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http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/39083| Título: | Caracterização de defeitos em placas de aluminio através da análise da impedância de cerâmicas piezoelétricas e propagação do ultrassom |
| Título(s) alternativo(s): | Characterization of defects in aluminum plates through impedance analysis of piezoelectric ceramics and ultrasound propagation |
| Autor(es): | Takahasi, Mario Kyohi |
| Orientador(es): | Maia, Joaquim Miguel |
| Palavras-chave: | Ultrassom Impedância (Eletricidade) Chapas de alumínio Ligas de alumínio - Defeitos Transdutores ultrassônicos Ondas ultrassônicas Ultrasonics Impedance (Electricity) Plates, Aluminum Aluminum alloys - Defects Ultrasonic transducers Ultrasonic waves |
| Data do documento: | 16-Out-2025 |
| Editor: | Universidade Tecnológica Federal do Paraná |
| Câmpus: | Curitiba |
| Citação: | TAKAHASI, Mario Kyohi. Caracterização de defeitos em placas de alumínio através da análise da impedância de cerâmicas piezoelétricas e propagação do ultrassom. 2025. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica e Informática Industrial) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2025. |
| Resumo: | A liga de alumínio é muito utilizada em setores como aeroespacial, automotivo, prótese, órtese, entre outros, por sua leveza e resistência mecânica. No entanto, está sujeito a falhas por fadiga, corrosão e trincas, que podem comprometer o seu desempenho. O monitoramento e a detecção destes danos são importantes para a garantia da qualidade dos dispositivos e equipamentos. O objetivo deste trabalho foi propor uma metodologia para ensaios não destrutivos (END) e caracterização de materiais utilizando o módulo e o ângulo de fase da impedância elétrica de cerâmicas piezoelétricas acopladas a placas de alumínio e parâmetros relacionados à propagação de ondas ultrassônicas. Foram utilizadas 6 amostras com dimensões 500 x 500 x 5 mm³, sendo que uma foi mantida intacta (referência) e nas outras foram feitos três furos de mesmo diâmetro alinhados no centro da placa, separados de 125 mm, simulando falhas com 2 mm, 4 mm, 6 mm, 8 mm e 10 mm de diâmetro. Quatro discos cerâmicos piezoelétricos do tipo APC 855 (12,7 mm de diâmetro e 2,0 mm de espessura) foram fixados em cada uma das seis placas utilizando cola condutiva à base de prata. A impedância elétrica foi medida com o analisador Agilent 4294A em três faixas de frequências: 40 kHz a 1,3 MHz (que inclui todos os modos de vibração), 150 kHz a 200 kHz (modo radial) e 950 kHz a 1,3 MHz (modo axial ou espessura). A comparação dos sinais entre as amostras de referência e as que apresentavam falhas foi feita utilizando-se o índice RMSD (Root Mean Square Deviation). Para avaliar os parâmetros das ondas ultrassônicas que se propagaram nas amostras, foi utilizado um gerador de função Tektronix AFG3021 para excitação das cerâmicas com pulsos senoidais com amplitude de 20 Vpp e contendo um, cinco ou nove ciclos, nas frequências de 150 kHz (modo radial), 400 kHz (modo transversal) e 1050 kHz (modo espessura). Os sinais das cerâmicas receptoras foram adquiridos em um osciloscópio digital Tektronix modelo TDS3034B e transferidos a um computador para serem processados no MATLAB. Os valores de RMSD obtidos para as cerâmicas localizadas em uma das quatro posições da placa de referência e das amostras com defeito ficaram entre 0,17 e 0,63 para todos os modos de vibração, entre 0,83 e 2,29 para o modo radial e entre 0,17 e 0,53 para o modo espessura, indicando que todas as placas com defeito apresentaram diferença no módulo da impedância quando comparadas à placa de referência, sendo que o modo radial de vibração foi o que apresentou a maior diferença. Resultados similares foram obtidos para as outras cerâmicas das placas. Analisando-se os resultados para a propagação das ondas ultrassônicas, verificou-se que todas as cerâmicas acopladas às amostras com defeitos têm sinais diferentes da amostra de referência. Assim, concluiu-se que é possível utilizar a análise da impedância elétrica das cerâmicas ou a análise dos sinais de ultrassom para comparar as amostras com defeitos e a amostra de referência, de forma a identificar e caracterizar os materiais utilizando todos os modos de vibração das cerâmicas ou os modos radiais e axiais isolados. Como o modo radial envolve uma faixa de frequências menores, pode-se projetar circuitos eletrônicos mais simples e de melhor custo-efetivo para operar nessa faixa de frequências. |
| Abstract: | Aluminum alloy is widely used in aerospace, automotive, prosthetics, orthotics, and other applications due to its lightness and mechanical strength. However, it is subject to failures due to fatigue, corrosion, and cracking, which can compromise its performance. Monitoring and detecting these damages are essential for ensuring the quality of devices and equipment. This work aimed to propose a methodology for nondestructive testing (NDT) and material characterization using the modulus and phase angle of the electrical impedance of piezoelectric ceramics coupled to aluminum plates, as well as parameters related to ultrasonic wave propagation. Six samples with dimensions of 500 x 500 x 5 mm³ were used, one of which was kept intact (reference), and in the others, three holes of the same diameter were drilled aligned in the center of the plate, separated by 125 mm, simulating flaws with 2 mm, 4 mm, 6 mm, 8 mm, and 10 mm in diameter. Four piezoelectric ceramic discs of the APC 855 type (12.7 mm in diameter and 2.0 mm thick) were fixed to each of the six plates using silver-based conductive glue. The electrical impedance was measured using an Agilent 4294A analyzer in three frequency bands: 40 kHz to 1.3 MHz (encompassing all vibration modes), 150 kHz to 200 kHz (radial mode), and 950 kHz to 1.3 MHz (axial or thickness mode). The RMSD (Root Mean Square Deviation) index compared the signals between the reference and defective samples. To evaluate the parameters of the ultrasonic waves propagating in the samples, a Tektronix AFG3021 function generator was used to excite the ceramics with sinusoidal pulses with an amplitude of 20 Vpp and containing one, five, or nine cycles, at frequencies of 150 kHz (radial mode), 400 kHz (transverse mode), and 1050 kHz (thickness mode). The signals from the receiving ceramics were acquired using a Tektronix TDS3034B digital oscilloscope and then transferred to a computer for processing in MATLAB. The RMSD values obtained for the ceramics located in one of the four positions of the reference plate and the defective samples ranged from 0.17 to 0.63 for all vibration modes, from 0.83 to 2.29 for the radial mode, and from 0.17 to 0.53 for the thickness mode, indicating that all defective plates presented a difference in impedance modulus when compared to the reference plate, with the radial mode of vibration presenting the most significant difference. Similar results were obtained for the other ceramics in the plates. Analyzing the results for ultrasonic wave propagation, it was found that all ceramics coupled to the defective samples produced different signals compared to the reference sample. Thus, it was concluded that it is possible to use electrical impedance analysis of the ceramics or ultrasound signal analysis to compare the defective samples and the reference sample to identify and characterize the materials using all the vibration modes of the ceramics or the radial and axial modes alone. Since the radial mode operates at a lower frequency range, more straightforward and cost-effective electronic circuits can be designed to function within this frequency range. |
| URI: | http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/39083 |
| Aparece nas coleções: | CT - Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial |
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