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Die Nanoindentation ist ein inzwischen etabliertes Verfahren zur Bestimmung der Materialkennwerte Härte und Elastizitätsmodul in kleinen Größendimensionen. Eine zusätzliche Bestimmung der Fließspannung aus solchen Nanoindentationsexperimenten würde deren Einsatzmöglichkeiten deutlich erweitern und zum Beispiel für die Bauteilauslegung kleiner Strukturen, Schichtcharakterisierung und die Beschaffung von Simulationseingangsdaten einen großen Fortschritt bedeuten. Diese Gründe machen das Thema zu einem aktuellen Forschungsgegenstand. In der vorliegenden Arbeit steht deswegen die Bewertung von Fließspannungsbestimmungsverfahren für Massivmaterialien in der Nanoindentation mittels einer Kombination aus Finite-Elemente-Simulationen und umfangreichen Experimentaldaten im Zentrum. Im Speziellen wird dabei das Konzept des effektiv geformten Indenters mit dem erweiterten Hertzschen Ansatz und dessen Anwendung zur Fließspannungsbestimmung aus Eindringversuchen mit selbstähnlichen Berkovichpyramiden betrachtet. Zur Bearbeitung dieser Aufgabenstellung wurden unter anderem drei Referenzverfahren zur Fließspannungsbestimmung (die Expanding cavity-Modelle, das Loading partial unloading-Verfahren und Minidruckversuche) ausführlich charakterisiert. Damit konnten dann im Weiteren belastbare Referenzfließspannungen für die umfangreiche Experimentaldatenbasis zur Verfügung gestellt werden. Außerdem wurden die untersuchten Materialien auf den Einfluss der Größenabhängigkeit der Fließspannungen, den Indentation size effect, hin untersucht. Dabei wurden die vorliegenden physikalischen Vorgänge in den Proben beschrieben, dahingehende Unterschiede bei den betrachteten Referenzverfahren charakterisiert und den Fließspannungswerten die Fließzonendimensionen zugeordnet. Mit den damit zur Verfügung stehenden Informationen konnte das Konzept des effektiv geformten Indenters in seiner Anwendung zur Fließspannungsbestimmung grundlegend bewertet werden. Alle Untersuchungen wurden dabei stets parallel mit Hilfe von Simulations- und Experimentaldaten durchgeführt, um tiefere Einblicke in die zu Grunde liegende Mechanik der Fließprozesse zu gewinnen.

Un aspecte fonamental quan cal resoldre un problema vibroacústic en un sistema mecànic és el de determinar com flueix l’energia des d’una font donada, cap a qualsevol part del sistema. Això permet decidir quines són les accions a prendre per disminuir, per exemple, els nivells de soroll i vibracions en una determinada àrea del sistema. El comportament dinàmic d’un sistema mecànic es pot estimar utilitzant diversos mètodes numèrics, cadascun dels quals enfocat a un marge de freqüència determinat. Mentre a baixes freqüències es poden aplicar mètodes deterministes com el Mètode d’Elements Finits (FEM) o el Mètode d’Elements de Contorn (BEM), a altes freqüències, els mètodes estadístics com l’Anàlisi Estadística Energètica (SEA), esdevenen inevitables. A més a més, diverses tècniques com el FE-SEA híbrid, els models de Distribució Energètica (ED) o l’Anàlisi Estadística de distribució d’Energia modal (SmEdA), entre d’altres, han estat recentment plantejades per tal de tractar amb l’anomenat problema de les mitges freqüències. Tanmateix, encara que alguns mètodes numèrics poden predir la resposta vibroacústica puntual o amitjanada d’un sistema, aquests no proporcionen de forma directa informació sobre com flueix l’energia per tot el sistema. Per tant, cal algun tipus de post-processament per a determinar quines són les vies de transmissió d’energia. L’energia transmesa a través d’un determinat camí que connecti un subsistema font, on l’energia és introduïda, i un subsistema receptor, es pot calcular numèricament. Tot i això, la identificació dels camins que dominen la transmissió d’energia des d’una font fins a un receptor normalment acostuma a basar-se en l’experiència i el parer de l’enginyer. Així doncs, un mètode que permeti obtenir aquests camins de forma automàtica resultaria molt útil. La teoria de grafs proporciona una sortida a aquest problema, ja que existeixen diversos algorismes de càlcul de camins en grafs. En aquesta tesi, es proposa un enllaç entre els models vibroacústics i la teoria de grafs, que permet adreçar els problemes de vies de transmissió de forma directa. La dissertació comença centrant-se en els models SEA. Primerament, es mostra que té sentit realitzar una anàlisi de vies de transmissió (TPA) en SEA. Seguidament, es defineix un graf que representa de forma acurada els models SEA. Tenint en compte que la transmissió d’energia entre fonts i receptors es pot justificar mitjançant la contribució d’un grup finit de vies dominants en varis casos d’interès, es presenta un algorisme per calcular-les. A continuació, s’implementa un algorisme que inclou en el càlcul de camins la naturalesa estocàstica dels factors de pèrdues SEA. Tot seguit, es tracta com es pot estendre l’anàlisi de vies de transmissió al marge de la mitja freqüència. L’aplicació de la teoria de grafs a les mitges freqüències s’adapta per alguns models ED, així com també SmEdA. Finalment, es presenta una altra possible aplicació de la teoria de grafs en vibroacústica. S’implementa una estratègia basada en algorismes de talls en grafs per tal de reduir l’energia en un subsistema receptor amb la modificació d’un grup reduït de factors de pèrdues. Aquest grup de variacions, es troba calculant talls en el graf que separin els subsistemes fonts dels receptors. / A fundamental aspect when solving a vibroacoustic problem in a mechanical system is that of finding out how energy flows from a given source to any part of the system. This would help making decisions to undertake actions for diminishing, for example, the noise or vibration levels at a given system area. The dynamic behavior of a mechanical system can be estimated using different numerical methods, each of them targeting