Submitted by João Oliveira (joaoricardo2910@hotmail.com) on 2017-03-08T17:44:59Z No. of bitstreams: 1 DissertacaoV5.pdf: 3163826 bytes, checksum: d1dc429e650bffb62b8a84017c191010 (MD5) / Approved for entry into archive by Escola Politécnica Biblioteca (biengproc@ufba.br) on 2017-03-08T17:58:23Z (GMT) No. of bitstreams: 1 DissertacaoV5.pdf: 3163826 bytes, checksum: d1dc429e650bffb62b8a84017c191010 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-03-08T17:58:23Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DissertacaoV5.pdf: 3163826 bytes, checksum: d1dc429e650bffb62b8a84017c191010 (MD5) / A propagação acústica é um fenômeno de grande interesse nos dias atuais. Desde acústica de grandes espaços como anfiteatros ou cinemas, até sonares ou mapeamento sísmico, tudo passa pela acústica. Os métodos de cálculo para este fenômeno ainda carecem de estudos para serem usados em sua plena capacidade. É nesse cenário que uma comparação entre métodos de cálculo de resposta acústica se faz necessária. Este trabalho tem como foco calcular a resposta acústica de um pistão acústico subaquático de quatro formas independentes. Dois modelos analíticos são formados, um resolvendo a problemática para um modelo de fluido, de acordo com as equações de Navier-Stokes, enquanto o outro usa a formulação ondulatória, a partir da equação de Helmholtz. Além destes, dois modelos correspondentes são montados, a partir do método de elementos finitos. Um destes se usa de formulação de interação fluido-estrutura (Fluid-Structure Interation – FSI), enquanto o outro faz uma análise acústica, a partir da equação de Helmholtz. Uma comparação entre os modelos é feita, variando parâmetros como distância, tempo e frequência.

É bem sabido que métodos clássicos de elementos finitos e diferenças finitas para o problema de Helmholtz apresentam efeito de poluição, que pode deteriorar seriamente a qualidade da solução aproximada. Controlar o efeito de poluição é especialmente difícil quando são utilizadas malhas não uniformes. Para malhas uniformes com elementos quadrados são conhecidos métodos (p. e. o QSFEM, proposto por Babuska et al) que minimizam a poluição. Neste trabalho apresentamos inicialmente dois métodos de elementos finitos de Petrov-Galerkin com formulação relativamente simples, o RPPG e o QSPG, ambos com razoável robustez para certos tipos de distorções dos elementos. O QSPG apresenta ainda poluição mínima para elementos quadrados. Em seguida é formulado o QOFD, um método de diferenças finitas aplicável a malhas não estruturadas. O QOFD apresenta grande robustez em relação a distorções, mas requer trabalho extra para tratar problemas não homogêneos ou condições de contorno não essenciais. Finalmente é apresentado um novo método de elementos finitos de Petrov-Galerkin, o QOPG, que é formulado aplicando a mesma técnica usada para obter a estabilização do QOFD, obtendo assim a mesma robustez em relação a distorções da malha, com a vantagem de ser um método variacionalmente consistente. Resultados numéricos são apresentados ilustrando o comportamento de todos os métodos desenvolvidos em comparação com os métodos de Galerkin, GLS e QSFEM. / It is well known that classical finite elements or finite difference methods for Helmholtz problem present pollution effects that can severely deteriorate the quality of the approximate solution. To control pollution effects is especially difficult on non uniform meshes. For uniform meshes of square elements pollution effects can be minimized with the Quasi Stabilized Finite Element Method (QSFEM) proposed by Babusv ska el al, for example. In the present work we initially present two relatively simple Petrov-Galerkin finite element methods, referred here as RPPG (Reduced Pollution Petrov-Galerkin) and QSPG (Quasi Stabilized Petrov-Galerkin), with reasonable robustness to some type of mesh distortion. The QSPG also shows minimal pollution, identical to QSFEM, for uniform meshes with square elements. Next we formulate the QOFD (Quasi Stabilized Finite Difference) method, a finite difference method for unstructured meshes. The QOFD shows great robustness relative to element distortion, but requires extra work to consider non-essential boundary conditions and source terms. Finally we present a Quasi Optimal Petrov-Galerkin (QOPG) finite element method. To formulate the QOPG we use the same approach introduced for the QOFD, leading to the same accuracy and robustness on distorted meshes, but constructed based on consistent variational formulation. Numerical results are presented illustrating the behavior of all methods developed compared to Galerkin, GLS and QSFEM.

