The Journal of Korea Institute of Information, Electronics, and Communication Technology
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v.4
no.4
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pp.236-241
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2011
Mechanical properties of cancellous bone with a high porosity and cortical bone with a high fraction of solid are estimated by the measurement of ultrasonic wave propagation. The speed of sound (SOS) in ultrasonic waves is usually measured by two equations, bulk wave equation and bar wave equation. Bulk wave speed has almost same as the fast wave of Biot's theory. In this study, we examine whether the bulk wave speed is influenced by the anisotropy of bone matrix. The SOS when the bone matrix is isotropy is 0.69% faster than that when the bone matrix is transversely isotropy. We also examine if the use of bar equation is adequate for a cortical bone. In the previous paper, the bar wave speed is a function of Young's modulus or elastic coefficient tensor. In the same manner, the effect of bar wave speed to isotropic and anisotropic bone is estimated.
Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing
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v.34
no.6
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pp.457-466
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2014
This paper presents an analytic and numerical simulation of the generation and propagation of pico-second ultrasound with nano-scale wavelength, enabling the production of bulk waves in thin films. An analytic model of laser-matter interaction and elasto-dynamic wave propagation is introduced to calculate the elastic strain pulse in microstructures. The model includes the laser-pulse absorption on the material surface, heat transfer from a photon to the elastic energy of a phonon, and acoustic wave propagation to formulate the governing equations of ultra-short ultrasound. The excitation and propagation of acoustic pulses produced by ultra-short laser pulses are numerically simulated for an aluminum substrate using the finite-difference method and compared with the analytical solution. Furthermore, Fourier analysis was performed to investigate the frequency spectrum of the simulated elastic wave pulse. It is concluded that a pico-second bulk wave with a very high frequency of up to hundreds of gigahertz is successfully generated in metals using a 100-fs laser pulse and that it can be propagated in the direction of thickness for thickness less than 100 nm.
At present, the research on wave propagation in graphene platelet reinforced composite plates focuses on the propagation behavior of bulk waves, in which the effect of boundary condition is ignored, there is no literature report on propagation behaviors of guided waves in graphene platelet reinforced metal foams (GPLRMF) plates. In fact, wave propagation is affected by boundary conditions, so it is necessary to study the propagation characteristics of guided waves. The aim of this paper is to solve this problem. The effective performance of the material was calculated using the mixing law. Equations of motion of GPLRMF plate is derived by using Hamilton's principle. Then, the eigenvalue method is used to obtain the expressions of bending wave, shear wave and longitudinal wave, and the degradation verification is carried out. Finally, the effects of graphene platelets (GPLs) volume fraction, elastic foundation, porosity coefficient, GPLs distribution types and porosity distribution types on the dispersion relations are studied. We find that these factors play an important role in the propagation characteristics and phase velocity of guided waves.
This work deals with the size-dependent wave propagation analysis of functionally graded (FG) anisotropic nanoplates based on a nonlocal strain gradient refined plate model. The present model incorporates two scale coefficients to examine wave dispersion relations more accurately. Material properties of FG anisotropic nanoplates are exponentially varying in the z-direction. In order to solve the governing equations for bulk waves, an analytical method is performed and wave frequencies and phase velocities are obtained as a function of wave number. The influences of several important parameters such as material graduation exponent, geometry, Winkler-Pasternak foundation parameters and wave number on the wave propagation of FG anisotropic nanoplates resting on the elastic foundation are investigated and discussed in detail. It is concluded that these parameters play significant roles on the wave propagation behavior of the nanoplates. From the best knowledge of authors, it is the first time that FG nanoplate made of anisotropic materials is investigated, so, presented numerical results can serve as benchmarks for future analysis of such structures.
The nondestructive internal quality evaluation of agricultural products has been strongly required from the needs for individual inspection. In recent, ultrasonic wave has been considered as a solution for this problem. It transmit well through most materials and can handle safely and easily. However, specially in a watermelon, it is known that general frequency band (higher than 20kHz) ultrasonic waves do not transmitted well due to severe attenuation. The objectives of this study were to find out the proper waveform and frequency of the ultrasonic waves that transmit well inside the watermelon, and to analyze the transmitted waveform in order to make clear the structure of wave propagation in watermelon. The result of several experiments showed that 2kHz shear wave was the most suitable for the detection of internal cavity in the watermelon. Also, it was found that the surface wave did not influence the directly transmitted bulk wave. These results could be a basis of application of ultrasonic wave on the evaluation of internal quality of the watermelon.