a certain frequency range. Whereas at low frequencies deterministic methods such as the Finite Element Method (FEM) or the Boundary Element Method (BEM) can be applied, statistical methods like Statistical Energy Analysis (SEA) become unavoidable at high frequencies. In addition, a large variety of approaches such as the hybrid FE-SEA, the Energy Distribution (ED) models or the Statistical modal Energy distribution Analysis (SmEdA), among many others, have been recently proposed to tackle with the so-called mid-frequency problem. However, although numerical methods can predict the pointwise or averaged vibroacoustic response of a system, they do not directly provide information on how energy flows throughout the system. Therefore, some kind of post-processing is required to determine energy transmission paths. The energy transmitted through a particular path linking a source subsystem, where external energy is being input, and a target subsystem, can be computed numerically. Yet, identifying which paths dominate the whole energy transmission from source to target usually relies on the engineer's expertise and judgement. Thus, an approach for the automatic identification of those paths would prove very useful. Graph theory provides a way out to this problem, since powerful path algorithms for graphs are available. In this thesis, a link between vibroacoustic models and graph theory is proposed, which allows one to address energy transmission path problems in a straightforward manner. The dissertation starts focusing on SEA models. It is first shown that performing a transmission path analysis (TPA) in SEA makes sense. Then a graph that accurately represents the SEA model is defined. Given that the energy transmission between sources and targets is justified by the contribution of a limited group of dominant paths in many cases of practical interest, an algorithm to find them is presented. Thereafter, an enhanced algorithm is devised to include the stochastic nature of SEA loss factors in the ranking of paths. Next, it is discussed how transmission path analysis can be extended to the mid frequency range. The graph approach for path computation becomes adapted for some ED models, as well as for SmEdA. Finally, we outline another possible application of graph theory to vibroacoustics. A graph cut algorithm strategy is implemented to achieve energy reduction at a target subsystem with the sole modification of a reduced set of loss factors. The set is found by computing cuts in the graph separating source and receiver subsystems. / Un aspecto fundamental a la hora de resolver un problema vibroacústico en un sistema mecánico es el de determinar cómo fluye la energía desde una determinada fuente hasta cualquier parte del sistema. Ello ayudaría a tomar decisiones para emprender acciones destinadas a disminuir, por ejemplo, los niveles de ruido y vibraciones en un área del sistema dada. El comportamiento dinámico de un sistema mecánico se puede estimar utilizando varios métodos numéricos, cada uno de ellos enfocado a un determinado rango de frecuencia. Mientras en las bajas frecuencias se pueden aplicar métodos deterministas como el Método de los Elementos Finitos (FEM) o el método de Elementos de Contorno (BEM), los métodos estadísticos como el Análisis Estadístico Energético son inevitables en las altas frecuencias. Además, se han desarrollado gran variedad de técnicas como el FE-SEA híbrido, los modelos de Distribución de Energía (ED) o el Análisis Estadístico de distribución de Energía modal (SmEdA), entre otras, para tratar el llamado problema de las medias frecuencias. Sin embargo, aunque los métodos numéricos pueden predecir la respuesta vibroacústica puntual o promediada de un sistema mecánico, ellos no proporcionan información sobre como fluye la energía en el sistema. Por lo tanto, hace falta algún tipo de post-procesado para determinar las vías de transmisión de energía. La energía transmitida a través de un determinado camino que conecta un subsistema fuente, donde se introduce la energía, y un subsistema receptor, se puede calcular numéricamente. A pesar de ello, identificar qué caminos dominan la transmisión de energía desde la fuente al receptor normalmente suele recaer en la experiencia o el juicio del ingeniero. Así pues, un método automático para identificar estos caminos resultaría muy útil. La teoría de grafos proporciona una solución a este problema, ya que existen potentes algoritmos de cálculos de caminos en grafos. En esta tesis, se propone un enlace entre los modelos vibroacústicos y la teoría de grafos, que permite abordar los problemas de vías de transmisión de forma directa. La disertación empieza centrándose en los modelos SEA. Primeramente, se muestra que tiene sentido realizar un análisis de vías de transmisión (TPA) en un modelo SEA. Seguidamente, se define un grafo que representa fielmente un modelo SEA. Teniendo en cuenta que en muchos casos de interés práctico, la transmisión de energía entre fuentes y receptores se puede justificar mediante la contribución de un grupo finito de vías de transmisión, se define un algoritmo para encontrarlas. A continuación, se implementa un algoritmo que incluye en el cómputo de caminos la naturaleza estocástica de los factores de pérdidas SEA. Luego, se trata la extensión del análisis de vías de transmisión al rango de media frecuencia. La técnica de teoría de grafos aplicada a cálculo de caminos se adapta para algunos modelos ED y también SmEdA. Finalmente, se presenta otra posible aplicación de la teoría de grafos a la vibroacústica. Se implementa una estrategia basada en algoritmos de cortes en grafos destinada a reducir la energía en un subsistema receptor mediante la simple modificación de un grupo reducido de factores de pérdidas. El grupo se encuentra calculando cortes que separen en el grafo los subsistemas fuentes de los subsistemas receptores.

