Sensores e atuadores baseados em placas piezelétricas têm apresentado uma crescente demanda no campo denominado Estruturas Inteligentes, incluindo o desenvolvimento de atuadores para aplicações de resfriamento e bombeamento de fluidos, transdutores para novos coletores de energia, e diversas outras aplicações que apresentem requisitos quasi -estáticos e dinâmicos. Esta tese propõe o desenvolvimento de uma formulação de Otimização Topológica (OT) para o projeto de transdutores piezelétricos através da distribuição de material sobre um substrato metálico com o intuito de obter um comportamento quasi -estático e dinâmico desejado com maximização de deslocamentos ou tensão elétrica de saída, especificação de frequências e modos de vibrar, e maximização do Coeficiente de Acoplamento Eletromecânico (CAEM). O Método de Otimização Topológica (MOT) é uma poderosa técnica de otimização estrutural que combina o Método de Elementos Finitos (MEF) com algoritmos de otimização e tem como objetivo a distribuição de material num domínio de projeto para satisfação de objetivos previamente especificados. A modelagem por elementos finitos emprega uma formulação de placa piezelétrica capaz de representar os efeitos piezelétricos direto e inverso. Ela baseia-se na formulação MITC (Mixed Interpolation of Tensorial Components), a qual é confiável, eficiente e evita o problema de travamento por cisalhamento. A formulação de OT é baseada no modelo PEMAP-P (Piezoelectric Material with Penalization and Polarization) combinado ao RAMP (Rational Approximation of Material Properties), no qual variáveis de projeto são as pseudo-densidades que descrevem a quantidade de material piezelétrico em cada elemento finito. Foram definidas funções multiobjetivo para os problemas de otimização quasi -estáticos e dinâmicos. Ao passo que o primeiro maximiza deslocamentos ou tensões elétricas de saída, e evita frequências de ressonância próximas à faixa de trabalho, o segundo projeta os modos de vibrar da estrutura, controla as frequências de ressonância e maximiza o CAEM do transdutor. Este texto apresenta o ciclo de projeto completo para transdutores baseados em placas piezelétricas concebidos através do MOT, apresentando a metodologia utilizada, as formulações dos problemas de otimização, a implementação numérica, os resultados computacionais obtidos, a fabricação e a caracterização de transdutores piezelétricos otimizados para validação experimental dos resultados obtidos pela OT. / Sensors and actuators based on piezoelectric plates have shown increasing demand in the field of the so called Smart Structures, including the development of actuators for cooling and fluid pumping applications, transducers for novel energy harvesting devices, and many other application with quasi -static and dynamic requirements. This thesis proposes the development of a Topology Optimization (TO) formulation to design piezoelectric transducers by distributing piezoelectric material over a metallic plate in order to achieve a desired quasi -static and dynamic behavior with maximization of displacements or output voltages, specified vibration frequencies and modes, and maximization of the Electromechanical Coupling Coefficient (EMCC). The Topology Optimization Method (TOM) is a powerful structural optimization technique which combines the Finite Element Method (FEM) with optimization algorithms and aims at distributing material over a design domain to accomplish with previously set objectives. The finite element employs a piezoelectric plate formulation capable of representing both direct and converse piezoelectric effects. It is based on the MITC (Mixed Interpolation of Tensorial Components) formulation, which is reliable, efficient and avoids the shear locking problem. The topology optimization formulation is based on the PEMAP-P model (Piezoelectric Material with Penalization and Polarization) combined with the RAMP model (Rational Approximation of Material Properties), where the design variables are the pseudo-densities that describe the amount of piezoelectric material at each finite element. Multiobjective functions are defined for the quasi -static and dynamic optimization problems. While the former aims at maximizing displacements or output voltages and avoiding resonance frequencies near its working range, the latter aims at designing the vibration mode, controlling the resonance frequency and maximizing the EMCC of the transducer. This text presents the complete design cycle for transducers based on piezoelectric plates designed by using the TOM and shows the applied methodology, optimization problem formulation, numerical implementation, achieved computational results, and the assembly and characterization of optimized piezoelectric transducers for experimental validation of the TO results.

