Este documento trata do estudo de sistemas de controle de ruído e qualidade sonora em aplicações próprias da indústria da mobilidade, e da avaliação inovadora do seu desempenho com base em métricas da psico-acústica relevantes para esta área como Loudness, Roughness e Tonality. Uma metodologia de projeto e implantação de sistemas de controle ativo com base em métricas da psico-acústica é estabelecida. Os desafios se encontram, primeiramente, na definição do conjunto de atributos temporais e espectrais do distúrbio de entrada, responsável pelas condições auditivas indesejáveis que são identificados a partir da análise da emissão acústica sintetizada de um motor de combustão interna de um veículo automotivo. Algoritmos e metodologias computacionais são usados de forma extensiva para simulação e análise, integrando as áreas de projeto de sistemas de controle e psico-acústica. Um algoritmo adaptativo de controle de qualidade sonora é desenvolvido para solucionar problemas gerados pela interação em amplitude e/ou fase relativa das componentes de banda estreita em distúrbios de característica harmônica. Finalmente, os conceitos avaliados de forma numérica são validados experimentalmente, permitindo não só a análise critica do desempenho psico-acústico dos controladores, como também da própria metodologia de projeto adotada, o que é realizado com auxílio de um mock-up de um veículo automotivo sujeito a distúrbios de características psico-acústicas relevantes para o problema proposto. / This master thesis deals with the study of active noise and sound quality control systems in automotive applications, and the innovative assessment of their performance based on relevant psychoacoustic metrics in this area such as Loudness, Roughness and Tonality. A methodology for designing and implementing active control systems based on psychoacoustic metrics is established. The main challenges reside in defining the set of time-frequency attributes of the disturbance, responsible for the undesirable auditory stimuli. Computer algorithms are used extensively for simulating and analyzing the disturbance, which is a synthesized internal combustion engine noise, integrating both the control system design and psychoacoustics areas. An adaptive active sound quality control algorithm is proposed to resolve the amplitude and/or relative phase interactions among the narrowband components of the multi-harmonic disturbance. Eventually, the numerical results are correlated with real experiments, allowing not only a critical analysis of the psychoacoustic performance of the controllers, but also of the proposed design methodology, which is accomplished with the aid of a vehicle\'s mock-up, subject to disturbances of relevant psychoacoustic characteristics to the proposed problem.

Este documento trata do estudo de sistemas de controle de ruído e qualidade sonora em aplicações próprias da indústria da mobilidade, e da avaliação inovadora do seu desempenho com base em métricas da psico-acústica relevantes para esta área como Loudness, Roughness e Tonality. Uma metodologia de projeto e implantação de sistemas de controle ativo com base em métricas da psico-acústica é estabelecida. Os desafios se encontram, primeiramente, na definição do conjunto de atributos temporais e espectrais do distúrbio de entrada, responsável pelas condições auditivas indesejáveis que são identificados a partir da análise da emissão acústica sintetizada de um motor de combustão interna de um veículo automotivo. Algoritmos e metodologias computacionais são usados de forma extensiva para simulação e análise, integrando as áreas de projeto de sistemas de controle e psico-acústica. Um algoritmo adaptativo de controle de qualidade sonora é desenvolvido para solucionar problemas gerados pela interação em amplitude e/ou fase relativa das componentes de banda estreita em distúrbios de característica harmônica. Finalmente, os conceitos avaliados de forma numérica são validados experimentalmente, permitindo não só a análise critica do desempenho psico-acústico dos controladores, como também da própria metodologia de projeto adotada, o que é realizado com auxílio de um mock-up de um veículo automotivo sujeito a distúrbios de características psico-acústicas relevantes para o problema proposto. / This master thesis deals with the study of active noise and sound quality control systems in automotive applications, and the innovative assessment of their performance based on relevant psychoacoustic metrics in this area such as Loudness, Roughness and Tonality. A methodology for designing and implementing active control systems based on psychoacoustic metrics is established. The main challenges reside in defining the set of time-frequency attributes of the disturbance, responsible for the undesirable auditory stimuli. Computer algorithms are used extensively for simulating and analyzing the disturbance, which is a synthesized internal combustion engine noise, integrating both the control system design and psychoacoustics areas. An adaptive active sound quality control algorithm is proposed to resolve the amplitude and/or relative phase interactions among the narrowband components of the multi-harmonic disturbance. Eventually, the numerical results are correlated with real experiments, allowing not only a critical analysis of the psychoacoustic performance of the controllers, but also of the proposed design methodology, which is accomplished with the aid of a vehicle\'s mock-up, subject to disturbances of relevant psychoacoustic characteristics to the proposed problem.