In der 175-jährigen Geschichte der Technischen Universität Chemnitz nimmt die Technische Mechanik im Kanon der technikwissenschaftlichen Disziplinen eine exponierte Stellung ein, zählt sie doch zu jenen Grundlagenfächern, die bereits nach Gründung der Königlichen Gewerbschule im Jahre 1836 auf dem Lehrplan standen und im Fortgang der Schulentwicklung stete Ausformung und Bereicherung erfuhren. Getragen von einer Vielzahl von Lehrer- und Forscherpersönlichkeiten, die überwiegend auf langjährige praktische Erfahrungen in renommierten Betrieben und unterschiedlichen gesellschaftlichen Bereichen verweisen konnten, nahm das Fachgebiet bis zur Gegenwart eine bemerkenswerte Entwicklung. Heute stellt es einen wichtigen Eckpfeiler der Fachausbildung dar und wird nicht nur von den Studenten im Maschineningenieurwesen, sondern auch von zahlreichen tangierenden Disziplinen wahrgenommen. Erstmals wird diese historische Entwicklung aus verschiedenen Perspektiven zusammengefasst, indem sowohl die Entwicklung der Lehrinhalte als auch die Spezifik der jeweiligen Ausbildungsgegebenheiten eingehender beschrieben wird. Dabei finden Lehrende wie Lernende, aber auch Forschung und Entwicklung, wissenschaftliches Leben, internationale Zusammenarbeit und Publizistik gleichermaßen Berücksichtigung. Das Buch ist das Resultat langjähriger Forschungsarbeiten, die im Zusammenhang mit der Geschichte der Bildungseinrichtung und zu ausgewählten Themen der Wissenschaftsentwicklung unter der Obhut der Professur Wissenschafts-, Technik- und Hochschulgeschichte geleistet wurden, und als ein Beitrag zum Jubiläum »175 Jahre TU Chemnitz« zu verstehen. / During the 175 years history of the Technical University of Chemnitz technical mechanics has been one of the basic disciplines of the engineering sciences. From the Higher Vocational School`s foundation in 1836 it has been part of the curriculum and has experienced continuous enrichment and refinement. As a result of excellent work of a large number of academic researchers and teachers, most of them with a background at renowned industrial companies and in diverse social areas, this scientific field experienced a remarkable development. Today it represents an important cornerstone of the curriculum and is studied not only by mechanical engineering students but also by many others from neighboring disciplines. For the first time this historical development is presented from different perspectives, dealing in depth with the evolution of the different subjects taught and also with the specifics of the conditions of academic teaching. In this context, academic teachers and students, research and development, academic life, international cooperation as well as publications are dealt with. This book is the outcome of longstanding research pursued by the Chair of the History of Science, Technology and Higher Learning on selected topics of the history of science and academic education. It is a contribution to the 175th anniversary of the Technical University of Chemnitz.

Tesi per compendi de publicacions. La consulta íntegra de la tesi, inclosos els articles no comunicats públicament per drets d'autor es pot realitzar, prèvia petició, a l'Arxiu de la UPC / Increasing global energy demand, growing carbon emissions and the depletion of fossil fuel sources are some of the most important driving forces for the development of sustainable energy solutions. Proton Exchange Membrane (PEM) fuel cells have been demonstrated to be a potential candidate for clean energy conversion in a wide range of applications reaching from highly dynamic transportation systems to stationary systems. Despite their benefits, such as high efficiency and wide operating range, PEM fuel cells must still meet or exceed the technological advantages, such as durability and cost, of conventional power systems in order to be truly competitive. Thus, current research is focused on improving these aspects. This doctoral thesis combines experimental and model-based studies in order to improve performance and durability of PEM fuel cells, that work without external humidification, as demanded by recent government-supported research programs. Improved performance and durability can be obtained by proper system control. The key factor for the development of successful control strategies is adequate thermal and water management considering their interconnections. Therefore, this work investigates the important links between performance, efficiency and lifetime with respect to fuel cell temperature and humidification. The experimental evaluation of temperature-related and purge-related effects shows the great potential of improving the system performance by proper thermal management. In-situ and ex-situ experiments, such as electrochemical impedance spectroscopy (EIS), cyclic voltammetry (CV), gas chromatography (GC), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM) were utilized in order to explore short-term and long-term effects of operation modes on performance and durability. To provide a better understanding