[en] ANALYTICAL MODELING OF AN ACOUSTIC-ELECTRIC TRANSMISSION CHANNEL IN CYLINDRICAL COORDINATES WITH A TRANSVERSELY POLARIZED TRANSDUCER

[pt] MODELAGEM ANALTICA DE UM CANAL DE TRANSMISSÃO ACÚSTICO-ELÉTRICO EM COORDENADAS CILÌNDRICAS COM UM TRANSDUTOR TRANSVERSALMENTE POLARIZADO

[pt] JUAN ANDRES SANTISTEBAN HIDALGO

[pt] CANAL ACUSTICO-ELETRICO

[pt] PROPAGACAO DE ONDA CILINDRICA

[pt] REDE DE DUAS PORTAS

[en] ACCOUSTIC-ELECTRIC CHANNEL

[en] CYLINDRICAL WAVE PROPAGATION

[en] TWO-PORT NETWORK METHOD

[pt] A modelagem da propagação de ondas cilíndricas em materiais elásticos,tradicionalmente tem sido feita a partir de abordagens analíticas, baseadasna teoria de propagação de ondas, ou a partir de métodos numéricos, comoo método dos elementos finitos. Contudo, dependendo da frequência, resultados numéricos transientes podem ser difíceis de serem obtidos, seja pelo custocomputacional, seja pelo tempo despendido para os cálculos. Dentro desse contexto, alguns trabalhos envolvendo transferência de energia por ondas acústicas, utilizando-se de transdutores piezoelétricos, utilizam métodos alternativospara modelagem. Dentre os métodos disponíveis na literatura para a modelagem deste tipo de problema, a abordagem de rede de duas portas, provenienteda análise de circuitos elétricos, mostrou ser consideravelmente proeminente.Nesta tese, utilizando analogias de impedância, o método é trazido para o contexto de propagação de ondas acústicas, resultando em matrizes de transferência compostas por parâmetros de transmissão, ou parâmetros ABCD, comocomumente conhecidos. De fato, resultados iguais com menos esforços computacionais são obtidos a partir desta abordagem. Até o presente momento, essemétodo foi apenas desenvolvido para propagação de ondas planas em sólidoselásticos e materiais piezoelétricos. No entanto, como grande parte das aplicações envolve superfícies curvas, o método neste trabalho é estendido para ocaso de ondas cilíndricas. Os novos parâmetros ABCD encontrados são entãoimplementados em um código computacional, modelando testes pulso-eco epitch-catch dentro de meios cilíndricos. A validação é feita a partir de umaanálise de convergência a partir das respostas adquiridas para diferentes valores de raio interno do canal, uma vez que algumas expressões encontradas paraos parâmetros ABCD se mostraram inversamente proporcionais ao raio. Alémdisso, o método desenvolvido foi capaz de modelar um teste experimental detransmissão de sinal, a partir de um transdutor cilíndrico submerso em umtanque com água, assim como modelar a transmissão do mesmo sinal atravésde uma barreira cilíndrica.

[en] Cylindrical wave propagation in elastic materials has usually been modeled with analytical approaches or with numerical methods, such as the finite element method. However, depending on the frequency, obtaining results can be a hard task, requiring high computational efforts. Within this context, some studies on acoustic energy transfer, using piezoelectric transducers, had adopted alternative methods for modeling wave propagation, by means of acoustic-electric channels. Among the available methods in the literature, the two-port network approach, derived from the electric circuit analysis, proved to be prominent. In this thesis, by using impedance analogies, this method is brought into the context of acoustic wave propagation, leading to transfer matrices based on transmission parameters, or the so-called ABCD parameters. It was verified that the same results with less computational effort were obtained. So far, this method was only developed for the plane wave propagation in elastic solids and piezoelectric materials. However, since many real applications are curved, the two-port network approach is extended for the cylindrical wave case in this work. The novel ABCD parameters are then implemented in a computational routine, modeling pulse-echo and pitch-catch tests inside cylindrical media. The validation was performed by means of a convergence analysis, varying the internal radius of the entire channel, since the new ABCD parameters showed an inverse proportionality with the radius of the layer. Furthermore, the developed method was capable of modeling a signal transmission experimental setup, coming from a cylindrical transducer submerged in a water tank, as well as modeling the transmission of the same signal through a cylindrical barrier.

ARTHUR MARTINS BARBOSA BRAGA

ALAN CONCI KUBRUSLY

ARTHUR MARTINS BARBOSA BRAGA

ANTONIO LOPES GAMA

ALAN CONCI KUBRUSLY

RICARDO LEIDERMAN

ROBERTH WALDO ANGULO LLERENA

SERGIO RICARDO KOKAY MORIKAWA

HELON VICENTE HULTMANN AYALA

2024-03-12

2023-05-11

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INGLÊS

https://www.maxwell.vrac.puc-rio.br/colecao.php?strSecao=resultado&nrSeq=66203@1

https://www.maxwell.vrac.puc-rio.br/colecao.php?strSecao=resultado&nrSeq=66203@2

https://doi.org/10.17771/PUCRio.acad.66203