An alternative formulation for guided electromagnetic fields in grounded chiral slabs - Summary

An alternative formulation for guided electromagnetic fields in grounded chiral slabs is presented. This formulation is formally equivalent to the double Fourier transform method used by the authors to calculate the spectral fields in open chirostrip structures. In this paper, we have addressed the behavior of the electromagnetic fields in the vicinity of the ground plane and at the interface between the chiral substrate and the free space region. It was found that the boundary conditions for the magnetic field, valid for achiral media, are not completely satisfied when we deal with chiral material. Effects of chirality on electromagnetic field distributions and on surface wave dispersion curves were also analyzed.

Finite element analysis of anisotropic optical waveguide with arbitrary index profile

This work presents the application of a scalar finite element formulation for Ex (TE-like) modes in anisotropic planar and channel waveguides with diagonal permittivity tensor, diffused in both transversal directions. This extended formulation considers explicitly both the variations of the refractive index and their spatial derivates inside of each finite element. Dispersion curves for Ex modes in planar and channel waveguides are shown, and the results compared with solutions obtained by other formulations.

Transporte eletrônico em nanofitas de grafeno sob a influência de fatores externos, via primeiros princípios

O grafeno é a primeira estrutura bidimensional que se obteve experimentalmente. Sua rede cristalina é uma rede hexagonal, conhecida como "Favo de Mel", possui apenas um átomo de espessura. Cortes em folhas de grafeno, privilegiando determinada direção, geram as chamadas nanofitas de grafeno. Embora o grafeno se comporte como um metal, é sabido que as nanofitas podem apresentar comportamentos semicondutor, metálico ou semimetálico, dependendo da direção de corte e/ou largura da fita. No caso de nanofitas semicondutoras, a largura da banda proibida (band gap), entre outros fatores, depende da largura da nanofita. Neste trabalho adotou-se métodos de primeiros princípios como o DFT (Density Functional Theory), afim de se obter as características tais como curvas de dispersão para nanofitas. Neste trabalho, primeiramente, são apresentados diagramas de bandas de energia e curvas de densidade de estados para nanofitas de grafeno semicondutoras, de diferentes larguras, e na ausência de influências externas. Utilizou-se métodos de primeiros princípios para a obtenção destas curvas e o método das funções de Green do Não Equilíbrio para o transporte eletrônico. Posteriormente foi investigado a influência da hidrogenização, temperatura e tensão mecânica sobre sistema, isso além, de se estudar o comportamento de transporte eletrônico com e sem influência destes fatores externos. Vale ressaltar que as nanofitas de grafeno apresentam possibilidades reais de aplicação em nanodispositivos eletrônicos, a exemplo de nanodiodos e nanotransistores. Por esse motivo, é importante se ter o entendimento de como os fatores externos alteram as propriedades de tal material, pois assim, espera-se que as propriedades de dispositivos eletrônicos também sejam influenciadas da mesma maneira que as nanofitas.

Inversão de dados de ondas de superfície Rayleigh

Neste trabalho compilamos informações sobre um grande número de medidas de velocidade de grupo para ondas Rayleigh do modo fundamental, com período até 100 segundos. Tais dados consistiram de informações retiradas da literatura geofísica e cobriram toda a Terra. Parte dos dados foi organizada em trabalhos anteriores e uma segunda parte foi apresentada aqui de forma inédita. Para a América do Sul, selecionamos os principais conjuntos de dados de tais ondas e elaboramos diversos perfis onde a distribuição de velocidade de ondas cisalhantes foi obtida a partir da inversão das curvas de dispersão de velocidade de grupo. Tais perfis serviram para termos uma ideia inicial da estrutura interna da Terra em nosso continente. Com o conjunto global de dados de velocidade de grupo foi possível obtermos os mapas de distribuição lateral de valores de velocidade para cada período referencial entre 20 e 100 segundos. Tais mapas foram produzidos da mesma forma que os mapas de velocidade de fase de ROSA (1986), onde a amostragem for para realizada para blocas medindo 10x10 graus, englobando toda a Terra, em projeção mercator. O valor de velocidade de grupo em cada bloco, para cada período, foi obtido a partir da inversão estocástica dos dados de anomalia de velocidade em relação aos modelos regionalizados de JORDAN (1981) com os valores de velocidade de grupo de ROSA et al. (1992). Os mapas de velocidade de grupo obtidos aqui foram então empregados, na América do Sul, com os valores de velocidade de fase dos mapas obtidos por ROSA (1986). Assim, foi possível determinarmos, em profundidade, os mapas de variação de velocidade de onda cisalhante e os mapas de distribuição de valores de densidade. Com isto, pudemos construir o primeiro mapa de profundidade do Moho (todo do Manto Superior) da América do Sul.

