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Frequency-Modulated and Single-Tone Excitation to Reveal Vibro-Acoustic Nonlinearities in Loosened Bolted Joints

Este artículo propone un método vibroacústico que utiliza excitaciones de tono único y moduladas en frecuencia cerca de la frecuencia natural de una estructura para detectar el aflojamiento de pernos en sistemas de vehículos ferroviarios mediante el análisis de la aparición de picos espectrales de alta frecuencia y de las relaciones de potencia de bandas armónicas que distinguen entre diversas condiciones de precarga.

Autores originales: Berkay Kullukcu, Robin Pianowski, Dina Hannebauer

Publicado 2026-05-29

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CC BY 4.0

Autores originales: Berkay Kullukcu, Robin Pianowski, Dina Hannebauer

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

La Gran Imagen: El Problema del "Tornillo Flojo"

Imagina que un tren es una estructura gigante y compleja de Lego, unida por miles de tornillos (pernos). Para que el tren sea seguro y silencioso, estos tornillos deben estar apretados justo lo necesario. Si un tornillo se afloja incluso un poco, las piezas que sostiene dejan de actuar como un bloque sólido y comienzan a comportarse como un cascabel.

Cuando un perno está apretado, la conexión es rígida y silenciosa. Cuando está flojo, las piezas metálicas se frotan entre sí, resbalan y hacen ruido. Esto genera ruido adicional y debilita la estructura. El problema es que en un tren real, no puedes desenroscar fácilmente cada tornillo para verificar si está apretado, ni puedes colocar un sensor especial dentro de cada tornillo individual.

La Solución: "Sacudir" el Tren para Escuchar

Los investigadores de la Universidad Técnica de Wildau idearon una forma ingeniosa de verificar los tornillos flojos sin desmontar nada. Trataron la parte del tren como si fuera un instrumento musical.

La Configuración:

El Vibrador: Utilizaron un brazo mecánico (un vibrador) para hacer vibrar suavemente la estructura metálica, algo así como golpear una copa de vino para escuchar si tiene una grieta.
Los Oídos: Fijaron un sensor de vibración (acelerómetro) al metal y colocaron un micrófono cerca para escuchar el sonido.
El Sujeto de Prueba: Construyeron un modelo metálico de una parte del tren y lo probaron con un perno específico apretado a cuatro niveles diferentes: completamente flojo (0%), ligeramente apretado, apretado medio y muy apretado (80%).

El Experimento: Dos Maneras de "Cantar"

Los investigadores probaron dos métodos diferentes para hacer vibrar el metal y observar cómo reaccionaba el perno flojo.

1. La Nota Única (Tono Único)
Hicieron vibrar el metal a una frecuencia específica: 130 Hz (un zumbido grave).

El Perno Aprieto: Cuando el perno estaba apretado, el metal zumbaba limpiamente en esa única nota.
El Perno Flojo: Cuando el perno estaba flojo, el metal comenzó a "cantar" notas altas adicionales que no deberían estar allí. Es como si tararearas una sola nota, pero tus dientes flojos comenzaran a castañear, creando una serie de chirridos y ruidos agudos sobre tu voz. Los investigadores descubrieron que estas "notas extra" (picos de alta frecuencia) eran una señal clara de que el perno estaba flojo.

2. El Silbato Deslizante (Modulación de Frecuencia)
En lugar de una nota fija, hicieron que la vibración se deslizara hacia adelante y hacia atrás entre 125 Hz y 135 Hz, como un silbato deslizante o una sirena.

¿Por qué hacer esto? Una conexión floja es complicada; podría comenzar a hacer ruido solo en un momento muy específico. Al deslizar la frecuencia hacia arriba y hacia abajo, aseguraron de dar con el "punto dulce" donde el perno flojo comenzaría a actuar.
El Resultado: Este método fue aún mejor para detectar la diferencia. midieron el "volumen" de la nota principal en comparación con el "volumen" de las notas altas adicionales (armónicos).
- Para un perno flojo, las notas altas adicionales eran muy fuertes en comparación con la nota principal.
- Para un perno apretado, las notas altas adicionales eran casi silenciosas.
- La diferencia fue enorme: hasta 36.5 decibelios (que es una diferencia masiva en volumen) entre los estados flojo y apretado.

