Study on material properties by laser ultrasonics

Los ensayos no destructivos involucran técnicas de análisis que permiten el estudio de materiales sin modificar sus propiedades y manteniendo sus características funcionales luego del ensayo. Estas técnicas se emplean tanto en el ámbito industrial como en el ámbito de la investigación. Existe gran interés en el desarrollo de este tipo de herramientas, ya que permiten el ahorro de costos y tiempos en la producción y evaluación de materiales y productos. En el método de ultrasonido láser un pulso de luz incide sobre la superficie del material bajo estudio y éste es parcialmente absorbido. A partir de este fenómeno se pueden producir diversos procesos (expansión térmica, evaporación y eyección de material, etc.) que generan una perturbación que se propaga en el medio, denominada ultrasonido. Para generar ondas de ultrasonido con un gran ancho de banda se utilizan pulsos cortos de láser de alta potencia. Las características del ultrasonido generado dependen de la forma y duración del pulso, de la extensión del área iluminada y de la potencia incidente. Si la potencia incidente es demasiado alta, puede producirse la ablación de la superficie. La ablación es en la mayoría de los casos algo que se desea evitar, ya que deteriora el material que se está estudiando. En los ensayos no destructivos se emplean potencias en el régimen denominado termoelástico, donde el material sólo se ve afectado por la expansión térmica y, por consiguiente, su estructura no resulta afectada. En la técnica de ultrasonido láser, las ondas de ultrasonido generadas en el material son detectadas sobre su superficie mediante métodos ópticos de interferometría. Esta técnica es de no contacto y por lo tanto es ideal para ensayar materiales en situaciones donde el acoplamiento de un sensor con la muestra puede ser riesgoso o puede degradar la exactitud de la medición. Una de las principales ventajas de la detección interferométrica es su gran ancho de banda, a diferencia del caso de sensores de contacto, como por ejemplo, los transductores piezoeléctricos. No obstante, la limitación más importante de este método de detección es su gran sensibilidad a las diferencias de camino óptico introducidas por el ambiente, ya sea por vibraciones, fluctuaciones térmicas, etc. En esta Tesis se desarrolla, en el marco de los ensayos no destructivos, una técnica de ultrasonido láser de características robustas. Esta técnica puede ser aplicable aún en entornos industriales, donde las técnicas interferométricas tradicionales suelen presentar serios problemas debido a la presencia de fuertes vibraciones. Por un lado, en este trabajo se exploran técnicas interferométricas de detección de ondas superficiales de ultrasonido en régimen termoelástico. Se proponen métodos de recuperación de fase que permiten obtener el desplazamiento medio de la superficie bajo análisis, aún en presencia de fluctuaciones en la longitud de camino óptico de varios órdenes de magnitud mayores a las generadas por el ultrasonido. Por otro lado, se estudia la capacidad de la técnica de ultrasonido láser propuesta para caracterizar diversos aspectos de la muestra bajo análisis, como son sus constantes elásticas y su espesor. También se generan defectos controlados en las muestras y se realiza la caracterización de su profundidad y localización a través del análisis, en tiempo y frecuencia, de las señales de ultrasonido. Para validar los resultados obtenidos experimentalmente se desarrolla un esquema numérico que simula el fenómeno termoelástico de generación de ultrasonido en materiales elásticos lineales, a partir de la incidencia de ondas electromagnéticas. Este método numérico permite modelar, también, la propagación de las ondas de ultrasonido en presencia de defectos en el material.Nondestructive testing involves analysis techniques that allow the study of materials without altering their properties and maintaining their functional characteristics after testing. This methods are employed both in industrial applications and science research. There is great interest in the development of these kind of tools, since they allow to save costs and time in the production and evaluation of materials and products. In the laser ultrasonics method, a light pulse impinges on the surface of the material under test and it is partially absorbed, after which, diverse mechanisms may occur (such as thermal expansion, vaporization and material ejection) generating a perturbation that propagates in the medium, called ultrasound. In order to produce high bandwidth ultrasound waves, a short high power laser pulse is employed. The ultrasound wavefront properties depend on the shape and temporal length of the pulse, as well as, on the extension of the illuminated area and the laser power. If the laser power is too high, ablation can occur. Ablation is usually undesirable since it deteriorates the material under study. Hence, in nondestructive testing, the laser power is kept within the thermoelastic regime where the material undergoes thermal expansion only. Thus, maintaining its structural health. In the laser ultrasonics technique, ultrasound detection is achieved on the sample surface by means of optical interferometric methods. Since this technique does not involve physical contact with the sample, it is ideal for performing material testing in situations where the coupling of the sensor and the sample is risky or may jeopardize the validity of the test. One of the main advantages of interferometric detection, in contrast to contact sensors such as piezoelectric transducers, is its high bandwidth. However, the major limitation of this method comes from its high sensitivity to optical path modifications introduced by vibrations, thermal fluctuations and other undesired environmental variations. In this Thesis we develop a nondestructive technique based in laser ultrasonics which presents robust properties. This technique can be satisfactorily employed in industrial environments, where traditional optical interferometric detection fails due to the presence of strong vibrations. On the one hand, we explore interferometric techniques to achieve detection of surface ultrasonic waves in thermoelastic regime. We propose phase retrieval methods which allow to recover the surface mean displacement successfully, even under situations in which the undesired fluctuations in the optical path length are several orders of magnitude higher than the optical path differences introduced by the ultrasound. On the other hand, we study the ability of the proposed laser ultrasonic technique to successfully characterize several properties of the sample under test, such as, elastic parameters and thickness. We also create controlled defects in aluminium samples and estimate experimentally its depth and position by means of time-frequency signal analysis techniques. In order to validate the experimental results, we also develop a numerical method that allows to simulate the thermoelastic ultrasound generation, in linear elastic materials, from incident electromagnetic waves. This method is also capable of modeling the ultrasound propagation under the presence of defects in the simulated sample.Fil:Alvarez, Natalia Clara. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina