Esta tese apresenta a análise teórica e experimental da detecção de onda de Lamb em sólido isotrópico, através da utilização de um interferômetro óptico tipo Mach-Zehnder heterodino. Foi desenvolvida uma formulação para analisar a interação acusto-óptica superficial que utiliza a onda de Lamb, levando-se em consideração ambas as componentes de deslocamento acústico geradas pela onda de Lamb. Os resultados dessa análise revelaram que, ao contrário do que é regularmente divulgado na literatura, existem situações onde a difração acusto-óptica decorre também devido à componente horizontal do deslocamento acústico gerado pela onda de Lamb. A formulação desenvolvida também proporciona uma abordagem rigorosa para o estudo das técnicas de detecção síncrona e assíncrona aplicadas à detecção óptica de onda acústica. Os resultados obtidos possibilitam uma compreensão detalhada da dependência das características do sinal elétrico obtido na saída do circuito de detecção, em função da posição do ponto de interação com relação à região de geração da onda de Lamb, bem como da influência da fase e amplitude do oscilador local nas características medidas do espectro do sinal de saída do interferômetro. Na parte experimental, a detecção óptica de onda de Lamb é investigada através da utilização do interferômetro na condição onde o feixe óptico incidente sobre o corpo de prova apresenta diâmetro significativamente menor que o comprimento de onda acústico. As medidas realizadas, utilizando as técnicas de detecção síncrona e travamento de fase, PLL, revelaram o comportamento periódico que o sinal detectado apresenta como função da distância do ponto de interação à região de geração da onda de Lamb. Os resultados experimentais incluem ensaios com onda de Lamb variando harmonicamente como o tempo. Através deles, foi possível determinar a velocidade de fase da onda de Lamb gerado pelo transdutor piezoelétrico.

Submitted by MARLON RODRIGUES GARCIA null (marlon92319@aluno.feis.unesp.br) on 2016-04-18T18:04:02Z No. of bitstreams: 1 Dissertação Final - Marlon.pdf: 6766003 bytes, checksum: 4849566caadd0c8935bb400de40fb690 (MD5) / Approved for entry into archive by Felipe Augusto Arakaki (arakaki@reitoria.unesp.br) on 2016-04-19T14:54:06Z (GMT) No. of bitstreams: 1 garcia_mr_me_ilha.pdf: 6766003 bytes, checksum: 4849566caadd0c8935bb400de40fb690 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-04-19T14:54:06Z (GMT). No. of bitstreams: 1 garcia_mr_me_ilha.pdf: 6766003 bytes, checksum: 4849566caadd0c8935bb400de40fb690 (MD5) Previous issue date: 2016-02-23 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Neste trabalho aborda-se a utilização de um sensor de deslocamento angular em fibra óptica para a caracterização de líquidos utilizando-se ondas de Lamb e o modo quase Scholte (QSCH) propagados em placa metálica. O sensor reflexivo compreende duas fibras ópticas, uma emissora e outra receptora, uma lente positiva, uma superfície reflexiva, um laser e um fotodetector. Primeiramente, realiza-se um breve estudo sobre a propagação de ondas mecânicas guiadas em placas metálicas imersas em fluidos. Nesse estudo, são obtidas as curvas de dispersão para a velocidade de fase e para a velocidade grupo em função do produto frequência-semiespessura da placa, tanto para as ondas de Lamb quanto para o modo QSCH, considerando diferentes fluidos. Posteriormente, aborda-se o modelamento matemático do sensor reflexivo, obtendo-se as curvas características estáticas para quatro diferentes configurações. Em seguida, descreve-se o processo de montagem do sensor reflexivo, com todos os seus detalhes construtivos. Já na parte experimental, aplicando-se um pulso senoidal de envoltória gaussiana em um transdutor, investiga-se primeiramente a excitação do modo fundamental simétrico da onda de Lamb, S0. Captando-se simultaneamente os sinais da onda propagada na placa pelo sensor reflexivo e por uma piezocerâmica em modo de recepção, obtêm-se os valores experimentais da velocidade de grupo. Comparando-se os valores experimentais com os valores teóricos previstos pelas curvas de dispersão, percebe-se que o sensor reflexivo pode ser utilizado para se medir modos simétricos da onda de Lamb.Visando-se a caracterização de líquidos, imerge-se parcialmente uma placa de alumínio em um fluido sob teste, e excita-se o modo fundamental antissimétrico da onda de Lamb, A0. O modo A0 converte-se em modo QSCH na interface ar-fluido, o qual sofre reflexão na borda da placa e se reconverte em modo A0 na interface fluido-ar. Utilizando-se o sensor reflexivo, pode-se medir a velocidade de propagação do modo QSCH. Sabendo-se que a velocidade do modo QSCH é diferente para diferentes fluido, verifica-se que o sensor pode ser utilizado para medir porcentagens de misturas de fluidos. Adicionalmente, medem-se também os deslocamentos lineares gerados pelo modo A0 na placa de alumínio na direção out-of-plane, comparando-se os resultados com as medições realizadas por um interferômetro de Michelson. / In this work one approaches the use of an angular displacement optical fiber sensor for characterization of liquids using Lamb waves and quasi-Scholte waves (QSCH) propagated in a metal plate. The reflective sensor comprises two optical fibers, one emitting and another receiving, a reflective surface, a laser and a photodetector. Firstly, one develops a brief study about the propagation of mechanical waves in metal plates imbibed in fluids. In this study, one obtains the dispersion curves for the phase velocity and the group velocity as a function of the frequency-halfwidth product for both Lamb waves and QSCH mode, considering different fluids. Subsequently, it one approaches the mathematical modeling of the reflective sensor, obtaining the static characteristic curves for four different configurations. Next, one describes the assembly process of the reflective sensor, with all the construction details. In the experimental part, one investigates the excitement of the symmetrical fundamental mode of the Lamb wave applying a sinusoidal pulse of gaussian envelope. Catching up simultaneously the wave propagated signals by the reflective sensor and by a piezoceramic, one obtains the experimental values of the group velocity. Comparing the experimental values with the values proposed by the dispersion curves, one notices that the reflective sensor can be used to measure the symmetric modes of the Lamb waves. Aimed at the characterization of liquids, one immerges partially an aluminum plate in a fliud under test, and one excites the fundamental antisymmetric mode of the Lamb wave, A0. The A0 mode becomes QSCH in the air-fluid interface, which reflects in the edge of the plate and is reconverted into A0 mode in the fluid-air interface. Using the reflective sensor, one can measure the QSCH mode propagation velocity. Knowing that the QSCH velocity is different for different fluids, one verifies that the sensor can be used to measure percentages of fluid mixtures. One measures also the linear displacements generated by the A0 mode in the aluminum plate in the out-of-plane direction, comparing the results with the measurements made by a Michelson interferometer.

Orientador: Cláudio Kitano / Resumo: Neste trabalho aborda-se a utilização de um sensor de deslocamento angular em fibra óptica para a caracterização de líquidos utilizando-se ondas de Lamb e o modo quase Scholte (QSCH) propagados em placa metálica. O sensor reflexivo compreende duas fibras ópticas, uma emissora e outra receptora, uma lente positiva, uma superfície reflexiva, um laser e um fotodetector. Primeiramente, realiza-se um breve estudo sobre a propagação de ondas mecânicas guiadas em placas metálicas imersas em fluidos. Nesse estudo, são obtidas as curvas de dispersão para a velocidade de fase e para a velocidade grupo em função do produto frequência-semiespessura da placa, tanto para as ondas de Lamb quanto para o modo QSCH, considerando diferentes fluidos. Posteriormente, aborda-se o modelamento matemático do sensor reflexivo, obtendo-se as curvas características estáticas para quatro diferentes configurações. Em seguida, descreve-se o processo de montagem do sensor reflexivo, com todos os seus detalhes construtivos. Já na parte experimental, aplicando-se um pulso senoidal de envoltória gaussiana em um transdutor, investiga-se primeiramente a excitação do modo fundamental simétrico da onda de Lamb, S0. Captando-se simultaneamente os sinais da onda propagada na placa pelo sensor reflexivo e por uma piezocerâmica em modo de recepção, obtêm-se os valores experimentais da velocidade de grupo. Comparando-se os valores experimentais com os valores teóricos previstos pelas curvas de dispersão, percebe-se que... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: In this work one approaches the use of an angular displacement optical fiber sensor for characterization of liquids using Lamb waves and quasi-Scholte waves (QSCH) propagated in a metal plate. The reflective sensor comprises two optical fibers, one emitting and another receiving, a reflective surface, a laser and a photodetector. Firstly, one develops a brief study about the propagation of mechanical waves in metal plates imbibed in fluids. In this study, one obtains the dispersion curves for the phase velocity and the group velocity as a function of the frequency-halfwidth product for both Lamb waves and QSCH mode, considering different fluids. Subsequently, it one approaches the mathematical modeling of the reflective sensor, obtaining the static characteristic curves for four different configurations. Next, one describes the assembly process of the reflective sensor, with all the construction details. In the experimental part, one investigates the excitement of the symmetrical fundamental mode of the Lamb wave applying a sinusoidal pulse of gaussian envelope. Catching up simultaneously the wave propagated signals by the reflective sensor and by a piezoceramic, one obtains the experimental values of the group velocity. Comparing the experimental values with the values proposed by the dispersion curves, one notices that the reflective sensor can be used to measure the symmetric modes of the Lamb waves. Aimed at the characterization of liquids, one immerges partially an alumi... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre

[pt] A acoustoelasticidade estuda a variação da velocidade de ondas elásticas em corpos sujeitos a um estado de tensão inicial. A teoria da acoustoelasticidade consiste-se de um relação não-linear entre tensão e deformação que rege a resposta dinâmica de uma onda elástica sobreposta à pré deformação inicial. A teoria da acoustoelasticidade aplicada a ondas guiadas é um ramo de estudo extremamente novo. Seu desenvolvimento teórico para ondas de Lamb foi concluída em 2012, o que permitiu o cálculo da variação da velocidade em função da tensão. Ondas de Lamb são ondas elástica que propagam-se em placas de faces paralelas obedecendo às condições de contorno nas superfícies. Essas ondas são a princípio dispersivas. Modelagem por elementos finitos (MEF) é uma ferramenta útil para a análise das ondas ultrassônicas. A fim de abordar o efeito acoustoelástico utilizando método de elementos finitos pode-se utilizar as constantes elásticas eficazes. Por meio dessas é possível montar um tensor de rigidez anisotrópico equivalente, que por sua vez pode ser utilizado como a entrada de rigidez do material em softwares comerciais. O processo de inversão temporal é um método bem conhecido para a obtenção de ondas acústicas focalizadas no tempo e no espaço. No caso de ondas de Lamb, o uso de sinais de inversão temporal compensa a dispersão de cada modo de propagação, recomprime e focaliza a onda na posição de leitura. Nesta tese, o novo ramo da acoustoelasticidade em ondas de Lamb foi analisado e seu estado da arte revisado. A possibilidade de utilizar constantes elásticas eficazes para determinação da dependência da velocidade com a tensão e os erros nesta aproximação foram investigados. O uso do programa de elementos finitos Ansysr foi validado para propagação de ondas de Lamb monomodo em uma placa submetida a tração uniaxial. Em seguida, simulações de propagação de ondas de Lamb multimodais acoustoelásticas foram realizadas através do software e o efeito da carregamento na focalização foi analisado numericamente. Finalmente, experimentos foram realizadas em uma placa de alumínio carregada longitudinalmente. A viabilidade e limitações da utilização das características de focalização por inversão temporal a fim de medir a tensão são apontadas. / [en] The acoustoelasticity studies the variation of the elastic waves velocity in bodies subject to an initial stress state. The acoustoelastic theory consists of non-linear relationship between stress and strain that rules the dynamic response superimposed to the initial pre-deformation. The acoustoelastic theory applied to guided waves is a very new branch of study. The theoretical development of this theory for Lamb waves was completed in 2012, which enabled the calculation of velocity variation as a function of stress. Lamb waves are elastic waves that propagate in plates obeying the boundary conditions on the surface. These waves are a priori dispersive. Finite Element Method (FEM) is an useful tool for ultrasonic waves propagation analysis. In order to address the acoustoelastic effect employing FEM one can use the effective elastic constants. By these effective constants it is possible to assemble an equivalent anisotropic stiffness tensor, which can be the material stiffness input in commercial software. The time reversal process is a well-known method for obtaining focused acoustic waves in both time and space. In the case of Lamb waves, the use of time-reversed signals compensates the dispersion of each propagation mode, recompressing the wave and producing a focused signal at the reception position. In this thesis the new branch of acoustoelasticity for Lamb waves is thoroughly analyzed and its state of the art is reviewed. The possibility of using effective elastic constants for determination of the velocity dependence on stress and the errors in this approximation are investigated. The use of FEM in Ansysr is validated for single mode under uniaxial tensile stress. Then, the simulations of wideband multi-mode acoustoelastic Lamb waves is carried out in the numerical software, the time-reversal focusing ability is verified and the effect of uniaxial load on the focus is investigated. Finally, experiments were performed in an aluminum plate longitudinally loaded. The feasibility of using the time reversal focus characteristics in order to measure the strain is concluded and its limitations are pointed out.

[ES] En la actualidad, una gran cantidad de infraestructuras están compuestas de forma parcial o total de materiales cementicios, siendo el hormigón uno de los materiales cementicios más antiguos y utilizados en la construcción debido a su bajo coste, durabilidad y características mecánicas y estructurales. Pese a sus características, estos materiales están expuestos a diversas condiciones adversas del entorno y sufren procesos de deterioro que afectan a su integridad y seguridad. El reconocimiento de la integridad y seguridad en las estructuras cementicias ha implicado una extensa investigación y el desarrollo de diversas pruebas para verificar su calidad y estado. Mediante la destrucción de una muestra extraída de la estructura, en el caso de los ensayos destructivos (ED), o mediante la inspección de la estructura sin necesidad de dañarla o alterar sus propiedades, en el caso de los ensayos no destructivos (END). Existen multitud de técnicas END que tratan de caracterizar estas estructuras sin dañarlas, siendo la inspección mediante ultrasonidos una de las más utilizadas en materiales cementicios. Tradicionalmente estas técnicas ultrasónicas se basan en el estudio de las ondas longitudinales (P) y transversales (S), que permiten caracterizar una estructura mediante la realización de múltiples medidas. Sin embargo, existe otro tipo de ondas, formadas por la superposición de los desplazamientos de las partículas de las ondas P y S denominadas ondas guiadas, las cuales permiten inspeccionar una estructura de forma global a partir de una única medida, además de ser capaces de propagarse a grandes distancias manteniendo una buena relación señal-a-ruido en comparación a las ondas P y S. Dentro de las ondas guiadas más utilizadas para inspeccionar materiales cementicios, se encuentran las ondas de Rayleigh y las ondas de Lamb. Las ondas de Rayleigh se propagan en estructuras de gran espesor, mientras que las ondas de Lamb se propagan en placas. Las ondas de Lamb presentan una naturaleza dispersiva y multimodal. Su naturaleza dispersiva implica que las velocidades de fase y grupo de estas ondas depende de la frecuencia, mientras que la naturaleza multimodal implica que existen cada vez más modos de propagación conforme aumenta la frecuencia de excitación. Se pueden excitar y detectar selectivamente los distintos modos de Lamb mediante la incidencia oblicua, es decir, variando la inclinación del transmisor y el receptor. Para ello, existen distintas técnicas de acoplamiento que permiten la incidencia oblicua, como el acoplamiento por cuñas sólidas, el acoplamiento por agua y el acoplamiento por aire. La presente tesis se ha centrado en el estudio de nuevas técnicas de END basadas en ondas guiadas para caracterizar diferentes tipos de daño en los materiales cementicios. Para ello, se han llevado a cabo un número considerable de medidas experimentales basadas en distintas técnicas de acoplamiento para la generación y captación de ondas guiadas. Inicialmente se han analizado materiales homogéneos como los metales, para, posteriormente, utilizar el conocimiento adquirido en dichos materiales y estudiar materiales más heterogéneos como los cementicios. Se han evaluado diferentes tipos de técnicas de acoplamiento junto con diferentes tipos de transductores. Los materiales cementicios se han inspeccionado mediante ondas guiadas ultrasónicas con dos tipos de daño: la carbonatación, estudiando el efecto con probetas de dos capas de mortero, y el envejecimiento de fibras en placas de cemento reforzado con fibra de vidrio (GRC). Se ha demostrado que las ondas guiadas son sensibles a estos daños, obteniendo resultados esperanzadores. Concretamente, las ondas de Rayleigh se han utilizado en el daño por carbonatación debido a su sensibilidad a capas superficiales de degradación, mientras que en el envejecimiento de fibras se han utilizado las ondas de Lamb, por su sensibilidad a defectos a lo largo / [CA] En l'actualitat, una gran quantitat d'infraestructures estan formades totalment o parcialment de materials cementants. El formigó és un dels materials cementants més antics i utilitzats en la construcció degut al seu preu, la seua durabilitat i les seues característiques mecàniques i estructurals. Malgrat la seua durabilitat i característiques, aquests materials estan exposats a diverses condicions adverses de l'entorn i pateixen processos de deterioració que afecten la seua integritat i seguretat. El reconeixement de la integritat i seguretat en les estructures cementants ha implicat una extensa investigació i el desenvolupament de diverses proves per a verificar la seua qualitat i estat. Mitjançant la destrucció d'una mostra de l'estructura en el cas dels assajos destructius, o mitjançant la inspecció de l'estructura sense danyar-la o alterar les seues propietats en el cas dels assajos no destructius. Existeixen multitud de tècniques d'inspecció no destructiva que tracten de caracteritzar aquestes estructures sense danyar-les. La inspecció mitjançant ultrasons és un dels assajos no destructius més utilitzats en materials cementants. Tradicionalment, aquestes tècniques ultrasòniques estan basades en l'estudi de les ones longitudinals (P) i transversals (S), que permeten caracteritzar una estructura mitjançant la realització de múltiples mesures en l'estructura. No obstant, existeixen altres tipus d'ones, formades per la superposició dels desplaçaments de les partícules de les ones P i S, denominades ones guiades, les quals permeten inspeccionar una estructura de manera global a partir d'una única mesura, a més de poder propagar-se a grans distàncies mantenint una bona relació senyal-soroll en comparació a les ones P i S. Dins de les ones guiades més utilitzades per a inspeccionar materials cementants, es troben les ones de Rayleigh i les ones de Lamb. Les ones de Rayleigh es propaguen en estructures de gran grossària, mentre que les ones de Lamb es propaguen en plaques. Les ones de Lamb presenten una naturalesa dispersiva i multimodal. La seua naturalesa dispersiva implica que les velocitats de fase i grup d'aquestes ones depenen de la freqüència, mentre que la naturalesa multimodal implica que apareguen més modes de propagació a l'augmentar la freqüència d'excitació. Es poden excitar i detectar selectivament els diferents modes de Lamb mitjançant la incidència obliqua, és a dir, variant la inclinació del transmissor i el receptor. Existeixen diferents tècniques d'acoblament que permeten la incidència obliqua, com l'acoblament per metacrilat, l'acoblament per aigua i l'acoblament per aire. Aquesta tesi s'ha enfocat en l'estudi de noves tècniques d'assajos no destructius basades en ones guiades (ones de Rayleigh i ones de Lamb) per a caracteritzar diferents tipus de dany en els materials cementants. S'han realitzat un nombre considerable de mesures experimentals basades en diferents tècniques d'acoblament per a la generació i captació d'ones guiades. Inicialment s'han analitzat materials homogenis com els metalls per a, posteriorment, utilitzar el coneixement adquirit en aquests materials i estudiar d'altres més heterogenis com els cementants. Concretament, s'han avaluat diferents tipus de tècniques d'acoblament i diferents tipus de transductors. Els materials cementants s'han inspeccionat mitjançant ones guiades ultrasòniques amb dos tipus de dany o degradació: la carbonatació, estudiant el seu efecte amb provetes de dues capes de morter, i l'envelliment de fibres en plaques de ciment reforçat amb fibra de vidre (GRC). S'ha demostrat que les ones guiades són sensibles a aquests danys, obtenint resultats esperançadors. Concretament, les ones de Rayleigh s'han utilitzat en el dany per carbonatació a causa de la seua sensibilitat a