Ultrasonic non-destructive testing of plate-like structures using piezoelectric array transducers

Abstract

This thesis presents the study and implementation of non-destructive testing techniques of platelike structures using piezoelectric array transducers and guided acoustic waves, associated with beamforming techniques and image compounding methods. Damage detection in structures using guided waves and arrays is a promising research area, especially in the aerospace and energy fields, where the use of plate-like structures demands thorough inspection due to the high safety levels of operation. Guided acoustic waves techniques can be used to inspect relatively large areas without the necessity of moving the transducers, in a non-destructive way. There are different propagation modes that can be coupled to the plate, and each mode is sensitive to specific types of defects, like notches, delamination and surface defects. Wave propagation, different propagation modes and dispersion characteristics, as well as arrays characteristics and imaging algorithms, are studied. MATLAB and PZFlex simulations are used to get further insight in the theoretical aspects, to obtain dispersion curves, interaction with defects and array response. Experimental results validate the simulations with isotropic materials (aluminum). A 16-elements piezoelectric linear array is mounted at the border of an aluminum plate with artificial defects. The signals related to all combinations of transmit-receive pairs are obtained with burst excitation, for use with synthetic aperture (SA) techniques. The first contribution of this work is a method for defect detection based on the instantaneous phase of the aperture data. The instantaneous phase (IP) image is obtained by replacing the amplitude information by the instantaneous phase in the conventional SA beamforming. From the analysis of the IP image, a threshold level is proposed in terms of the number of signals used for imaging. This threshold is applied to the IP image, resulting ...

Esta tese apresenta o estudo e implementação de técnicas de inspeção de estruturas delgadas tipo placa utilizando arrays de transdutores piezelétricos e ondas acústicas guiadas, associados a métodos de formação e composição de imagens. A detecção de danos em estruturas através de ondas guiadas e arrays de transdutores é um campo de pesquisa de grande importância, principalmente em áreas como a aeroespacial e de geração de energia, que utilizam estruturas delgadas e que exigem inspeção eficaz e completa, visando confiabilidade e segurança. O emprego de ondas acústicas guiadas permite inspecionar grandes áreas utilizando sensores sem a necessidade de realizar varreduras pela peça, de maneira não-destrutiva. Além disso, apresenta sensibilidade a diversos tipos de defeitos, como furos, corrosão, variação de espessura e defeitos superficiais. São estudados aspectos de propagação de ondas, diferentes modos de propagação e dispersão, assim como as principais características dos arrays e a formação de imagens. Os estudos teóricos são acompanhados por simulações usando os softwares MATLAB e PZFlex para obtenção dos modos de propagação das ondas, interação com defeitos e diagramas de radiação dos transdutores, cujos resultados são validados por meio da análise experimental em placas de materiais isotrópicos (alumínio). Montou-se um array linear de transdutores piezelétricos com 16 elementos na borda de uma placa de alumínio com defeitos artificiais. Os sinais provenientes de todas as possíveis combinações dos pares transmissor-receptor foram adquiridos para a utilização de técnicas de abertura sintética. A primeira contribuição deste trabalho é um método para detecção dos defeitos baseado na fase instantânea dos sinais. Substituindo-se a informação de amplitude dos sinais pela fase instantânea (IP) no método de formação de imagem, ...