of the experimentally observed phenomena and their different dynamics with respect to the development of efficient controllers, mathematical models have been derived. The dynamic models allow for relating electrode structure to the cell voltage transient behavior during changes in fuel cell temperature and humidification, including important phase change and ionomer sorption dynamics of water. The experimentally validated, model-based analysis provides recommendations of proper operating conditions and catalyst structure, such as optimal fuel cell temperature and adequate pore-size-distribution, in order to improve the PEM fuel cell performance. The modular character and inherent adaptability of the models has been successfully demonstrated in the study of water transport in a high temperature PEM fuel cell stack. It is shown how mathematical modeling can improve the interpretation of experimental results and provide insight into experimentally non-observable interactions. In conclusion, the presented laboratory and model-based work, including the developed experimental and mathematical tools, contribute to current international research targets for advancing sustainable energy solutions. / La creciente demanda mundial de energía, el crecimiento de las emisiones de dióxido de carbono y el agotamiento de las fuentes de combustible fósiles son algunos de los factores más importantes para el desarrollo de soluciones basadas en energies sostenibles. Las pilas de combustible de tipo Proton Exchange Membrane (PEM) han demostrado ser un candidato potencial para la conversión limpia de la energía en una extensa gama de aplicaciones, desde los sistemas de transporte altamente dinámicos hasta sistemas estacionarios. No obstante sus beneficios, tales como una alta eficiencia y un amplio rango de operación, las pilas de combustible PEM todavía deben cumplir o superar las ventajas tecnológicas de los sistemas de energía convencionales, como son su durabilidad y coste, con el fin de ser verdaderamente competitivas. Por lo tanto, la investigación actual se centra en la mejora de estos aspectos. Esta tesis doctoral combina estudios experimentales y estudios basados en modelos físicos con el fin de mejorar el rendimiento y la durabilidad de las pilas de combustible PEM que trabajan sin humidificación externa, tal y como exigen recientes programas de investigación apoyados por los gobiernos. La mejora del rendimiento y de la durabilidad se puede obtener por control apropiado del sistema. El factor clave para el desarrollo de estrategias de control exitosas es la gestión adecuada de la temperatura y del agua y sus interconexiones. Por lo tanto, este trabajo investiga los vínculos importantes entre el rendimiento, la eficiencia y la vida útil con respecto a la temperatura de la pila de combustible y su humidificación. La evaluación experimental de los efectos relacionados con la temperatura y las purgas de hidrógeno muestra el gran potencial para mejorar el rendimiento del sistema pila mediante una gestión térmica adecuada. En esta tesis se emplean experimentos in-situ y ex-situ, tales como la espectroscopía electroquímica de impedancia (EIS), la voltametría cíclica (CV), la cromatografía de gases (CG), la espectroscopia de fotoelectrones emitidos por rayos X (XPS), la difracción de rayos X (XRD) y la microscopía electrónica de barrido (SEM) con el fin de explorar los efectos a corto plazo y a largo plazo de los modos de operación sobre el rendimiento y la durabilidad de una pila PEM. Para proporcionar una mejor comprensión de los fenómenos observados experimentalmente y sus diferentes dinámicas para el correcto desarrollo de controladores eficientes, se derivan modelos matemáticos dinámicos. Los modelos permiten relacionar la estructura de los electrodos con el comportamiento transitorio del voltaje durante los cambios de temperatura y de humidificación de la pila de combustible, incluyendo las dinámicas importantes del cambio de fase y de adsorción y desorción del agua. El análisis basado en modelos validados experimentalmente proporciona recomendaciones de las condiciones de funcionamiento y de la estructura del catalizador, tales como la temperatura óptima y la distribución de tamaño de poros apropiada, con el fin de mejorar el rendimiento de la pila de combustible PEM. El carácter modular y la adaptabilidad inherente de los modelos propuestos se demuestra con éxito en el estudio de transporte de agua en un stack de pilas de combustible PEM de alta temperatura. Se muestra como el modelado matemático puede mejorar la interpretación de los resultados experimentales y proporcionar información sobre las interacciones que experimentalmente no son observables. En conclusión, el trabajo de laboratorio y el basado en modelos que se presenta en esta tesis doctoral, incluyendo las herramientas experimentales y matemáticas desarrolladas, contribuyen a la consecución de los actuales objetivos internacionales de investigación que deben permitir aportar mejoras en las soluciones basadas en energías sostenibles.

