Η διπλωματική εργασία αυτή αφορά την κατασκευή ενός μικροϋπολογιστικού συστήματος διαχωρισμού σημάτων. Ο διαχωρισμός των σημάτων γίνεται με βάση τη θεωρία της τεχνικής της Ανάλυσης Ανεξάρτητων Συνιστωσών. Αφού παρουσιαστεί η θεωρία της τεχνικής, παρουσιάζεται ο μικροελεγκτής ADuC 7026 που επελέγη για την υλοποίηση. Στη συνέχεια γίνεται η παρουσίαση του λογισμικού προσομοίωσης του μικροελεγκτή και παρατίθενται βασικά παραδείγματα για τον προγραμματισμό του. Τέλος, αναπτύσσονται, χωρίς τη χρήση περιφερειακών, και προσομοιώνονται, με τη χρήση περιφερειακών τρεις αλγόριθμοι, δυο εκδόσεις του FastICA και μια έκδοση του InfoMax. Οι αλγόριθμοι αυτοί αξιολογούνται ως προς τις επιδόσεις τους και εξάγονται τα συμπεράσματα. / This thesis deals with the construction of a microcomputer system to separate signals. The separation of the signals is based on the theory of the technique of Independent Component Analysis. The theory of the technique and the microcontroller ADuC 7026 chosen for implementation are presented. Then, follows the presentation of the software on which the microcontroller is simulated and basic examples of its programming are mentioned. Finally, three algorithms, two versions of FastICA and a version of InfoMax, are developed without the use of peripheral systems and simulated using peripheral systems. These algorithms are evaluated for their performance and conclusions are drawn.

Στην παρούσα διπλωματική εργασία μελετώνται μέθοδοι διαχωρισμού σημάτων σε ανεξάρτητες συνιστώσες. Αφού δοθεί ο ορισμός του προβλήματος και μια αναφορά στις κυριότερες μεθόδους για την αντιμετώπισή του, γίνεται σαφές ότι δεν μπορούν να σχεδιαστούν γενικές μέθοδοι διαχωρισμού σημάτων. Παρά την πληθώρα των πρακτικών προβλημάτων στα οποία βρίσκει εφαρμογή το μαθηματικό πρότυπο, δεν είναι δυνατός ο σχεδιασμός μιας ενιαίας μεθόδου που να αντιμετωπίζει αποτελεσματικά όλες τις περιπτώσεις διαχωρισμού σημάτων. Ο αναγνώστης πληροφορείται για τις περιοχές έρευνας και ανάπτυξης των διαφόρων μεθόδων καθώς και για τις εφαρμογές τους σε διάφορους τομείς της σύγχρονης επιστήμης. Στη συνέχεια, υλοποιούνται κάποιες από αυτές τις μεθόδους και παρουσιάζονται τα αποτελέσματα προσομοίωσης πραγματικών πειραματικών δεδομένων που λήφθηκαν για την εκπόνηση της συγκεκριμένης διπλωματικής εργασίας. Τα αποτελέσματα εξάγονται με την χρήση και υλοποίηση αλγόριθμου επεξεργασίας των δεδομένων στο πρόγραμμα Matlab και μελετώνται εκτενέστερα με το πρόγραμμα Adobe Audition 1.5. Τέλος, παρουσιάζονται τα συμπεράσματα από την εφαρμογή του αλγόριθμου στα πραγματικά δεδομένα και δίνεται μια μαθηματική- θεωρητική βάση για την βελτιστοποίηση των μεθόδων διαχωρισμού σημάτων. / -

Είναι γενικώς αποδεκτό ότι η φροντίδα και η υποστήριξη των παλαιών κατασκευών σκυροδέματος ή λιθοσωμάτων είναι το θέμα-κλειδί του τρέχοντα αιώνα. Οι παλαιές αυτές κατασκευές είτε είναι απαρχαιωμένες είτε είναι λειτουργικά ανεπαρκείς, ενώ σε κάποιες άλλες περιπτώσεις έχουν υποστεί βλάβες, οπότε υπάρχει ανάγκη αντικατάστασης ή αποκατάστασης τους. Καθώς η αντικατάσταση, όμως, είναι πρακτικά αδύνατη, τίθεται θέμα αποκατάστασης της ήδη υπάρχουσας κατασκευής και σε πολλές περιπτώσεις και ενίσχυσης της. Εκτός των συμβατικών μεθόδων αποκατάστασης και ενίσχυσης, τα τελευταία χρονιά έχουν αναπτυχθεί νέες μέθοδοι ενίσχυσης, μια εκ των οποίων είναι αυτή που κάνει χρήση σύνθετων ίνο-οπλισμένων πολυμερών (FRP-Fiber Reinforced Plastics). Τα σύνθετα FRP πλεονεκτούν σε σχέση με τα συμβατικά υλικά σε αρκετά σημεία, όπως η μικρότερη διάβρωση από τις περιβαλλοντικές συνθήκες, πράγμα που αυξάνει το χρόνο ζωής τους και μειώνει την ανάγκη για τη συντήρηση τους. Ο κυριότερος, όμως, λόγος μελέτης τους αλλά και η ανάγκη για την εξέλιξη τους είναι η υψηλή αντοχή τους σε σχέση με το βάρος τους, γεγονός που τα κάνει πολύ πιο εύχρηστα. Ο πιο πρόσφορος τρόπος ελέγχου και αποτίμησης σε περιπτώσεις ενίσχυσης με σύνθετα FRP είναι με μη καταστροφικές μεθόδους αποτίμησης. Σε αυτή την περίπτωση τα σύνθετα FRP επιθεωρούνται τόσο κατά την εφαρμογή τους όσο και κατά τη διάρκεια ζωής τους για τυχόν ατέλειες στην επικόλληση αλλά και για βλάβες που μπορεί να επέλθουν, ώστε να αναγνωριστούν και να γίνουν οι κατάλληλες διορθωτικές ενέργειες ή να αντικατασταθεί η υπάρχουσα ενίσχυση. Σκοπός της εργασίας αυτής είναι η ανάδειξη των μη καταστροφικών μεθόδων αποτίμησης ως ένα πολύ χρήσιμο και αποδοτικό εργαλείο στα χεριά του πολιτικού μηχανικού. Προς αυτή την κατεύθυνση ακολουθούν τα εξής: Στο 1ο Κεφάλαιο αναφέρονται οι βασικές μη καταστρεπτικές μέθοδοι ελέγχου, οι βασικές αρχές λειτουργίας και ο αντίστοιχος εξοπλισμός τους. Έπειτα, στο 2ο και στο 3ο Κεφάλαιο δίνεται αναλυτικά η θεωρία της υπέρυθρης θερμογραφίας, ο αντίστοιχος εξοπλισμός και κάποιες πειραματικές δοκιμές εργαστηρίου. Στο 4ο κεφάλαιο περιέχονται εφαρμογές υπέρυθρης θερμογραφίας (IR-infrared thermography) πεδίου σε έργα πολιτικού μηχανικού και εφαρμογές σε θέματα θερμομόνωσης. Τέλος, στο 5ο και τελευταίο Κεφάλαιο της εργασίας αυτής αναφέρονται τα συμπεράσματα που εξάγονται. / -

