Nesta tese estudamos um dos principais problemas na teoria qualitativa das equações diferenciais planares: o problema de determinar a bacia de atração de um ponto de equilíbrio. Damos uma prova rigorosa de que para sistemas lineares por partes de costura com duas zonas no plano, definidas por matrizes Hurwitz o único ponto de equilíbrio na reta de separação é globalmente assintoticamente estável. Por outro lado, provamos que nesta classe de sistemas, podemos ter um ponto de equilíbrio instável na origem quando uma curva poligonal separa as zonas, levando a um resultado contra-intuitivo do comportamento dinâmico de sistemas lineares por partes no plano. Além disso, estudamos os ciclos limites em perturbações suaves por partes de centros Hamiltonianos. Neste cenário, é comum adaptar resultados clássicos de sistemas suaves, como funções de Melnikov, para sistemas não-suaves. No entanto, existe pouca justificativa para este procedimento na literatura. Ao utilizar o método de regularização damos uma prova que suporta o uso de funções de Melnikov diretamente do problema não-suave original. / In this thesis we study one of the main problems in the qualitative theory of planar differential equations: the problem of determining the basin of attraction of an equilibrium point. We give a rigorous proof that for planar sewing piecewise linear systems with two zones, defined by Hurwitz matrices the unique equilibrium point in the separation straight line is globally asymptotically stable. On the other hand, we prove that sewing piecewise linear systems with two zones in the plane, defined by Hurwitz matrices can have one unstable equilibrium point at the origin allowing a broken line to separate the zones, leading to counterintuitive dynamical behaviors of simple piecewise linear systems in the plane. Furthermore, we study limit cycles in piecewise smooth perturbations of Hamiltonians centers. In this setting it is common to adapt classical results for smooth systems, like Melnikov functions, to non-smooth ones. However, there is little justification for this procedure in the literature. By using the regularization method we give a proof that supports the use of Melnikov functions directly from the original non-smooth problem.

Esta tese apresenta o desenvolvimento de uma técnica de processamento numérico capaz de reconstruir o sinal da temperatura do processo original a partir do sinal distorcido, atrasado e ruidoso, medido através de uma sonda intrusiva. Uma técnica de regularização foi adotada para contornar o mau condicionamento do modelo numérico inverso da equação de transdução para obter o sinal do processo, que considera o acúmulo térmico e as transferências de calor convectivo e radiativo entre o meio e o sensor térmico. O método dos mínimos quadrados simplificado foi implementado como técnica de regularização, por ser um método rápido e possuir um código computacional pequeno, permitindo, obter os dados em tempo real e desenvolver um sensor térmico inteligente. Testes numéricos demonstraram as discrepâncias introduzidas pela inércia térmica, convecção e radiação, bem como a extrema sensibilidade da presença de ruídos quando o problema inverso é resolvido. Testes experimentais foram conduzidos para validar o algoritmo de reconstrução sob condições práticas com sinais obtidos por um termopar encapsulado / This thesis presents the development of a numerical processing technique capable of reconstructing the original process temperature signal from distorted, late and noisy measured signal obtained from an intrusive probe. A regularization technique was adopted to palliate the ill conditioning of the inverse numerical model of the transduction equation to obtain the process signal, which considers thermal accumulation and convective and radiative heat transfers between the medium and the thermal sensor. The simplified least square method was implemented as the regularization technique, because it is a fast method and results in a small computational code, which produces on-line information and allow the development an intelligent temperature sensor. Numerical tests demonstrated the discrepancies introduced by thermal inertia, convection and radiation, as well as the extreme sensitivities to the presence of noise when solving the inverse problem. Experimental tests were carried out to validate the reconstruction algorithm under realistic experimental conditions with the signals obtained by the sheathed thermocouple