O presente trabalho objetiva um estudo de aplicação do Método dos Elementos de Contorno à análise de problemas de propagação de ondas eletromagnéticas. O Método baseia-se numa formulação integral que elimina todas as operações de integração em domínio, restando apenas as de contorno. Inicialmente faz-se um estudo dos fundamentos teóricos do método, apresentando-o de forma genérica e encaminhando sua aplicação à equação de Helmholtz. Os procedimentos computacionais desenvolvidos para a implementação do método viabilizam a solução eficiente de problemas de interesse, envolvendo diferentes meios com ou sem perdas. São apresentados resultados de simulações realizadas que confirmam a aplicabilidade do método, permitindo também uma análise de seu desempenho através da variação de parâmetros, como, por exemplo, número de elementos na discretização e função de interpolação. / This work deals with a study of application of the Boundary Element Method (BEM) directed to electromagnetic guided wave propagation. This method relies on an integral formulation that does not need any domain integration. Only boundary integrations have to be performed. The work begins with a study of the theoretical foundations of the method, presenting its general formulation and then directing it to Helmholtz’s equation solution. Developed computational procedures allow efficient application of the method to real problems with more than one medium, with or without losses. Simulations results are presented which confirm the applicability of the method and allow the analysis of its performance through parameters variation as, for example, the number of discretized elements and interpolation function.

O presente trabalho objetiva um estudo de aplicação do Método dos Elementos de Contorno à análise de problemas de propagação de ondas eletromagnéticas. O Método baseia-se numa formulação integral que elimina todas as operações de integração em domínio, restando apenas as de contorno. Inicialmente faz-se um estudo dos fundamentos teóricos do método, apresentando-o de forma genérica e encaminhando sua aplicação à equação de Helmholtz. Os procedimentos computacionais desenvolvidos para a implementação do método viabilizam a solução eficiente de problemas de interesse, envolvendo diferentes meios com ou sem perdas. São apresentados resultados de simulações realizadas que confirmam a aplicabilidade do método, permitindo também uma análise de seu desempenho através da variação de parâmetros, como, por exemplo, número de elementos na discretização e função de interpolação. / This work deals with a study of application of the Boundary Element Method (BEM) directed to electromagnetic guided wave propagation. This method relies on an integral formulation that does not need any domain integration. Only boundary integrations have to be performed. The work begins with a study of the theoretical foundations of the method, presenting its general formulation and then directing it to Helmholtz’s equation solution. Developed computational procedures allow efficient application of the method to real problems with more than one medium, with or without losses. Simulations results are presented which confirm the applicability of the method and allow the analysis of its performance through parameters variation as, for example, the number of discretized elements and interpolation function.

Neste trabalho são analisados os quatro modos de plasmon, ligados simétrico (Sb) e assimétrico (ab), fuga pelo núcleo (ln) e fuga pela cobertura (lc), que se propagam em uma fibra óptica fracamente guiada envolta por um filme metálico. No filme metálico é depositada uma camada dielétrica extra e acima desta, uma outra denominada cobertura. A análise será desenvolvida para filmes metálicos de prata, paládio e ouro. Esta estrutura é muito útil na confecção de sensores ópticos. / In this work the four Plasmon modes are analyzed, the symmetrical (Sb) and asymmetrical bounded (ab); the core (ln) and covering leaky modes (lc), that propagate in weakly guided optical fibers with a metallic film around that. In the metallic film a layer extra dielectric is deposited and above this, another layer denominated covering. The analysis will be developed for metallic films of the Silver, Palladium and Gold. This structure is very useful to making optical sensors.