This dissertation proposes a modeling methodology for Inductive and Capacitive Voltage Transformers (IVT and CVT) for high-frequency electrical transients analysis, up to 3 MHz. The model construction starts from the VT s sweep frequency test, carried out by a commercial Sweep Frequency Response Analyzer (SFRA) with special connections, in order to obtain its short-circuit Admittance Matrix. The SFRA is designed for another purpose, to detect displacement of windings or fault in the magnetic core of power transformers based on voltage transfer analysis. Therefore, due to this fact, the measured data needs to be corrected and recalculated, through and external routine, to adequately represent the proper and mutual admittance values of the Matrix. After its correction, the Admittance Matrix serves as input data to the Matrix Fitting method, a frequency-response approximation tool by means of modified rational functions, which is part of the Vector Fitting (VF) routine, freely available for non-commercial purposes in MATLAB®. The results are an approximated rational function, in state-space or pole-residue model, and a RLC equivalent network proper to be used in electromagnetic transients analysis software, such as the Alternative Transients Program (ATP). The models validation is accomplished based on the comparison between the transient responses of the created model, through simulation in ATP/EMTP, and the IVTs and CVTs laboratory tests when both are submitted to a step function excitation. / Esta dissertação propõe uma metodologia para a modelagem de Transformadores de Potencial Indutivos (TPIs) e Capacitivos (TPCs) para estudos de transitórios eletromagnéticos em altas frequências, na ordem de até 3 MHz. A obtenção dos modelos inicia através do ensaio de varredura em frequência dos TPs utilizando um Sweep Frequency Response Analyzer (SFRA) comercial por meio de conexões especiais de modo a obter as Matrizes de Admitâncias de curto-circuito. Os fabricantes do SFRA projetaram este equipamento com outro objetivo, o da realização de estudos de transferência de tensão, para detectar possíveis deformações mecânicas ou falhas internas em transformadores de potência. Desse modo, os dados obtidos dessa medição necessitam ser corrigidos e recalculados, através de uma rotina externa, a fim de representar adequadamente os valores das admitâncias próprias e mútuas desta Matriz. Uma vez corrigida, essa Matriz de Admitâncias servirá como entrada para inicializar o método do Ajuste Matricial (Matrix Fitting), que é uma ferramenta fundamental para aproximação da resposta em frequência por funções racionais modificadas que integra a rotina de Ajuste Vetorial, disponível livremente para fins não comerciais no MATLAB®. Como resultado, são obtidas sua função racional aproximada, em modelos de espaço de estados ou de polo-resíduo, e uma rede RLC equivalente complexa, propícia para o uso direto em programas de análises de transitórios eletromagnéticos, como o Alternative Transients Program (ATP). A validade dos modelos criados foi verificada por meio da comparação das respostas transitórias dos equivalentes gerados, através de simulações no EMTP/ATP, com os ensaios feitos em laboratório e em campo em TPIs e TPCs quando submetidos a uma excitação com uma função degrau.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This work seeks to analyze at different frequencies, the transmission of volatility in the prices of crude oil produced by OPEC members and other producing and exporting countries that are not part of this organization and to analyze the presence of structural breaks in dynamic correlation between crude oil spot and future prices. The Wavelets methodology employed aims to decompose the series to verify its behavior at different frequencies, revealing additional information or confirming trends. To check the transmission process of the volatility it is proposed the application of Granger Causality Test. This made it possible to understand the functioning of this important market and answer the following question: How behaves the volatility of oil prices when analyzed considering several time horizons in an analysis in the frequency domain? The analysis of volatility transmission shows a strong integration of the international oil market, the correlation structural breaks tests results shows that structural break point is not static for any analysis, it moves, depending the frequency scale and the time window. / Este trabalho busca analisar em diferentes frequências, o sentido e a transmissão da volatilidade nos preços do petróleo bruto produzido pelos países membros da OPEP (Organização dos Países Exportadores de Petróleo) e dos demais países produtores e exportadores que não fazem parte desta organização; bem como analisar a presença de quebras estruturais na correlação dinâmica entre os preços à vista e futuro do petróleo. A metodologia de Wavelets empregada tem por objetivo decompor as séries estudas a fim de verificar seu comportamento em diferentes frequências, revelando informações adicionais ou confirmando tendências observadas. Para a verificação do processo de transmissão da volatilidade foi proposta a utilização do método de Causalidade de Granger. Desta forma foi possível compreender o funcionamento deste importante mercado e responder a seguinte questão: Como se comporta a volatilidade do preço do petróleo quando se analisam variados horizontes de tempo em uma análise no domínio da frequência? A análise da transmissão da volatilidade aponta para uma forte integração do mercado internacional do petróleo, enquanto o resultado da análise das quebras na correlação mostra que o ponto de quebra estrutural não é estático para toda e qualquer análise, ele se move, dependendo da frequência e do horizonte temporal.