Measuring material thickness changes through tri-aperture digital speckle pattern interferometry

A configuration for the measurement of thickness changes in materials through one-shot digital speckle pattern interferometry (DSPI) was developed. The phase maps calculation was made by adding carrier fringes by the multiple aperture principle and Fourier Transform Method (FTM). With this setup, interferometry configurations verified that the simultaneous and instantaneous visualization of two opposite faces of a surface is possible. In addition, the combination of the simultaneous results obtained from both sides of the material makes it possible to determine displacements with greater sensitivity or to identify changes in their thickness. The validation and demonstrative tests were carried out with a 1-mm-thick aluminum plate with a 5-mm diameter through hole coated. Thickness changes to 2 μm were measured. © 2023 Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE)

Cámaras anecoicas acústicas de bajo costo y fácil implementación

In this paper, the design, construction and verification of a low-cost and easy-to-install anechoic chamber are described. The chamber is constructed with affordable, local materials. The quality, according to the deviation from the inverse square law, complies with ISO 3745. The working dimensions of the chamber are 1.94 m long x 1.91 m wide x 1.84 m high. The nominal cutoff frequency is 400 Hz. The cost per square meter of the effective finished volume is 200 USD. With this design, small- and medium-sized enterprises are able to build anechoic chambers with a small investment, adding value to their products through characterization and subsequent mitigation, conditioning or amplification, as necessary, of emitted sound or noise. This study also contributes to the development and appropriation of knowledge in acoustics, a branch of physics of emerging importance in developing countries.En este trabajo se presenta el diseño, construcción y evaluación de una cámara anecoica de bajo costo usando materiales provistos por el mercado local; tales como: espuma de poliuretano, tubos de acero, fibra de vidrio, placas de fibrocemento, placas de madera aglomerada, etc. La cámara posee dimensiones de trabajo de 1,94 m de largo x 1,91 m de ancho x 1,84 m de alto y frecuencia de corte nominal de 400 Hz, a partir de la cual la cámara recrea condiciones de espacio al aire libre en cuanto a ondas sonoras se refiere. Pudo constatarse que la cámara cumple con la desviación máxima permitida de la ley del inverso cuadrado según la norma ISO 3745. El desarrollo de este tipo de proyectos es de vital importancia para la evolución tecnológica de países emergentes, ya que estimula la actividad de los investigadores y da posibilidades a la industria local para el desarrollo de procesos y productos en temas relacionados con la Acústica, temática poco desarrollada en países en vía de desarrollo

Cámaras anecoicas acústicas de bajo costo y fácil implementación

In this paper, the design, construction and verification of a low-cost and easy-to-install anechoic chamber are described. The chamber is constructed with affordable, local materials. The quality, according to the deviation from the inverse square law, complies with ISO 3745. The working dimensions of the chamber are 1.94 m long x 1.91 m wide x 1.84 m high. The nominal cutoff frequency is 400 Hz. The cost per square meter of the effective finished volume is 200 USD. With this design, small- and medium-sized enterprises are able to build anechoic chambers with a small investment, adding value to their products through characterization and subsequent mitigation, conditioning or amplification, as necessary, of emitted sound or noise. This study also contributes to the development and appropriation of knowledge in acoustics, a branch of physics of emerging importance in developing countries.En este trabajo se presenta el diseño, construcción y evaluación de una cámara anecoica de bajo costo usando materiales provistos por el mercado local; tales como: espuma de poliuretano, tubos de acero, fibra de vidrio, placas de fibrocemento, placas de madera aglomerada, etc. La cámara posee dimensiones de trabajo de 1,94 m de largo x 1,91 m de ancho x 1,84 m de alto y frecuencia de corte nominal de 400 Hz, a partir de la cual la cámara recrea condiciones de espacio al aire libre en cuanto a ondas sonoras se refiere. Pudo constatarse que la cámara cumple con la desviación máxima permitida de la ley del inverso cuadrado según la norma ISO 3745. El desarrollo de este tipo de proyectos es de vital importancia para la evolución tecnológica de países emergentes, ya que estimula la actividad de los investigadores y da posibilidades a la industria local para el desarrollo de procesos y productos en temas relacionados con la Acústica, temática poco desarrollada en países en vía de desarrollo

Particle-Size Effect in Airborne Standing-Wave Acoustic Levitation: Trapping Particles at Pressure Antinodes

It is well known that a particle put into an ultrasonic standing wave tends to move towards an equilibrium position, where the acoustic pressure-induced force on its surface compensates the particle weight. We demonstrate, by means of a full three-dimensional numerical analysis and a thorough experimental study, that the acoustic force, and thus the particle’s behavior, critically depends on its size. While particles within certain size ranges, including those smaller than half the wavelength, are trapped on axis around the pressure nodes, particles in other size ranges are trapped off axis nearby the pressure antinodes. This behavior, related with sign inversions of the radiation force, implies that the magnitude of the force, and thus the trapping stiffness, can be maximum or null for some specific sizes. As a case of study, we analyze expanded polystyrene particles levitated in air with an ultrasonic frequency of 40 kHz, a relevant system due to recent applications for the development of volumetric displays. Yet, our results illustrate a general behavior of radiation-based traps with structured wave fields

