Development of a low-frequency piezo-ceramic transducer optimized for the generation of a plane fundamental shear horizontal guided wave

Boivin, Guillaume (2016). Development of a low-frequency piezo-ceramic transducer optimized for the generation of a plane fundamental shear horizontal guided wave. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Structural health monitoring (SHM) consists of continuously assessing structural integrity using integrated testing systems. One well-known method to achieve such a goal is ultrasonic testing. This technique has considerably evolved through non-destructive testing (NDT) by the use of, initially bulk ultrasonic waves and, subsequently, guided ultrasonic waves. One of the main challenges that emerges from the use of ultrasonic testing for SHM applications is to minimize the overall footprint of the specifically designed transducers. Another important challenge, either for NDT or SHM applications, is the requirement for complex signal processing due to the multimodal and dispersive nature of the guided waves. One simple and extensively used method to avoid the former case is to use frequencies under the first cut-off frequency to avoid high-order modes. A second complementary method to avoid the latter case is to use the fundamental shear horizontal (SH) guided wave mode (SH0), which is the only non-dispersive guided wave mode propagating in a thin plate.

This masters thesis focuses on the development of a method to design a piezo-ceramic ultrasonic transducer optimized for the generation of the SH0 mode and the minimization of both fundamental Lamb modes (A0 and S0). The proposed methodology consists of first choosing the proper piezoelectric material based on the best suited vibrational mode, which is PZT-5H in thickness-shear mode respectively. The second step is to optimize two geometrical parameters, the width and the length of the rectangular active element. Both parameters have a direct influence on the relative amplitude of the three generated modes as well as the aperture and the number of generated mode directivity lobes. Based on these criteria, four combinations have proven to be of sufficient interest, and their behaviour was validated using an analytical wave propagation simulation. Such modeling was used because the required three-dimensional (3D) finite-element (FE) simulations are very computationally intensive when it comes to wave propagation. The results and analytical model accuracy were then validated using Abaqus finite element software. The final optimal geometry and frequency combination, 25.4 mm long, 3.7 mm wide, and 1 mm thick, centered at 425 kHz, was finally experimentally validated using a laser Doppler vibrometer system to obtain the resulting complete 3D wave field. The results show that it is possible to generate a plane SH0 wave at a relative amplitude of at least 16.4 dB above both fundamental Lamb modes in any direction, and of 23.0 dB within an aperture of 20 degrees.

Titre traduit

Développement d'un transducteur ultrasonore piézocéramique basse fréquence pour la génération d'ondes guidées suivant le mode de cisaillement horizontale fondamental

Résumé traduit

La surveillance de l’état des structures (SES) consiste à évaluer l’intégrité de structures de manière continue à l’aide de systèmes intégrés. Les inspections ultrasonores sont une des méthodes fréquemment utilisées afin de réaliser une telle tâche. Cette méthode a considérablement évolué grâce au domaine du contrôle non destructif (CND) par l’utilisation des ondes de volume, dans un premier temps, et ensuite par celle des ondes guidées. Un important défi émanant de l’utilisation des ondes ultrasonores en SES est la minimisation de l’impact des transducteurs utilisés sur les structures interrogées. Un second défi de taille, que ce soit en SES ou en CND, est le traitement de signal complexe requis par la nature multimodale et dispersive des ondes guidées. Une solution simple et massivement adoptée pour contrer cette dernière difficulté est l’utilisation de fréquences se situant sous la première fréquence de coupure, évitant ainsi les modes d’ordre supérieur. Une solution complémentaire consiste en l’utilisation du mode de cisaillement horizontal fondamental (SH0), le seul mode d’onde ultrasonore guidée n’étant pas dispersif dans une plaque mince.

Ce mémoire de maîtrise s’intéresse au développement d’une méthode de conception d’un transducteur ultrasonore piézo-céramique optimisé pour la génération de l’onde SH0 et la minimisation des modes de Lamb fondamentaux (A0 et S0). La première étape de la méthodologie proposée consiste à sélectionner le matériau ainsi que le mode vibratoire les plus appropriés; incidemment, le PZT-5H et le cisaillement dans l’épaisseur. La seconde étape consiste en l’optimisation de deux paramètres géométriques : la longueur et la largeur de l’élément actif rectangulaire. Ceux-ci ont une incidence directe sur l’amplitude des trois modes fondamentaux générés ainsi que sur l’ouverture et le nombre de lobes de directivités de ceux-ci. La géométrie a donc été déterminée conjointement avec la fréquence centrale désirée du transducteur afin de satisfaire au mieux les deux critères de performance préalablement établis. Quatre combinaisons, jugées ainsi satisfaisantes, ont été déterminées et leur comportement a été validé, dans un premier temps, grâce à une simulation analytique de propagation d’onde cylindrique. Un modèle analytique a initialement été utilisé puisqu’une modélisation par élément fini en trois dimensions, nécessaire pour ce type d’application, requiert une puissance de calcul significative. Ces résultats ont par la suite été validés par simulation par éléments finis en trois dimensions sur le logiciel commercial Abaqus. La combinaison des paramètres finaux: longueur de 25.4 mm, largeur de 3.7 mm et fréquence centrale de 425 kHz, ont, en dernier lieu, été expérimentalement validés au moyen d’un vibromètre laser 3D. À la lumière des résultats, il s’avère possible de générer une onde SH0 dont l’amplitude est supérieure d’au moins 16.4 dB par rapport à celle des modes fondamentaux de Lamb dans toutes les directions. Cette sélectivité grimpe à 23.0 dB sur une ouverture de 20 degrés autour de la direction de propagation de l’onde SH0.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the requirements for master of applied science in mechanical engineering". Bibliographie : pages 61-64.
Mots-clés libres:	Transducteurs ultrasonores Conception et construction. Transducteurs piézoélectriques Conception et construction. Céramique piézoélectrique. Surveillance de l'état des structures. Essais par ultrasons. Ondes de cisaillement. Ultrasons Modèles mathématiques. bas, fundamental, fréquence, guide, horizontal, ondes guidées, mode fondamental de cisaillement horizontale, piézo-céramique
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Bélanger, Pierre
Codirecteur:	Codirecteur Viens, Martin
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt:	06 sept. 2017 20:01
Dernière modification:	16 janv. 2018 18:34
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1745

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