Λαμβάνοντας υπ’ όψη τις διάφορες τεχνικές Blind Source Separation (BSS) που αναφέρονται στη βιβλιογραφία και που εφαρμόζονται σε πολλά πεδία ενδιαφέροντος, αποφασίσαμε να τις εφαρμόσουμε σε ανθρώπινο μαγνητοεγκεφαλογράφημα. Οι τεχνικές αυτές προσπαθούν να εξάγουν πηγές από σήμα το οποίο είναι γραμμικός συνδυασμός των πηγών. Απαραίτητη προϋπόθεση τα σήματα από τις πηγές να είναι στατιστικώς ανεξάρτητα. Πιο συγκεκριμένα, θεωρώντας τις πηγές στον εγκέφαλο ανεξάρτητες, η τεχνική που επιλέχθηκε είναι η Independent Component Analysis (ICA) και κάποιες παραλλαγές της που χρησιμοποιούν κυματίδια ώστε να εισάγουμε τη δυνατότητα περιορισμού στο χρόνο ή στο χώρο. Επιλέγοντας χωρικά ή χρονικά την περιοχή ενδιαφέροντος εστιάζουμε σε κάποια περιοχή του εγκεφάλου ή σε κάποια συγκεκριμένη χρονική στιγμή π.χ. μετά από κάποιο ερέθισμα. Θα χρησιμοποιήσουμε αυτές τις τεχνικές για να αναλύσουμε ανθρώπινο μαγνητοεγκεφαλογράφημα (MEG). Τα δεδομένα των καταγραφών είναι από το ινστιτούτο Riken στην Ιαπωνία. / Bearing in mind the Blind Source Separation Techniques mentioned in the literature and applied to many fields of interest, we decided to apply them on human MEG. These techniques extract sources from the initial signal, which is considered as linear combination of theses sources. It is required that the recorded signals are statistically independent. More specifically, considering the sources in the brain as independent, the method used is called Independent Component Analysis (ICA) and some versions which use wavelets in order to introduce spatial and temporal constraints. By selecting the region of interest either in space or in time, we focus on a region in the brain or on a specified latency e.g. after a stimulus. We use these methods to analyse MEG. The data are recorded in RIKEN institute in Japan.

Το ηλεκτροεγκεφαλογράφημα (ΗΕΓ) είναι μια καταγραφή διαφορών δυναμικού στο τριχωτό της κεφαλής που προέρχονται από τη βιοηλεκτρική δραστηριότητα του εγκεφάλου. Με ιστορία άνω των 70 ετών, η αξία του ΗΕΓ σαν κλινική εξέταση είναι δεδομένη, με σημαντικό πλεονέκτημα το γεγονός ότι είναι μια μη επεμβατική μέθοδος. Ωστόσο, το πλήθος των ιστών που παρεμβάλλονται ανάμεσα στον εγκέφαλο και το τριχωτό της κεφαλής, σε συνδυασμό με το μικρό ύψος των εγκεφαλικών ρυθμών (τάξης μV) κάνουν τις ΗΕΓ καταγραφές επιρρεπείς σε πλήθος παρασίτων εξωεγκεφαλικής προέλευσης (artifacts). Όσον αφορά την κλινική εξέταση το πρόβλημα των artifacts είναι αντιμετωπίσιμο σε κάποιο βαθμό. Άλλωστε, για την κλινική εξέταση έχουν λογική μια απαίτηση ακινησίας και ηρεμίας του εξεταζομένου, που δεν είναι όμως πάντα δυνατή, σε ηλεκτρομαγνητικά θωρακισμένο χώρο, το κόστος του οποίου είναι αποσβέσιμο σε μακροπρόθεσμο χρονικό ορίζοντα. Σε τελική ανάλυση, η διάρκεια καταγραφής ενός ΗΕΓ μπορεί να επιμηκυνθεί τόσο όσο χρειάζεται ο κλινικός ιατρός ώστε να εξάγει ασφαλή διάγνωση. Τέτοιου είδους περιορισμοί όμως, μάλλον φαντάζουν εκτός λογικής σε φιλόδοξες εμπορικές εφαρμογές στον τομέα του Brain Computer Interface. Οι λύσεις σε αυτόν τον τομέα πρέπει να είναι φθηνές, να δουλεύουν ικανοποιητικά στο συνηθισμένο οικιακό ή εργασιακό περιβάλλον και να μην περιορίζουν τον χρήστη. Η προσέγγιση λοιπόν δεν πρέπει να είναι τόσο στον περιορισμό των artifacts, όσο στην αναγνώριση και αφαίρεσή τους. Στην παρούσα εργασία η αφαίρεση των artifacts προσεγγίζεται σαν ένα πρόβλημα Τυφλού Διαχωρισμού Σημάτων. Εφαρμόζονται τεχνικές Ανάλυσης Ανεξαρτήτων Συνιστωσών με σκοπό το διαχωρισμό των artifacts σε ξεχωριστές Ανεξάρτητες Συνιστώσες κάνοντας εύκολη στη συνέχεια την αφαίρεση τους Η παραπάνω προσέγγιση εκτός της προαναφερθείσας εφαρμογής στον τομέα του Brain Computer Interface, έχει σαφώς και κλινική αξία. Θα μπορούσε να εφαρμοστεί για παράδειγμα σε μη συνεργάσιμους ασθενείς (π.χ. μικρά παιδιά) ή σε θορυβώδη εξωτερικά περιβάλλοντα αποσυνδέοντας το ηλεκτροεγκεφαλογράφημα από την απαίτηση ενός καλά ελεγχόμενου, ηλεκτρομαγνητικά θωρακισμένου χώρου. / --

