Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing
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제21권4호
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pp.371-382
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2001
The recognition of such natural wave guides as plates, rods, hollow cylinders, multi-layer structures or simply an interface between two materials combined with an increased understanding of the physics and wave mechanics of guided wave propagation has led to a significant increase in the number of guided wave inspection applications being developed each year. Of primary attention Is the ability to inspect partially hidden structures, hard to access areas, and teated or insulated structures. An introduction to some physical consideration of guided waves followed by some sample problem descriptions in pipe, ice detection, fouling detection in the foods industry, aircraft, tar coated structures and acoustic microscopy is presented in this paper. A sample problem in Boundary Element Modeling is also presented to illustrate the move in guided wave analysis beyond detection and location analysis to quantification.
Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing
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제20권2호
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pp.138-149
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2000
Various modeling techniques for ultrasonic wave propagation and scattering problems in finite solid media are presented. Elastodynamic boundary value problems in inhomogeneous multi-layered plate-like structures are set up for modal analysis of guided wave propagation and numerically solved to obtain dispersion curves which show propagation characteristics of guided waves. As a powerful modeling tool to overcome such numerical difficulties in wave scattering problems as the geometrical complexity and mode conversion, the Boundary Element Method(BEM) is introduced and is combined with the normal mode expansion technique to develop the hybrid BEM, an efficient technique for modeling multi mode conversion of guided wave scattering problems. Time dependent wave forms are obtained through the inverse Fourier transformation of the numerical solutions in the frequency domain. 3D BEM program development is underway to model more practical ultrasonic wave signals. Some encouraging numerical results have recently been obtained in comparison with the analytical solutions for wave propagation in a bar subjected to time harmonic longitudinal excitation. It is expected that the presented modeling techniques for elastic wave propagation and scattering can be applied to establish quantitative nondestructive evaluation techniques in various ways.
As a result of the medium coupling, propagation characteristics of ultrasonic waves guided by a multi-phase medium can be different from those in a homogeneous system. This phenomenon becomes prominent for a medium consisting of phases with considerably distinct material and physical properties (e.g., submerged structures or human bones covered with soft tissues). In this study, the coupling effect arising from both fluid and soft tissues on wave propagation in engineering structures and human bone phantoms, respectively, was explored and calibrated quantitatively, with a purpose of enhancing the precision of ultrasonic-wave-based non-destructive evaluation (NDE) and clinical quantitative ultrasound (QUS). Calibration results were used to rectify conventional NDE during evaluation of corrosion in a submerged aluminium plate, and QUS during prediction of simulated healing status of a mimicked bone fracture. The results demonstrated that with the coupling effect being appropriately taken into account, the precision of NDE and QUS could be improved.
The aim of this work is to demonstrate a method for exciting and receiving torsional and longitudinal mode guided waves with an electromagnetic acoustic transducer (EMAT) ring array. First of all, a three-dimensional guided wave simulator is developed in order to numerically analyze the propagation of the guided wave. The finite difference time domain method is used for the simulator. Second, two guided wave testing systems using an EMAT ring array are provided: one is for torsional mode (T-mode) guided wave and the other is for longitudinal mode (L-mode). The EMATs used in the both systems are the same in design. A method to generate and receive the T- and L-mode guided waves with the same EMAT is proposed. Finally, experimental and numerical results are compared and discussed. The results of experiments and simulation agree well, showing the potential of the EMAT ring array as a mode controllable guided wave transmitter and receiver.
When wet soil overlies dry soil, which can be found in the infiltration test, the radar wave is not attenuated and guided within wet soil layer. This phenomenon is known to be the dispersive guided wave and happens when the thickness of upper wet layer is less than or comparable to the wavelength of radar wave. In this study, we have conducted the FDTD modeling and obtained the velocity dispersion curve to identify the dispersive guided wave through F-K analysis. This guided wave can be explained by modal propagation theory and a simple inversion code was developed to obtain the two layer's dielectric constants as well as layer thickness. By inverting the dispersion curve from synthetic modeling data, we could obtain the accurate dielectric constants and layer thickness. Moreover, we could enhance the accuracy by including the higher mode data. We expect this method will be very useful to get the quantitative property of subsurface when the condition is similar.