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / In this work, it is developed a study of the transverse vibrations of a system composed by two parallel strings of equal length, coupled by a viscoelastic element. The frequencies and mode shapes are obtained using modal analysis and a block matrix formulation for the system. The mode shapes are written by the dynamic basis, composed by the solution of a second order problem with impulsive initial conditions, and its first derivative. In the undamped case, different cases of the problem are considered by varying the parameters of the strings. The orthogonality of the mode shapes and the impulse response matrix are used to solve the undamped forced case. In the damped case, it is considered again the matrix formulation and use dynamic basis, and we present an uncoupled problem from simplifications of the system parameters. The damped forced vibrations are studied using the adjoint modal method, from which there is an orthogonality between the mode shapes of the original system and the mode shapes of the adjoint system associated, allowing the uncoupling and solvability of the system. The forced response is determined by using the matrix fundamental response. / Neste trabalho é realizado um estudo sobre as vibrações transversais de um sistema formado por duas cordas paralelas, de mesmo comprimento, acopladas através de um elemento viscoelástico do tipo Winkler. As frequêencias e os modos de vibração são obtidos utilizando-se a análise modal e uma formulação matricial em blocos para o sistema. Os modos de vibração são escritos através da base dinâmica, composta pela solução de um problema de segunda ordem com condições iniciais impulsivas, e sua primeira derivada. No caso não amortecido são considerados diferentes casos para o problema, variando-se os parãmetros das cordas. A ortogonalidade dos modos e a resposta impulso matricial são usadas para resolver o caso forçado sem amortecimento. No caso amortecido, é apresentado um problema desacoplado a partir de simplificações nos parâmetros do sistema. As vibrações forçadas com amortecimento são estudadas usando-se o método modal adjunto, a partir do qual, existe uma ortogonalidade entre os modos de vibração do sistema original e os modos de vibração do sistema adjunto, possibilitando o desacoplamento e resolução do sistema. A resposta forçada é determinada usando a resposta fundamental matricial.

Made available in DSpace on 2016-12-08T16:24:04Z (GMT). No. of bitstreams: 1 PGCA12MA040.pdf: 2148303 bytes, checksum: 0a4394c420eba6f14328e5af989e7290 (MD5) Previous issue date: 2012-07-13 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / The morphogenetic and structural characteristics of forage plants, as well as the processes of growth and senescence of tissues can change according to the management strategies used. Therefore, the aim of this experiment was to evaluate the effects of frequency and severity of grazing on morphogenetic and structural characteristics in pastures of Pennisetum purpureum cv. Pioneiro, in order to understand and allow for planning and handling of its use, ensuring the proper use of this plant. The experiment was conducted at dairy cattle sector belonging of Santa Catarina State University (CAV-UDESC), between January and June 2011. The treatments consisted of two grazing frequencies (pre-grazing sward heights of 90 and 120 cm) and two defoliation severities (50 and 70% of the initial height). The experiment was carried out according a complete randomized block design in a 2 x 2 factorial arrangement with three replications. Statistical analyzes were performed using the MIXED procedure of SAS statistical package (Statistical Analysis System) version 9.2. Means were compared using the "PDIFF" statement, with a probability level of 5%, using the Student t test. Assessments were made over thirds of regrowth, which are described as a third of the sward height regrowth, depending on the treatment. Therefore, the following variables were evaluated every third of regrowth using the technique of marked tillers: leaf appearance rate (LAR), leaf elongation rate (LER), leaf senescence rate (LSR), stem elongation rate more pseudostem (SER), number of live leaves per tiller (LLT) and expanding leaves (NEL), average length of stem (stem+pseudostem), basal, aerial and connecting tillers population density. In treatments conducted at 90 cm early in the regrowth there was a higher LSR and SER especially when combined with the 70% of defoliation. At the second third of regrowth there was a decrease on LER, LAR and aerial tiller density and it was more pronounced when combined