Sensor distribuido de imágenes acústicas

El tema "Imágenes acústicas mediante sensores distribuidos" se refiere a la detección de daños y la obtención de imágenes en entornos reverberantes y complejos. Una de las ideas clave es explotar las señales acústicas en toda su complejidad, para extraer la máxima información de un número limitado de sensores. Las codas ultrasónicas, en particular, procedentes de trayectorias de propagación múltiples e intercaladas en las estructuras ofrecen nuevas perspectivas. En particular, la posibilidad de utilizar fuentes acústicas naturales (también denominadas fuentes "ambientales", o "fuentes de oportunidad") en lugar de la emisión de ondas ultrasónicas clásicamente utilizadas en las técnicas tradicionales de ensayos no destructivos, abre el camino a conjuntos de sensores ultrasónicos pasivos (sólo receptores), por tanto de bajo consumo y potencialmente autónomos y poco intrusivos.

Desarrolladas históricamente en aplicaciones geofísicas o de acústica submarina, estas técnicas pasivas pueden aportar aquí una serie de ventajas como :

• bajo consumo de energía (sin emisión de ultrasonidos).
• Fácil despliegue e instalación.
• Electrónica de a bordo limitada (sólo circuitos del receptor, no del transceptor)..

Así pues, el desarrollo de una red de sensores distribuida e inalámbrica autónoma para la detección de daños y la obtención de imágenes basada en la correlación del campo acústico ambiental podría resultar un reto realista.

Una de las principales aplicaciones previstas es, por supuesto, la monitorización integral de la salud de estructuras que, por sus condiciones de uso, serían sede de la propagación de ondas acústicas a frecuencias compatibles con la aplicación. Un ejemplo bien conocido es el de las estructuras aeronáuticas durante el vuelo, en las que dicho campo acústico es creado por los motores turborreactores y los fenómenos aeroacústicos locales, pero también las estructuras e infraestructuras vinculadas a otros modos de transporte (especialmente los ferrocarriles, para los que los campos acústicos ambientales son creados, por ejemplo, por el contacto rueda-carril).

La ambición aquí es cubrir toda la problemática, desde la investigación previa sobre los principios físicos asociados al principio de imagen hasta la implementación de la red de sensores basada en estos principios, con la consideración de las restricciones operativas (estrategia de comunicación entre sensores, alimentación autónoma por recuperación de energía, comunicación inalámbrica...)

Se han obtenido una serie de resultados importantes sobre el uso de fuentes acústicas no sincronizadas (y, por tanto, posiblemente naturales o "ambientales") para la caracterización y obtención de imágenes de estructuras tipo placa:

• Estimación de los parámetros estructurales de un medio reverberante a partir de la extracción de las propiedades estadísticas de las funciones de Green.
• Primera imagen de detección de daños locales y tomografía de fallas extendidas (corrosión) por métodos pasivos, y cuantificación del papel de la reverberación en la calidad de la reconstrucción pasiva..

Figura 1: Ejemplo de localización pasiva de fallos a partir del ruido de fricción

• Desarrollo y validación de un método original de caracterización de un dispersor (falla local), basado en el procesamiento de codas de reverberación medidas en sensores distribuidos arbitrariamente..

Figura 2: Comparación entre la sección efectiva estimada experimentalmente (puntos azules) y el valor teórico (curva roja) en función de la frecuencia, para un agujero de diámetro 10,5 mm

• Desarrollo y demostración de un principio de conversión acústica no lineal que permite obtener imágenes de daños pasivos a partir de vibraciones ambientales de baja frecuencia..

Figura 3: Conversión LF-US mediante resonadores de contacto por frotamiento

Este trabajo se ha llevado a cabo en particular en el contexto de los siguientes proyectos y colaboraciones:

• Proyecto blanco PASNI de la RAN (2012-2016), dirigido por el IEMN/TPIA, socios: Instituto Langevin de París, LaMCoS de Lyon..
• Colaboración con el CEA (tesis conjuntas) y la Universidad de Roma la Sapienza (publicaciones conjuntas)..

Los resultados obtenidos hasta la fecha se han obtenido en condiciones de laboratorio. Los trabajos futuros se centrarán en particular en el problema de la aplicación de las técnicas desarrolladas en condiciones reales. En particular, la explotación de las propiedades no lineales del daño podría permitir una mayor robustez en la detección. Esta es la base del proyecto ANR PANSCAN, iniciado a finales de 2018 (líder IEMN, socios Institut Langevin, LaMCoS, apoyo AIRBUS).

Además, la fertilización cruzada de las competencias desarrolladas en la REM sugiere el potencial de este tema para federar actividades transversales, con el fin de conducir a soluciones realistas y convincentes, especialmente en el contexto de las aplicaciones relacionadas con el transporte.

Instituto Langevin, LaMCoS, Universidad de Roma la Sapienza, CEA, Airbus.
Internos del IEMN: Grupos COMNUM, AIMAN.