This paper presents theoretical and experimental evaluation of the structural health monitoring (SHM) capability of piezoelectric wafer active sensors (PWAS) at elevated temperatures. This is important because the technologies for structural sensing and monitoring need to account for the thermal effect and compensate for it. Permanently installed PWAS transducers have been One of the extensively employed sensor technologies for in-situ continuous SHM. In this paper, the electro-mechanical impedance spectroscopy (EMIS) method has been utilized as a dynamic descriptor of PWAS behavior and as a high frequency standing wave local modal technique. Another SHM technology utilizes PWAS as far-field transient transducers to excite and detect guided waves propagating through the structure. This paper first presents how the EMIS method is used to qualify and quantify circular PWAS resonators in an increasing temperature environment up to 230 deg C. The piezoelectric material degradation with temperature was investigated and trends of variation with temperature were deduced from experimental measurements. These effects were introduced in a wave propagation simulation software called Wave Form Revealer (WFR). The thermal effects on the substrate material were also considered. Thus, the changes in the propagating guided wave signal at various temperatures could be simulated. The paper ends with summary and conclusions followed by suggestions for further work.
Propagation of the guided waves in a steam generator (SG) tube was investigated. Dispersion curves and the incident angles corresponding to the specific modes were calculated for the SG tube. The modes of guided wave were identified by time-frequency diagrams obtained by short time Fourier transform. Group velocities were also determined from the time-frequency diagrams obtained at the different separations of transducers. In experiment. distinct mode conversion was not observed when the guided ultrasound passed curved region of the S/G tube. The optimum mode of guided wave for the inspection of SG tube was suggested and verified by experiments.
Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing
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제21권4호
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pp.391-397
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2001
The guided wave propagation in inhomogeneous multi-layered structures is experimentally explored based on theoretical dispersion curves. It turns out that proper selection of incident angel and frequency is critical for guided wave generation in multi-layered structures. Theoretical dispersion curves greatly depend on adhesive zone thickness, layer thickness and material properties. It was possible to determine the adhesive zone thickness of an inhomogeneous multi-layered structure by monitoring experimentally the change of dispersion curves.
Guided wave testing is a reliable and safe method for pipeline inspection. In general, guided wave testing employs a circumferential array of piezoelectric transducers to clamp on the pipe circumference. The sensitivity of the operation depends on many factors, including transducer distribution across the circumferential array. This paper presents the sensitivity analysis of transducer array for the circumferential characteristics of guided waves in a pipe using finite element modelling and experimental studies. Various cases are investigated for the outputs of guided waves in the numerical simulations, including the number of transducers per array, transducer excitation variability and variations in transducer spacing. The effect of the dimensions of simulated notches in the pipe is also investigated for different arrangements of the transducer array. The results from the finite element numerical simulations are then compared with the related experimental results. Results show that the numerical outputs agree well with the experimental data, and the guided wave mode T(0,1) presents high sensitivity to the notch size in the circumferential direction, but low sensitivity to the notch size in the axial direction.
The paper presents an investigation into the mode conversion and scattering characteristics of guided waves at delaminations in laminated composite beams. A three-dimensional (3D) finite element (FE) model, which is experimentally verified using data measured by 3D scanning laser vibrometer, is used in the investigation. The study consists of two parts. The first part investigates the excitability of the fundamental anti-symmetric mode ($A_0$) of guided wave in laminated composite beams. It is found that there are some unique phenomena, which do not exist for guided waves in plate structures, make the analysis become more complicated. The phenomena are observed in numerical study using 3D FE simulations. In the second part, several delaminated composite beams are studied numerically to investigate the mode conversion and scattering characteristics of the $A_0$ guided wave at delaminations. Different sizes, locations and through-thickness locations of the delaminations are investigated in detail. The mode conversion and scattering phenomena of guided waves at the delaminations are studied by calculating reflection and transmission coefficients. The results show that the sizes, locations and through-thickness locations of the delaminations have significant effects on the scattering characteristics of guided waves at the delaminations. The results of this research would provide better understanding of guided waves propagation and scattering at the delaminations in the laminated composite beams, and improve the performance of guided wave damage detection methods.
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