Esta tese apresenta o desenvolvimento de uma técnica de processamento numérico capaz de reconstruir o sinal da temperatura do processo original a partir do sinal distorcido, atrasado e ruidoso, medido através de uma sonda intrusiva. Uma técnica de regularização foi adotada para contornar o mau condicionamento do modelo numérico inverso da equação de transdução para obter o sinal do processo, que considera o acúmulo térmico e as transferências de calor convectivo e radiativo entre o meio e o sensor térmico. O método dos mínimos quadrados simplificado foi implementado como técnica de regularização, por ser um método rápido e possuir um código computacional pequeno, permitindo, obter os dados em tempo real e desenvolver um sensor térmico inteligente. Testes numéricos demonstraram as discrepâncias introduzidas pela inércia térmica, convecção e radiação, bem como a extrema sensibilidade da presença de ruídos quando o problema inverso é resolvido. Testes experimentais foram conduzidos para validar o algoritmo de reconstrução sob condições práticas com sinais obtidos por um termopar encapsulado / This thesis presents the development of a numerical processing technique capable of reconstructing the original process temperature signal from distorted, late and noisy measured signal obtained from an intrusive probe. A regularization technique was adopted to palliate the ill conditioning of the inverse numerical model of the transduction equation to obtain the process signal, which considers thermal accumulation and convective and radiative heat transfers between the medium and the thermal sensor. The simplified least square method was implemented as the regularization technique, because it is a fast method and results in a small computational code, which produces on-line information and allow the development an intelligent temperature sensor. Numerical tests demonstrated the discrepancies introduced by thermal inertia, convection and radiation, as well as the extreme sensitivities to the presence of noise when solving the inverse problem. Experimental tests were carried out to validate the reconstruction algorithm under realistic experimental conditions with the signals obtained by the sheathed thermocouple

Nesta tese estudamos um dos principais problemas na teoria qualitativa das equações diferenciais planares: o problema de determinar a bacia de atração de um ponto de equilíbrio. Damos uma prova rigorosa de que para sistemas lineares por partes de costura com duas zonas no plano, definidas por matrizes Hurwitz o único ponto de equilíbrio na reta de separação é globalmente assintoticamente estável. Por outro lado, provamos que nesta classe de sistemas, podemos ter um ponto de equilíbrio instável na origem quando uma curva poligonal separa as zonas, levando a um resultado contra-intuitivo do comportamento dinâmico de sistemas lineares por partes no plano. Além disso, estudamos os ciclos limites em perturbações suaves por partes de centros Hamiltonianos. Neste cenário, é comum adaptar resultados clássicos de sistemas suaves, como funções de Melnikov, para sistemas não-suaves. No entanto, existe pouca justificativa para este procedimento na literatura. Ao utilizar o método de regularização damos uma prova que suporta o uso de funções de Melnikov diretamente do problema não-suave original. / In this thesis we study one of the main problems in the qualitative theory of planar differential equations: the problem of determining the basin of attraction of an equilibrium point. We give a rigorous proof that for planar sewing piecewise linear systems with two zones, defined by Hurwitz matrices the unique equilibrium point in the separation straight line is globally asymptotically stable. On the other hand, we prove that sewing piecewise linear systems with two zones in the plane, defined by Hurwitz matrices can have one unstable equilibrium point at the origin allowing a broken line to separate the zones, leading to counterintuitive dynamical behaviors of simple piecewise linear systems in the plane. Furthermore, we study limit cycles in piecewise smooth perturbations of Hamiltonians centers. In this setting it is common to adapt classical results for smooth systems, like Melnikov functions, to non-smooth ones. However, there is little justification for this procedure in the literature. By using the regularization method we give a proof that supports the use of Melnikov functions directly from the original non-smooth problem.