Την 8η Ιουνίου 2008, στις 15:25 τοπική ώρα (12:25 GMT) ένας σεισμός μεγέθους Mw 6.4 εκδηλώθηκε στη ΒΔ Πελοπόννησο, στη Δυτική Ελλάδα. Το επίκεντρο προσδιορίστηκε κοντά στο χωριό Μιχόι, στη Δημοτική Ενότητα Μόβρης, περίπου 35 km ΝΔ της Πάτρας. Στην παρούσα εργασία, έγινε μία μελέτη ανισοτροπίας στην επικεντρική περιοχή του σεισμού της 8ης Ιουνίου. Συγκεκριμένα, έγινε μία μελέτη για την ανίχνευση του φαινομένου διαχωρισμού των εγκαρσίων κυμάτων και της εξέλιξής του σε σχέση με την εκδήλωση του σεισμού της 8ης Ιουνίου. Χρησιμοποιήθηκαν οι καταγραφές από τον σεισμολογικό σταθμό του Ριόλου (RLS), καθώς είναι ο μόνος κοντινός σταθμός στο επίκεντρο του σεισμού της 8ης Ιουνίου που βρισκόταν σε συνεχή λειτουργία κατά τα χρονικά διαστήματα πριν και μετά την εκδήλωση του σεισμού. Για τη μελέτη του φαινομένου του διαχωρισμού των εγκαρσίων κυμάτων χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος cross-correlation (Ando et al., 1983; Fukao, 1984). Μετά την επεξεργασία των δεδομένων, προσδιορίστηκαν οι παράμετροι του φαινομένου, φ (διεύθυνση ταλάντωσης της ταχύτερης συνιστώσας των εγκαρσίων κυμάτων) και dt (χρόνος καθυστέρησης μεταξύ των δύο συνιστωσών) για κάθε ένα σεισμικό γεγονός. Ο διαχωρισμός των εγκαρσίων κυμάτων (shear-wave splitting) είναι ένα φαινόμενο κατά το οποίο, τα εγκάρσια κύματα διαχωρίζονται σε δύο συνιστώσες, με διαφορετικές διευθύνσεις πόλωσης και διαφορετικές ταχύτητες διάδοσης. Ο διαχωρισμός αυτός πραγματοποιείται κατά την διάδοση των εγκαρσίων κυμάτων μέσα από ένα ανισοτροπικό μέσο (Crampin and Chastin, 2003; Crampin and Peacock, 2005). Σύμφωνα με τη θεωρία, ο διαχωρισμός των εγκαρσίων κυμάτων στον φλοιό, προκαλείται εξαιτίας της ύπαρξης μικρο-ρωγμών, μικρο-διαρρήξεων κορεσμένων με ρευστά. Οι μικρο-διαρήξεις αυτές έχουν συνήθως διευθύνσεις παράλληλες ή υπό-παράλληλες με αυτή της μέγιστης οριζόντιας συμπιεστικής τάσης σε μία περιοχή (Crampin, 1993). Η ανάλυση των δεδομένων κατέδειξε την ύπαρξη του φαινομένου διαχωρισμού των εγκαρσίων κυμάτων στην υπό μελέτη περιοχή. Τόσο πριν, όσο και μετά την εκδήλωση του σεισμού της 8ης Ιουνίου, οι διευθύνσεις πόλωσης της ταχύτερης συνιστώσας των εγκαρσίων κυμάτων ακολουθούν μία μέση διεύθυνση ΒΒΔ-ΝΝΑ. Η μέση διεύθυνση της ταχύτερης συνιστώσας δεν είναι σύμφωνη με τα χαρακτηριστικά του πεδίου των τάσεων στην περιοχή, όπως προσδιορίστηκαν από τους Konstantinou et al. (2011) και Hollenstein et al. (2008), με μία μέση διεύθυνση οριζόντιας συμπιεστικής τάσης Α-Δ. Η ΒΒΔ-ΝΝΑ διεύθυνση πόλωσης της ταχύτερης συνιστώσας οφείλεται πιθανόν στη δράση ενός πεδίου τάσεων γύρω και κάτω από τη θέση καταγραφής με τοπικά χαρακτηριστικά. Τέλος, παρατηρήθηκε μία αύξηση στις τιμές των χρόνων καθυστέρησης μετά την εκδήλωση του σεισμού της 8ης Ιουνίου. Η μέση τιμή των χρόνων καθυστέρησης πριν την εκδήλωση του σεισμού ήταν περίπου 27.3 ms, ενώ μετά την εκδήλωσή του 41.7 ms. H αύξηση των χρόνων καθυστέρησης, υποδηλώνει μία μεταβολή των ιδιοτήτων του μέσου στον ανώτερο φλοιό εξαιτίας της εκδήλωσης του σεισμού. Η εκδήλωση του σεισμού της 8ης Ιουνίου προκάλεσε πιθανόν την διεύρυνση και την επιμήκυνση των προϋπαρχόντων μικρο-διαρρήξεων του φλοιού, τη δημιουργία νέων και την επιπλέον πλήρωσή τους με ρευστά. / On June 8, 2008, at 15:25 local time (12:25 GMT) an Mw 6.4 earthquake occurred in the area of northwest Peloponnesus, Western Greece. The epicenter was located near Mihoi village, in the municipality of Movri, about 35 km southwest of Patras. In this paper, a crustal anisotropy analysis was performed in the epicentral area of Movri Mountain earthquake. Specifically, there was a study to detect shear-wave splitting phenomenon and its temporal evolution in relation to the occurrence of Movri Mountain earthquake. For the needs of the study, we used seismic records from the seismological station of Riolos (RLS). Riolos station is the nearest station from the epicenter of Movri Mountain earthquake which was in continuous operation during the periods before and after the occurrence of the earthquake. The method that was used to study shear-wave splitting phenomenon was the cross-correlation method (Ando et al., 1983; Fukao, 1984; Kuo et al., 1994). Through the data processing, splitting parameters φ (polarization direction of the fastest component of shear waves) and dt (time delay between the two components) were measured for each seismic event. Shear-wave splitting is a phenomenon in which shear-waves are separated into two components with different polarization directions and velocities. The phenomenon in the upper crust is caused by the existence of stress-aligned, fluid-filled micro-cracks/micro-fractures. The polarization directions of the fast components are usually parallel or sub-parallel to the direction of the maximum horizontal compressive stress (Crampin, 1993). Data analysis revealed the existence of shear-wave splitting phenomenon in the study area. Both before and after the occurrence of Movri Mountain earthquake, the polarization directions