Dissertação apresentada para obtenção do grau de Doutor em Engenharia Electrotécnica e de Computadores, na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, sob a orientação do Prof. Doutor Francisco Correia Velez Grilo

No presente trabalho é apresentada uma técnica de análise para caracterização de ondas acústicas superficiais em meios com anisotropia e piezoeletricidade arbitrárias. Inicialmente é apresentado o desenvolvimento da teoria de propagação de ondas superficiais propagando-se na superfície livre de um meio anisotrópico e ou piezoelétrico arbitrário. Em seguida, são apresentados os métodos numéricos utilizados para caracterização destas ondas e os principais programas desenvolvidos à partir destes métodos. Numa terceira etapa, são apresentados exemplos ilustados a aplicação dos programas à casos específicos para os seguintes materiais: quartzo fundido, LiNb03, quartzo cristalino e LiTa03. Os resultados obtidos para estes casos estâo em excelente concordância com os fornecidos por alguns autores. Finalmente, é apresentado como ilustração um dispositivo à onda acústica superficial construído em substrato de LiNb03 corte YZ. No caso, foi escolhido como sispositivo, um filtro casado à um sinal senoidal modulado em PSK bifásico segundo o código de Barker de treze bits.

Made available in DSpace on 2016-06-02T20:16:44Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2172.pdf: 3848393 bytes, checksum: 7a8baaabd76fb4d68c01f2456a6427ab (MD5) Previous issue date: 2008-10-23 / Universidade Federal de Sao Carlos / This work was motivated on the great technological and commercial interest of ultrasonic transducer, capable to generate diffraction controlled ultrasonic beams in the frequency range of kHz up to MHz. As a solution, in this work we proposed the construction of Bessel-like transducers, which have the polarization of the piezoelectric constituent element with a Bessel function profile. As a comparative result, conventional transducers were also built. The conventional modes of vibration, thickness and radial, were characterized, aiming to estimate the potential of these transducers for applications in diagnosis, such as: non-destructive tests or medicalultrasonography. The transducers were based on a poled niobium doped PZT ferroelectric ceramics, with disk shape. The polarization profile, of the concentric electroded rings, of the Bessel-like transducer followed the Bessel function (Jo) profile. The characterizations were based on electromechanical and acoustics techniques for the emission, reception and emissionreception (pulse-echo) modes. To the acoustic characterizations (acoustic field) transducers receivers (hydrophones) were also constructed and calibrated as a function of the frequency, to present a linear response in the frequency range for each transducer. The electromechanical characterization provided the impedance spectrum of the vibration modes, and their respective harmonics, for the transmitters and receivers transducers. The characterization of the transducers acoustic field, for both modes, thickness and radial, has shown that on the Bessel-like transducers the diffraction of the central beam can be controlled and/or reduced, if compared with the conventional, or uniform poled transducer. However, the experimental verification of radial mode pattern of the conventional transducer (in the fundamental mode or in each of its harmonics), showed a natural Bessellike transducer behavior, with a typical Bessel polarization profile. Exploring the radial mode can provide a lower frequency of operation (if compared with the thickness mode), allowing one increase of the penetration depth, besides a decreasing on the ultrasound Rayleigh beam distance, with good collimation and good resolutions. The results of this study shown that ultrasonic transducer with non uniform polarization pattern, especially those of Bessel type, are promising materials for applications in ultrasonic piezoelectric transducers, exploring as well the radial mode as the thickness vibration modes. / O desenvolvimento deste trabalho foi motivado pela necessidade do mercado em transdutores ultra-sônicos, capazes de gerar feixes ultra-sônicos com difração controlada, para se trabalhar com freqüências tanto da ordem de kHz quanto na faixa dos MHz. Uma solução encontrada para suprir essa carência foi a construção de transdutores do tipo Bessel , em que a polarização do elemento piezoelétrico apresenta um perfil que segue uma função de Bessel. Neste trabalho foram construídos e caracterizados transdutores ultra-sônicos do tipo Bessel e convencional, para os modos de vibração espessura e radial, visando estimar o potencial dos transdutores para aplicações em diagnose (ensaios não destrutivos ou ultrasonografia em medicina). Construiu-se um transdutor utilizando discos cerâmicos ferroelétricos de PZT dopado com nióbio, com polarização uniforme e outro com polarização variável. O perfil da polarização não uniforme seguiu o perfil de uma função de Bessel (Jo), em anéis concêntricos pintados nas faces da cerâmica. Os transdutores construídos foram caracterizados pelas técnicas eletromecânica e acústica, em regime de emissão, recepção e de emissão-recepção (pulso-eco). Para as caracterizações de campo acústico transdutores receptores (hidrofones) foram construídos e adequados para obter boa linearidade nas freqüências de operação dos transdutores. A caracterização eletromecânica forneceu o espectro de impedância para os modos de vibração e seus respectivos harmônicos dos transdutores emissores e receptores. A caracterização do campo acústico dos transdutores, tanto para o modo de espessura quanto radial, permitiu verificar que os transdutores Bessel permitem diminuir ou controlar a difração do lóbulo central, quando comparados a um transdutor com polarização convencional ou uniforme do elemento piezoelétrico Relevante, todavia foi a verificação experimental de que transdutor convencional, quando excitado no modo radial (no modo fundamental ou em um dos seus harmônicos), comporta-se como um transdutor Bessel natural , assumindo naturalmente as características condizentes a esse perfil de polarização. A excitação no modo radial pode proporcionar uma freqüência de operação inferior (àquela do modo de espessura), aumentando a profundidade de penetração e diminuindo a distância de Rayleigh do feixe ultra-sônico, com boa colimação e boas resoluções. Os resultados decorrentes deste trabalho evidenciam claramente que transdutores ultra-sônicos com polarização não uniforme, em particular os do tipo Bessel, apresentam potencial para utilização em transdutores ultra-sônicos piezoelétricos com difração controlada, que explorem tanto o modo de vibração radial quanto o de espessura do elemento piezoelétrico.

Made available in DSpace on 2016-06-02T20:16:51Z (GMT). No. of bitstreams: 1 5122.pdf: 4836185 bytes, checksum: e68b829c8c97de590e305d990e8a1452 (MD5) Previous issue date: 2012-04-13 / Secretaria da Educação do Estado de São Paulo / This paper describes the development of experimental activities with the aid of the microcomputer as a measuring tool in the laboratory teaching of physics, as well as an account of his experience in the classroom. Using the software Audacity activities were carried out involving acoustic wave phenomena and as an aid for the development of a significant learning in high school. As theoretical references were used sociointeractionist theories of Vygotsky and Ausubel's meaningful learning. The instructional material was applied to two groups of high school students: a State School Marechal Rondon - Guara / SP and other College Evolution - Guara / SP. The learning experience is described in this paper and the product was produced education tours for student experiments. / O presente trabalho descreve o desenvolvimento de atividades experimentais com auxílio do microcomputador como instrumento de medida no laboratório didático de Física, bem como um relato desta experiência em sala de aula. Com auxílio do software Audacity foram desenvolvidas atividades envolvendo fenômenos ondulatórios e a acústica como meio auxiliar para o desenvolvimento de uma aprendizagem de forma significativa no ensino médio. Como referenciais teóricos foram utilizadas as teorias sociointeracionista de Vygotsky e a da aprendizagem significativa de Ausubel. O material instrucional foi aplicado a duas turmas de alunos de ensino médio: uma da Escola Estadual Marechal Rondon Guará/SP e outra do Colégio Evolução Guará/SP. A experiência didática é descrita neste trabalho e como produto educacional foram produzidos roteiros de experimentos para o aluno.