00 CAMPUS ARISTÓTELES CALAZANS SIMÕES (CAMPUS A. C. SIMÕES) IF - INSTITUTO DE FÍSICA Dissertações e Teses defendidas na UFAL - IF
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Tipo: Dissertação
Título: Força de radiação em uma esfera embutida em um sólido elástico
Autor(es): Alvin, Eliete Almeida
Primeiro Orientador: Silva, Glauber José Ferreira Tomaz da
metadata.dc.contributor.advisor-co1: Leão Neto, José Pereira
metadata.dc.contributor.referee1: Andrade, José Henrique de Araújo Lopes de
metadata.dc.contributor.referee2: Lima, Rodrigo de Paula Almeida
Resumo: O estudo relacionado ao fenômeno de espalhamento das ondas acústicas em sólidos, têm atraído o interesse da comunidade científica devido às inúmeras aplicações nas mais diversas áreas da ciência. Para obter as propriedades mecânicas dos materiais, diversos tipos de técnicas podem ser utilizadas, desde as baseadas em ensaios não destrutivos, às que utilizam os ensaios destrutivos. O método de ensaio não destrutivo destaca-se dentre os demais por ser uma técnica não invasiva, como por exemplo o uso do ultrassom, que baseia-se no espalhamento de ondas acústicas. Os estudos referentes ao espalhamento de ondas, pode ser útil na caracterização de compósitos particulados e no desenvolvimento de dispositivos implantados ativados pela força de radiação. Por esse motivo foi realizado um estudo teórico sobre a força de radiação, devido ao espalhamento de uma onda plana longitudinal incidente em uma inclusão esférica homogênea embutida em uma matriz sólida elástica. Nesse estudo, utilizou-se à aproximação no limite de Rayleigh, onde considera-se que o raio da inclusão é muito menor que comprimento de onda incidente. O trabalho foi desenvolvido com base na lei de Hooke generalizada, assumindo que as componentes do estresse são linearmente relacionadas com as da deformação. Também foi utilizado o método da expansão de ondas parciais em coordenadas esféricas, em relação às ondas ondas incidente e espalhada. A solução das equações são dadas em termo dos harmônicos esféricos vetoriais. As expressões para o campo de deslocamento são dadas em termo dos coeficientes de espalhamento para aproximação de monopolo, dipolo e quadrupolo, que serão utilizadas nas fórmulas da força de radiação acústica. A equação analítica, para a força de radiação acústica, foi calculada utilizando-se o princípio da conservação do momento linear e então calculou-se também, as eficiências de absorção, espalhamento e radiação. As eficiências são grandezas adimensionais que representam as potências absorvidas, espalhadas e de radiação elástica na partícula. Na aproximação quadrupolar, elas são expressas em termo de funções de contraste. Essas expressões foram utilizadas para a obtenção dos resultados, a partir de simulação numérica, onde foram consideradas duas configurações: partícula de polietileno de alta densidade (PEAD), embutida em uma matriz sólida (sólido - polímero); e uma partícula de ferro, embutida em uma matriz sólida (sólido - sólido), respectivamente. Em cada configuração, utilizou-se diferentes materiais para a matriz sólida, esses foram: alumínio, cobre, latão e titânio, respectivamente. Os resultados obtidos para a partícula de PEAD e de ferro, mostraram uma boa concordância entre os modelos. Esses resultados também mostraram que o modelo proposto funciona bem para frequências de até 5MHz, que corresponde ao parâmetro de tamanho no limite de Rayleigh. Observou-se, que as propriedades acústicas do material que constitui a matriz sólida influencia fortemente nos resultados, e esses podem ser úteis na caracterização de materiais compósitos, contendo inclusões e também podem ajudar o desenvolvimento de dispositivos implantados.
Abstract: The study related to the phenomenon of scattering of acoustic waves in solids has attracted the interest of the scientific community due to the numerous applications in the most diverse areas of science. To obtain the mechanical properties of the materials, various types of techniques can be used. For example, methods based on non-destructive tests. In particular, tests using ultrasound are based on the scattering of acoustic waves. The studies concerning the scattering of waves can be useful in the characterization of particulate composites and the development of implanted devices activated by the radiation force. For this reason, a theoretical study was carried out on the radiation force due to the spreading of an incident longitudinal plane wave in a homogeneous spherical inclusion embedded in a solid elastic matrix. In this study, we used the approximation at the Rayleigh limit, where the inclusion ray is considered to be much smaller than incident wavelength. The work was developed based on the general Hooke law, assuming that the components of stress are linearly related to those of deformation. We also used the method of partial wave expansion in spherical coordinates, concerning the incident and scattered waves. The solution of the equations is given in terms of vector spherical harmonics. The expressions for the displacement field are given regarding the scattering coefficients for monopole, dipole and quadrupole approximation, which will be used in the formulas of the acoustic radiation force. The analytical equation for the acoustic radiation force was calculated using the principle of the conservation of the linear momentum and then the efficiencies of absorption, scattering and radiation were also calculated. The efficiencies are dimensionless quantities that represent the absorbed, scattered and elastic radiation powers in the particle. In quadrupolar approximation, they are expressed in terms of contrast functions. These expressions were used to obtain the results from a numerical simulation, where two configurations were studied: high-density polyethylene (HDPE) particle, embedded in a solid matrix (border: solid-polymer); and an iron particle, embedded in a solid matrix (boundary: solid-solid) respectively. For each configuration, different materials for the solid matrix were used: aluminum, copper, brass, and titanium, respectively. The results obtained for the HDPE and iron particle showed good agreement between the models. These results also showed that the proposed model works well for frequencies up to 5MHz, which corresponds to the size parameter in the Rayleigh limit. It has been found that the acoustic properties of the solid matrix material strongly influence the results, and these may be useful in characterizing composite materials, containing inclusions and may also assist the development of implanted devices.
Palavras-chave: Física da matéria condensada
Espalhamento acústico
Onda elástica
Força de radiação acústica
Propagação de ondas em sólidos
Condensed matter Physics
Acoustic scattering
Elastic wave
Acoustic Radiation Force
Wave Propagation in Solids
CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA
Idioma: por
País: Brasil
Editor: Universidade Federal de Alagoas
Sigla da Instituição: UFAL
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação em Física
Citação: ALVIN, Eliete Almeida. Força de radiação em uma esfera embutida em um sólido elástico. 2019. 66 f. Dissertação (Mestrado em Física) – Instituto de Física, Programa de Pós Graduação em Física, Universidade Federal de Alagoas, Maceió, 2018.
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
URI: http://www.repositorio.ufal.br/handle/riufal/5668
Data do documento: 9-jul-2018
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