of the fast component of shear waves follow a general NNW-SSE direction. The observed mean fast polarization direction is not consistent with the estimated characteristics of the regional stress field of the broader area, as identified by Kontsantinou et al. (2011) and Hollenstein et al. (2008), who report a general E-W direction of the maximum horizontal compressive stress. The difference between the estimated fast polarization directions and the properties of the regional stress field shows the presence of a local stress field in the study area. Finally, an increase in time delays was observed after the occurrence of Movri Mountain earthquake. The average value of delay times before the occurrence of the earthquake was about 27.3ms, while after the occurrence was about 41.7ms. The increase in delay times which was observed after the occurrence of Movri Mountain earthquake possibly indicates changes in the properties of the medium in the upper crust. The occurrence of Movri Mountain earthquake caused the expansion/ lengthening of micro-cracks and its further filling with fluids.

Η ανάπτυξη που σημειώθηκε τις τελευταίες δεκαετίες στον τομέα της εξόρυξης υδρογονανθράκων οδήγησε στην υιοθέτηση όλο και πιο σύγχρονων τεχνικών διαχωρισμού των προϊόντων στην πηγή. Οι φυγοκεντρικοί διαχωριστές είναι η πιο επιτυχημένη και διαδεδομένη εφαρμογή. Σε αυτή την γκάμα, έρχεται να προστεθεί και ο πρότυπος φυγοκεντρικός διαχωριστής που παρουσιάζεται στην παρούσα εργασία. Η ανάλυση προσπαθεί να ισορροπήσει μεταξύ μίας «αυστηρά επιστημονικής» ανάλυσης του στροβιλώδους πεδίου διφασικής ροής μέσα στο διαχωριστή και μιας πιο «πρακτικής» ανάλυσης της απόδοσης της συγκεκριμένης συσκευής. Η πρώτη είναι απαραίτητη λόγω της πρωτοτυπίας που παρουσιάζει το συγκεκριμένο επιστημονικό πεδίο και της έλλειψης προγενέστερων μελετών που να καλύπτουν το θέμα, ενώ η δεύτερη είναι επιβεβλημένη λόγω της «πρακτικότητας» που προσδοκούμε να έχει το τελικό αποτέλεσμα. Ο προσδιορισμός του προβλήματος που θέτει προς επίλυση η παρούσα εργασία και η ανασκόπηση βιβλιογραφίας που καθορίζει σε μεγάλο βαθμό την κατεύθυνση που θα ακολουθήσει η έρευνα, γίνεται στο 1ο κεφάλαιο. Για την αντιμετώπιση του προβλήματος ακολουθείται η τυπική διαδικασία εξέλιξης ενός βιομηχανικού προϊόντος σε τέσσερα στάδια. Στο 1ο στάδιο αρχικά αναλύεται η ιδέα –concept- λειτουργίας και η θεωρία πάνω στην οποία βασίζεται. Στο 2ο στάδιο γίνεται αρχική διερεύνηση λειτουργίας του διαχωριστή, με προσομοίωση της ροής με Υπολογιστή Ρευστομηχανική. Στο 3ο στάδιο γίνεται πειραματική – παραμετρική ανάλυση της λειτουργίας του διαχωριστή. Τέλος, στο 4ο στάδιο γίνεται επιβεβαίωση – πιστοποίηση της τεχνικής προσομοίωσης. Στο 2ο κεφάλαιο γίνεται μία θεωρητική ανάλυση των εξισώσεων που διέπουν τη ροή των ρευστών. Οι εξισώσεις κίνησης αναπτύσσονται και εξηγείται πως διαμορφώνονται μετά την ανάπτυξη της τύρβης. Στο σημείο αυτό γίνεται αντιληπτό ότι δεν είναι δυνατή η επίλυσή τους με αναλυτικές μεθόδους αλλά με αριθμητικές. Αυτή είναι και η απαρχή της εισόδου των αριθμητικών μεθόδων στη μηχανική ρευστών. Στο 3ο κεφάλαιο παρατίθεται το θεωρητικό υπόβαθρο πάνω στο οποίο βασίζεται η ανάλυση των διφασικών ροών αλλά και των στροβιλωδών ροών, έννοιες που συναντώνται στα επόμενα κεφάλαια. Η θεωρητική ανάλυση ολοκληρώνεται στο 4ο κεφάλαιο με την εμβάθυνση στην αριθμητική επίλυση των εξισώσεων του 2ου κεφαλαίου. Αρχίζουμε με μία σύντομη παρουσίαση των μεθόδων που αναπτύχθηκαν τις τελευταίες δεκαετίες, επικεντρώνοντας στη μέθοδο που χρησιμοποιούμε στην παρούσα εργασία. Στη συνέχεια παρατίθενται διάφορα μοντέλα προσομοίωσης ροών επικεντρώνοντας στις διφασικές ροές. Επειδή το αντικείμενο αυτό περιλαμβάνει εκτεταμένες μαθηματικές αναλύσεις, μεταφέρθηκαν αρκετά τμήματα στο παράρτημα 1, ώστε το κυρίως κείμενο της εργασίας να παρουσιάζει ομοιογένεια και να διατηρεί την ισορροπία μεταξύ της θεωρητικής ανάλυσης και της πρακτικής – ερευνητικής προσέγγισης που αναφέρθηκε προηγουμένως. Από το 5ο κεφάλαιο ξεκινά η παρουσίαση του καθαρά ερευνητικού έργου και ακολουθείται η λογική και χρονολογική σειρά που αναλύθηκε πριν, με τα τέσσερα στάδια εξέλιξης του «προϊόντος». Σε αυτό λοιπόν το κεφάλαιο αναλύεται η ιδέα –concept- λειτουργίας και η θεωρία πάνω στην οποία βασίζεται και παρουσιάζονται σχέδια από την Η ανάπτυξη που σημειώθηκε τις τελευταίες δεκαετίες στον τομέα της εξόρυξης υδρογονανθράκων οδήγησε στην υιοθέτηση όλο και πιο σύγχρονων τεχνικών διαχωρισμού των προϊόντων στην πηγή. Οι φυγοκεντρικοί διαχωριστές είναι η πιο επιτυχημένη και διαδεδομένη εφαρμογή. Σε αυτή την γκάμα, έρχεται να προστεθεί και ο πρότυπος φυγοκεντρικός διαχωριστής που παρουσιάζεται στην παρούσα