “Amortecimento” e “Amortecimento TF”. En la primera imagen es por el método tradicional de ajuste de curva de caída exponencial en el dominio del tiempo y la segunda es por el método de ajuste de curva de caída exponencial de la amplitud del pico de frecuencia (dominio de tiempo-frecuencia).

Velocidad de ondas P y ondas S

El software Sonelastic® calcula la velocidad de las ondas P y las ondas S a partir de los módulos elásticos (módulo de Young, módulo de corte y coeficiente de Poisson). Como el interés en esta información es restringido a los Geólogos, su presentación junto con los resultados de los módulos elásticos es opcional y puede ser controlada por el usuario.

Estimación de frecuencia

El Software Sonelastic® dispone de un estimador de frecuencia para facilitar la correcta identificación de la frecuencia torsional y longitudinal, así como el dimensionamiento de las amuestras. Para utilizar esta función, el usuario debe conocer el orden de magnitud del módulo de Young del material.

La selección de frecuencia para el cálculo del módulo de Young es sencilla para barras rectangulares y cilindros excitados en modo de flexión. En estos casos, el espectro es simple y la frecuencia es siempre la primera relevante y de mayor amplitud. Sin embargo, la identificación de las frecuencias de flexión y longitudinal de barras rectangulares delgadas puede ser un desafío debido a la presencia de frecuencias armónicas. Las figuras siguientes muestran dos ejemplos de espectros típicos: el primero es de una muestra de hormigón cilíndrico de 200 x 100 mm y el segundo de una muestra de cerámica de 83 x 8 x 5 mm (ZTA). El espectro del cilindro contiene solo la frecuencia de flexión, mientras que el espectro de la barra cerámica tiene 10 picos relevantes. En el espectro de barras, la frecuencia de flexión también es la primera relevante (marcada con un disco verde), pero la frecuencia de torsión es el séptimo pico (marcado con el cuadrado rojo), lo que dificulta la selección.

Exemplo de espectro de barra retangular de ceramiza ZTA

Ejemplos de espectros típicos para cilindros y barras delgadas. La primera imagen muestra el espectro de una muestra de hormigón excitada en modo de flexión; la segunda imagen muestra el espectro de una barra de cerámica delgada excitada simultáneamente en modo de flexión y torsión. La frecuencia de flexión es siempre la primera relevante y está marcada con un disco verde en los espectros.

La siguiente imagen muestra la estimación de frecuencia realizada por el Software Sonelastic® para una barra de cerámica delgada cuyo espectro se mostró en la segunda imagen del módulo de imagen anterior. Se consideró el módulo de Young aproximado de 330 GPa y la relación de Poisson de 0,25. La estimación muestra que la frecuencia de flexión debe ser de aproximadamente 27 kHz, sin embargo, en esta región del gráfico hay un pico en 27,4 y otro en 27,7 kHz. Para identificar qué pico es el torsional, el usuario debe variar las condiciones de contorno, por ejemplo, excitar y capturar la respuesta acústica en el centro (el pico que es el torsional desaparecerá porque esta no es una condición de contorno favorable para este modo).

Ventana del Software Sonelastic® 5.0 para la estimación de frecuencias. Este recurso es útil para identificar correctamente las frecuencias de torsión y longitudinal, y para el dimensionamiento de las muestras pequeñas para evitar que las frecuencias superen la frecuencia máxima medible.

Ventana del Software Sonelastic® para la estimación de frecuencias. Este recurso es útil para identificar correctamente las frecuencias de torsión y longitudinal, y para el dimensionamiento de las muestras pequeñas para evitar que las frecuencias superen la frecuencia máxima medible.

El estimador de frecuencia también se utiliza en el dimensionamiento de las muestras. Cuanto más pequeña sea la muestra, más altas serán las frecuencias. Para materiales de alta rigidez, la frecuencia de la muestra puede superar el máximo medible por el sistema Sonelastic® del usuario. Este límite varía entre 22,5 y 96 kHz, según la frecuencia de muestreo del módulo o la placa de adquisición de señal del sistema.

Mediciones automáticas en función del tiempo y la temperatura

El Software Sonelastic® tiene un modo de funcionamiento para mediciones automáticas que permite programar el número e intervalo de las mediciones. Esta característica es útil para monitorear procesos de curado y caracterizaciones dependientes de la temperatura. La siguiente figura muestra los campos de configuración para este modo de funcionamiento.

Campos del Software Sonelastic® para la programación de medidas automáticas en función del tiempo y la temperatura.

Para una detección de frecuencia correcta durante las mediciones automáticas, Sonelastic® Software tiene funciones tales como rangos de análisis programables e intensidad de excitación adaptativa. El software es capaz de leer y guardar información de temperatura durante las mediciones.

Exportación de curvas y resultados

Los resultados proporcionados por la Técnica de Excitación por Impulso y Software Sonelastic® son ricos. Por ejemplo, al caracterizar barras rectangulares los resultados incluyen la señal en el dominio del tiempo, el espectro de frecuencias, la lista de frecuencias, los módulos elásticos, el amortiguamiento, la temperatura y el momento de la adquisición. El Software Sonelastic® es capaz de exportar todos estos datos en archivos espaciados por comas (formato .csv), que son fáciles de importar y editar con MS Excel. También es capaz de generar un informe de prueba en formato pdf. Las imágenes a continuación muestran la hoja de resultados del Software Sonelastic® y un espectrograma 3D de respuesta acústica.

Planilha de resultados dos módulos elásticos

Relatório Ensaio Módulo Elasticidade do Carbeto de Silício

Ejemplos de resultados proporcionados por el Software Sonelastic®. La primera imagen muestra un espectro 3D de una respuesta acústica, la segunda la hoja de resultados y gráficos de medidas automáticas, y la última un informe de prueba.

Además de los archivos csv, el Software Sonelastic® también es capaz de guardar las mediciones con información de respuesta acústica para eventual reprocesamiento posterior.

Entrada de datos de muestras

Para agilizar un gran número de ensayos, se incorporó un módulo en el Software Sonelastic® versión 6.0 para el ingreso anticipado de datos (dimensiones y masa de las probetas). A continuación se muestra la interfaz de este módulo y el botón de acceso ubicado en la pestaña ADQUISICIÓN.