Desenvolvimento de transdutor de modo SH0 omnidirecional utilizando arranjo de cerâmicas piezoelétricas

Abstract

A utilização de ondas guiadas em técnicas de monitoramento de integridade estrutural tem se mostrado uma alternativa interessante para economia de tempo e de custos de operação. Técnicas com ondas guiadas apresentam a característica de monitorar trechos extensos de uma estrutura a partir de um único ponto de acesso, permitindo a inspeção de partes remotas e de difícil acesso. Entre os modos fundamentais de propagação de ondas guiadas em chapas, o modo SH0 possui a vantagem de não ser dispersivo, além de sofrer menores atenuações ao se propagar em superfícies em contato com fluidos. Neste trabalho é proposto um modelo de transdutor do modo SH0 de forma omnidirecional em uma chapa de aço utilizando um arranjo com cerâmicas piezoelétricas, que permita inspecionar determinada área de um componente através de um único modo de propagação. Para caracterizar e compreender o comportamento da resposta obtida foram realizadas simulações numéricas parametrizando características do modelo proposto, como o número de elementos piezoelétricos e dimensões geométricas dos componentes do transdutor. Para validação dos resultados do modelo numérico foram construídos modelos experimentais do transdutor, os quais foram instalados sobre uma chapa de aço de 2mm de espessura para verificação dos modos de propagação emitidos. Avaliando a relação entre intensidades de cada modo emitido e a qualidade da emissão de SH0 foi possível identificar as frequências que apresentaram resposta com a característica desejada. Também foi verificado o comportamento dos transdutores construídos ao serem excitados por ondas propagando na chapa, avaliando a sua utilização também como receptores.

The use of guided waves in structural health monitoring techniques has already proved to be an interesting alternative to reduce inspection time and overall operational costs. Guided waves techniques enable monitoring large structures from one single access point, allowing the inspection of distant and hard access parts. Among the fundamental propagation modes of guided waves in plates, the SH0 mode has the advantage of being non dispersive, as well as being subject to less attenuation when propagating through surfaces in contact with fluids. In this work, it is proposed one omnidirectional SH0 mode transducer in a steel plate using a piezoelectric ceramic array, which allows inspecting a component area through a single propagation mode. Numeric simulations parameterizating features of the transducer, such as the number of piezoelectric elements and the geometric dimensions of the transducer’s components, were developed to characterize and investigate the effect on the output response. To validate the numeric simulation results, experimental models of the transducer were built, which were installed on a 2mm thick steel plate to verify the generated propagation modes. The analysis of the relation between the intensity of each mode generated in the plate and the emission quality of the SH0 mode allowed the identification of frequencies that presented the most desirable response characteristics. The behavior of the built transducers was also studied when they were excited by waves propagating through the plate, evaluating the use of the transducers as signal receptors.