εργασία. Η ανάλυση προσπαθεί να ισορροπήσει μεταξύ μίας «αυστηρά επιστημονικής» ανάλυσης του στροβιλώδους πεδίου διφασικής ροής μέσα στο διαχωριστή και μιας πιο «πρακτικής» ανάλυσης της απόδοσης της συγκεκριμένης συσκευής. Η πρώτη είναι απαραίτητη λόγω της πρωτοτυπίας που παρουσιάζει το συγκεκριμένο επιστημονικό πεδίο και της έλλειψης προγενέστερων μελετών που να καλύπτουν το θέμα, ενώ η δεύτερη είναι επιβεβλημένη λόγω της «πρακτικότητας» που προσδοκούμε να έχει το τελικό αποτέλεσμα. Ο προσδιορισμός του προβλήματος που θέτει προς επίλυση η παρούσα εργασία και η ανασκόπηση βιβλιογραφίας που καθορίζει σε μεγάλο βαθμό την κατεύθυνση που θα ακολουθήσει η έρευνα, γίνεται στο 1ο κεφάλαιο. Για την αντιμετώπιση του προβλήματος ακολουθείται η τυπική διαδικασία εξέλιξης ενός βιομηχανικού προϊόντος σε τέσσερα στάδια. Στο 1ο στάδιο αρχικά αναλύεται η ιδέα –concept- λειτουργίας και η θεωρία πάνω στην οποία βασίζεται. Στο 2ο στάδιο γίνεται αρχική διερεύνηση λειτουργίας του διαχωριστή, με προσομοίωση της ροής με Υπολογιστή Ρευστομηχανική. Στο 3ο στάδιο γίνεται πειραματική – παραμετρική ανάλυση της λειτουργίας του διαχωριστή. Τέλος, στο 4ο στάδιο γίνεται επιβεβαίωση – πιστοποίηση της τεχνικής προσομοίωσης. Στο 2ο κεφάλαιο γίνεται μία θεωρητική ανάλυση των εξισώσεων που διέπουν τη ροή των ρευστών. Οι εξισώσεις κίνησης αναπτύσσονται και εξηγείται πως διαμορφώνονται μετά την ανάπτυξη της τύρβης. Στο σημείο αυτό γίνεται αντιληπτό ότι δεν είναι δυνατή η επίλυσή τους με αναλυτικές μεθόδους αλλά με αριθμητικές. Αυτή είναι και η απαρχή της εισόδου των αριθμητικών μεθόδων στη μηχανική ρευστών. Στο 3ο κεφάλαιο παρατίθεται το θεωρητικό υπόβαθρο πάνω στο οποίο βασίζεται η ανάλυση των διφασικών ροών αλλά και των στροβιλωδών ροών, έννοιες που συναντώνται στα επόμενα κεφάλαια. Η θεωρητική ανάλυση ολοκληρώνεται στο 4ο κεφάλαιο με την εμβάθυνση στην αριθμητική επίλυση των εξισώσεων του 2ου κεφαλαίου. Αρχίζουμε με μία σύντομη παρουσίαση των μεθόδων που αναπτύχθηκαν τις τελευταίες δεκαετίες, επικεντρώνοντας στη μέθοδο που χρησιμοποιούμε στην παρούσα εργασία. Στη συνέχεια παρατίθενται διάφορα μοντέλα προσομοίωσης ροών επικεντρώνοντας στις διφασικές ροές. Επειδή το αντικείμενο αυτό περιλαμβάνει εκτεταμένες μαθηματικές αναλύσεις, μεταφέρθηκαν αρκετά τμήματα στο παράρτημα 1, ώστε το κυρίως κείμενο της εργασίας να παρουσιάζει ομοιογένεια και να διατηρεί την ισορροπία μεταξύ της θεωρητικής ανάλυσης και της πρακτικής – ερευνητικής προσέγγισης που αναφέρθηκε προηγουμένως. Από το 5ο κεφάλαιο ξεκινά η παρουσίαση του καθαρά ερευνητικού έργου και ακολουθείται η λογική και χρονολογική σειρά που αναλύθηκε πριν, με τα τέσσερα στάδια εξέλιξης του «προϊόντος». Σε αυτό λοιπόν το κεφάλαιο αναλύεται η ιδέα –concept- λειτουργίας και η θεωρία πάνω στην οποία βασίζεται και παρουσιάζονται σχέδια από την σχεδίασή του στο AUTOCAD. Εκτός από αυτό όμως, κρίθηκε σκόπιμο να προχωρήσουμε ένα ακόμη βήμα, με τη δόμηση του πλέγματος του πεδίου ροής του διαχωριστή. Ο λόγος είναι καθαρά τεχνικός και έγκειται στην παραπλήσια μορφή των εξής δύο εργασιών: της σχεδίασης στο AUTOCAD και της σχεδίασης της γεωμετρίας στο GAMBIT. Το πλέγμα ακολούθησε αμέσως μετά, για να μην επανερχόμαστε στη χρήση του GAMBIT στο επόμενο κεφάλαιο. Στο 6ο κεφάλαιο γίνεται η αρχική διερεύνηση λειτουργίας του διαχωριστή, με προσομοίωση της ροής με Υπολογιστική Ρευστομηχανική. Ουσιαστικά ολοκληρώνεται η φάση της μοντελοποίησης, με την επεξεργασία του πλέγματος στο FLUENT σε επίπεδο post processing αλλά και με το «στήσιμο» της προσομοίωσης. Τέλος, με το «στήσιμο» του μοντέλου, είμαστε σε θέση να διεξάγουμε την προμοίωση και να συλλέξουμε αποτελέσματα στη συνέχεια. Στην ανάλυση που γίνεται, ακολουθείται η ροή: θεωρητική τεκμηρίωση, υλοποίηση προσομοίωσης ροής και συλλογή – επεξεργασία αποτελεσμάτων. Από τα αποτελέσματα της ανάλυσης προκύπτει ότι η απόδοση αυξάνει με την ταχύτητα εισόδου του μίγματος κάτι που είναι επιστημονικά σωστό – αποδεκτό. Επιτεύχθηκε σύγκλιση της λύσης και παρήχθησαν εικόνες της ροής μέσα στο διαχωριστή που μας δίνουν μια ποιοτική αποτίμηση του πεδίου ροής. Επειδή τα εξαγόμενα της εργασίας εδώ είναι κυρίως εικόνες από το FLUENT που περιγράφουν τη ροή, αυτές παρατίθενται στο παράρτημα 2 για να διευκολυνθεί η ροή της διατριβής. Στο 7ο κεφάλαιο γίνεται η πειραματική – παραμετρική ανάλυση της λειτουργίας του διαχωριστή. Στην ανάλυση αυτή, ακολουθείται και πάλι η ροή: θεωρητική τεκμηρίωση, διεξαγωγή πειράματος και συλλογή – επεξεργασία αποτελεσμάτων. Διερευνήθηκαν οι επιδράσεις των ανεξαρτήτων παραμέτρων συνδυασμένες σαν κλάσμα όγκου αέρα, στην απόδοση του διαχωριστή. Η συσκευή παρουσίασε καλή απόδοση σε συγκεκριμένες περιοχές