with defoliation of 70%. In treatments using 120 cm pre-grazing there was the higher leaf senescence and stem elongation rates. The morphogenetic and structural characteristics have a strong influence of grazing strategies adopted. The results suggests that elephant grass swards, cv. Pioneiro, should not be grazed higher than 90 cm, indicating that this height it is a limit of management / As características morfogênicas e estruturais das plantas forrageiras, bem como os processos de crescimento e senescência de tecidos podem variar de acordo com as estratégias de manejo utilizadas. Assim, os objetivos deste experimento foram avaliar os efeitos das frequências e severidades de desfolhação sobre as características morfogênicas e estruturais de pastos de Pennisetum purpureum cv. Pioneiro, de forma a compreender e permitir o planejamento e manipulação de sua utilização, assegurando o uso adequado dessa planta forrageira. O experimento foi conduzido na área experimental do setor de bovinocultura de leite pertencente ao Centro de Ciências Agroveterinárias - Universidade do Estado de Santa Catarina (CAV-UDESC), no período de janeiro a junho de 2011. Os tratamentos consistiram na combinação de duas frequências de pastejo (altura das plantas no pré-pastejo de 90 e 120 cm) e duas severidades de desfolha (50 e 70% de remoção da altura de entrada). O delineamento utilizado foi em blocos ao acaso, em arranjo fatorial 2 x 2, com três repetições. As análises estatísticas foram realizadas por meio do procedimento MIXED do pacote estatístico SAS (Statistical Analysis System) versão 9.2. Para efeito de comparação de médias entre tratamentos foi utilizado o PDIFF , com um nível de probabilidade de 5%, usando o teste t de Student. As avaliações ocorreram ao longo dos terços de rebrotação, sendo estes descritos como terça parte da altura do pasto, dependendo do tratamento empregado. Assim, as seguintes variáveis foram avaliadas por meio da técnica de perfilhos marcados: taxa de aparecimento de folhas (TApF), taxa de alongamento de folhas (TAF), taxa de senescência foliar (TSF), taxa de alongamento de colmo mais pseudocolmo (TACP), número de folhas vivas (NFV) e em expansão (NFE), comprimento médio de colmo mais pseudocolmo (CMCP). Outras avaliações realizadas foram a determinação da densidade populacional de perfilhos basais, aéreos e vasocondutores (DPPB, DPPA, DPPVC, respectivamente). Em tratamentos conduzidos a 90 cm de altura pré-pastejo, no início da rebrota houve altas TSF e TACP principalmente quando aliadas às desfolhas de 70%. No segundo terço de rebrotação ocorreu queda da TAF, TApF e da DPPA de forma mais acentuada quando combinadas à desfolhas de 70%. Em tratamentos utilizando-se 120 cm de altura pré-pastejo houve as maiores taxas de senescência e alongamento de colmo. As características morfogênicas e estruturais apresentaram forte influência das estratégias de pastejo adotadas. Os resultados sugerem que pastos de capim-elefante cv. Pioneiro não devem ser manejados com alturas superiores a 90 cm, indicando que esta altura já é um limite de manejo e que os pastos devem ser desfolhados com severidades de pastejo de 50% da altura de entrada

Made available in DSpace on 2015-05-14T12:14:09Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 3134384 bytes, checksum: 253c3fb1aaec508b89c44bcd7766a50c (MD5) Previous issue date: 2013-08-28 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / In this thesis, we investigate aspects of similarity between sequences of complete mitochondrial DNA. This line of study falls within the framework from the analysis of statistical properties of DNA sequences based on methods that seek to understand the information contained in these sequences a topic of renewed interest in the context of the so called Complex Systems. Previous approaches were used to obtain the frequencies of certain segments of nucleotides, regarded as the words of a given size, contained in sequences. These methods, inspired by studies devoted to the statistical properties of words distribution in linguistic and symbolical sequences, can be considered an alternative to techniques and algorithms for aligning sequences, and have been successful in the description of characteristics that allow to infer similarity and possible species grouping criteria, it means, biological afnity between DNA sequences. Previously, this methodology has been applied to evaluate the diferences between coding and nocoding DNA sequences and to extract linguistic aspects of these sequences by detecting keywords that describe relevant information embedded in the threads. In this dissertation, these studies are expanded in order to directly compare the contents of pairs of complete sequences of mitochondrial DNA, setting parameters that depend on the frequency distribution of sequences of words which highlight both the relevance of certain words as well as the possibility of grouping species estimating the distance between these words. Our results show that the best clusters between diferent species are obtained when we calculate the rate of agglomeration considering only frequencies of words. We have also observed that the larger the word size is, its greater clustering between