The combination of modern self-assembly techniques with well-established top-down processing methods pioneered in the electronics industry is paving the way for increasingly sophisticated devices in the future[1]. Nanomembranes, made from a variety of materials, can provide the necessary framework for a diverse range of device structures incorporating wrinkling, buckling, folding, and rolling of thin films[2, 3]. Over the past decade, an elegant symbiosis of bottom-up and top-down methods has been developed, allowing the fabrica- tion of hybrid layer systems via the controlled release and rearrangement of inherently strained layers [4]. Self-assembled rolled-up structures[4, 5] have become increasingly at- tractive in a number of fields including micro/nano uidics[6], optics[7](including metama- terial optical fibers[8]), Lab on a Chip applications[9], and micro- and nanoelectronics[10]. The use of such structures for microelectronic applications has been driven by the versatility in contacting geometries and the abundance of material combinations that these devices offer. By allowing devices to expand in the third dimension, certain obstacles that inhibit 2D structuring can be overcome in elegant ways. Similarly, recent progress in nanostructured superconducting electronic structures has been receiving increased attention[11]. The advancement of such devices has been mo- tivated by their use in quantum computation[12], high sensitivity radiation sensors[13], precision voltage standards[14] and superconducting spintronics[15] to name a few. Combining semiconductor with superconductor materials to create new hybrid geometries is advantageous because it adds the functionalities of the semiconductor, including high charge carrier mobilities, gating possibilities, and refined processing technologies. The main focus of the work presented in this thesis is the development of new methods for controlling strain behavior and its applications toward novel semiconduc- tor/superconductor heterostructures based on nanomembranes. More specifically, the goal is to integrate inherently strained semiconductor layer structures with superconducting materials to create innovative electronic devices by the controlled releasing and rearrangement of thin films. By rolling up pre-patterned semiconductor/superconductor layers, device geometries have been realized that are not feasible using any other technique. In this way, superconducting hybrid junctions, or Josephson junctions, have been created and their basic properties investigated. The Josephson effect, and junctions displaying this quantum coherent behavior, have found many essential uses in diverse areas of science and technology. Many research groups around the world are involved in finding new materials and fabrication methods to tune the properties and structure of such Josephson devices further[11]. The inclusion of semi- conductors, for example, allows for a greater control of the charge carrier density within the junction area, thus allowing for "transistor-like" behavior in these superconducting devices. By rolling up the superconductor contacts using a strained semiconductor as scaffolding, the fabrication of hybrid nano-junctions is simplified drastically, removing the need for complicated processing steps such as electron-beam or nano-imprint lithography. Furthermore, the technique allows many nanometer-sized devices to be created in parallel on a single chip which has the advantage that it can be scaled up to full-wafer processing. First, post-growth processing techniques of epitaxial layers are developed in order to extend the control of hybrid device fabrication. Here, three unique concepts for controlling the rolling behavior of strained semiconductor nanomembranes are presented. First an optical method for inhibiting the rolling of the strained layers is described. Next, a selective etching method for destroying the inherent strain within the semiconductor layer is introduced. Finally, a method by which the strain gradient across a trilayer stack is altered in situ during rolling is presented. Next, the fabrication of a hybrid nanomembrane-based superconducting device is presented. Various experimental details of the fabrication process are analyzed, and the electronic properties of the completed device are investigated. The devices created here highlight the fabrication process in which nanometer-sized structures are created using self-assembly techniques and standard microelectronics fabrication methods, presenting a new method to circumvent more complicated processing techniques. References [1] G. M. Whitesides and B. Grzybowski. Self-assembly at all scales. Science 295, 2418{2421 (2002). [2] Y. G. Sun, W. M. Choi, H. Q. Jiang, Y. G. Y. Huang and J. A. Rogers. Controlled buckling of semiconductor nanoribbons for stretchable electronics. Nature Nanotechnology 1, 201{207 (2006). [3] O. G. Schmidt and K. Eberl. Nanotechnology - Thin solid films roll up into nanotubes. Nature 410, 168 (2001). [4] O. G. Schmidt, C. Deneke, Y. Nakamura, R. Zapf-Gottwick, C. Mller and N. Y. Jin-Phillipp. Nanotechnology { Bottom-up meets top-down. Advanced Solid State Physics 42, 231 (2002). [5] V. Ya. Prinz, V. A. Seleznev, A. K. Gutakovsky, A. V. Chehovskiy, V. V. Preobrazhenskii, M. A. Putyato and T. A. Gavrilova. Free-standing and overgrown InGaAs/GaAs nanotubes, nanohelices and their arrays. Physica E 6, 828 (2000). [6] D. J. Thurmer, C. Deneke, Y. F. Mei and O. G. Schmidt. Process integration of microtubes for uidic applications. Applied Physics Letters 89, 223507 (2006). [7] R. Songmuang, A. Rastelli, S. Mendach and O. G. Schmidt. SiOx/Si radial superlattices and microtube optical ring resonators. Applied Physics Letters 90, 091905 (2007). [8] E. J. Smith, Z. W. Liu, Y. F. Mei and O. G. Schmidt. Combined surface plasmon and classical waveguiding through metamaterial fiber design. Nano Letters 10, 1{5 (2010). [9] G. S. Huang, Y. F. Mei, D. J. Thurmer, E. Coric and O. G. Schmidt. Rolled-up transparent microtubes as two-dimensionally confined culture scaffolds of individual yeast cells. Lab on a Chip 9, 263{268 (2009). [10] C. C. B. Bufon, J. D. C. Gonzalez, D. J. Thurmer, D. Grimm, M. Bauer and O. G. Schmidt. Self-assembled ultra-compact energy storage elements based on hybrid nanomembranes. Nano Letters 10, 2506{2510 (2010). [11] G. Katsaros, P. Spathis, M. Stoffel, F. Fournel, M. Mongillo, V. Bouchiat, F. Lefloch, A. Rastelli, O. G. Schmidt and S. De Franceschi. Hybrid superconductor-semiconductor devices made from self-assembled SiGe nanocrystals on silicon. Nature Nanotechnology 5, 458{464 (2010). [12] Y. J. Doh, J. A. van Dam, A. L. Roest, E. P. A. M. Bakkers, L. P. Kouwenhoven and S. De Franceschi. Tunable supercurrent through semiconductor nanowires. Science 309, 272{275 (2005). [13] F. Giazotto, T. T. Heikkila, G. P. Pepe, P. Helisto, A. Luukanen and J. P. Pekola. Ultrasensitive proximity Josephson sensor with kinetic inductance readout. Applied Physics Letters 92, 162507 (2008). [14] S. P. Benz. Superconductor-normal-superconductor junctions for programmable voltage standards. Applied Physics Letters 67, 2714{2716 (1995). [15] Y. C. Tao and J. G. Hu. Superconducting spintronics: Spin-polarized transport in superconducting junctions with ferromagnetic semiconducting contact. Journal of Applied Physics 107, 041101 (2010).