λειτουργίας κάτι που υποδεικνύει ότι υπάρχει δυναμική για περαιτέρω έρευνα και βελτίωση. Σε αυτό το κεφάλαιο, δίνεται ιδιαίτερη έμφαση στην περιγραφή της πειραματικής εγκατάστασης, η οποία δεν προϋπήρχε, αλλά σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε από το μηδέν για την παρούσα εργασία. Σχέδια από τη φάση της σχεδίασης της εγκατάστασης στο AUTOCAD αλλά και λεπτομέρειές της, παρουσιάζονται αναλυτικά στο παράρτημα 3 μαζί με χαρακτηριστικές εικόνες από τη λειτουργία της. Το πρώτο εξαγόμενο από το πείραμα, είναι η ανάλυση της απόδοσης της συσκευής όπως παρουσιάστηκε στο 7ο κεφάλαιο. Το δεύτερο εξαγόμενο, -εξίσου σημαντικό- είναι η πιστοποίηση της μοντελοποίησης που έγινε στο 6ο κεφάλαιο. Αυτή η διαδικασία λαμβάνει χώρα στο 8ο κεφάλαιο. Το εξαγόμενο εδώ, είναι η τυποποίηση των ρυθμίσεων της υπολογιστικής διαδικασίας με τέτοιο τρόπο, ώστε στον επόμενο κύκλο (loop) πιστοποίησης του προϊόντος να έχουμε περισσότερα και πιο αξιόπιστα αποτελέσματα από το πρώτο στάδιο. Η ακρίβεια της πρόβλεψης με το υπολογιστικό πρόγραμμα, προέκυψε από την καλή αντιστοιχία που επιτεύχθηκε μεταξύ των αποτελεσμάτων της προσομοίωσης με το βέλτιστο μοντέλο, με τα πειραματικά αποτελέσματα τόσο σε σχέση με την παροχή αέρα στην έξοδο, όσο και με την απόδοση διαχωρισμού της συσκευής. Τέλος, στο 9ο κεφάλαιο κατατίθεται σύντομα –και με την εμπειρία που αποκτήθηκε- μία σειρά από δυνατότητες βελτίωσης του διαχωριστή. Είμαστε στο σημείο που αφήνουμε την ακαδημαϊκή ανάλυση του πεδίου ροής που ολοκληρώθηκε με επιτυχία και επικεντρωνόμαστε στην πιο πρακτική πτυχή, της βελτίωσης της απόδοσης της συσκευής. / The growth experienced in recent decades in the extraction of hydrocarbons, led to the adoption of increasingly modern technical products towards the phase separation near the source. The centrifugal separator is the most successful and widespread application. In this range of products, belongs the novel centrifugal separator presented in the present study. The analysis tries to balance between a "strictly scientific" analysis of the turbulent two-phase flow field in the separator and a more "practical" analysis of the performance of this device. The first is necessary because of the originality that has the particular scientific field and the lack of previous studies covering the issue; while the latter is essential because of the "practicality" we expect the final result to have. The problem that the present work is trying to solve, and the literature review that determines the direction to be followed by the research team, are presented in the 1st chapter. To tackle this problem, we follow a standard procedure of an industrial product development in four stages. In the first stage, the concept of function and the theory on which it is based are discussed. In the second stage, an initial investigation of the separator running a CFD simulation is performed. In the third step, an experimental - parametric analysis of the separator’s performance is being held. Finally, the fourth step is a confirmation - verification of CFD simulation. The 2nd chapter, is a theoretical analysis on the development of the governing equations of fluid flow. The equations of motion are developed and the transformation after the turbulence development is explained. At this point it is understood that it is not possible to solve them by analytical methods but with numerical. This is the beginning of the entry of numerical methods in fluid mechanics. The 3rd chapter, outlines the theoretical background upon which the analysis of two-phase flows and of turbulent flows is based. The theoretical analysis is completed in the 4th chapter by deepening in the numerical solution of equations of the second chapter. We begin with a brief presentation of the methods developed in recent decades, focusing on the method used in this work. Several simulation models focusing on the two-phase flow are presented here. Because this topic includes extensive mathematics, several sections were carried in Annex 1 to allow for consistency to the body of work, and maintain a balance between theoretical analysis and practice - research approach mentioned earlier. The presentation of pure research project starts in the 5th chapter, following the logical and chronological sequence that was analyzed before, with four stages in the “product development”. In this chapter, we discussed the concept of function and the theory on which it is based, and presented drawings of the design procedure in AUTOCAD. Apart from this however, it was decided to go a step further by building the grid of the flow field inside separator geometry. The reason