sequences. The prospect of applying our results to analyze DNA sequences also belong to a single biological species, may be relevant in the construction of phylogenetic trees that are appropriate structures for understanding the evolutionary history of organisms. / Nesta dissertação, investigamos aspectos da similaridade entre sequências completas de DNA mitocondriais. Esta linha de estudo se insere no âmbito da análise de propriedades estatísticas de sequências de DNA baseadas em métodos que buscam entender a informação contida nessas sequências, tema de renovado interesse no contexto dos chamados Sistemas Complexos. Abordagens anteriores foram utilizadas para obtenção das frequências de determinados segmentos de nucleotídeos, considerados como palavras de um dado tamanho, contidos nas sequências. Tais métodos, inspirados em estudos dedicados às propriedades estatísticas de distribuição de palavras em textos linguísticos e sequências simbólicas, podem ser considerados uma alternativa às técnicas e algoritmos de alinhamento de sequências, e têm sido bem sucedidos na descrição de características que permitem inferir similaridade e possíveis critérios de agrupamentos de espécies, ou seja, afinidade biológica entre sequências de DNA. Anteriormente, esta metodologia foi aplicada para avaliar as diferenças entre sequências de DNA codificadas e não codificadas e para extrair aspectos linguísticos dessas sequências através da detecção de palavras-chaves que descrevem informações relevantes embutidas nas sequências. Nesta dissertação, ampliamos tais estudos, no sentido de comparar diretamente o conteúdo de pares de sequências completas de DNA mitocondriais, definindo parâmetros que dependem da distribuição de frequências de palavras das sequências que ressaltam tanto a relevância de determinadas palavras, bem como a possibilidade de agrupamentos de espécies estimando a distância entre essas sequências. Nossos resultados mostram que os melhores agrupamentos entre espécies distintas são obtidos quando calculamos a taxa de aglomeração levando em conta apenas as frequências das palavras. Notamos, também, que quanto maior o tamanho da palavra mais consistente é o agrupamento entre as sequências. A perspectiva de aplicação de nossos resultados, para analisar também sequências de DNA pertencentes a uma única espécie biológica, pode ser relevante na construção de árvores filogenéticas que são estruturas adequadas para se compreender a história evolucionária dos organismos.

O Concreto Leve Estrutural com Pérolas de EPS (CLEPE), ou simplesmente Concreto com EPS, é uma alternativa na execução de lajes maciças. Como possui uma redução da ordem de 50% no peso próprio em relação ao Concreto Convencional (CC), suas características dinâmicas são diferentes. Neste trabalho descreve-se o comportamento dinâmico de lajes de CLEPE que são comparadas com as de CC por meio de ensaios dinâmicos e uma análise paramétrica. Nos ensaios dinâmicos focou-se a obtenção de três fatores imprescindíveis em uma análise dinâmica, que são as frequências naturais, os modos de vibração (deformadas modais) e o amortecimento estrutural, valor determinado experimentalmente que constitui dado de entrada em simulações numéricas. Os resultados experimentais indicam que o fator de amortecimento do CLEPE é ligeiramente maior que o do CC. Já os resultados da análise paramétrica revelam que a diminuição da rigidez é preponderante em relação à diminuição da massa do CLEPE, o que acarreta na diminuição das frequências naturais das lajes com este material. Mesmo com um amortecimento maior, as lajes de CLEPE apresentam maior sensibilidade às vibrações. Esta constatação, entretanto, não exclui o CLEPE como um material estrutural, apenas indica que, como no uso de qualquer material, as estruturas com CLEPE também devem ser verificadas com relação ao comportamento dinâmico. / The Structural Lightweight Concrete with EPS Beads (SLCEB), or simply EPS concrete, is an alternative in the execution of massive slabs. As it has a reduction in the order of 50% in self-weight in relation to the Ordinary Concrete (OC), its dynamic characteristics are different. In this work it is described the dynamic behavior of SLCEB slabs whose are compared with those of OC by means of dynamic tests and a parametric analysis. The obtainment of three essential factors in a dynamic analysis, which are natural frequencies, the ways of vibration (deformed modal), and the structural damping, experimentally determinate value which constitutes an input data in numerical simulations are focused in the dynamical tests. The experimental results indicate that the damping factor of SLCEB is a little bigger than the OC ones. Although, the results of the parametric analysis indicate that the decrease of stiffness is preponderant in relation to the decrease of the SLCEB mass, which result in some decrease of natural frequencies of slabs with this material. In despite of having a bigger damping, the SLCEB slabs expose a bigger sensibility to vibrations. However, this observation does not exclude the SLCEB as a structural material. It only means that as in use of any material, the SLCEB structures must be also verified in relation to the dynamic behavior.