Con la reciente explosión cuantitativa de bibliotecas y colecciones de música en formatodigital, la descripción del contenido desempeña un papel fundamental para una gestión ybúsqueda eficientes de archivos de audio. La presente tesis doctoral pretende hacer unanálisis automático de la estructura de piezas musicales a partir del análisis de unagrabación, es decir, extraer una descripción estructural a partir de señales musicalespolifónicas. En la medida en que la repetición y transformación de la estructura de lamúsica genera una identificación única de una obra musical, extraer automáticamenteesta información puede vincular entre sí descripciones de bajo y alto nivel de una señalmusical y puede proporcionar al usuario una manera más efectiva de interactuar con uncontenido de audio. Para algunas aplicaciones basadas en contenido, encontrar los límitesde determinados segmentos de una grabación resulta indispensable. Así pues, también seinvestiga la segmentación temporal de audio a nivel semántico, al igual que laidentificación de extractos representativos de una señal musical que pueda servir comoresumen de la misma. Para ello se emplea una técnica de análisis a un nivel deabstracción más elevado que permite obtener una mejor división en segmentos. Tantodesde el punto de vista teórico como práctico, esta investigación no sólo ayuda aincrementar nuestro conocimiento respecto a la estructura musical, sino que tambiénproporciona una ayuda al examen y a la valoración musical. / With the recent explosion in the quantity of digital audio libraries and databases, contentdescriptions play an important role in efficiently managing and retrieving audio files.This doctoral research aims to discover and extract structural description frompolyphonic music signals. As repetition and transformations of music structure creates aunique identity of music itself, extracting such information can link low-level and higherleveldescriptions of music signal and provide better quality access plus powerful way ofinteracting with audio content. Finding appropriate boundary truncations is indispensablein certain content-based applications. Thus, temporal audio segmentation at the semanticlevel and the identification of representative excerpts from music audio signal are alsoinvestigated. We make use of higher-level analysis technique for better segmenttruncation. From both theoretical and practical points of view, this research not onlyhelps in increasing our knowledge of music structure but also facilitates in time-savingbrowsing and assessing of music.

Aquesta tesi versa sobre la classificació automàtica de gèneres musicals, basada en l'anàlisi del contingut del senyal d'àudio, plantejant-ne els problemes i proposant solucions. Es proposa un estudi de la classificació de gèneres musicals des del punt de vista computacional però inspirat en teories dels camps de la musicologia i de la percepció. D'aquesta manera, els experiments presentats combinen diferents elements que influeixen en l'encert o fracàs de la classificació, com ara els descriptors d'àudio, les tècniques d'aprenentatge, etc. L'objectiu és avaluar i comparar els resultats obtinguts d'aquests experiments per tal d'explicar els límits d'encert dels algorismes actuals, i proposar noves estratègies per tal de superar-los. A més a més, partint del processat de la informació d'àudio, s'inclouen aspectes musicals i culturals referents al gènere que tradicionalment no han estat tinguts en compte en els estudis existents. En aquest context, es proposa l'estudi de diferents famílies de descriptors d'àudio referents al timbre, ritme, tonalitat o altres aspectes de la música. Alguns d'aquests descriptors són proposats pel propi autor mentre que d'altres ja són perfectament coneguts. D'altra banda, també es comparen les tècniques d'aprenentatge artificial que s'usen tradicionalment en aquest camp i s'analitza el seu comportament davant el nostre problema de classificació. També es presenta una discussió sobre la seva capacitat per representar els diferents models de classificació proposats en el camp de la percepció. Els resultats de la classificació es comparen amb un seguit de tests i enquestes realitzades sobre un conjunt d'individus. Com a resultat d'aquesta comparativa es proposa una arquitectura específica de classificadors que també està raonada i explicada en detall. Finalment, es fa un especial èmfasi en comparar resultats dels classificadors automàtics en diferents escenaris que pressuposen la barreja de bases de dades, la comparació entre bases de dades grans i petites, etc. A títol de conclusió, es mostra com l'arquitectura de classificació proposada, justificada pels resultats dels diferents anàlisis, pot trencar el límit actual en tasques de classificació automàtica de gèneres musicals. De manera condensada, es pot dir que aquesta tesi contribueix al camp de la classificació de gèneres musicals en els següents aspectes: a) Proporciona una revisió multidisciplinar delsgèneres musicals i la seva classificació; b)Presenta una avaluació qualitativa i quantitativa de les famílies de descriptors d'àudio davant el problema de la classificació de gèneres; c) Avalua els pros i contres de les diferents tècniques d'aprenentatge artificial davant el gènere; d) Proposa una arquitectura nova de classificador d'acord amb una visió interdisciplinar dels gèneres musicals; e) Analitza el comportament de l'arquitecturaproposada davant d'entorns molt diversos en el que es podria implementar el classificador. / Esta tesis estudia la clasificación automática degéneros musicales, basada en el análisis delcontenido de la señal de audio, planteando sus problemas y