is purely technical and is the similarity of the following two tasks: the design in AUTOCAD and geometry and mesh generation in GAMBIT. So the grid was generated in order not to revert to the use of GAMBIT in the next chapter. In the 6th chapter, we investigate the operation of the separator, by conducting an initial CFD simulation. An investigation of air-water separation process has been conducted using Υπολογιστική και Πειραματική Ανάλυση Διφασικής Ροής Αέρα – Νερού σε Φυγοκεντρικούς Διαχωριστές xi numerical simulation. Separator performance has been analyzed in terms of separation efficiency and pressure drop along the water flow path. The results of the analysis show that the performance increases with the inflow speed of the mixture which is scientifically correct - acceptable. Having achieved a converged solution and having produced images of the flow inside the separator we give a qualitative assessment of the flow field. Because the extracted work here is mostly pictures of the FLUENT describing the flow, these are listed in Annex 2 to facilitate the flow of the thesis. In the 7th chapter, the experimental - parametric analysis of the separator’s performance is conducted. New experimental data are reported, on the onsets of gas (air) and liquid (water) entrainment, mass flow rate and separation performance for the two-phase flow through the novel compact phase separator under various conditions. These data series cover the ranges of hmmhmwater/4/1303≤≤− and %90%4≤≤airvf. Influences of the independent parameters airm−0 and waterm−0 combined as air volume fraction vfair on the performance n, were considered. In this chapter, special emphasis is placed on describing the experimental setup, which did not exist, but was designed and built from scratch for this work. Designs from the design stage of the installation in AUTOCAD and its details are presented in detail in Annex 3 along with typical images of the operation. The first outcome of the experiment is the analysis of device’s performance as presented in chapter 7. The second outcome, -equally important- is the certification of modeling technique applied in chapter 6. This process takes place in the 8th chapter. The outcome, is to standardize the configuration of the computational process in such a way, that in the next development loop of the product, we have more and more reliable results than in the first stage. Finally, in chapter 9 (deposited soon after the experience gained), a series of possible improvements in the separator are presented. We leave it to the point that the academic analysis of the flow field was completed successfully and focus on more the practical aspect of improving the device’s performance.

Στην παρούσα εργασία θα αξιολογηθούν κάποιες αυτόματες μέθοδοι διαχωρισμού ακουστικών βιοσημάτων τα οποία λαμβάνονται από συστοιχία πιεζοηλεκτρικών αισθητήρων σε χαμηλές συχνότητες. Πιο συγκεκριμένα αρχικά θα οριστεί το πρόβλημα το οποίο μας ζητείται να επιλύσουμε και θα γίνουν αναφορές στη διαδρομή των δύο σημαντικότερων μεθόδων διαχωρισμού , της PCA και της ICA. Εν συνεχεία θα γίνει αναφορά στα βιοσήματα τόσο ως προς την προέλευση όσο και ως προς τα σημαντικότερα χαρακτηριστικά τους , η γνώση των οποίων διευκολύνει κατά πολύ τόσο τη διαδικασία του διαχωρισμού όσο και την αξιολόγηση της τελευταίας. Σε επόμενο κεφάλαιο θα γίνει εκτενής αναφορά στους πιεζοηλεκτρικούς αισθητήρες και τον τρόπο με τον οποίο κωδικοποιούν τα βιοσήματα με στόχο την περαιτέρω επεξεργασία τους. Στο μεγαλύτερο τμήμα της εργασίας αυτής ωστόσο θα αναλυθούν οι δύο τεχνικές διαχωρισμού , PCA και ICA και θα γίνει νύξη στους σημαντικότερους αλγορίθμους των παραπάνω (FastICA). Τέλος, θα γίνει εφαρμογή των μεθόδων αυτών τόσο σε τεχνητά όσο και σε πραγματικά σήματα και ανάλυση των αποτελεσμάτων που θα εξαχθούν. / In this diploma thesis some automatic acoustic bio-signal separation techniques are going to be evaluated. The signals used are taken from an array of piezoelectric sensors at low frequencies. To be more specific we are going to set the problem and make a brief report of the main historical facts about PCA and ICA. Furthermore, we are going to analyze both the origin and the most significant characteristics of bio-signals. This knowledge is going to provide us with a much easier separation procedure and a robust evaluation. Additionally not only piezoelectric sensors are going to be analyzed but also PCA and ICA will be resolved too. Main algorithms of both techniques will be mentioned. In conclusion those methods will be applied both on artificial and real data in order to draw some useful conclusions.

