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Submitted Ph.D. thesis is concerning the application and interpretation of seismic surface waves in a broad range of frequencies and scales. Using surface waves as a supplement to the methods dealing with body waves seems to be worth the effort. Surface wave interpretation can be used to obtain new information about the studied medium and simultaneously it can overcome, in some cases, the limitations of other seismic techniques. Moreover, surface waves are usually present on measured records and hence for its usage it is not necessary to modify the standard measuring procedures. One of the results of this thesis is an original algorithm for dispersive waveform calculation. The program works in an arbitrary range of frequencies and scales. The input parameter for the calculation is the dispersion curve. In this point the algorithm differs from all other approaches used so far. Algorithm is based on a summation of frequency components with shifts corresponding to the velocity dispersion and distance. The resulting waveform only contains an individual dispersive wave of the selected mode, thus being particularly suitable for testing of methodologies for dispersive wave analysis. The algorithm was implemented into the program DISECA. Furthermore, a new procedure was designed to calculate the dispersion...

Abnormal electromagnetic wave propagation characterized by negative group velocity and consequently negative group delay (NGD) has been observed in certain materials as well as in artificially built structures. Within finite frequency intervals where an NGD phenomenon is observed, higher frequency components of the applied waveform are propagated with phase advancement, not delay, relative to the lower frequency components. These media have found use in many applications that require positive delay compensation and an engineered phase characteristic, such as eliminating phase variation with frequency in phase shifters, beam-squint minimization in phased array antenna systems, size reduction of feed-forward amplifiers and others. The three principal questions this thesis addresses are: can a generic formulation for artificial NGD structures based on electric circuit resonators be developed; is it possible to derive a quantitative functional relationship (asymptotic limit) between the maximum achievable NGD and the identified trade-off quantity (out-of-band gain); and, can a microwave circuit exhibiting a fully loss-compensated NGD propagation in both directions be designed and implemented? A generic frequency-domain formulation of artificial NGD structures based on electric circuit resonators is developed and characterized by three parameters, namely center frequency, bandwidth and the out-of-band gain. The developed formulation is validated through several topologies reported in the literature. The trade-off relationship between the achievable NGD on one hand, and the out-of-band gain on the other, is identified. The out-of-band gain is shown to be proportional to transient amplitudes when waveforms with defined “turn on/off” times are propagated through an NGD medium. An asymptotic limit for achievable NGD as a function of the out-of-band gain is derived for multi-stage resonator-based NGD circuits as well as for an optimally engineered linear causal NGD medium. Passive NGD media exhibit loss which can be compensated for via active elements. However, active elements are unilateral in nature and therefore do not allow propagation in both directions. A bilateral gain-compensated circuit is designed and implemented, which overcomes this problem by employing a dual-amplifier configuration while preserving the overall circuit stability.

Abnormal electromagnetic wave propagation characterized by negative group velocity and consequently negative group delay (NGD) has been observed in certain materials as well as in artificially built structures. Within finite frequency intervals where an NGD phenomenon is observed, higher frequency components of the applied waveform are propagated with phase advancement, not delay, relative to the lower frequency components. These media have found use in many applications that require positive delay compensation and an engineered phase characteristic, such as eliminating phase variation with frequency in phase shifters, beam-squint minimization in phased array antenna systems, size reduction of feed-forward amplifiers and others. The three principal questions this thesis addresses are: can a generic formulation for artificial NGD structures based on electric circuit resonators be developed; is it possible to derive a quantitative functional relationship (asymptotic limit) between the maximum achievable NGD and the identified trade-off quantity (out-of-band gain); and, can a microwave circuit exhibiting a fully loss-compensated NGD propagation in both directions be designed and implemented? A generic frequency-domain formulation of artificial NGD structures based on electric circuit resonators is developed and characterized by three parameters, namely center frequency, bandwidth and the out-of-band gain. The developed formulation is validated through several topologies reported in the literature. The trade-off relationship between the achievable NGD on one hand, and the out-of-band gain on the other, is identified. The out-of-band gain is shown to be proportional to transient amplitudes when waveforms with defined “turn on/off” times are propagated through an NGD medium. An asymptotic limit for achievable NGD as a function of the out-of-band gain is derived for multi-stage resonator-based NGD circuits as well as for an optimally engineered linear causal NGD medium. Passive NGD media exhibit loss which can be compensated for via active elements. However, active elements are unilateral in nature and therefore do not allow propagation in both directions. A bilateral gain-compensated circuit is designed and implemented, which overcomes this problem by employing a dual-amplifier configuration while preserving the overall circuit stability.

[pt] Neste trabalho é apresentado um estudo sobre a determinação matemática dos valores da dispersão cromática total, do zero de dispersão distribuído e efeitos não lineares em fibras ópticas de dispersão deslocada (DS). Uma metodologia para caracterização das dispersões cromáticas e para os zeros de dispersão local das fibras estudadas é elaborada com a utilização do modelo de fibra degrau equivalente e de aproximações entre as fibras ópticas dos enlaces trabalhados. A relação entre o diâmetro do campo modal e o zero de dispersão cromática distribuído segundo A. Rossaro [6] é discutida e comprovada através da realização de uma série de medidas práticas para a determinação dos efeitos não lineares das fibras de dispersão deslocada dos enlaces da Petrobrás. O objetivo deste trabalho é analisar estes efeitos prejudiciais a transmissão de sinais ópticos de alta velocidade apresentados nos cabos submarinos da Petrobrás entre o Porto de Imbetiba e as plataformas de Pargo I e Pampo I na Bacia de Campos, analisando os resultados obtidos e caracterizando as possibilidades de upgrade destes enlaces. / [en] This work presents a study on the mathematical determination of the total chromatic dispersion, zero dispersion wavelength and nonlinear optical effects in dispersion shifted (DS) fiber optic system. A methodology to determine the chromatic dispersion and zero dispersion wavelength is proposed using the equivalent step index model and the similarity of the total chromatic dispersion measured in fibers of the links under study. The relationship between the mode field diameter and the zero dispersion wavelength according to A. Rossaro [6] is discussed and proven with a series of practical measurements for the determination of the nonlinear effects of the dispersion shifted optical fibers of Petrobras links Imbetiba - Pargo and Imbetiba - Pampo of the Campos Basin. / [es] En este trabajo se presenta un estudio sobre la determinación matemática de los valores de dispersión cromática total, del cero de dispersión distribuido y los efectos no lineales en fibras ópticas de dispersión desplazada (DS). Se elabora una metodología para la caracterización de las dispersiones cromáticas y para los ceros de dispersión local de las fibras estudiadas; utililizando el modelo de fibra escalón equivalente y de aproximaciones entre las fibras ópticas de los enlace. Se discute la relación entre el diámetro del campo modal y el cero de dispersión cromática distribuido según A. Rosaro [6] se comprueba a través de la realización de una serie de medidas prácticas para la determinación de los efectos no lineales de las fibras de dispersión desplazada de los enlaces de la Petrobrás. EL objetivo de este trabajo es analizar los efectos perjudiciales a la transmisión de señales ópticos de alta velocidad que se presentan en los cables submarinos de la Petrobrás entre el Puerto de Imbetiba y las plataformas de Pargo I y Pampo I en la Bacia de Campos, analizando los resultados obtenidos y caracterizando las posibilidades de upgrade de estos enlaces.

Tesis por compendio / [EN] Phononic crystals are artificial materials formed by a periodic arrangement of inclusions embedded into a host medium, where each of them can be solid or fluid. By controlling the geometry and the impedance contrast of its constituent materials, one can control the dispersive properties of waves, giving rise to a huge variety of interesting and fundamental phenomena in the context of wave propagation. When a propagating wave encounters a medium with different physical properties it can be transmitted and reflected in lossless media, but also absorbed if dissipation is taken into account. These fundamental phenomena have been classically explained in the context of homogeneous media, but it has been a subject of increasing interest in the context of periodic structures in recent years as well. This thesis is devoted to the study of different effects found in sonic and phononic crystals associated with transmission, reflection and absorption of waves, as well as the development of a technique for the characterization of its dispersive properties, described by the band structure. We start discussing the control of wave propagation in transmission in conservative systems. Specifically, our interest is to show how sonic crystals can modify the spatial dispersion of propagating waves leading to control the diffractive broadening of sound beams. Making use of the spatial dispersion curves extracted from the analysis of the band structure, we first predict zero and negative diffraction of waves at frequencies close to the band-edge, resulting in collimation and focusing of sound beams in and behind a 3D sonic crystal, and later demonstrate it through experimental measurements. The focusing efficiency of a 3D sonic crystal is limited due to the strong scattering inside the crystal, characteristic of the diffraction regime. To overcome this limitation we consider axisymmetric structures working in the long wavelength regime, as a gradient index lens. In this regime, the scattering is strongly reduced and, in an axisymmetric configuration, the symmetry matching with acoustic sources radiating sound beams increase its efficiency dramatically. Moreover, the homogenization theory can be used to model the structure as an effective medium with effective physical properties, allowing the study of the wave front profile in terms of refraction. We will show the model, design and characterization of an efficient focusing device based on these concepts. Consider now a periodic structure in which one of the parameters of the lattice, such as the lattice constant or the filling fraction, gradually changes along the propagation direction. Chirped crystals represent this concept and are used here to demonstrate a novel mechanism of sound wave enhancement based on a phenomenon known as "soft" reflection. The enhancement is related to a progressive slowing down of the wave as it propagates along the material, which is associated with the group velocity of the local dispersion relation at the planes of the crystal. A model based on the coupled mode theory is proposed to predict and interpret this effect. Two different phenomena are observed here when dealing with dissipation in periodic structures. On one hand, when considering the propagation of in-plane sound waves in a periodic array of absorbing layers, an anomalous decrease in the absorption, combined with a simultaneous increase of reflection and transmission at Bragg frequencies is observed, in contrast to the usual decrease of transmission, characteristic in conservative periodic systems at these frequencies. For a similar layered media, backed now by a rigid reflector, out-of-plane waves impinging the structure from a homogeneous medium will increase dramatically the interaction strength. In other words, the time delay of sound waves inside the periodic system will be considerably increased resulting in an enhanced absorption, for a broadband spectral range. / [ES] Los cristales fonónicos son materiales artificiales formados por una disposición periódica de inclusiones en un medio, pudiendo ambos ser de carácter sólido o fluido. Controlando la geometría y el contraste de impedancias entre los materiales constituyentes se pueden controlar las propiedades dispersivas de las ondas. Cuando una onda propagante se encuentra un medio con diferentes propiedades físicas puede ser transmitida y reflejada, en medios sin pérdidas, pero también absorbida, si la disipación es tenida en cuenta. La presente tesis está dedicada al estudio de diferentes efectos presentes en cristales sónicos y fonónicos relacionados con la transmisión, reflexión y absorción de ondas, así como el desarrollo de una técnica para la caracterización de sus propiedades dispersivas, descritas por la estructura de bandas. En primer lugar, se estudia el control de la propagación de ondas en transmisión en sistemas conservativos. Específicamente, nuestro interés se centra en mostrar cómo los cristales sónicos son capaces de modificar la dispersión espacial de las ondas propagantes, dando lugar al control del ensanchamiento de haces de sonido. Haciendo uso de las curvas de dispersión espacial extraídas del análisis de la estructura de bandas, se predice primero la difracción nula y negativa de ondas a frecuencias cercanas al borde de la banda, resultando en la colimación y focalización de haces acústicos en el interior y detrás de un cristal sónico 3D, y posteriormente se demuestra mediante medidas experimentales. La eficiencia de focalización de un cristal sónico 3D está limitada debido a las múltiples reflexiones existentes en el interior del cristal. Para superar esta limitación se consideran estructuras axisimétricas trabajando en el régimen de longitud de onda larga, como lentes de gradiente de índice. En este régimen, las reflexiones internas se reducen fuertemente y, en configuración axisimétrica, la adaptación de simetría con fuentes acústicas radiando haces de sonido incrementa la eficiencia drásticamente. Además, la teoría de homogenización puede ser empleada para modelar la estructura como un medio efectivo con propiedades físicas efectivas, permitiendo el estudio del frente de ondas en términos refractivos. Se mostrará el modelado, diseño y caracterización de un dispositivo de focalización eficiente basado en los conceptos anteriores. Considérese ahora una estructura periódica en la que uno de los parámetros de la red, sea el paso de red o el factor de llenado, cambia gradualmente a lo largo de la dirección de propagación. Los cristales chirp representan este concepto y son empleados aquí para demostrar un mecanismo novedoso de incremento de la intensidad de la onda sonora basado en un fenómeno conocido como reflexión "suave". Este incremento está relacionado con una ralentización progresiva de la onda conforme se propaga a través del material, asociado con la velocidad de grupo de la relación de dispersión local en los planos del cristal. Un modelo basado en la teoría de modos acoplados es propuesto para predecir e interpretar este efecto. Se observan dos fenómenos diferentes al considerar pérdidas en estructuras periódicas. Por un lado, si se considera la propagación de ondas sonoras en un array periódico de capas absorbentes, cuyo frente de ondas es paralelo a los planos del cristal, se produce una reducción anómala en la absorción combinada con un incremento simultáneo de la reflexión y transmisión a las frecuencias de Bragg, de forma contraria a la habitual reducción de la transmisión, característica de sistemas periódicos conservativos a estas frecuencias. En el caso de la misma estructura laminada en la que se cubre uno de sus lados mediante un reflector rígido, la incidencia de ondas sonoras desde un medio homogéneo, cuyo frente de ondas es perpendicular a los planos del cristal, produce un gran incremento de la fuerza de / [CA] Els cristalls fonònics són materials artificials formats per una disposició d'inclusions en un medi, ambdós poden ser sòlids o fluids. Controlant la geometría i el contrast d'impedàncies dels seus materials constituents, és poden controlar les propietats dispersives de les ondes, permetent una gran varietatde fenòmens fonamentals interessants en el context de la propagació d'ones. Quan una ona propagant troba un medi amb pèrdues amb propietats físiques diferents es pot transmetre i reflectir, però també absorbida si la dissipació es té en compte. Aquests fenòmens fonamentals s'han explicat clàssicament en el context de medis homogenis, però també ha sigut un tema de creixent interés en el context d'estructures periòdiques en els últims anys. Aquesta tesi doctoral tracta de l'estudi de diferents efectes en cristalls fonònics i sònics lligats a la transmissió, reflexió i absorció d'ones, així com del desenvolupament d'una tècnica de caracterització de les propietats dispersives, descrites mitjançant la estructura de bandes. En primer lloc, s'estudia el control de la propagació ondulatori en transmissió en sistemes conservatius. Més específicament, el nostre interés és mostrar com els cristalls sonors poden modificar la dispersió espacial d'ones propagants donant lloc al control de l'amplària per difracció dels feixos sonors. Mitjançant les corbes dispersió espacial obtingudes de l'anàlisi de l'estructura de bandes, es prediu, en primer lloc, la difracció d'ones zero i negativa a freqüències próximes al final de banda. El resultat és la collimació i focalització de feixos sonors dins i darrere de cristalls de so. Després es mostra amb mesures experimentals. L'eficiència de focalització d'un cristall de so 3D està limitada per la gran dispersió d'ones dins del cristall, que és característic del règim difractiu. Per a superar aquesta limitació, estructures axisimètriques que treballen en el règim de llargues longituds d'ona, i es comporten com a lents de gradient d'índex. En aquest règim, la dispersió es redueix enormement i, en una configuració axisimètrica, a causa de l'acoblament de la simetría amb les fonts acústiques que radien feixos sonors, l'eficiència de radiació s'incrementa significativament. D'altra banda, la teoria d'homogeneïtzació es pot utilitzar per a modelar, dissenyar i caracteritzar un dispositiu eficient de focalització basat en aquests conceptes. Considerem ara una estructura periòdica en la qual un dels seus paràmetres de xarxa, com ara la constant de xarxa o el factor d'ompliment canvia gradualment al llarg de la direcció de propagació. Els cristalls chirped representen aquest concepte i s'utilitzen ací per a demostrar un mecanisme nou d'intensificació d'ones sonores basat en el fenòmen conegut com a reflexió "suau". La intensificació està relacionada amb la alentiment progressiva de l'ona conforme propaga al llarg del material, que està associada amb la velocitat de grup de la relació de dispersió local en els diferents plànols del cristall. Es proposa un model basat en la teoria de modes acoblats per a predir i interpretar este efecte. Dos fenòmens diferents cal destacar quan es tracta d'estructures periòdiques amb dissipació. Per un costat, al considerar la propagació d'ones sonores en el plànol en un array periòdic de capes absorbents, s'observa una disminució anòmala de l'absorció i es combina amb un augment simultani de reflexió i transmissió en les freqüències de Bragg que contrasta amb la usual disminució de transmissió, característica dels sistemes conservatius a eixes freqüències. Per a un medi similar de capes, amb un reflector rígid darrere, les ones fora del pla incidint l'estructura des de un medi homogeni, augmentaran considerablement la interacció. En altres paraules, el retràs temporal de les ones sonores dins del sistema periòdic augmentarà significativament produint un augmen / Cebrecos Ruiz, A. (2015). Transmission, reflection and absorption in Sonic and Phononic Crystals [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/56463 / TESIS / Premios Extraordinarios de tesis doctorales / Compendio