Desenvolvimento de um modelo eletromecânico para diafragmas piezelétricos utilizados em sistemas de monitoramento de integridade estrutural

Abstract

Os diafragmas piezelétricos são componentes eletrônicos de baixo custo utilizados em diversas aplicações. Seu uso mais comum é como transdutor de áudio e, nesse tipo de aplicação, é mais comumente conhecido como buzzer. Nos últimos anos, a utilização desses componentes em estudos científicos avançados tem aumentado bastante, e uma das áreas que tem merecido destaque é a dos sistemas de Monitoramento de Integridade Estrutural – Structural Health Monitoring (SHM) – baseados na técnica da impedância eletromecânica (E/M). Esse tipo de aplicação tem recebido uma atenção especial por se basear no uso de transdutores piezelétricos pequenos e leves minimamente invasivos à estrutura monitorada. Portanto, tomando como base o crescente interesse por esses componentes, é proposto neste estudo um circuito eletromecânico equivalente básico que relacione as propriedades elétricas dos diafragmas piezelétricos com as propriedades mecânicas da estrutura monitorada por meio da impedância elétrica. Essa relação é baseada no efeito piezelétrico, que proporciona um acoplamento eletromecânico com a estrutura monitorada e, portanto, permite avaliar as condições mecânicas da estrutura a partir das propriedades elétricas do transdutor. A estrutura utilizada no estudo foi uma barra de alumínio com dimensões de 500 mm x 38,10 mm x 3,18 mm, tipicamente utilizada em laboratórios, e diafragmas com espessuras da ordem de uma fração de milímetro. Nessas condições, o modo de vibração principal pode ser considerado na direção longitudinal da estrutura para uma suposição unidimensional, de forma que o diafragma piezelétrico pode ser representado como um hexapolo com três portas, sendo uma porta elétrica e duas portas acústicas, solução esta comumente usada na literatura. As sensibilidades aos danos estruturais foram teoricamente analisadas em três diafragmas de diferentes tamanhos utilizando o circuito equivalente proposto. Essas sensibilidades foram comparadas com a de uma cerâmica piezelétrica convencional, que é o transdutor comumente utilizado no método da impedância E/M. Além disso, testes experimentais foram realizados em barras de alumínio para validação do circuito equivalente. Pode-se concluir que há correspondência entre os resultados teóricos e experimentais, pois as sensibilidades dos transdutores em ambas as análises foram próximas com poucas variações.

Piezoelectric diaphragms are inexpensive electronic components used in a variety of applications. Its most common use is as an audio transducer and, in this type of application, it is commonly known as "buzzer". In recent years, the use of these components in advanced scientific studies has increased significantly, and one of the areas that has received special mention is the Structural Health Monitoring (SHM) systems based on electromechanical impedance (EMI). This type of application has received special attention because it is based on the use of small and lightweight piezoelectric transducers minimally invasive to the monitored structure. Therefore, based on the growing interest in these components, a basic equivalent electromechanical circuit is proposed in this study that relates the electrical properties of the piezoelectric diaphragms to the mechanical properties of the monitored structure through the electrical impedance. This relationship is based on the piezoelectric effect, which provides an electromechanical coupling with the monitored structure and, therefore, allows to evaluate the mechanical conditions of the structure from the electrical properties of the transducer. The structure used in the study was an aluminum bar with dimensions of 500 mm x 38.10 mm x 3.18 mm, typically used in laboratories, and diaphragms with thicknesses of the order of a fraction of millimeter. Under these conditions, the main vibration mode can be considered in the longitudinal direction of the structure for a one-dimensional assumption, so that the piezoelectric diaphragm can be represented as a three-port hexapolo, one electric port and two acoustic ports, which is a solution commonly used in the literature. Sensitivities to structural damage were theoretically analyzed in three diaphragms of different sizes using the proposed equivalent circuit. These sensitivities were compared with that of a conventional piezoelectric ceramic, which is the transducer commonly used in the EMI method. In addition, experimental tests were performed on aluminum bars for equivalent circuit validation. It can be concluded that there is a correspondence between the theoretical and experimental results, because the sensitivities of the transducers in both analyzes were close with few variations.