Neste trabalho, é feita a análise dos modos de plasmon que se propagam em um filme metálico que cobre uma fibra óptica generalizada. Os modos de plasmon estudados são: Fuga pela Cobertura (lcv), Ligado Simétrico (Sb), Fuga pelo Núcleo (lcr) e Ligado Assimétrico (ab). Os filmes metálicos, para efeito de comparação, utilizados neste trabalho, são: a prata, o ouro e o paládio. Desenvolveu-se um modelo matemático do fenômeno eletromagnético e um software, que gerou um banco de dados que facilitasse a análise de estruturas, com diversas combinações de parâmetros. Com o banco de dados, foram obtidos diversos gráficos, que permitiram: analisar os modos de plasmon, verificar a atenuação das ondas e o comportamento do campo eletromagnético em cada região da estrutura. As confrontações entre as estruturas com filmes de: prata, ouro e paládio, permitiram concluir que aquelas elaboradas com os filmes de prata e de ouro são as que apresentam menores perdas, portanto, as recomendadas na confecção de sensores. Como a prata é mais acessível que o ouro, aconselha-se a sua utilização. A análise e os resultados deste trabalho são originais na literatura especializada. / In this work it is done the analysis of the ways of plasmon that developed themselves in a mettalic film that covers an optic and generalized fiber. The studied ways of plasmon are: Cover-Leaky (lcv), Symmetric Bounded (Sb), Core-Leaky (lcr) and Asymmetrical Bounded (ab). The metallic films, for reason of comparison, used in this work, are: the silver, the gold and the paladium. It was developed a mathematical model of the electricmagnetic phenomenon and a software, that created a database which could make it easy the analysis of structures with several combinations of parameters. With the database have been got several graphs that let: analyse the types of plasmon, see the reduction of waves and the behaviour of the electricmagnetic field in each area of the structure. The confrontations between the structures with films of silver, gold and paladium made it possible to conclude that those elaborated with films of silver and gold are those that present smaller losses, so, are recommended in the confection of sensors. As silver is more accecible than gold it is advisable its utilization. The analysis and the results of this work are original in the specialized literature.

Neste trabalho são analisados os quatro modos de plasmon, ligados simétrico (Sb) e assimétrico (ab), fuga pelo núcleo (ln) e fuga pela cobertura (lc), que se propagam em uma fibra óptica fracamente guiada envolta por um filme metálico. No filme metálico é depositada uma camada dielétrica extra e acima desta, uma outra denominada cobertura. A análise será desenvolvida para filmes metálicos de prata, paládio e ouro. Esta estrutura é muito útil na confecção de sensores ópticos. / In this work the four Plasmon modes are analyzed, the symmetrical (Sb) and asymmetrical bounded (ab); the core (ln) and covering leaky modes (lc), that propagate in weakly guided optical fibers with a metallic film around that. In the metallic film a layer extra dielectric is deposited and above this, another layer denominated covering. The analysis will be developed for metallic films of the Silver, Palladium and Gold. This structure is very useful to making optical sensors.

Neste trabalho, é feita a análise dos modos de plasmon que se propagam em um filme metálico que cobre uma fibra óptica generalizada. Os modos de plasmon estudados são: Fuga pela Cobertura (lcv), Ligado Simétrico (Sb), Fuga pelo Núcleo (lcr) e Ligado Assimétrico (ab). Os filmes metálicos, para efeito de comparação, utilizados neste trabalho, são: a prata, o ouro e o paládio. Desenvolveu-se um modelo matemático do fenômeno eletromagnético e um software, que gerou um banco de dados que facilitasse a análise de estruturas, com diversas combinações de parâmetros. Com o banco de dados, foram obtidos diversos gráficos, que permitiram: analisar os modos de plasmon, verificar a atenuação das ondas e o comportamento do campo eletromagnético em cada região da estrutura. As confrontações entre as estruturas com filmes de: prata, ouro e paládio, permitiram concluir que aquelas elaboradas com os filmes de prata e de ouro são as que apresentam menores perdas, portanto, as recomendadas na confecção de sensores. Como a prata é mais acessível que o ouro, aconselha-se a sua utilização. A análise e os resultados deste trabalho são originais na literatura especializada. / In this work it is done the analysis of the ways of plasmon that developed themselves in a mettalic film that covers an optic and generalized fiber. The studied ways of plasmon are: Cover-Leaky (lcv), Symmetric Bounded (Sb), Core-Leaky (lcr) and Asymmetrical Bounded (ab). The metallic films, for reason of comparison, used in this work, are: the silver, the gold and the paladium. It was developed a mathematical model of the electricmagnetic phenomenon and a software, that created a database which could make it easy the analysis of structures with several combinations of parameters. With the database have been got several graphs that let: analyse the types of plasmon, see the reduction of waves and the behaviour of the electricmagnetic field in each area of the structure. The confrontations between the structures with films of silver, gold and paladium made it possible to conclude that those elaborated with films of silver and gold are those that present smaller losses, so, are recommended in the confection of sensors. As silver is more accecible than gold it is advisable its utilization. The analysis and the results of this work are original in the specialized literature.