proponiendo soluciones. Sepropone un estudio de la clasificación de los géneros musicales desde el punto de vista computacional, pero inspirado en teorías de los campos de la musicología y la percepción. De este modo, los experimentos persentados combinan distintos elementos que influyen en el acierto o fracaso de la clasificación, como por ejemplo los descriptores de audio, las técnicas de aprondiza je, etc. El objetivo es comparar y evaluar los resultados obtenidos de estos experimentos para explicar los límites de las tasas de acierto de los algorismos actuales, y proponer nuevas estrategias para superarlos. Además, partiendo del procesado de la información de Audio, se han incluido aspectos musicales y culturales al género que tradicionalmente no han sido tomados en cuenta en los estudios existentes. En este contexto, se propone el estudio de distintas famílias de descriptores de audio referentes al timbre, al ritmo, a la tonalidad o a otros aspectos de la música. Algunos de los descriptores son propuestos por el mismo autor, mientras que otros son perfectamente conocidos. Por otra parte, también se comparan las técnicas de aprendiza je artificial que se usan tradicionalmente, y analizamos su comportamiento en frente de nuestro problema de clasificación. Tambien planteamos una discusión sobre su capacidad para representar los diferentes modelos de clasificación propuestos en el campo de la percepción. Estos resultados de la clasificación se comparan con los resultados de unos tests y encuestas realizados sobre un conjunto de individuos. Como resultado de esta comparativa se propone una arquitectura específica de clasificadores que tambien está razonada y detallada en el cuerpo de la tesis. Finalmente, se hace un émfasis especial en comparar los resultados de los clasificadores automáticos en distintos escenarios que assumen la mezcla de bases de datos, algunas muy grandes y otras muy pequeñas, etc. Como conclusión, mostraremos como la arquitectura de clasificación propuesta permite romper el límite actual en el ámbito de la classificación automática de géneros musicales.De forma condensada, se puede decir que esta tesis contribuye en el campo de la clasificación de los géneros musicales el los siguientes aspectos: a) Proporciona una revisión multidisciplinar de los géneros musicales y su clasificación; b) Presenta una evaluación cualitativa y cuantitativa de las famílias de descriptores de audio para la clasificación de géneros musicales; c) Evalua los pros y contras de las distintas técnicas de aprendiza je artificial delante del género; d) Propone una arquitectura nueva del clasificador de acuerdo con una visión interdisciplinar de los géneros musicales; e) Analiza el comportamiento de la arquitectura propuesta delante de entornos muy diversos en los que se podria implementar el clasificador. / This dissertation presents, discusses, and sheds some light on the problems that appear when computers try to automatically classify musical genres from audio signals. In particular, a method is proposed for the automatic music genre classification by using a computational approach that is inspired in music cognition and musicology in addition to Music Information Retrieval techniques. In this context, we design a set of experiments by combining the different elements that may affect the accuracy in the classification (audio descriptors, machine learning algorithms, etc.). We evaluate, compare and analyze the obtained results in order to explain the existing glass-ceiling in genre classification, and propose new strategies to overcome it. Moreover, starting from the polyphonic audio content processing we include musical and cultural aspects of musical genre that have usually been neglected in the current state of the art approaches. This work studies different families of audio descriptors related to timbre, rhythm, tonality and other facets of music, which have not been frequently addressed in the literature. Some of these descriptors are proposed by the author and others come from previous existing studies. We also compare machine learning techniques commonly used for classification and analyze how they can deal with the genre classification problem. We also present a discussion on their ability to represent the different classification models proposed in cognitive science. Moreover, the classification results using the machine learning techniques are contrasted with the results of some listening experiments proposed. This comparison drive us to think of a specific architecture of classifiers that will be justified and described in detail. It is also one of the objectives of this dissertation to compare results under different data configurations, that is, using different datasets, mixing them and reproducing some real scenarios in which genre classifiers could be used (huge datasets). As a conclusion, we discuss how the classification architecture here proposed can break the existing glass-ceiling effect in automatic genre classification. To sum up, this dissertation contributes to the field of automatic genre classification: a) It provides a multidisciplinary review of musical genres and its classification; b) It provides a qualitative and quantitative evaluation of families of audio descriptors used for automatic classification; c) It evaluates different machine learning techniques and their pros and cons in the context of genre classification; d) It proposes a new architecture of classifiers after analyzing music genre classification from different disciplines; e) It analyzes the behavior of this proposed architecture in different environments consisting of huge or mixed datasets.

