Procesamiento de señales acústicas aplicado al monitoreo de procesos

Abstract

Esta tesis consiste en revisar el estado del arte de algunas técnicas de procesamiento de señales acústicas de posible aplicación al monitoreo de procesos industriales, replicando y desarrollando algoritmos para llevarlas a cabo. Se organiza en una primera parte conceptual, con el objetivo de facilitar la lectura de la tesis y una segunda parte experimental, en la cual describo mi implementación de distintas técnicas. No es el objetivo de la tesis profundizar sobre cuestiones básicas de la propagación de ondas, sino en el procesamiento de señales. En la primera parte, describo conceptos básicos de ondas acústicas y las características de las mismas en función del medio en que se propagan. Toda la información presentada en esta parte del trabajo, tiene el objetivo de facilitar el entendimiento de la segunda parte de la tesis. Presento teoría básica de procesamiento de señales, como la transformada de Fourier, las funciones generalizadas, el concepto de muestreo y características descriptivas de las señales. Trato conceptos como el de sistema, el diagrama de Bode y la relación señal a ruido, que puede mejorarse mediante promediado. El uso de filtros permite también eliminar frecuencias que contienen principalmente ruido. Presento las ventanas temporales rectangulares y de Hanning y el concepto de interpolación, tanto en tiempo como en frecuencia, explicando las hipótesis necesarias. Introduzco la función de correlación entre dos señales, que sirve para comparar la similitud de su forma y hago una revisión bibliográfica sobre la aplicación del ultrasonido de baja potencia en la industria, principalmente la alimentaria. También presento dos técnicas más avanzadas de procesamiento de señales.Una de ellas es la transformada deHilbert, de particular utilidad en el cálculo numérico. La otra es la inversión temporal, que permite focalizar energía en un instante dado en una región del espacio, de la cual probé una técnica experimentalmente, buscando optimizar parámetros de adquisición. En la parte conceptual presento también técnicas experimentales y equipos utilizados. Describo algunos transductores de ultrasonido y la forma de utilizarlos, en particular los modos de trabajo en transmisión o pulso-eco, explicando factores físicos que pueden afectar la amplitud de la señal. Doy ejemplos de caracterización de equipos: relevamiento de campo acústico, de la respuesta frecuencial de amplificadores y de estabilidad de la energía entregada por un pulsador. Explico el procedimiento para comprobar que los amplificadores estén funcionando en zona lineal y las técnicas de medida de atenuación y de tiempo de vuelo, las que desarrollo con experimentos en los capítulos correspondientes. Detallo el método de Arquímedes para medida de densidad, que utilizo en el experimento de medida de tiempo de vuelo.