Sensores e atuadores baseados em placas piezelétricas têm apresentado uma crescente demanda no campo denominado Estruturas Inteligentes, incluindo o desenvolvimento de atuadores para aplicações de resfriamento e bombeamento de fluidos, transdutores para novos coletores de energia, e diversas outras aplicações que apresentem requisitos quasi -estáticos e dinâmicos. Esta tese propõe o desenvolvimento de uma formulação de Otimização Topológica (OT) para o projeto de transdutores piezelétricos através da distribuição de material sobre um substrato metálico com o intuito de obter um comportamento quasi -estático e dinâmico desejado com maximização de deslocamentos ou tensão elétrica de saída, especificação de frequências e modos de vibrar, e maximização do Coeficiente de Acoplamento Eletromecânico (CAEM). O Método de Otimização Topológica (MOT) é uma poderosa técnica de otimização estrutural que combina o Método de Elementos Finitos (MEF) com algoritmos de otimização e tem como objetivo a distribuição de material num domínio de projeto para satisfação de objetivos previamente especificados. A modelagem por elementos finitos emprega uma formulação de placa piezelétrica capaz de representar os efeitos piezelétricos direto e inverso. Ela baseia-se na formulação MITC (Mixed Interpolation of Tensorial Components), a qual é confiável, eficiente e evita o problema de travamento por cisalhamento. A formulação de OT é baseada no modelo PEMAP-P (Piezoelectric Material with Penalization and Polarization) combinado ao RAMP (Rational Approximation of Material Properties), no qual variáveis de projeto são as pseudo-densidades que descrevem a quantidade de material piezelétrico em cada elemento finito. Foram definidas funções multiobjetivo para os problemas de otimização quasi -estáticos e dinâmicos. Ao passo que o primeiro maximiza deslocamentos ou tensões elétricas de saída, e evita frequências de ressonância próximas à faixa de trabalho, o segundo projeta os modos de vibrar da estrutura, controla as frequências de ressonância e maximiza o CAEM do transdutor. Este texto apresenta o ciclo de projeto completo para transdutores baseados em placas piezelétricas concebidos através do MOT, apresentando a metodologia utilizada, as formulações dos problemas de otimização, a implementação numérica, os resultados computacionais obtidos, a fabricação e a caracterização de transdutores piezelétricos otimizados para validação experimental dos resultados obtidos pela OT. / Sensors and actuators based on piezoelectric plates have shown increasing demand in the field of the so called Smart Structures, including the development of actuators for cooling and fluid pumping applications, transducers for novel energy harvesting devices, and many other application with quasi -static and dynamic requirements. This thesis proposes the development of a Topology Optimization (TO) formulation to design piezoelectric transducers by distributing piezoelectric material over a metallic plate in order to achieve a desired quasi -static and dynamic behavior with maximization of displacements or output voltages, specified vibration frequencies and modes, and maximization of the Electromechanical Coupling Coefficient (EMCC). The Topology Optimization Method (TOM) is a powerful structural optimization technique which combines the Finite Element Method (FEM) with optimization algorithms and aims at distributing material over a design domain to accomplish with previously set objectives. The finite element employs a piezoelectric plate formulation capable of representing both direct and converse piezoelectric effects. It is based on the MITC (Mixed Interpolation of Tensorial Components) formulation, which is reliable, efficient and avoids the shear locking problem. The topology optimization formulation is based on the PEMAP-P model (Piezoelectric Material with Penalization and Polarization) combined with the RAMP model (Rational Approximation of Material Properties), where the design variables are the pseudo-densities that describe the amount of piezoelectric material at each finite element. Multiobjective functions are defined for the quasi -static and dynamic optimization problems. While the former aims at maximizing displacements or output voltages and avoiding resonance frequencies near its working range, the latter aims at designing the vibration mode, controlling the resonance frequency and maximizing the EMCC of the transducer. This text presents the complete design cycle for transducers based on piezoelectric plates designed by using the TOM and shows the applied methodology, optimization problem formulation, numerical implementation, achieved computational results, and the assembly and characterization of optimized piezoelectric transducers for experimental validation of the TO results.

