Electromechanical impedance in periodic structures: analytical modeling and experimental results

Abstract

Structural Health Monitoring (SHM) is the field focused on continuously analyzing structural conditions to detect early-stage damage, in order to ensure the functionality and safety of different structures. Among SHM methods, the Electromechanical Impedance (EMI) technique stands out for its low cost and high sensitivity to incipient damage. Recent advancements in SHM have been driven by numerical simulations, which complement and, in some cases, substitute experimental testing. Additionally, periodic structures - systems with an orderly repetition of elements - are increasingly studied for their distinctive behaviors and applications. Despite this, the intersection between SHM and periodic structures remains underexplored. In this context, the present work implements an analytical EMI model to assess the influence of periodicity in this monitoring technique. The research examines an Euler-Bernoulli beam with progressively added periodic elements, culminating in a final configuration of three unit cells and two homogeneous regions. Piezoelectric transducers were symmetrically coupled in one region to exclusively excite flexural waves. Periodicity was introduced through systematic reductions in the beam’s cross-sectional area. The findings, validated experimentally, highlight the dynamic implications of periodicity on EMI systems. This study contributes to the development of enhanced and comprehensive structural monitoring methods, considering more complex structural conditions.

O Monitoramento da Integridade Estrutural (SHM, do inglês Structural Health Monitoring) é o campo focado na análise contínua das condições estruturais visando a detecção de danos em estágios iniciais, a fim de garantir a funcionalidade e a segurança de diferentes estruturas. Entre os métodos empregados em SHM, a técnica de Impedância Eletromecânica (EMI, do inglêsElectromechanical Impedance) se destaca por seu baixo custo e alta sensibilidade a danos incipientes. Os avanços recentes em SHM têm sido impulsionados por simulações numéricas, que complementam e, em alguns casos, substituem os testes experimentais. Além disso, estruturas periódicas - sistemas com uma repetição ordenada de elementos - são cada vez mais estudadas por seus comportamentos e aplicações distintas. Apesar disso, a interseção entre SHM e estruturas periódicas permanece pouco explorada. Nesse contexto, o presente trabalho implementa um modelo analítico de EMI para avaliar a influência da periodicidade nessa técnica de monitoramento. A pesquisa examina uma viga de Euler-Bernoulli com elementos periódicos adicionados progressivamente, culminando em uma configuração final de três células unitárias e duas regiões homogêneas. Transdutores piezoelétricos foram acoplados simetricamente em uma região para excitar exclusivamente ondas flexurais. A periodicidade foi introduzida por meio de reduções sistemáticas na área da seção transversal da viga. Os resultados, validados experimentalmente, destacam as implicações dinâmicas da periodicidade nos sistemas EMI. Este estudo contribui para o desenvolvimento de métodos aprimorados e abrangentes de monitoramento estrutural, considerando condições estruturais mais complexas.