O chatter é o principal problema de instabilidade nos processos de usinagem, e é causado pelas ondulações deixadas na superfície durante cortes sucessivos, ou chamado processo de regeneração, e é caracterizado pelo ruído e qualidade superficial ruim nas superfícies usinadas. Portanto, a comunidade científica tem se preocupado em desenvolver ações, tanto para a predição do fenômeno, como para desenvolver estratégias para sua redução. Neste trabalho avalia-se numérica e experimentalmente, a utilização de pastilhas piezelétricas acopladas no suporte da ferramenta, e aplicando estratégias de controle passivo e ativo, procurando a redução do chatter em processos de torneamento. A solução passiva consiste em conectar os terminais das pastilhas piezelétricas a um circuito elétrico dissipador de energia. A solução ativa propõe usar uma das pastilhas como sensor e a outra como atuador para aplicar leis de controle de realimentação. Na avaliação numérica foi considerado um modelo eletromecânico de parâmetros distribuídos usando a teoria de viga engastada de Euler-Bernoulli, e as equações constitutivas elétricas e mecânicas do material piezelétrico. A comparação das funções de resposta em frequência (FRFs) do sistema, obtidas numericamente, mostra uma adição de amortecimento ao sistema quando é usado um circuito de dissipação com uma resistência e uma indutância como solução passiva. A avaliação numérica da solução ativa indica que o controle de realimentação de velocidade adiciona amortecimento do sistema. A melhora da estabilidade no processo de torneamento destas duas estratégias é comprovada num diagrama de lóbulos de estabilidade. Na parte experimental foram obtidas as funções de resposta em frequência do sistema suporte da ferramenta, usando um sistema de aquisição de dados, com o fim de comparar as magnitudes da resposta, e foram feitos testes de torneamento com o fim de comparar qualitativamente as qualidades superficiais obtidas nas peças usinadas. A medição das FRFs com circuitos de dissipação indicou uma atenuação da resposta para um sistema com circuito em série, estratégia que foi avaliada em testes de torneamento, e mostrando uma melhora no acabamento superficial. / Chatter is the main problem of instability in machining processes, caused by the modulations left on the surface during the successive cuts, called regeneration process, and is characterized by violent vibrations, noise and poor surface quality on machined surfaces. Thus, the scientific community has been concerned with developing actions for both the phenomenom prediction, and developing strategies to reduce them. This work evaluates numerically and experimentally the use of piezoelectric layers embedded to the tool-holder, and applying active and passive strategies trying to reduce the chatter in turning processes. For the passive case, the conductive electrode pairs of the piezoelectric layers are connected to a shunt circuit which modifies the system dynamics. The active solution proposes to use one of the piezoelectric layers as sensor an the other one as actuator, in order to apply feedback control laws. A numerical evaluation considers an electromechanical distributed parameter model based on Euler- Bernoulli cantilever beam theory, and the electrical and mechanical constitutive equations of the piezoelectric material. A comparison of the system frequency response functions (FRFs), numerically obtained, shows an increase of system damping when a resistive-inductive shunt circuit is used as a passive solution. The numerical evaluation of the active solution shows that the velocity feedback control increases the system damping. The turning process stability improvement using both strategies, is shown in a stability lobe diagram. Frequency response functions of the tool-holder system were obtained experimentally using a data acquisition system, in order to compare the response amplitudes. Turning tests were performed in order to compare surface qualities obtained of machined parts. Measurement of FRFs using series resistive-inductive shunt circuits shows a system response attenuation, later this strategy was evaluated in turning tests, showing an improvement in surface finish.