Submitted by Irene Nascimento (irene.kessia@ufpe.br) on 2017-04-25T19:25:57Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) ACGW_Dissertação.pdf: 2393143 bytes, checksum: 1dc4bede5ad081bffd11e546c86a753a (MD5) / Made available in DSpace on 2017-04-25T19:25:58Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) ACGW_Dissertação.pdf: 2393143 bytes, checksum: 1dc4bede5ad081bffd11e546c86a753a (MD5) Previous issue date: 2016-07-26 / CNPQ / Apresentamos um estudo da interação de um laser de femtosegundos de Ti:safira, com alta taxa de repetição, com vapor atômico de Rubídio. Trabalhamos no regime de acumulação coerente, em que o tempo de relaxação dos átomos do meio é maior que o tempo entre os pulsos. Para sondar a excitação produzida pelo laser pulsado sobre os vários grupos de velocidades atômicos usamos um laser contínuo de diodo. Estudamos a transmissão do laser de diodo em função de sua frequência, na presença e na ausência do laser pulsado, quando ambos os lasers estão sintonizados na transição 5S1=2 !5P3=2. Os resultados experimentais mostram que a transmissão do laser de diodo aumenta ou diminui dependendo do modo do pente de frequências que está interagindo com o grupo de átomos. Descrevemos os resultados experimentais trabalhando no domínio da frequência e modelando o meio atômico por um conjunto de dois sistemas de três níveis tipo L e um sistema de dois níveis, todos independentes entre si, interagindo com os modos do pente de frequência. Assim, a modelagem teórica considera os vários níveis hiperfinos e discrimina a interação com a transição cíclica do efeito de bombeio ótico, apresentado um resultado em concordância com os dados experimentais obtidos. O experimento foi realizado sem travar a taxa de repetição nem a frequência de off-set do laser de femtosegundos. / We present a study of the interaction of a high repetition rate femtosecond Ti:sapphire laser with a vapor atomic rubidium. We work on coherent accumulation regime, in which the atomic relaxation time is greater than the time interval between pulses. The action of the ultrashortpulsed laser over different atomic velocity groups is probed by a diode laser. We studied the transmission of the diode laser as a function of frequency, with and without the presence of the ultrashort-pulsed laser, when both lasers are tuned to 5S1=2!5P3=2 transition. The experimental results show that the diode laser transmission increases or decreases depending on the mode of the frequency comb that interacts with different velocity groups. The experimental results are described in the frequency domain and the atomic system is modeled by a set of two threelevel L systems and a system of two-level all independent and interacting with the frequency comb modes. The theoretical treatment considers the hyperfine transitions and distinguishes the interaction between the cyclic transitions from optical pumping effect, showing results in good agreement with the experimental data. The experiment is performed without lock repetition rate or the off-set frequency of the femtosecond Ti:sapphire laser.