Στην παρούσα Διπλωματική Εργασία μελετάται και αναλύεται η Ηλεκτρομαγνητική συμπεριφορά βασικών κυκλωμάτων και στοιχείων, τα οποία απαντώνται πάνω σε Πλακέτες Τυπωμένων Κυκλωμάτων. Η σχεδίαση και ανάλυση των μοντέλων γίνεται χρησιμοποιώντας τα Ηλεκτρομαγνητικά λογισμικά πακέτα της Agilent, ΕΜPro και ADS, ενώ για τον υπολογισμό χρήσιμων παραμέτρων χρησιμοποιείται η ελεύθερη εφαρμογή της Agilent, Appcad και η εφαρμογή Linecalc, η οποία είναι ενσωματωμένη στο ADS. Αρχικά, γίνεται μια σύντομη αναφορά στις σύγχρονες τάσεις που επικρατούν στην περιοχή των Τυπωμένων Κυκλωμάτων και περιγράφεται η χρησιμότητα των τοπολογιών που αναλύονται. Επιπροσθέτως, αναφέρεται η αναγκαιότητα και οι περιπτώσεις κατά τις οποίες είναι απαραίτητη η διεξαγωγή ηλεκτρομαγνητικής ανάλυσης των κυκλωμάτων, αλλά και τα προτερήματα που αυτή προσφέρει. Παρουσιάζεται η χρησιμότητα και αναλύεται η δομή μιας μαιανδρικής μικροταινιακής γραμμής εισαγωγής καθυστερήσεως και συγκρίνονται οι εκπομπές της ως προς τις εκπομπές μιας ευθείας μικροταινιακής γραμμής. Έπειτα, μελετάται η κατανομή του ρεύματος στο επίπεδο αναφοράς μιας απλούστερης γεωμετρίας μαιανδρικής μικροταινιακής γραμμής και παρουσιάζονται φαινόμενα περισσότερο αισθητά σε υψηλές συχνότητες. Έπειτα, μελετώνται οι εκπομπές από μια γεωμετρία μικροταινιακής γραμμής, η οποία διασχίζει σχισμή στο επίπεδο αναφοράς. Επίσης, μελετάται η συμπεριφορά μικροταινιακής γραμμής ευρισκόμενης στο χείλος μιας πλακέτας. Επιπλέον, μελετάται ένα πρόβλημα σχεδιάσεως αποτελεσματικής ηλεκτρομαγνητικής θωρακίσεως και υπολογίζεται η αποδοτικότης της θωρακίσεως. Σε επόμενο κεφάλαιο, μελετάται η επίδραση ασυνεχειών ευρισκόμενων σε μια δομή μικροταινιακής γραμμής και σχεδιάζεται ένα μεταϋλικό, ενώ παράλληλα προσδιορίζονται χαρακτηριστικές παράμετροι της δομής. Ακολούθως, σχεδιάζονται τρία είδη δομών που περιλαμβάνουν οπές via. Αυτές είναι: μία απλή via , μια δομή διαφορικών via και μια εφαρμογή απομονώσεως δυο συζευγμένων ταινιογραμμών χρήσει ενός φράχτη από οπές via. Τέλος, προσομοιώνεται η λειτουργία μιας πραγματικής πλακέτας και υπολογίζονται οι ηλεκτρομαγνητικές της εκπομπές στο μακρινό πεδίο. Παράλληλα, παρουσιάζονται ορισμένα στατιστικά του χρόνου εκτελέσεως και των απαιτούμενων πόρων για την προσομοίωση, γίνονται σχόλια και επισημάνσεις που αφορούν στα χαρακτηριστικά των χρησιμοποιούμενων αλγορίθμων για τη διεξαγωγή μετεπεξεργασίας των δεδομένων και δίνονται χρήσιμες συμβουλές όσον αφορά σε χαρακτηριστικά του λογισμικού Προσομοιώσεως και σε δυνατότητες επιταχύνσεως της Προσομοιώσεως που προσφέρονται από το ίδιο το λογισμικό. / -

Ce travail concerne l’étude acoustique théorique et expérimentale des matériaux poreux à squelette métallique, macroscopiquement homogènes et inhomogènes ainsi que l’étude de leurs propriétés mécaniques de comportement au choc pour comparaison. Le modèle acoustique de Johnson -Champoux - Allard s’est montré adapté pour la modélisation acoustique. Ce modèle associé à une approche proposée récemment et utilisant le concept de matrices de transfert en parallèle a permis, dans une nouvelle approche basée sur les “mélanges de matériaux”, d’étudier les matériaux poreux macroscopiquement inhomogènes. Par ailleurs, une étude paramétrique du coefficient d’absorption en fonction de la porosité et de la fréquence a été proposée. Les maxima d’absorption ainsi que l’enveloppe des courbes d’absorption en fonction de la porosité ont été étudiés. En premier lieu, un matériau théorique à propriétés indépendantes a été étudié. Les matériaux réels à propriétés interdépendantes ont ensuite été abordés à l’aide d’un modèle reliant leurs propriétés à la porosité. Enfin, une comparaison entre les propriétés acoustiques et les propriétés mécaniques de comportement à l’impact a été initiée en vue de déterminer un critère objectif permettant de proposer un compromis entre les deux domaines. / This work is concerned with the theoretical and experimental study of the acoustical properties of macroscopically homogenous and inhomogeneous porous media as well as their mechanical response to impacts. The model of Johnson - Champoux - Allard appeared adapted for the acoustical modeling. This model, associated with a recently developed approach involving the concept of parallel transfer matrices has lead to a new approach of macroscopically inhomogeneous porous materials based on “mixtures of materials”. Furthermore, a parametric study of the absorption coefficient as a function of porosity and frequency has been proposed. The maximums of absorption as well as the envelop of the absorption curves have been studied as functions of porosity. First, a theoretical material with independent parameters has been studied. Real materials with nonindependent parameters were then investigated with the help of a model relating their properties to the porosity. Finally, a comparison between the acoustical and mechanical properties has been initiated in view of determining an objective criterion that will allow to propose a trade off between the two fields.