Arani, Ali Ghorbanpour;Pourjamshidian, Mahmoud;Arefi, Mohammad;Arani, M.R. Ghorbanpour
Smart Structures and Systems
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v.23
no.2
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pp.141-153
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2019
This research deals with wave propagation of the functionally graded (FG) nano-beams based on the nonlocal elasticity theory considering surface and flexoelectric effects. The FG nano-beam is resting in Winkler-Pasternak foundation. It is assumed that the material properties of the nano-beam changes continuously along the thickness direction according to simple power-law form. In order to include coupling of strain gradients and electrical polarizations in governing equations of motion, the nonlocal non-classical nano-beam model containg flexoelectric effect is used. Also, the effects of surface elasticity, dielectricity and piezoelectricity as well as bulk flexoelectricity are all taken into consideration. The governing equations of motion are derived using Hamilton principle based on first shear deformation beam theory (FSDBT) and also considering residual surface stresses. The analytical method is used to calculate phase velocity of wave propagation in FG nano-beam as well as cut-off frequency. After verification with validated reference, comprehensive numerical results are presented to investigate the influence of important parameters such as flexoelectric coefficients of the surface, bulk and residual surface stresses, Winkler and shear coefficients of foundation, power gradient index of FG material, and geometric dimensions on the wave propagation characteristics of FG nano-beam. The numerical results indicate that considering surface effects/flexoelectric property caused phase velocity increases/decreases in low wave number range, respectively. The influences of aforementioned parameters on the occurrence cut-off frequency point are very small.
Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing
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v.36
no.4
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pp.266-272
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2016
This paper presents the investigation of the propagation behavior of bulk longitudinal waves generated by an ultrafast laser system in thin films. A train of femtosecond laser pulses was focused onto the surface of a 150-nm thick metallic (chromium or aluminum) film on a silicon substrate to excite elastic waves, and the change in thermoreflectance at the spot was monitored to detect the arrival of echoes from the film/substrate interface. The experimental results show that the film material characteristics such as the wave velocity and Young's modulus can be evaluated through curve-fitting in numerical solutions. The material properties of nanoscale thin films are difficult to measure using conventional techniques. Therefore, this research provides an effective method for the nondestructive characterization of nanomaterials.
A free vibration analysis and wave propagation of triclinic and orthotropic plate has been presented in this work using an efficient quasi 3D shear deformation theory. The novelty of this paper is to introducing this theory to minimize the number of unknowns which is three; instead four in other researches, to studying bulk waves in anisotropic plates, other than it can model plates with great thickness ratio, also. Another advantage of this theory is to permits us to show the effect of both bending and shear components and this is carried out by dividing the transverse displacement into the bending and shear parts. Hamilton's equations are a very potent formulation of the equations of analytic mechanics; it is used for the development of wave propagation equations in the anisotropic plates. The analytical dispersion relationship of this type of plate is obtained by solving an eigenvalue problem. The accuracy of the present model is verified by confronting our results with those available in open literature for anisotropic plates. Moreover Numerical examples are given to show the effects of wave number and thickness on free vibration and wave propagation in anisotropic plates.
Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing
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v.30
no.5
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pp.458-463
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2010
Since the acoustic nonlinearity is sensitive to the minute variation of material properties, the nonlinear ultrasonic technique(NUT) has been considered as a promising method to evaluate the material degradation or fatigue. However, there are certain limitations to apply the conventional NUT using the bulk wave to thin plates. In case of plates, the use of Lamb wave can be considered, however, the propagation characteristics of Lamb wave are completely different with the bulk wave, and thus the separate study for the nonlinearity of Lamb wave is required. For this work, this paper analyzed first the conditions of mode pair suitable for the practical application as well as for the cumulative propagation of quadratic harmonic frequency and summarized the result in for conditions; (1) phase matching, (2) non-zero power flux, (3) group velocity matching, and (4) non-zero out-of-plane displacement. Experimental results in aluminum plates showed that the amplitude of the secondary Lamb wave and nonlinear parameter growed up with increasing propagation distance at the mode pair satisfying the above all conditions and that the ration of nonlinear parameters measured in Al6061-T6 and Al1100-H15 was closed to the ratio of the absolute nonlinear parameters.
Journal of the Korean Institute of Telematics and Electronics
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v.19
no.6
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pp.17-32
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1982
Wave propagation in gyrotropic or anisotropic medium is analyzed in terms of the eigenmodes of the medium, which are admixture of TE and TM waves. The field composition and the phase velocity of the modes are also determined. The results of the analysis are applied to thin film optical waveguide using such medium as substrate and/or film. Based on the characteristic equations for phase constants of the waveguide, the condition for TE-TM mode convection is derived, and wave propagation in the guide is represented in the form of Jones matrix, which allows a new interpretation in the conversion efficiency of the thin-film optical waveguides.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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