El "Por Qué": La Fricción es el Culpable

¿Por qué un perno flojo produce estos ruidos adicionales?
Piensa en un perno apretado como dos piezas de madera pegadas. Cuando las sacudes, se mueven como una sola.
Piensa en un perno flojo como dos piezas de madera simplemente apoyadas una sobre la otra. Cuando las sacudes, se pegan durante una fracción de segundo, luego resbalan, y luego se pegan de nuevo. Esta acción de "pegar-resbalar" es caótica. Actúa como un mezclador no lineal, tomando la vibración baja y suave y transformándola en un ruido desordenado y agudo.

Lo Que Encontraron

Los pernos flojos crean "contaminación acústica" en la vibración: Transforman una vibración limpia y única en una mezcla desordenada de chirridos de alta frecuencia.
Deslizar la frecuencia ayuda: Mover la vibración ligeramente hacia arriba y hacia abajo (FM) hace que estos chirridos desordenados sean más fáciles de escuchar y medir que simplemente mantener una nota fija.
Funciona sin sensores internos: No necesitas colocar un sensor dentro del perno. Solo sacudir el exterior y escuchar con un micrófono es suficiente para decir si el perno está flojo.

La Conclusión

Este artículo demuestra que puedes detectar un perno flojo en un tren (o una estructura similar) simplemente sacudiéndolo y escuchando el sonido. Si la estructura comienza a hacer ruidos extraños y agudos cuando la sacudes a una frecuencia baja específica, es probable que el perno esté flojo. Es una forma sencilla y no invasiva de mantener los trenes seguros y silenciosos.

Resumen Técnico: Excitación Modulada en Frecuencia y de Tono Único para Revelar No Linealidades Vibroacústicas en Uniones Atornilladas Aflojadas

Planteamiento del Problema
Las uniones atornilladas son críticas en las estructuras de vehículos ferroviarios, dependiendo de la precarga (fuerza de sujeción) para mantener el contacto friccional y la rigidez. La pérdida de precarga conduce al aflojamiento de la unión, provocando una transición de un estado rígido y lineal a un estado blando y no lineal caracterizado por microdeslizamientos, crujidos y amortiguamiento impredecible. Esta degradación aumenta el ruido estructural, altera la transferencia de vibración y plantea riesgos de seguridad. Aunque normas como la DIN 65151 y la ISO 16130 cuantifican la decadencia de la fuerza de sujeción bajo movimiento transversal controlado, a menudo requieren acceso directo a la precarga o a la fuerza axial, lo cual es poco práctico para vehículos en servicio. Las técnicas de monitoreo existentes frecuentemente fallan al combinar pruebas de excitación con vibrador controlado y la detección de características no lineales utilizando sensores mínimos y no invasivos.

Metodología
El estudio emplea un demostrador inspirado en vehículos ferroviarios, compuesto por vigas en voladizo y bloques metálicos conectados mediante pernos. La configuración experimental utiliza un vibrador mecánico (TMS K2007E01) para la excitación, un acelerómetro triaxial (PCB 356A01) para el monitoreo de la respuesta estructural y un micrófono posicionado a 300 mm del perno de prueba para la detección acústica.

La metodología implica los siguientes pasos:

Condiciones de Precarga: Un perno de prueba específico (S2) se somete a cuatro estados de precarga: 0% (0 Nm, suelto), 20% (12.5 Nm), 40% (25 Nm) y 80% (50 Nm). Los demás pernos de conexión permanecen fijos con una precarga del 80%.
Identificación Modal: Se aplican excitaciones de barrido sinusoidal (1–5000 Hz) y ruido blanco de banda estrecha (100–350 Hz) para identificar la frecuencia natural dominante del sistema, determinada en aproximadamente 130 Hz.
Estrategias de Excitación:
- Excitación de Tono Único: Se aplica una señal sinusoidal de 130 Hz.
- Excitación Modulada en Frecuencia (FM): Se generan señales utilizando la ecuación $x(t) = A \sin (2\pi f_c t + \beta \sin (2\pi f_m t))$ , donde la frecuencia portadora $f_c$ es de 130 Hz y la frecuencia se modula entre 125 Hz y 135 Hz. Se prueban frecuencias de modulación ( $f_m$ ) de 1, 2, 5, 10 y 20 Hz.
Análisis de Datos: Se analiza la Densidad Espectral de Potencia (PSD) para identificar picos espectrales adicionales y generación de armónicos. Se calcula una relación de potencia de banda armónica ( $R_l$ ) para cuantificar la diferencia entre la potencia de la portadora (cerca de 130 Hz) y la potencia de la banda del $l$ -ésimo armónico:
$R_l = 10 \log_{10} \left( \frac{P_{out}(130 \text{ Hz})}{P_{out}(l)} \right)$

Resultados Clave

Comportamiento Modal: El demostrador exhibe una resonancia clara en 130 ± 2 Hz.
Respuesta de Tono Único: Bajo excitación de tono único de 130 Hz, el estado suelto (0% de precarga) genera picos espectrales adicionales distintos de alta frecuencia (por ejemplo, en 1599.5 Hz, 3314.8 Hz, 3919.0 Hz, 5698.9 Hz y 8451.1 Hz) que están ausentes o son significativamente más débiles en el estado apretado (80% de precarga). Estos picos se atribuyen a la transferencia de energía no lineal mediante microdeslizamientos friccionales y contacto intermitente.
Excitación FM y Relaciones de Potencia: La excitación FM entre 125 y 135 Hz distingue aún más entre los estados de precarga. Las relaciones de potencia de banda armónica ( $R_l$ $R_{l}$ ) muestran una separación clara entre el estado suelto y el estado de precarga al 80%.
- Para el segundo armónico ( $l=2$ ), la diferencia entre el estado suelto y el estado de precarga al 80% es de 17.5 dB.
- Para el sexto armónico ( $l=6$ ), la diferencia aumenta a 36.5 dB.
- Los datos de la Tabla 1 indican que a medida que aumenta la precarga, los valores de la relación de potencia se vuelven más negativos (indicando una potencia armónica menor en relación con la portadora), mostrando el estado suelto el contenido armónico relativo más alto.

Significado y Afirmaciones
El artículo propone un método de prueba de concepto para detectar el aflojamiento de pernos utilizando un conjunto mínimo de sensores (vibrador, acelerómetro, micrófono) sin requerir medición directa de la precarga. Los autores afirman que:

Indicadores No Lineales: La presencia de picos espectrales adicionales de alta frecuencia y la magnitud de las relaciones de potencia de banda armónica sirven como indicadores fiables de la holgura de la unión, impulsados por la transición del contacto de adherencia a deslizamiento.
Ventaja de la FM: La excitación modulada en frecuencia ofrece ventajas sobre la excitación de tono único al barrer a través de la región de resonancia (125–135 Hz), lo que mejora la captura de desplazamientos de resonancia y cambios de ancho de banda causados por condiciones de contorno variables. Además, la naturaleza variable en el tiempo de la excitación FM mejora la visibilidad de los efectos de transferencia no lineal y las bandas laterales.
Aplicación Práctica: El método busca identificar indicadores fiables en señales de vibración y sonido que puedan obtenerse con una modificación mínima de los componentes, abordando la dificultad de instalar sensores en vehículos ferroviarios en servicio.

Limitaciones y Trabajo Futuro
Los autores declaran explícitamente que el método se encuentra actualmente en la etapa de "prueba de concepto". El estudio se limita a un solo perno, niveles discretos de torque y una geometría específica. Se identifica la necesidad de trabajo futuro para generalizar el método a diferentes geometrías, múltiples pernos y condiciones de montaje que repliquen mejor las estructuras reales de carrocería y techo de vehículos ferroviarios. Además, los autores señalan que, idealmente, las iteraciones futuras deberían incluir mediciones directas de precarga o fuerza de sujeción para validar el enfoque de detección indirecta.