Este trabalho trata da modelagem de sinais ultrassônicos gerados por transdutores circulares (plano e côncavo) no modo de pulso-eco, inspecionando uma região de interesse predeterminada. Para essa análise, dois modelos da resposta impulsiva de um transdutor piezelétrico foram implementados: um do transdutor circular plano e outro do transdutor circular côncavo focalizado. Este último sendo o modelo proposto pelo autor com uma geometria baseada em anéis concêntricos como elementos de área do emissor. A adição de diversos anéis concêntricos, deslocados ao longo de seu eixo e de raios sucessivamente menores, permitiu calcular o campo acústico, gerado por uma abertura côncava, bem como seu eco refletido. A resposta impulsiva de cada anel resulta da diferença entre as respostas impulsivas calculadas para um emissor circular grande e um pequeno. O modelo implementado para o cálculo dos sinais de eco foi utilizado na varredura de uma região contendo um conjunto de pontos com refletividade acústica igual a 1. A reconstrução da imagem foi feita com esses sinais aplicando-lhes a técnica de regularização de Tikhonov. A qualidade das reconstruções das imagens obtidas foi avaliada e comparada a das imagens convencionais. Dentre as métricas de avaliação das imagens reconstruídas estão a influência na variação da velocidade de propagação da onda acústica no meio, a extensão e a discretização do grid e o parâmetro de regularização alfa. Todas as reconstruções foram analisadas segundo o Erro Médio Quadrático (MSE). Finalmente, ensaios experimentais foram conduzidos para a obtenção de A-scans (imagens em modo de amplitude) os quais foram inseridas no modelo teórico para a reconstrução de imagens e analisadas pelo MSE. / This work deals with the modeling of ultrasonic signals generated by circular transducers (planar and concave pistons) in pulse-echo mode, inspecting a predetermined region of interest (ROI). For this analysis, two models of the impulse response of a transducer were implemented: one using a plane piston transducer and the other, a model proposed by the author of this work, using a concave transducer with concentric rings as elements of the emitting area. The addition of several concentric rings moved along its axis allowed us to calculate the acoustic field generated by a concave opening and the echo reflected from each point in space. The impulse response of each ring represents the difference between the impulse responses calculated for a large circular transmitter and a small one. The model implemented for calculating the echo signals is used to scan a region, within a ROI, containing a set of points with acoustic reflectivity of 1. Simulations of the regions are made with these signals by applying the Tikhonov regularization method. To evaluate the quality of image reconstruction, the images are compared with the conventional images. Among the metrics to evaluate the reconstructed images are the influence of the variation of the acoustic wave propagation in the media, the grid range and discretization and the parameter of regularization alpha. All of the image reconstructions were analyzed through the Mean Square Error (MSE) criterion. Finally, experiments were conducted in order to obtain A-scans which were then re-inserted in the theoretical model to reconstruct and analyze the images.

Este trabalho trata da modelagem de sinais ultrassônicos gerados por transdutores circulares (plano e côncavo) no modo de pulso-eco, inspecionando uma região de interesse predeterminada. Para essa análise, dois modelos da resposta impulsiva de um transdutor piezelétrico foram implementados: um do transdutor circular plano e outro do transdutor circular côncavo focalizado. Este último sendo o modelo proposto pelo autor com uma geometria baseada em anéis concêntricos como elementos de área do emissor. A adição de diversos anéis concêntricos, deslocados ao longo de seu eixo e de raios sucessivamente menores, permitiu calcular o campo acústico, gerado por uma abertura côncava, bem como seu eco refletido. A resposta impulsiva de cada anel resulta da diferença entre as respostas impulsivas calculadas para um emissor circular grande e um pequeno. O modelo implementado para o cálculo dos sinais de eco foi utilizado na varredura de uma região contendo um conjunto de pontos com refletividade acústica igual a 1. A reconstrução da imagem foi feita com esses sinais aplicando-lhes a técnica de regularização de Tikhonov. A qualidade das reconstruções das imagens obtidas foi avaliada e comparada a das imagens convencionais. Dentre as métricas de avaliação das imagens reconstruídas estão a influência na variação da velocidade de propagação da onda acústica no meio, a extensão e a discretização do grid e o parâmetro de regularização alfa. Todas as reconstruções foram analisadas segundo o Erro Médio Quadrático (MSE). Finalmente, ensaios experimentais foram conduzidos para a obtenção de A-scans (imagens em modo de amplitude) os quais foram inseridas no modelo teórico para a reconstrução de imagens e analisadas pelo MSE. / This work deals with the modeling of ultrasonic signals generated by circular transducers (planar and concave pistons) in pulse-echo mode, inspecting a predetermined region of interest (ROI). For this analysis, two models of the impulse response of a transducer were implemented: one using a plane piston transducer and the other, a model proposed by the author of this work, using a concave transducer with concentric rings as elements of the emitting area. The addition of several concentric rings moved along its axis allowed us to calculate the acoustic field generated by a concave opening and the echo reflected from each point in space. The impulse response of each ring represents the difference between the impulse responses calculated for a large circular transmitter and a small one. The model implemented for calculating the echo signals is used to scan a region, within a ROI, containing a set of points with acoustic reflectivity of 1. Simulations of the regions are made with these signals by applying the Tikhonov regularization method. To evaluate the quality of image reconstruction, the images are compared with the conventional images. Among the metrics to evaluate the reconstructed images are the influence of the variation of the acoustic wave propagation in the media, the grid range and discretization and the parameter of regularization alpha. All of the image reconstructions were analyzed through the Mean Square Error (MSE) criterion. Finally, experiments were conducted in order to obtain A-scans which were then re-inserted in the theoretical model to reconstruct and analyze the images.