Αρχικά, στο πρώτο μέρος της διπλωματικής εργασίας μελετώνται οι πολυδιάστατες στατιστικές τεχνικές της Διαχωριστικής Ανάλυσης και της Ταξινόμησης δεδομένων, με σκοπό το διαχωρισμό διαφορετικών ομάδων αντικειμένων και τη κατάταξη νέων αντικειμένων σε προκαθορισμένο σύνολο ομάδων με τη χρήση ενός κανόνα, αντίστοιχα. Η διαδικασία κατασκευής και αξιολόγησης των κανόνων Ταξινόμησης βασίζεται στη κανονικότητα των δεδομένων. Ενώ ο σχηματισμός των γραμμικών συναρτήσεων Fisher για το διαχωρισμό των δεδομένων, υποθέτει ίσους πίνακες διασποράς. Στη συνέχεια παρατίθεται παράδειγμα εφαρμογής των δύο παραπάνω στατιστικών τεχνικών μέσω του στατιστικού πακέτου SPSS. Στο δεύτερο μέρος, εξετάζεται η διερευνητική τεχνική της Ομαδοποίησης δεδομένων, όπου στοχεύει στην οργάνωση των τιμών των αντικειμένων σε συστάδες. Έτσι ώστε να επιτυγχάνεται η μέγιστη ομοιότητα μεταξύ των παρατηρήσεων μέσα σε κάθε ομάδα και η μέγιστη ανομοιότητα μεταξύ των συστάδων, όπου αρχικά θεωρούνται άγνωστες σε αντίθεση με τη Διαχωριστικής Ανάλυση και της Ταξινόμηση όπου θεωρούνται γνωστές. Ο πιο δημοφιλής τρόπος για τον υπολογισμό της ομοιότητας είναι η απόσταση, όμως η εφαρμογή των αλγορίθμων συσταδοποίησης είναι πιο αποδοτικοί για την ομαδοποίηση των δεδομένων. Τέλος, εφόσον οι αλγόριθμοι ομαδοποίησης χωριστούν σε δυο κατηγορίες επιδιώκεται η σύγκριση μεταξύ τους, ως προς την αποτελεσματικότητα τους, με τη χρήση του στατιστικού πακέτου SPSS. / -

Στο πλαίσιο της εργασίας αυτής πραγματοποιείται ανάλυση και εφαρμογή του διαχωρισμού ακουστικών σημάτων, τα οποία έχουν ληφθεί από το ανθρώπινο σώμα, όταν αυτό βρίσκεται σε κατάσταση ύπνου. Τα σήματα αυτά έχουν ληφθεί με τη βοήθεια μιας συσκευής πιεζοκρυστάλλων και ο διαχωρισμός τους επιτυγχάνεται με τη μέθοδο Ανάλυσης Ανεξάρτητων Συνιστωσών (ICA). Κύριος σκοπός όλων των παραπάνω είναι να χρησιμοποιηθεί η εν λόγω μεθοδολογία στη διάγνωση της αποφρακτικής άπνοιας (OSA). Στο πρώτο κεφάλαιο, παρουσιάζεται αναλυτικά η μέθοδος ICA και το μαθηματικό μοντέλο που την περιγράφει, όπως επίσης και όλα τα βήματα προεπεξεργασίας της. Στη συνέχεια αναλύεται διεξοδικά η λειτουργία του αλγορίθμου FastICA και οι ιδιότητες του, με τον οποίο υλοποιείται το πειραματικό μέρος της εργασίας αυτής. Στο δεύτερο κεφάλαιο, μελετάται η ασθένεια της αποφρακτικής άπνοιας (OSA), οι παράγοντες και η παθολογία της καθώς και το κύριο διαγνωστικό σύμπτωμα της: το ροχαλητό. Ύστερα, πραγματεύεται την διάγνωση και τους γνωστότερους τρόπους θεραπείας αυτής της νόσου και τελικά τη μέθοδο του Snoring Detection. Στο τρίτο κεφάλαιο γίνεται μια εισαγωγή στον πιεζοηλεκτρισμό, και μία μελέτη του πιεζοηλεκτρικού φαινομένου και του μαθηματικού του μοντέλου. Ακολουθεί αναφορά των ειδών πιεζοηλεκτρικών αισθητήρων με τους οποίους λαμβάνονται τα σήματα που εξετάζονται σε αυτή την εργασία. Στο επόμενο κεφάλαιο γίνεται μία σύνδεση των δεδομένων θεωρίας που αναφέρονται στα προηγούμενα κεφάλαια και μία εισαγωγή στην πειραματική μέθοδο. Στο κεφάλαιο πέντε παρατίθενται κάποια παραδείγματα εφαρμογής του αλγορίθμου FastICA με τυχαία σήματα, τα οποία έχουν σκοπό να δοκιμάσουν την απόδοση του. Στο κεφάλαιο έξι, 5 γίνεται η πειραματική διαδικασία όπου τώρα τα σήματα που διαχωρίζονται με τον αλγόριθμο FastICA προέρχονται από το ανθρώπινο σώμα. Η υλοποίηση της γίνεται σε Matlab. Έτσι, γίνεται εξαγωγή του ζητούμενου σήματος ροχαλητού και αναγράφονται κάποια συμπεράσματα για την απόδοση του αλγορίθμου. Στο τέλος της εργασίας παρατίθενται σε ένα παράρτημα όλοι οι κώδικες της MATLAB που χρησιμοποιήθηκαν για την ολοκλήρωση του πειραματικού της μέρους στα κεφάλαια πέντε και έξι. / In this particular thesis, analysis and application of separation of acoustic signals is carried out. These signals have been taken from the human body in a sleeping state. They are obtained by means of a piezocrystallic device and their separation is achieved by the method of Independent Component Analysis (ICA). The main purpose of all this is to use this methodology in order to diagnose the Obstructive Sleep Apnea (OSA). The first chapter presents the method of ICA and the mathematical model that describes it as well as all the pre-processing steps. Then it analyses, in detail, the algorithm FastICA, which is used in the experimental part of this thesis and its properties. The second chapter studies the disease of obstructive sleep apnea (OSA), its factors and its pathology and the major diagnostic symptom: snoring. Then, it discusses the diagnosis and the best known ways of treating this disease and eventually the method of Snoring Detection. The third chapter is an introduction to piezoelectricity and a study of the piezoelectric effect and its mathematical description. This is followed by a reference to the types of piezoelectric sensors which are used to obtain the signals used in this paper. In chapter five we have listed some examplesapplications of the FastICA algorithm with random signals, which are designed to test the performance. Section six is where the experimental procedure takes place. The signals derived from the human body are separated by the algorithm FastICA and the implementation is done in Matlab. In addition, some conclusions regarding the performance of the algorithm. At the end of this paper, all the MATLAB codes used for the completion of the experimental part of the chapters five and six are listed in an Annex.