Ultrasonic wave dispersion and attenuation as tools for mechanical characterization of construction materials [Dispersione e attenuazione dell'onda ultrasonica come strumenti per la caratterizzazione meccanica dei materiali da costruzione]

This PhD thesis investigates ultrasonic wave dispersion and attenuation as quantitative tools for the mechanical characterization of construction materials. While ultrasonic techniques are widely used in practice, their interpretation is often based on simplified plane-wave assumptions and empirical correlations, which limit their reliability for direct parameter identification. In order to address this gap, analytical one-dimensional models incorporating microstructural effects, strain-gradient contributions, and viscous dissipation are developed. Closed-form expressions for phase velocity and attenuation are derived, providing a controlled theoretical benchmark. The analytical framework is then rigorously validated and extended through finite element formulations and two-dimensional simulations, enabling a systematic comparison between analytical predictions, numerical results, and laboratory ultrasonic measurements. The proposed approach establishes a consistent theoretical and computational framework that accounts for geometrical spreading, numerical dispersion control, and frequency-dependent attenuation. By integrating analytical modeling with numerically calibrated simulations, the thesis advances ultrasonic testing toward a physics-based methodology capable of supporting the direct identification of intrinsic mechanical parameters of construction materials. The results contribute to strengthening the scientific foundations required for the standardization of ultrasonic methods as primary tools for non-destructive material characterization.

Questa tesi di dottorato indaga la dispersione e l’attenuazione delle onde ultrasoniche come strumenti quantitativi per la caratterizzazione meccanica dei materiali da costruzione. Sebbene le tecniche ultrasoniche siano ampiamente utilizzate nella pratica, la loro interpretazione si basa spesso su ipotesi semplificate di onde piane e su correlazioni empiriche, che ne limitano l’affidabilità per l’identificazione diretta dei parametri. Per colmare questa lacuna, vengono sviluppati modelli analitici unidimensionali che incorporano effetti microstrutturali, contributi di gradiente di deformazione e dissipazione viscosa. Vengono derivate espressioni in forma chiusa per la velocità di fase e l’attenuazione, fornendo un riferimento teorico controllato. Il quadro analitico viene quindi rigorosamente validato ed esteso attraverso formulazioni agli elementi finiti e simulazioni bidimensionali, consentendo un confronto sistematico tra previsioni analitiche, risultati numerici e misure ultrasoniche di laboratorio. L’approccio proposto stabilisce un quadro teorico e computazionale coerente che tiene conto della diffusione geometrica, del controllo della dispersione numerica e dell’attenuazione dipendente dalla frequenza. Integrando la modellazione analitica con simulazioni numeriche calibrate, la tesi promuove le prove ultrasoniche verso una metodologia basata sulla fisica, in grado di supportare l’identificazione diretta dei parametri meccanici intrinseci dei materiali da costruzione. I risultati contribuiscono a rafforzare le basi scientifiche necessarie per la standardizzazione dei metodi ultrasonici come strumenti primari per la caratterizzazione non distruttiva dei materiali.