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

Résumé

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.

Date	24 oct. 2016
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Pierre Bélanger (Directeur(-trice)) & Martin Viens (Codirecteur(-trice))