Transductores basados en ferroelectretos para aplicaciones ultrasónicas en aire

Los polímeros de estructura celular e internamente cargados de manera cuasi permanente, constituyen una nueva clase de materiales con propiedades electromecánicas interesantes. Gracias a que su respuesta piezoeléctricas guarda semejanza con la que exhiben los materiales ferroeléctricos, se ha acuñado para ellos el término ferroelectretos. Su reciente aparición y sus características físicas inusuales abren nuevas alternativas en el diseño de transductores ultrasónicos, haciendo necesario cuanti car su potencial real en diversidad de usos, entre los que se cuentan las aplicaciones ultrasónicas que utilizan el aire como medio de propagación.Los ferroelectretos poseen varias caracteíssticas prometedoras para la construcción de transductores ultrasónicos. Su alta sensibilidad expresada en términos del coe ciente piezoeléctrico d33, su amplio rango de frecuencia utilizable entre 30 kHz y 2 MHz, su baja impedancia acústica ( 0.03 MRayls) y su incomparable exibilidad mecánica, les hacen especialmente atractivos para fabricar transductores ultrasónicos de excelentes prestaciones en aplicaciones en aire. Además de lo anterior, cabe resaltar que los ferroelectretos son una tecnología de fácil uso y manipulación, así como de bajo coste. El único material ferroelectreto disponible comercialmente en el momento actual es la película electromecánica Em tTM. Por esta razón los resultados mostrados en este trabajo están basados en transductores fabricados con esta película. A la fecha se han desarrollado películas con prestaciones superiores en cuanto a sensibilidad y se espera que en el futuro cercano estén también disponibles en el mercado. No obstante, utilizando la película Em t, ha sido posible demostrar el potencial y la versatilidad de los ferroelectretos en aplicaciones ultrasónicas en aire.Este trabajo de tesis está dividido en cinco capítulos autocontenidos. Inicialmente se describe el estado actual de desarrollo de la tecnología, indicando sus ventajas y limitaciones, así como su potencial en aplicaciones ultrasónicas en aire (US-A). De igual manera, se presenta un estado del arte de las diferentes tecnologías utilizadas en US-A con el n de enmarcar a los ferroelectretos dentro del panorama actual constituido por las cerámicas piezoeléctricas, los piezocompuestos, los dispositivos electrostáticos y los polímeros piezoeléctricos como el PVDF. En el capítulo dos, se presenta la caracterización de la película Em t como material base para el desarrollo de transductores. Utilizando medidas obtenidas por interferometría láser, se presenta la caracterización y el análisis vibro-acústico de dispositivos de geometría plana, tanto de capa simple como multicapa. Igualmente, se demuestra que, a pesar de la no homogeneidad de la película Em t y de su patrón vibratorio, la respuesta dinámica de dispositivos de capa múltiple puede ser estimada utilizando un modelo electromecánico acoplado y de parámetros concentrados; el cual es identi cado utilizando la respuesta de transductores previamente caracterizados. Dicho modelo, que incluye el efecto del adhesivo usado en la jación de la película a un substrato, permite predecir adecuadamente las frecuencias de resonancia de transductores multicapa, lo cual resulta de gran utilidad al diseñar los transductores. El capítulo tres introduce un nuevo concepto en el diseño de transductores ultrasónicos. Gracias a la gran exibilidad mecánica de la película Em t, a su modo de vibración tipo pistón y sensibilidad inalterables por la geometría curvada del substrato, resulta posible concebir lo que en este trabajo se ha denominado transductores ultrasónicos de super cie desarrollable. A lo largo del capítulo se presenta una comparaci ón teórico-experimental de la respuesta acústica de transductores novedosos fabricados con Em t, sobre substratos cilíndricos, cuasiesféricos y helicoidales, para generar, entre otras posibilidades, patrones de radiación panorámicos, omnidireccionales y vórtices acústicos. Posteriormente, en el cuarto capítulo se presenta un nuevo proceso, económico y con able, para la fabricación de arrays de transductores con ferroelectretos, el cual reduce considerablemente la instrumentación requerida para la conformación del multitransductor. Arrays lineales fabricados con la metodología propuesta son caracterizados y sus respuestas son contrastadas con simulaciones teóricas de campo acústico. De igual manera se reporta el potencial de utilización de multitransductores en sistemas con arreglo en fase (phased arrays). En este sentido, resultados pioneros son presentados en la inspección de defectos en materiales textiles. Finalmente, el último capítulo condensa los resultados más relevantes de nuestra investigación con ferroelectretos para aplicaciones ultrasónicas en aire, resaltando las aportaciones originales de la siguiente tesis. A su vez se presentan posibles vías para extender en el futuro el trabajo documentado.Peer reviewe

Implementación de la técnica de la transmisión ultrasónica para la caracterización de compuestos laminados reforzados con fibras