A crescente demanda por reduções nos níveis de ruído gerados por veículos, e, mais recentemente, pela melhoria na qualidade sonora, aliada às penalidades associadas ao espaço e peso das soluções passivas, sugerem o uso de técnicas de controle ativo de ruído. O projeto de sistemas ativos deve fazer parte do desenvolvimento de produto desde sua fase de concepção para que tais soluções sejam aplicadas em nível industrial. Portanto, propõem-se metodologias de simulação para o projeto de sistemas de controle de ruído. Modelos vibroacústicos em elementos finitos são reduzidos e formulados em espaço de estados para permitir a simulação do sistema em malha fechada. Os modelos envolvidos permitem a inclusão da dinâmica de sensores e atuadores para que o desempenho seja previsto de forma acurada. As vantagens do uso de simulação de sistema de controle de ruído, além da redução de custo e tempo de projeto, permite o desenvolvimento de sistemas ativos onde estrutura e controle são desenvolvidos de forma simultânea. O procedimento de simulação é validado experimentalmente, tanto para malha aberta quanto para malha fechada, com o uso de uma geometria simplificada de veículo. Graças à redução dos modelos originais, é possível utilizar técnicas de otimização, onde a interação entre a estrutura e o controle são considerados de forma simultânea, resultando em um sistema ativo com desempenho superior a sistemas desenvolvidos separadamente. Através dos resultados obtidos com a otimização observam-se os parâmetros conflitantes e as decisões de compromisso envolvendo o controle de transmissão de ruído em veículos. Demonstra-se, que um sistema de controle estrutural, descentralizado, de alimentação de velocidade, oferece praticidade de implementação e desempenho satisfatório. Finalmente, o impacto do controle ativo na percepção dos ocupantes é avaliado por meio de métricas objetivas de qualidade sonora, como tonalidade e nível de pressão sonora. / The demands for improvement in sound quality and noise reduction generated by vehicles are steadily increasing, as are the penalties for space and weight of passive control solutions. This scenario suggests the use of active noise control. In order to bring active solutions to industrial level applications, the design of such systems should be part of the product development cycle. Therefore, methodologies for simulating and designing such active solutions are proposed. These models should allow the inclusion of sensors and actuators models, if accurate performance indexes are to be accessed. The challenge thus resides in deriving reasonable sized models that integrate structural, acoustical, and even sensor/actuator models in the controller algorithm simulation. The proposed modelling procedure coupe with this challenge, and besides the advantages on the cost and time reduction in the development phase, it allows the development of active systems with structure and controllers being designed concurrently. An experimental validation is performed using data obtained from simplified car geometry. Thanks to the reduced models, it is possible to run optimization routines in which the interaction of structure and control is considered, thus resulting in an improved system when compared to conventional stepwise procedure. The optimization results presented give some insights on the problem of designing active noise controllers for transmission loss in vehicles. It is shown that, a purely structural decentralized velocity feedback controller can offer both, easy practical implementation and satisfactory noise reduction. Also, the impact of the active control on the perceived noise reduction is evaluated with objective sound quality metrics, such as sound pressure level and specific loudness.

Este trabalho apresenta a modelagem, identificação e controle ativo de vibrações de uma viga flexível do tipo Euler-Bernoulli Bi-apoiada. As técnicas adotadas são as equações generalizadas de Lagrange para a obtenção da equação do movimento e modos assumidos para discretizar a referida equação. Para validação dos resultados usou-se uma viga de alumínio na qual foram colados duas pastilhas PZT, sendo uma pastilha para excitar a viga e a outra, em conjunto com um acelerômetro e computador, destinado ao controle em tempo real das vibrações, usando o ambiente Matlab.

Este trabalho apresenta uma técnica de modelagem, identificação e implementação experimental de controle ativo de vibração estrutural utilizando o algoritmo híbrido Feedforward IIR: HFuRLS. O controle híbrido constitui-se de um algoritmo Feedforward IIR e Feedback FIR adaptativo desenvolvido a partir do algoritmo mínimos quadrado recursivo (RLS). O aparato experimental compreende uma viga de alumínio e uma placa de material compósito, com condições de contorno engastadas. As fontes de vibração primárias e secundárias são constituídas por dispositivos piezelétricos. Dois acelerômetros foram utilizados para medidas de sinais de referências e de erro. O controle em tempo real é implementado com um processador digital de sinais modelo ADSP 21160. Os algoritmos de controle foram desenvolvidos em linguagem C/C++ e Assembler. Nos testes para análise de desempenho dos algoritmos, foram utilizados sinais do tipo varredura em freqüência (chirps periódico) e sinais aleatórios de banda larga, entre outros. A efetividade do controle ativo proposto é avaliada comparando-se os resultados com e sem controle ativo de vibração aplicado à viga e placa de material compósito.