capes superficials de degradació, mentre que en l'envelliment de fibres s'han utilitzat les ones de Lamb, per la seua sensibilitat a defe / [EN] Nowadays, a large number of infrastructures are partially or wholly built with cementitious materials. Concrete is one of the oldest and most popular cementitious materials due to its low cost, durability and remarkable mechanical and structural characteristics. However, if these materials are exposed to different environments and harsh conditions, they suffer damaging processes that affect their integrity and safety. To verify their state and quality, extensive research has been conducted and several tests have been developed, such as destructive testing and non-destructive testing. Destructive testing (DT) requires a sample of the inspected structure while non-destructive testing (NDT) allows the inspection of the structure without altering its properties and without damaging it. There are several NDT techniques that characterize cementitious structures without harming them, such as ultrasonic testing, which is one of the most widely used. This technique is based on the study of longitudinal (P) and shear (S) waves, which enable the characterization of a structure by a point-by-point scan. However, there are another kind of waves, called guided waves, which are composed of the superposition of the P and S wave particle displacements. Unlike P and S waves, guided waves allow a global inspection of a structure from a single transducer position and they are able to propagate over long distances with a good signal-to-noise ratio. Rayleigh and Lamb waves are the most frequently used guided waves in NDT of cementitious materials. Rayleigh waves propagate in thick structures while Lamb waves propagate in plate-like structures. Lamb waves are dispersive (their phase and group velocities depend on frequency) and multimodal (as frequency increases, many propagation modes with different velocities exist in the received signal). Lamb wave modes can be selectively excited and detected by means of oblique incidence, i.e., by varying the inclination of the transmitting and receiving transducers. Different coupling techniques can be used to change the inclination of the transducers, such as the contact technique with angle beam wedge transducers, water coupling and air coupling. This thesis has been focused in the study of new NDT techniques based on guided waves (Rayleigh and Lamb waves) to characterize different types of damage of cementitious materials. For this goal, a significant number of experimental arrangements based on different coupling techniques have been carried out. Firstly, homogeneous materials as metals have been analized, because they are a reference in guided wave testing. After performing different experiments in metals, the acquired knowledge has been used to inspect heterogeneous materials as cementitious ones. Different coupling techniques (variable angle wedges, immersion testing, fixed angle wedges, ...) with different types of transducers (contact transducers, immersion transducers and air-coupled transducers) have been employed. Cementitious materials with two damaging processes have been inspected by means of guided waves: two-layered mortar specimens to study carbonation and glass-fibre reinforced cement (GRC) plates to study fiber ageing. This thesis demonstrates that guided waves are sensitive to these damaging processes and the obtained results are encouraging. Specifically, Rayleigh waves have been used to detect carbonation due to its sensitivity to surface layers, while Lamb waves have been used to detect fiber ageing due to its sensitivity to defects along the thickness of the GRC plates. / La investigación realizadaen esta tesis se ha financiado con las siguientes ayudas y proyectos concedidos por el gobierno español: Ayudas para contratos predoctorales para la formación de doctores 2015 (BES-2015-071958); Nuevas aplicaciones de ensayos no destructivos basados en ondas mecánicas para la evaluación de la degradación en materiales cementantes (BIA2014-55311-C2-2-P); Desarrollo y aplicación de ensayos no destructivos basados en ondas mecánicas para la evaluación y monitorización de reología y autosanación en materiales cementantes (BIA2017-87573-C2) / Vázquez Martínez, S. (2021). Nuevas técnicas de ensayos no destructivos basadas en ondas mecánicas para la valoración del daño en materiales cementicios [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/165531