Los compuestos laminados son usados en aplicaciones donde una alta relación resistencia/peso es requerida. Las industrias aeronáutica, naval y automotriz usan estos materiales para reducir el peso de sus vehículos y ahorrar combustible. Sin embargo, los materiales compuestos laminados son anisotrópicos y sus propiedades varían ampliamente debido a procesos de manufactura no estandarizados. La caracterización elástica de estos materiales usando ensayos mecánicos no es fácil, por lo general las pruebas son destructivas y, en la mayoría de los casos, no es posible obtener todas las constantes elásticas. Por tanto, técnicas de caracterización alternativas son requeridas para asegurar la calidad de las piezas fabricadas y el estudio de nuevos materiales. En este trabajo se reporta la implementación de la técnica de la transmisión ultrasónica y la caracterización de algunos materiales de ingeniería. Muestras de materiales isotrópicos y compuestos laminados de fibra de carbono y vidrio en matriz polimérica fueron caracterizados por ultrasonido y ensayos mecánicos. Se reporta una metodología alternativa para el cálculo de los atrasosLaminated composites are widely used in applications when a high strength-to-weight ratio is required. Aeronautic, naval and automotive industries use these materials to reduce the weight of the vehicles and, consequently, fuel consumption. However, the fiber-reinforced laminated materials are anisotropic and the elastic properties can vary widely due to non-standardized manufacturing processes. The elastic characterization using mechanical tests is not easy, destructive and, in most cases, not all the elastic constants can be obtained. Therefore, alternative techniques are required to assure the quality of the mechanical parts and the evaluation of new materials. In this work, the implementation of the ultrasonic through-transmission technique and the characterization of some engineering materials is reported. Isotropic materials and laminated composites of carbon fiber and glass fiber in a polymer matrix were characterized by ultrasound and mechanical tests. An improved methodology for the transit time delay calculation is reporte

Low-cost and easily implemented anechoic acoustic chambers.

In this paper, the design, construction and verification of a low-cost and easy-to-install anechoic chamber are described. The chamber is constructed with affordable, local materials. The quality, according to the deviation from the inverse square law, complies with ISO 3745. The working dimensions of the chamber are 1.94 m long x 1.91 m wide x 1.84 m high. The nominal cutoff frequency is 400 Hz. The cost per square meter of the effective finished volume is 200 USD. With this design, small- and medium-sized enterprises are able to build anechoic chambers with a small investment, adding value to their products through characterization and subsequent mitigation, conditioning or amplification, as necessary, of emitted sound or noise. This study also contributes to the development and appropriation of knowledge in acoustics, a branch of physics of emerging importance in developing countries.En este trabajo se presenta el diseño, construcción y evaluación de una cámara anecoica de bajo costo usando materiales provistos por el mercado local; tales como: espuma de poliuretano, tubos de acero, fibra de vidrio, placas de fibrocemento, placas de madera aglomerada, etc. La cámara posee dimensiones de trabajo de 1,94 m de largo x 1,91 m de ancho x 1,84 m de alto y frecuencia de corte nominal de 400 Hz, a partir de la cual la cámara recrea condiciones de espacio al aire libre en cuanto a ondas sonoras se refiere. Pudo constatarse que la cámara cumple con la desviación máxima permitida de la ley del inverso cuadrado según la norma ISO 3745. El desarrollo de este tipo de proyectos es de vital importancia para la evolución tecnológica de países emergentes, ya que estimula la actividad de los investigadores y da posibilidades a la industria local para el desarrollo de procesos y productos en temas relacionados con la Acústica, temática poco desarrollada en países en vía de desarrollo

Characterization of phased array-steered acoustic vortex beams

Acoustic vortex (AV) beams generation is a subject of current interest. Even though different applications have been proposed using AV, their potential of use is still to be explored. Recent research works on particle manipulation use phased array systems for AV generation because it allows a flexible beam configuration, i.e., the beam can be easily focalized and modified in its shape. However, little attention has been paid to the fact that the AV can also be electronically steered. In view of this, this work presents an study of the steering capability of an AV. In particular, we analyze the effect of the applied delay law on the structure of AV beams steered at different angles using an array transducer of 32 equidistant elements, deployed on a triangular lattice, operating at 40 kHz. Special attention is paid to the appearance of grating vortices and their characteristics. The effect of the individual element directivity on the resultant beam is also studied. Experimental measurements were carried out in order to validate numerical estimations. Obtained results paves the way for the use of electronically steered vortices in different applications. Also, the potential of use of acoustic grating vortices is discusse

Ultrasonic determination of the elastic constants of epoxy-natural fiber composites

This paper shows the applications ultrasonic through–transmission technique to determine the elastic constants of two polymer-natural fiber composite materials with potential industrial application and economic and environmental advantages. The transversely isotropic coconut-epoxy and fique-epoxy samples were analyzed using an experimental setup which allows the sample to be rotated with respect to transducers faces and measures the time-of-flight at different angles of incidence. Then, the elastic properties of the material were obtained by fitting the experimental data to the Christoffel equation. Results show a good agreement between the measured elastic constants and the values predicted by an analytical model. The velocities as a function of the incidence angle are reported and the effect of the natural fiber on the stiffness of the composite is discusse