A crescente demanda por reduções nos níveis de ruído gerados por veículos, e, mais recentemente, pela melhoria na qualidade sonora, aliada às penalidades associadas ao espaço e peso das soluções passivas, sugerem o uso de técnicas de controle ativo de ruído. O projeto de sistemas ativos deve fazer parte do desenvolvimento de produto desde sua fase de concepção para que tais soluções sejam aplicadas em nível industrial. Portanto, propõem-se metodologias de simulação para o projeto de sistemas de controle de ruído. Modelos vibroacústicos em elementos finitos são reduzidos e formulados em espaço de estados para permitir a simulação do sistema em malha fechada. Os modelos envolvidos permitem a inclusão da dinâmica de sensores e atuadores para que o desempenho seja previsto de forma acurada. As vantagens do uso de simulação de sistema de controle de ruído, além da redução de custo e tempo de projeto, permite o desenvolvimento de sistemas ativos onde estrutura e controle são desenvolvidos de forma simultânea. O procedimento de simulação é validado experimentalmente, tanto para malha aberta quanto para malha fechada, com o uso de uma geometria simplificada de veículo. Graças à redução dos modelos originais, é possível utilizar técnicas de otimização, onde a interação entre a estrutura e o controle são considerados de forma simultânea, resultando em um sistema ativo com desempenho superior a sistemas desenvolvidos separadamente. Através dos resultados obtidos com a otimização observam-se os parâmetros conflitantes e as decisões de compromisso envolvendo o controle de transmissão de ruído em veículos. Demonstra-se, que um sistema de controle estrutural, descentralizado, de alimentação de velocidade, oferece praticidade de implementação e desempenho satisfatório. Finalmente, o impacto do controle ativo na percepção dos ocupantes é avaliado por meio de métricas objetivas de qualidade sonora, como tonalidade e nível de pressão sonora. / The demands for improvement in sound quality and noise reduction generated by vehicles are steadily increasing, as are the penalties for space and weight of passive control solutions. This scenario suggests the use of active noise control. In order to bring active solutions to industrial level applications, the design of such systems should be part of the product development cycle. Therefore, methodologies for simulating and designing such active solutions are proposed. These models should allow the inclusion of sensors and actuators models, if accurate performance indexes are to be accessed. The challenge thus resides in deriving reasonable sized models that integrate structural, acoustical, and even sensor/actuator models in the controller algorithm simulation. The proposed modelling procedure coupe with this challenge, and besides the advantages on the cost and time reduction in the development phase, it allows the development of active systems with structure and controllers being designed concurrently. An experimental validation is performed using data obtained from simplified car geometry. Thanks to the reduced models, it is possible to run optimization routines in which the interaction of structure and control is considered, thus resulting in an improved system when compared to conventional stepwise procedure. The optimization results presented give some insights on the problem of designing active noise controllers for transmission loss in vehicles. It is shown that, a purely structural decentralized velocity feedback controller can offer both, easy practical implementation and satisfactory noise reduction. Also, the impact of the active control on the perceived noise reduction is evaluated with objective sound quality metrics, such as sound pressure level and specific loudness.