Orientador: Flavio Caldas da Cruz / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-09T02:45:38Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Nogueira_GiovanaTrevisan_D.pdf: 19393516 bytes, checksum: a3b51900ea17f278fbdc63e608d828d4 (MD5) Previous issue date: 2007 / Resumo: No final da década de 90, pentes de freqüências ópticas baseados em lasers de Ti:safira de modos travados tornaram-se uma importante ferramenta na área de metrologia. Eles têm sido usados, por exemplo, em medidas diretas de freqüências de várias centenas de THz e em relógios atômicos ópticos. Para a implementação de dois sistemas de pentes de freqüências ópticas, desenvolvemos neste trabalho dois lasers de Ti:safira de femtossegundos de alta taxa de repetição, que usam espelhos de varredura (chirped mirros) no lugar de prismas para compensar a dispersão em velocidade de grupo. Um dos lasers tem taxa de repetição em 770 MHz que pode ser facilmente ajustada entre 750 MHz and 1 GHz. A dispersão total da cavidade é de -60 fs2 , produzindo um espectro centrado em 780 nm com largura a meia altura em torno de 10 nm e pulsos de 150 fs. Este laser teve seu espectro alargado por duas fibra de microestrutura, cobrindo um intervalo de 510 à 1100 nm. O outro laser possui cavidade com taxa de repetição sintonizável entre 1 e 2,12 GHz, e um espectro que se estender de de 585 até 1200 nm a -20 dB abaixo do máximo em 986 nm sem o uso de fibra de microestrutura.A cavidade do laser tem dispersão total próxima de zero, porém com oscilações entre -50 a +100 fs2 entre 700 nm e 900 nm, que foi medida por interferometria de luz branca. Nós mostramos que cerca de 17 % (76 %) da potência intracavidade (de saída) é gerada basicamente por efeitos não lineares em passagem única no cristal de Ti:safira, observada na região verde do espectro e entre 960 nm e 1200 nm, fora da banda da cavidade laser e onde o ganho do cristal de Ti:safira é baixo. Ambos os lasers tiveram suas taxas de repetição medidas e estabilizadas em relação a osciladores estáveis, podendo ser sintonizados em um intervalo de 30 kHz através do oscilador de referência. Construímos interferômetros de Michelson e Mach-Zender para a medida do deslocamento entre onda portadora e envelope do pulso do sistema do laser cujo espectro é ampliado pela fibra. O batimento entre freqüências do pente próximas a 520 nm e o segundo harmônico da parte do espectro em 1040 nm é medido em um fotodetector rápido. Estes sistemas serão inicialmente utilizado em um relógio atômico óptico baseado na transição de intercombinação de átomos de cálcio frios e aprisionados. Entretando, além de aplicações em metrologia de tempo e freqüência, os pentes de freqüências ópticas podem ser ferramentas atrativas para uso em espectroscopia atômica e molecular de precisão e estudos de dinâmicas rápidas que exploram a combinação de alta resolução e cobertura espectral larga fornecidas pelo pente de freqüências / Abstract: Optical frequency combs based on femtosecond Ti:sapphire lasers and introduced at the end of the 90s have revolutionized the optical metrology field. They have allowed ultraprecise optical spectroscopy, by direct measurement of frequencies of several hundred THz, and the development of optical atomic clocks . To implement optical frequency combs, we have to stabilize both the repetition rate and the carrier-to-envelope oÿset frequency of the femtosecond laser. We have developed two versions of optical frequency combs based on high-repetition rate femtosecond Ti:sapphire lasers, which use chirped mirrors instead of prisms for compensating the group velocity dispersion. The combs will be initially used in an optical atomic clock based on the intercombination transition of cold and trapped calcium atoms. One of our fsec Ti:sapphire lasers has a repetition rate that can be easily adjusted between 750 MHz and 1 GHz. The total dispersion of the cavity is -60 fs2 . It produces pulses of 150 fs with a spectrum centered at 780 nm, with a width of 10 nm. The spectrum of this laser has been broadened with a microstructure fiber, and covers an optical octave extending from 520 and 1040 nm. The other fsec Ti:sapphire laser has a repetition rate that can be changed from 1 to 2.12 GHz, and a spectrum that extends from 585 nm to 1200 nm, without use of microstructure fibers. These wavelengths are points in the spectrum at -20 dB below the maximum at 986 nm. The laser cavity has total intracavity dispersion near zero, but with oscillations from -50 to +100 fs2 between 700 to 900 nm, that have been measured by white light interferometry. We showed that 17 % (76 %) of the intracavity (output) power is generated by nonlinear effects in a single pass through the crystal, and with a spectral distribution concentrated between 960 nm and 1200 nm, thus outside the laser cavity bandwidth and where the Ti:sapphire gain is lower. Emission in the green has also been observed, which is also outside the laser cavity bandwidth and the emission gain profile of the Ti:sapphire crystal. The repetition rate of both lasers have been phase-locked to stable microwave oscillators, and could also be frequency tuned in a range of 30 kHz with respect to the reference oscillator. We have built f-2f interferometers to measure the carrier-to-envelope oÿset frequency of the laser whose spectrum is broadened by the microstructure fiber. Comb frequencies near 540 nm are heterodyned in a fast photodetector with the second harmonic of the comb light at 1080 nm. In addition to applications in optical time and frequency metrology, the optical frequency combs should be attractive tools for use in precision atomic and molecular spectroscopy, coherent control which exploits the coherent accumulation effect, and studies of fast time dynamics that take advantage of the combination of the ultra high resolution and broadband spectral coverage provided by the comb / Doutorado / Ótica / Doutor em Ciências