Dispersão das ondas de Rayleigh na Plataforma Sulamericana

Este trabalho representa um estudo de dispersão da componente vertical da onda de superfície de Rayleigh com trajetórias na plataforma Sulamericana. Os registros utilizados são provenientes das estações localizadas no território Brasileiro; sendo a do Rio de Janeiro (RDJ), a de Brasília (BDF), a de Caicó (CAI) e a de Belém (BEB), pois estas são as únicas estações sismológicas no Brasil que têm sensores de período longo e que servem para o estudo de dispersão no intervalo de 4 a 50 segundos, aqui realizados. Os terremotos utilizados estão localizados ao longo da parte leste da cadeia Andina e dentro da plataforma Sulamericana com trajetórias tipicamente continental. Foram selecionados 34 eventos com a utilização dos seguintes critérios práticos: a localização, a magnitude m_b e a profundidade, ocorridos durante o período de Janeiro de 1978 até Junho de 1987. O estudo de dispersão aqui abordado significa a determinação da velocidade de grupo e das amplitudes espectrais correspondentes aos harmônicos fundamental e primeiro superior. Normalmente os harmônicos de ordem segunda ou maior são raramente disponíveis na observação. Dois tipos de medidas foram feitas: (i) velocidade de grupo vs. período e (ii) amplitude vs. período. Os estudos de dispersão são fundamentais para determinação da estrutura da crosta e manto superior que estão diretamente relacionados com os fenômenos geológicos. Neste trabalho, regionalização é definida como a identificação das diferentes formas de curvas de dispersão, que estão relacionadas com as trajetórias epicentro-estação ao longo da plataforma Sulamericana e que venham ter uma correlação geológica como está descrito no item 4.3 deste trabalho. A distribuição dos epicentros se faz desde o extremo sul da Argentina até o extremo norte da Venezuela, objetivando iniciar com este trabalho uma sistemática voltada aos estudos de regionalização da plataforma Sulamericana na nossa instituição. Neste trabalho foram observados três tipos distintos de curvas em 27 trajetórias e agrupadas por famílias 1,2 e 3 respectivamente, onde procurou-se correlacionar suas diferentes formas com a geologia regional da plataforma Sulamericana. A obtenção da curva de dispersão foi feita através da técnica do filtro múltiplo (Dziewonski et al, 1969). Este filtro tem a propriedade de separar os harmônicos através das suas velocidades de grupo para cada frequência selecionada, e também de recuperar as amplitudes características dos harmônicos (Herrmann, 1973). O desenvolvimento teórico do filtro bem como suas limitações e forma de uso são tratados por Dziewonski et al (1972). Como parte do trabalho há a implantação, adaptações e o desenvolvimento de parte do fluxograma do filtro múltiplo, bem como a estruturação da digitalização dos dados para o processamento e interpretação não-automática dos resultados do processamento.

Ultrasonic non-destructive testing of plate-like structures using piezoelectric array transducers

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Inspeção de materiais compósitos utilizando ondas acústicas guiadas

Pós-graduação em Engenharia Elétrica - FEIS

Aplicação de sensor de deslocamento angular em fibra óptica para medição de concentração de líquidos via ondas acústicas guiadas

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Computer simulation study of collective dynamics in the glass former Ca(NO3)(2)center dot 4H(2)O

Time correlation functions of current fluctuations were calculated by molecular dynamics (MD) simulations in order to investigate sound waves of high wavevectors in the glass-forming liquid Ca(NO3)(2)center dot 4H(2)O. Dispersion curves, omega(k), were obtained for longitudinal (LA) and transverse acoustic (TA) modes, and also for longitudinal optic (LO) modes. Spectra of LA modes calculated by MD simulations were modeled by a viscoelastic model within the memory function framework. The viscoelastic model is used to rationalize the change of slope taking place at k similar to 0.3 angstrom(-1) in the omega(k) curve of acoustic modes. For still larger wavevectors, mixing of acoustic and optic modes is observed. Partial time correlation functions of longitudinal mass currents were calculated separately for the ions and the water molecules. The wavevector dependence of excitation energies of the corresponding partial LA modes indicates the coexistence of a relatively stiff subsystem made of cations and anions, and a softer subsystem made of water molecules. (C) 2012 American Institute of Physics. [http://dx.doi.org/10.1063/1.4751548]

Behaviour and applications of elastic waves in structures and metamaterials

The present thesis focuses on elastic waves behaviour in ordinary structures as well as in acousto-elastic metamaterials via numerical and experimental applications. After a brief introduction on the behaviour of elastic guided waves in the framework of non-destructive evaluation (NDE) and structural health monitoring (SHM) and on the study of elastic waves propagation in acousto-elastic metamaterials, dispersion curves for thin-walled beams and arbitrary cross-section waveguides are extracted via Semi-Analytical Finite Element (SAFE) methods. Thus, a novel strategy tackling signal dispersion to locate defects in irregular waveguides is proposed and numerically validated. Finally, a time-reversal and laser-vibrometry based procedure for impact location is numerically and experimentally tested. In the second part, an introduction and a brief review of the basic definitions necessary to describe acousto-elastic metamaterials is provided. A numerical approach to extract dispersion properties in such structures is highlighted. Afterwards, solid-solid and solid-fluid phononic systems are discussed via numerical applications. In particular, band structures and transmission power spectra are predicted for 1P-2D, 2P-2D and 2P-3D phononic systems. In addition, attenuation bands in the ultrasonic as well as in the sonic frequency regimes are experimentally investigated. In the experimental validation, PZTs in a pitch-catch configuration and laser vibrometric measurements are performed on a PVC phononic plate in the ultrasonic frequency range and sound insulation index is computed for a 2P-3D phononic barrier in the sonic frequency range. In both cases the numerical-experimental results comparison confirms the existence of the numerical predicted band-gaps. Finally, the feasibility of an innovative passive isolation strategy based on giant elastic metamaterials is numerically proved to be practical for civil structures. In particular, attenuation of seismic waves is demonstrated via finite elements analyses. Further, a parametric study shows that depending on the soil properties, such an earthquake-proof barrier could lead to significant reduction of the superstructure displacement.

Horizontal to vertical spectral ratio measurements in Port-au-Prince (Haiti) area damaged by the 2010 Haiti earthquake

In order to evaluate ground shaking characteristics due to surface soil layers in the urban area of Port-au-Prince, short-period ambient noise observation has been performed approximately in a 500x500m grid. The HVSR method was applied to this set of 36 ambient noise measurement points to determine a distribution map of soil predominant periods. This map reveals a general increasing trend in the period values, from the Miocene conglomerates in the northern and southern parts of the town to the central and western zones formed of Pleistocene and Holocene alluvial deposits respectively, where the shallow geological materials that cover the basement increase in thickness. Shorter predominant periods (less than 0.3 s) were found in mountainous and neighbouring zones, where the thickness of sediments is smaller whereas longer periods (greater than 0.5 s) appear in Holocene alluvial fans, where the thickness of sediments is larger. The shallow shear-wave velocity structure have been estimated by means of inversion of Rayleigh wave dispersion data obtained from vertical-component array records of ambient noise. The measurements were carried out at one open space located in Holocene alluvial deposits, using 3 regular pentagonal arrays with 5, 10 and 20m respectively. Reliable dispersion curves were retrieved for frequencies between 4.0 and 14 Hz, with phase velocity values ranging from 420m/s down to 270 m/s. Finally, the average shear-wave velocity of the upper 30 m (VS30) was inverted for characterization of this geological unit.

Avaliações e testes dos métodos MASW e ReMi por meio do tratamento de dados empíricos e sintéticos em um programa de processamento e inversão desenvolvido em MATLAB e sua implicação em um problema geológico na Bacia de Taubaté

Os métodos de ondas superficiais com ênfase nas ondas Rayleigh foram utilizados como o núcleo desse trabalho de Doutorado. Inicialmente, as ondas Rayleigh foram modeladas permitindo o estudo de sensibilidade de suas curvas de dispersão sob diferentes configurações de parâmetros físicos representando diversos modelos de camadas, em que pôde ser observado parâmetros com maior e menor sensibilidade e também alguns efeitos provocados por baixas razões de Poisson. Além disso, na fase de inversão dos dados a modelagem das ondas Rayleigh foi utilizada para a construção da função objeto, que agregada ao método de mínimos quadrados, a partir do método de Levenberg-Marquardt, permitiu a implementação de um algoritmo de busca local responsável pela inversão de dados das ondas superficiais. Por se tratar de um procedimento de busca local, o algoritmo de inversão foi complementado por uma etapa de pré-inversão com a geração de um modelo inicial para que o procedimento de inversão fosse mais rápido e eficiente. Visando uma eficiência ainda maior do procedimento de inversão, principalmente em modelos de camadas com inversão de velocidades, foi implementado um algoritmo de pós-inversão baseado em um procedimento de tentativa e erro minimizando os valores relativos da raiz quadrada do erro quadrático médio (REQMr) da inversão dos dados. Mais de 50 modelos de camadas foram utilizados para testar a modelagem, a pré-inversão, inversão e pós-inversão dos dados permitindo o ajuste preciso de parâmetros matemáticos e físicos presentes nos diversos scripts implementados em Matlab. Antes de inverter os dados adquiridos em campo, os mesmos precisaram ser tratados na etapa de processamento de dados, cujo objetivo principal é a extração da curva de dispersão originada devido às ondas superficiais. Para isso, foram implementadas, também em Matlab, três metodologias de processamento com abordagens matemáticas distintas. Essas metodologias foram testadas e avaliadas com dados sintéticos e reais em que foi possível constatar as virtudes e deficiências de cada metodologia estudada, bem como as limitações provocadas pela discretização dos dados de campo. Por último, as etapas de processamento, pré-inversão, inversão e pós-inversão dos dados foram unificadas para formar um programa de tratamento de dados de ondas superficiais (Rayleigh). Ele foi utilizado em dados reais originados pelo estudo de um problema geológico na Bacia de Taubaté em que foi possível mapear os contatos geológicos ao longo dos pontos de aquisição sísmica e compará-los a um modelo inicial existente baseado em observações geomorfológicas da área de estudos, mapa geológico da região e informações geológicas globais e locais dos movimentos tectônicos na região. As informações geofísicas associadas às geológicas permitiram a geração de um perfil analítico da região de estudos com duas interpretações geológicas confirmando a suspeita de neotectônica na região em que os contatos geológicos entre os depósitos Terciários e Quaternários foram identificados e se encaixaram no modelo inicial de hemi-graben com mergulho para Sudeste.

Optimizing the number of stations in arrays measurements: experimental outcomes for different array geometries and the f-k method

Array measurements have become a valuable tool for site response characterization in a non-invasive way. The array design, i.e. size, geometry and number of stations, has a great influence in the quality of the obtained results. From the previous parameters, the number of available stations uses to be the main limitation for the field experiments, because of the economical and logistical constraints that it involves. Sometimes, from the initially planned array layout, carefully designed before the fieldwork campaign, one or more stations do not work properly, modifying the prearranged geometry. Whereas other times, there is not possible to set up the desired array layout, because of the lack of stations. Therefore, for a planned array layout, the number of operative stations and their arrangement in the array become a crucial point in the acquisition stage and subsequently in the dispersion curve estimation. In this paper we carry out an experimental work to analyze which is the minimum number of stations that would provide reliable dispersion curves for three prearranged array configurations (triangular, circular with central station and polygonal geometries). For the optimization study, we analyze together the theoretical array responses and the experimental dispersion curves obtained through the f-k method. In the case of the f-k method, we compare the dispersion curves obtained for the original or prearranged arrays with the ones obtained for the modified arrays, i.e. the dispersion curves obtained when a certain number of stations n is removed, each time, from the original layout of X geophones. The comparison is evaluated by means of a misfit function, which helps us to determine how constrained are the studied geometries by stations removing and which station or combination of stations affect more to the array capability when they are not available. All this information might be crucial to improve future array designs, determining when it is possible to optimize the number of arranged stations without losing the reliability of the obtained results.

Shear wave velocity estimation in the metropolitan area of Málaga (S Spain)

We carry out a seismic noise study based on array measurements at three sites in the Málaga basin, South Spain, for the further estimation of shear wave velocity profiles. For this purpose, we use both the H/V method and the f–k technique in order to characterize the different materials present in the zone, i.e., Quaternary sediments and Pliocene sedimentary rocks above the bedrock. The H/V analysis shows frequency peaks going from 1 Hz, in areas close to the border of the basin, to 0.3 Hz in places located toward the center of the formation. The f–k analysis allows obtaining the dispersion curves associated with each site and subsequently, estimating the Vs profiles by inversion of the respective group velocities. In this way, the basin basement can be characterized by S-wave velocities greater than 2000 m/s. Regarding the basin fill, it is divided into three layers defined by different wave velocity intervals. The shallowest one is featured by velocities ranging from 150 to 400 m/s and comprises the Quaternary sediments, while velocities going from 550–700 to1200–1600 m/s characterize the two underlying layers composed by Pliocene sediments. Finally, the information provided by the three Vs profiles is integrated in a 2D cross-section of the basin to have a spatial view of its sedimentary structure. The results obtained here, in addition to providing useful information about the infill of the basin near the metropolitan area of Málaga, will be very helpful for future seismic zonation studies in the region.

Surface waves in mesh synthetic photonic lattices

Eigenmodes and dispersion curves in different configurations of synthetic photonic lattices are studied numerically. Eigenmodes localized on borders between areas with different optical potential are found. Stability of these eigenmodes against potential disturbances of different type is studied.