[pt] Neste trabalho estuda-se uma estratégia para o controle ativo não-linear de estruturas flexíveis submetidas a carregamentos dinâmicos. O algoritmo de controle é deduzido com base na teoria de controle ótimo não-linear com realimentação de estado, utilizando uma representação tensorial. Desenvolve-se as equações polinomiais de controle para diferentes ordens, partindo-se do controle linear clássico até um controle não-linear de quinta ordem. A estratégia é particularizada para aplicação em sistemas com um grau de liberdade que apresentem não-linearidades quadráticas e cúbicas, que podem representar, de forma aproximada, a maioria dos elementos estruturais encontrados nas Engenharias Civil e Mecânica, tais como vigas, arcos, placas e cascas. Determina-se analiticamente os coeficientes de ganhos até a terceira ordem, e utiliza-se os mesmos para estudar o feito das forças de controle sobre a não- linearidade e estabilidade do sistema. Vários exemplos numéricos de aplicação são apresentados, utilizando-se diferentes tipos de excitação. Uma atenção especial é dedicada a sistemas caracterizados pela coexistência de dois vales potenciais, um deles correspondente a uma posição de equilíbrio pós- flambagem. A influência do sistema de controle sobre a carga de escape é estudada. O efeito do retardo na aplicação das forças de controle é analisado tanto numericamente como analiticamente, utilizando-se o método das múltiplas escalas para desenvolver expressões que permitem encontrar situações críticas de retardo. Como exemplo de aplicação prática, estuda-se o problema de uma viga flambada submetida a um carregamento dinâmico lateral. / [en] The present thesis studies a strategy for the active non- linear control of dynamically loaded flexible structures. The control method is based on the non-linear optimal control theory using state feedback and the solution of the non-linear optimal control problem is obtained by representing system non-linearities and performance indices by power series with the help of algebraic tensor theory. General polynomial representations of the non-linear control law are obtained up to the fifth order. This methodology is applied to systems with quadratic and cubic nonlinearities, capable of representing most of the elements usually used in civil and mechanical engineering structures, such as beams, plates, shells and arcs. Control gains up to the third order are analytically derived and the effect of the control forces on the system is studied. Special emphasis is placed on systems susceptible to chaotic vibrations, escape from a potential well and dynamic jumps. Several examples are provided to illustrate the control approach. Strongly nonlinear systems subjected to free vibration, simple harmonic excitations, impact and ground acceleration are tested. The variation of the dynamic buckling load with the degree of the control algorithms is studied for the problem of structures with two potential wells, one of them corresponding to a post-buckling equilibrium position. The effect of time delay on controlled systems is studied analytically and numerically. The studied methodology is also applied to control the oscillations of simply supported buckled beams, in order to mitigate the effects of dynamic loading on the vibration amplitudes and prevent dangerous instability phenomena. / [es] En este trabajo estudia se una estrategia para el control activo no-lineal de extructuras flexibles sometidas la cargas dinámicas. EL algoritmo de control es deduzido con base en la teoría de control ótimo no lineal con realimentación de estado, utilizando una representación tensorial. Se dearrollan las ecuaciones polinomiales de control para diferentes órdenes, desde el control lineal clásico hasta el control no lineal de quinta orden. Se particulariza la estrategia para la aplicación en sistemas con un grado de liberdad que presenten no linealidades cuadráticas y cúbicas, que pueden representar, de forma aproximada, la mayoría de los elementos extructurales encontrados en las Ingenierías Civil y Mecánica, tales como vigas, arcos y placas. Se determinan analiticamente los coeficientes de ganancias hasta tercer orden, y se utilizan los mismos para estudiar las fuerzas de control sobre la no linealidad y estabilidad del sistema. Varios ejemplos numéricos de aplicación son presentados, utilizando diferentes tipos de excitación. Atención especial se le dedica a los sistemas caracterizados por la coexistencia de dos vales potenciales, uno de ellos correspondiendo a una posición de equilibrio posflameado. Se estudia también la influencia del sistema de control sobre la carga de escape. EL efecto de retardo en la aplicación de las fuerzas de control se anlaiza tanto numérica como analíticamente, utilizando el método de las múltiples escalas para dearrollar expresiones que permiten encontrar situaciones críticas de retardo. Como ejemplo de aplicación práctica, se estudia el problema de una viga flameada sometida a una carga dinámica lateral.

O chatter é o principal problema de instabilidade nos processos de usinagem, e é causado pelas ondulações deixadas na superfície durante cortes sucessivos, ou chamado processo de regeneração, e é caracterizado pelo ruído e qualidade superficial ruim nas superfícies usinadas. Portanto, a comunidade científica tem se preocupado em desenvolver ações, tanto para a predição do fenômeno, como para desenvolver estratégias para sua redução. Neste trabalho avalia-se numérica e experimentalmente, a utilização de pastilhas piezelétricas acopladas no suporte da ferramenta, e aplicando estratégias de controle passivo e ativo, procurando a redução do chatter em processos de torneamento. A solução passiva consiste em conectar os terminais das pastilhas piezelétricas a um circuito elétrico dissipador de energia. A solução ativa propõe usar uma das pastilhas como sensor e a outra como atuador para aplicar leis de controle de realimentação. Na avaliação numérica foi considerado um modelo eletromecânico de parâmetros distribuídos usando a teoria de viga engastada de Euler-Bernoulli, e as equações constitutivas elétricas e mecânicas do material piezelétrico. A comparação das funções de resposta em frequência (FRFs) do sistema, obtidas numericamente, mostra uma adição de amortecimento ao sistema quando é usado um circuito de dissipação com uma resistência e uma indutância como solução passiva. A avaliação numérica da solução ativa indica que o controle de realimentação de velocidade adiciona amortecimento do sistema. A melhora da estabilidade no processo de torneamento destas duas estratégias é comprovada num diagrama de lóbulos de estabilidade. Na parte experimental foram obtidas as funções de resposta em frequência do sistema suporte da ferramenta, usando um sistema de aquisição de dados, com o fim de comparar as magnitudes da resposta, e foram feitos testes de torneamento com o fim de comparar qualitativamente as qualidades superficiais obtidas nas peças usinadas. A medição das FRFs com circuitos de dissipação indicou uma atenuação da resposta para um sistema com circuito em série, estratégia que foi avaliada em testes de torneamento, e mostrando uma melhora no acabamento superficial. / Chatter is the main problem of instability in machining processes, caused by the modulations left on the surface during the successive cuts, called regeneration process, and is characterized by violent vibrations, noise and poor surface quality on machined surfaces. Thus, the scientific community has been concerned with developing actions for both the phenomenom prediction, and developing strategies to reduce them. This work evaluates numerically and experimentally the use of piezoelectric layers embedded to the tool-holder, and applying active and passive strategies trying to reduce the chatter in turning processes. For the passive case, the conductive electrode pairs of the piezoelectric layers are connected to a shunt circuit which modifies the system dynamics. The active solution proposes to use one of the piezoelectric layers as sensor an the other one as actuator, in order to apply feedback control laws. A numerical evaluation considers an electromechanical distributed parameter model based on Euler- Bernoulli cantilever beam theory, and the electrical and mechanical constitutive equations of the piezoelectric material. A comparison of the system frequency response functions (FRFs), numerically obtained, shows an increase of system damping when a resistive-inductive shunt circuit is used as a passive solution. The numerical evaluation of the active solution shows that the velocity feedback control increases the system damping. The turning process stability improvement using both strategies, is shown in a stability lobe diagram. Frequency response functions of the tool-holder system were obtained experimentally using a data acquisition system, in order to compare the response amplitudes. Turning tests were performed in order to compare surface qualities obtained of machined parts. Measurement of FRFs using series resistive-inductive shunt circuits shows a system response attenuation, later this strategy was evaluated in turning tests, showing an improvement in surface finish.

[pt] Inicialmente apresenta-se uma revisão sobre diversos tópicos relacionados com o controle ativo de ruído em dutos. Entre elas abordam-se algumas configurações acústico/geométricas conhecidas e analisam-se as possibilidades e limitações próprias do sistema adotado (monopolo acústico). Apresentam-se também uma revisão de algumas das descrições do sistema através de diagramas de blocos e alguns métodos para se determinar as características do controlador. Posteriamente, juntamente ao estudo de uma técnica de identificação paramétrica, faz- se uma análise sobre a utilização de ponderação (no domínio da freqüência ) aplicada durante o processo de identificação. Como resultado deste estudo, propõe-se um novo processo para se determinar os parâmetros do controlador. Discute-se a aplicação de controle adaptativo no controle de ruído em dutos e desenvolve-se também um algoritmo LMS-IIR para esta finalidade. Finalmente, determina-se através de experimentos e de técnicas de identificação, os parâmetros dos controladores para atuar sobre ruídos de faixa ampla e avalia-se o desempenho dos controladores determinados. / [en] Firstly it is presented a review of many topics related to active noise control in ducts. Some know acoustic/geometric configurations are included in the study, followed by the analysis of the capabilities and limitations intrinsic to the system (acoustic monopole). It is also presented a review of some representation of the system in block diagrams and of the related methods to find the controller characteristics. A parametric identification technique is applied to the case study, followed by the use of weighting in the frequency domain as part of the identification process. As a result of this study it is suggested a new method to find the controller parameters. The discussion on the application of adaptative control to noise attenuation in ducts is supported by a suggested LMS-IIR algorithm. Finally, experimentation and identification techniques are used to determine the controllers parameters for broadband noise. Their performance is also evaluated.