Wave focusing in elastic solids through Leaky-Wave engineering

This thesis explores innovative solutions for Structural Health Monitoring (SHM) and Non-Destructive Testing (NDT) that leverage the Leaky wave phenomenon. Leaky waves are characterized by the ability to polarize energy along specific directions, significantly enhancing the energy delivery efficiency to the location of interest. This property is useful for increasing the resolution for damage detection within the investigated solid domain. Developing new monitoring strategies requires reliable predictive tools for wave propagation. Since the Leaky wave wavenumber is a complex variable, both its real and imaginary components need to be described in the dispersion relation. However, conventional methods based on finite element modeling are unable to carry out this charge. Consequently, the development of enhanced tools is necessary, requiring the following of a different methodological approach. This study proposes an alternative computational tool, as the Spectral Collocation Method (SCM). This method discretizes and maps the domain using complex variables, enabling the accurate description of attenuating and growing behaviors of Leaky waves. With the knowledge of the complex wavenumber, a focusing strategy based on Leaky waves is developed through the prediction of their radiation angle. This approach is then compared with conventional Phased Array (PA) systems, demonstrating how the energy focusing capability of the Leaky waves overcomes the limitations in PA applications. By leveraging the unique characteristics of Leaky waves, this research presents an alternative solution able to improve the efficiency and reliability of SHM and NDT techniques for damage detection and structure monitoring.

Questa tesi esplora soluzioni innovative per il monitoraggio strutturale (SHM) e per i controlli non distruttivi (NDT) che sfruttano il fenomeno delle Leaky waves. Le Leaky waves sono caratterizzate dalla capacità di polarizzare l'energia lungo direzioni specifiche, migliorando in modo significativo l'efficienza con cui l'energia viene condotta nel punto di interesse. Questa proprietà è utile per aumentare la risoluzione con cui vengono rilevati dei danni all'interno del solido analizzato. Lo sviluppo di nuove strategie di monitoraggio richiede strumenti predittivi affidabili sulla propagazione delle onde. Poiché il numero d'onda delle Leaky waves è una variabile complessa, entrambe le sue componenti reali e immaginarie devono essere determinate attraverso la relazione di dispersione. Tuttavia, i metodi convenzionali basati sulla modellazione a elementi finiti non sono in grado di svolgere questo compito. Di conseguenza, è necessario lo sviluppo di strumenti avanzati, che richiedono un approccio metodologico diverso. Questo studio propone uno strumento di calcolo alternativo, ovvero il Metodo di Collocazione Spettrale (SCM). Questo metodo discretizza e mappa il dominio utilizzando variabili complesse, consentendo una descrizione accurata dei comportamenti di attenuazione ed espansione delle Leaky waves. Dalla conoscenza del numero d'onda complesso, viene sviluppata una strategia di focalizzazione delle Leaky waves attraverso la previsione del proprio angolo di radiazione. Questa soluzione è poi confrontata con i convenzionali Phased Array (PA), dimostrando come la capacità di focalizzazione dell'energia da parte delle Leaky waves superi le limitazioni incontrate nelle applicazioni dei PA. Sfruttando le caratteristiche uniche delle Leaky waves, questa ricerca presenta una soluzione alternativa in grado di migliorare l'efficienza e l'affidabilità delle tecniche SHM e NDT per il rilevamento dei danni e il monitoraggio delle strutture.