Sélectivité modale d'ondes ultrasonores dans des guides d'ondes de section finie à l'aide d'éléments piézoélectriques intégrés pour le SHM
View/ Open
Publication date
2018Author(s)
Serey, Valentin
Subject
Ondes guidéesAbstract
Les systèmes SHM (Structural Health Monitoring) basés sur la propagation d'ondes ultrasonores guidées sont utilisés pour des structures de grandes dimensions, par exemple dans les secteurs de l'aéronautique ou du génie civil. Les ondes de Lamb ou SH sont généralement employées car elles se propagent sur de longues distances dans des structures planes tout en sondant l'épaisseur des pièces. Cependant, des modes moins conventionnels se propagent dans les guides d'ondes de section droite finie, tels que les barreaux, les rails ou les tuyaux. Le nombre de modes peut être très élevé dans ce type de guide, et il est important de bien sélectionner un mode particulier. Les méthodes actuelles de sélectivité modale, basées sur l'emploi de plusieurs émetteurs, considèrent habituellement des éléments PZT identiques (même sensibilité, même réponse en fréquence...) et ne prennent pas en compte les conditions réelles de montage et leurs éventuelles imperfections (couplage variable entre traducteurs, mauvais alignement, différence de réponse de l'électronique...). Ce travail présente une méthodologie générale pour la sélectivité modale dans des guides à section droite finie, à l'aide de plusieurs éléments piézoélectriques disposés à leur surface. Cette sélectivité est basée sur la mesure expérimentale préalable, à l'aide d'un vibromètre laser 3D, des amplitudes des modes générés par chaque élément excité individuellement. Une procédure d'optimisation permet d'inverser le problème afin de maximiser l'amplitude du mode désiré, alors obtenue en excitant simultanément tous les émetteurs. Le problème à inverser requiert la connaissance des courbes de dispersion ainsi que des déformées modales des modes, obtenues en utilisant la méthode SAFE 2D. La méthodologie est testée à travers des simulations numériques et des mesures expérimentales sur un barreau d'aluminium de section rectangulaire instrumenté avec huit éléments PZT à sa surface. L'efficacité de la méthode pour générer différents modes purs, mais aussi pour détecter et localiser des défauts calibrés, est démontrée sur le barreau d'aluminium. Son fort potentiel pour des applications de SHM de structures plus complexes est étudié, tels qu'un rail ou un assemblage collé de matériaux composites. Abstract: SHM systems (Structural Health Monitoring) based on ultrasonic guided waves propagation
are used for large structures, e.g. in Aerospace or Civil Engineering. Lamb or SH waves are
usually employed as they propagate over long distances in plate-like structures while probing
the entire thickness. However less conventional modes propagate in waveguides with finite crosssection,
such as bars, rails or pipes. The number of modes can be very high even at low frequency
in this type of guide, and it is important to carefully select a specific mode. Current methods
for modal selectivity, based on the use of several emitters, usually consider identical PZT elements
(same sensitivity, same frequency response, etc.) and do not account for real experimental
conditions and possible differences (variable coupling between transducers, flawed alignment,
variable electronic response, etc.). This work presents a global methodology for modal selectivity
in waveguides with finite cross-section, using several piezoelectric elements attached to their
surface. This selectivity is based on experimental measurements, with a 3D laser vibrometer,
of the amplitudes of the modes generated by each emitter. An optimization process allows to
inverse the problem in order to maximize the amplitude of the desired mode, then generated
by exciting all the emitters at once. This process requires knowing dispersion curves as well as
the displacements of the various modes, calculated with SAFE 2D method. The methodology is
tested through numerical simulations and experiments on an aluminium rectangular bar instrumented
with 8 PZT elements on top. The method efficiency to generate different pure modes,
and to detect and locate calibrated defects, is demonstrated for the aluminium bar. Its potential
for SHM application of more complex structures is studied, like a rail or an adhesively bonded
composite structure.
Collection
- Moissonnage BAC [4698]
- Génie – Thèses [1002]
The following license files are associated with this document: