Damage identification is an important topic in structural assessment and structural health monitoring (SHM). Vibration-based identification techniques use modal data to identify the existence, location and severity of possible damages in structures, often via a numerical model updating procedure. Among other factors influencing the practicality and reliability of a damage identification approach, two are of primary interest to this study. The first one concerns the amount and quality of modal data that can be used as ‘response’ data for the model updating. It is generally recognised that natural frequencies can be measured with relatively high accuracy; however, their number is limited. Mode shapes, on the other hand, are susceptible to larger measurement errors. Seeking additional modal frequency data is therefore of significant value. The second one concerns the errors at the numerical (finite element) model level, particularly in the representation of the effect of damage on the dynamic properties of the structure. An inadequate damage model can lead to inaccurate and even false damage identification. The first part of the thesis is devoted to enhancing the modal dataset by extracting the so called ‘artificial boundary condition’ (ABC) frequencies in a real measurement environment. The ABC frequencies correspond to the natural frequencies of the structure with a perturbed boundary condition, but can be generated without the need of actually altering the physical support condition. A comprehensive experimental study on the extraction of such frequencies has been conducted. The test specimens included steel beams of relatively flexible nature, as well as thick and stiffer beams made from metal material and reinforced concrete, to cover the typical variation of the dynamic characteristics of real-life structures in a laboratory condition. The extracted ABC frequencies are subsequently applied in the damage identification in beams. Results demonstrate that it is possible to extract the first few ABC frequencies from the modal testing in different beam settings for a variety of ABC incorporating one or two virtual pin supports. The inclusion of ABC frequencies enables the identification of structural damages satisfactorily without the necessity to involve the mode shape information. The second part of the thesis is devoted to developing a robust model updating and damage identification approach for beam cracks, with a special focus on thick beams which present a more challenging problem in terms of the effect of a crack than slender beams. The priority task has been to establish a crack model which comprehensively describes the effect of a crack to reduce the modelling errors. A cracked Timoshenko beam element model is introduced for explicit beam crack identification. The cracked beam element model is formulated by incorporating an additional flexibility due to a crack using the fracture mechanics principles. Complex effects in cracked thick beams, including shear deformation and coupling between transverse and longitudinal vibrations, are represented in the model. The accuracy of the cracked beam element model for predicting modal data of cracked thick beams is first verified against numerically simulated examples. The consistency of predictions across different modes is examined in comparison with the conventional stiffness reduction approach. Upon satisfactory verification, a tailored model updating procedure incorporating an adaptive discretisation approach is developed for the implementation of the cracked beam element model for crack identification. The updating procedure is robust in that it has no restriction on the location, severity and number of cracks to be identified. Example updating results demonstrate that satisfactory identification can be achieved for practically any configurations of cracks in a beam. Experimental study with five solid beam specimens is then carried out to further verify the developed cracked beam element model. Both forward verification and crack damage identification with the tested beams show similar level of accuracy to that with the numerically simulated examples. The cracked beam element model can be extended to crack identification of beams with complex cross sections. To do so the additional flexibility matrix for a specific cross-section type needs to be re-formulated. In the present study this is done for box sections. The stress intensity factors (SIF) for a box section as required for the establishment of the additional flexibility matrix are formulated with an empirical approach combining FE simulation, parametric analysis and regression analysis. The extended cracked beam element model is verified against both FE simulated and experimentally measured modal data. The model is subsequently incorporated in the crack identification for box beams. The successful extension of the cracked beam element model to the box beams paves the way for similar extension to the crack identification of other types of sections in real-life engineering applications.

O crescimento da demanda por eletricidade tem promovido a diversificação da matriz energética em termos de fontes primárias, porte de geração e alocação dos geradores. Neste cenário, a inserção de geradores de pequeno porte nos sistemas de distribuição tem causado a descentralização da produção de energia elétrica e, no contexto nacional, o alto potencial para geração de eletricidade através de pequenas centrais hidrelétricas e usinas de cogeração tem dado destaque aos geradores síncronos distribuídos. Contudo, é necessário avaliar as implicações da presença dos geradores síncronos em sistemas de distribuição e avaliar se as metodologias já consagradas de análises, operação e normalização técnica estão adequadas. Dentre as principais peculiaridades dos sistemas de distribuição estão a proximidade dos geradores às cargas e a presença de eventos aleatórios de maior amplitude, tais como variações de carga que ocorrem natural e intermitentemente no sistema. Além disso, problemas relacionados a oscilações eletromecânica mal amortecidas podem agora ocorrer em níveis de distribuição e deve-se estabelecer um procedimento para identificação destes modos. Entretanto, o procedimento usual para o estudo de estabilidade a pequenas perturbações pode se tornar inviável, pois a construção do modelo completo é de extrema complexidade e os parâmetros dos elementos em níveis de distribuição são de difícil obtenção. Para reverter estes problemas citados, esta pesquisa oferece um procedimento alternativo para a obtenção dos modos de oscilação eletromecânica em sistemas de distribuição, sugerindo a estimação modal através de dados ambiente. / The electricity demand increase has promoted the energy matrix diversification in terms of primary sources, generation size and allocation of generators. In this scenario, the insertion of small sized generators in distribution systems has caused the power production decentralization and, in the national context, a high potential for generating electricity through small hydroelectric power plants and cogeneration plants has drawn attention to distributed synchronous generators. However, it is necessary to assess the implications of synchronous generators presence in distribution systems and evaluate if the current methodologies of analysis, operation and technical standards are appropriate to this context. Among the main distribution systems particularities, there are the proximity of generators to loads and more significant random perturbations conceptualized as load switching. In addition, problems related to lightly damped modes can occur in distribution and there is a need to establish a procedure for modal identification. However, the usual procedure for the small-signal stability analysis is not adequate to this problem, because the model construction is very complex and the parameters in distribution are very difficult to obtain. To face the challenges, this research provides an alternative procedure for obtaining electromechanical modes in distribution systems, suggesting modal estimation techniques that use measured ambient data.

O crescimento da demanda por eletricidade tem promovido a diversificação da matriz energética em termos de fontes primárias, porte de geração e alocação dos geradores. Neste cenário, a inserção de geradores de pequeno porte nos sistemas de distribuição tem causado a descentralização da produção de energia elétrica e, no contexto nacional, o alto potencial para geração de eletricidade através de pequenas centrais hidrelétricas e usinas de cogeração tem dado destaque aos geradores síncronos distribuídos. Contudo, é necessário avaliar as implicações da presença dos geradores síncronos em sistemas de distribuição e avaliar se as metodologias já consagradas de análises, operação e normalização técnica estão adequadas. Dentre as principais peculiaridades dos sistemas de distribuição estão a proximidade dos geradores às cargas e a presença de eventos aleatórios de maior amplitude, tais como variações de carga que ocorrem natural e intermitentemente no sistema. Além disso, problemas relacionados a oscilações eletromecânica mal amortecidas podem agora ocorrer em níveis de distribuição e deve-se estabelecer um procedimento para identificação destes modos. Entretanto, o procedimento usual para o estudo de estabilidade a pequenas perturbações pode se tornar inviável, pois a construção do modelo completo é de extrema complexidade e os parâmetros dos elementos em níveis de distribuição são de difícil obtenção. Para reverter estes problemas citados, esta pesquisa oferece um procedimento alternativo para a obtenção dos modos de oscilação eletromecânica em sistemas de distribuição, sugerindo a estimação modal através de dados ambiente. / The electricity demand increase has promoted the energy matrix diversification in terms of primary sources, generation size and allocation of generators. In this scenario, the insertion of small sized generators in distribution systems has caused the power production decentralization and, in the national context, a high potential for generating electricity through small hydroelectric power plants and cogeneration plants has drawn attention to distributed synchronous generators. However, it is necessary to assess the implications of synchronous generators presence in distribution systems and evaluate if the current methodologies of analysis, operation and technical standards are appropriate to this context. Among the main distribution systems particularities, there are the proximity of generators to loads and more significant random perturbations conceptualized as load switching. In addition, problems related to lightly damped modes can occur in distribution and there is a need to establish a procedure for modal identification. However, the usual procedure for the small-signal stability analysis is not adequate to this problem, because the model construction is very complex and the parameters in distribution are very difficult to obtain. To face the challenges, this research provides an alternative procedure for obtaining electromechanical modes in distribution systems, suggesting modal estimation techniques that use measured ambient data.

Ao longo das últimas décadas, o advento de geradores síncronos distribuídos têm modificado significativamente a operação dinâmica de sistemas de distribuição. Características dinâmicas que antes eram típicas de sistemas de transmissão estão agora também presentes em sistemas de distribuição. Problemas relacionados a oscilações eletromecânica mal amortecidas, um dos focos de análise do estudo da estabilidade a pequenas perturbações, podem agora afetar também os sistemas de distribuição devido à inserção de geradores síncronos. Ferramentas usualmente utilizadas em sistemas de transmissão para a análise de tais oscilações não são completamente adequadas para analisar os fenômenos que ocorrem nos sistemas de distribuição com geração distribuída, devido a características peculiares desses sistemas, tais como o desequilíbrio de suas fases. Assim, essa pesquisa propõe um procedimento alternativo para analisar a estabilidade a pequenas perturbações de sistemas de distribuição, através da aplicação de técnicas de estimação modal. Abordam-se duas técnicas de estimação modal: os métodos de Prony e o ESPRIT. O primeiro método consiste em uma ferramenta já consagrada para a identificação de oscilações eletromecânicas de baixa frequência. Enquanto o segundo é uma t´técnica usualmente aplicada em análise de transitórios com desempenho satisfatório no contexto de qualidade de energia. Simulações não lineares são realizadas no software ATP, inicialmente sobre um sistema trifásico equilibrado e tais técnicas são aplicadas e comparadas, tornando possível a validação cruzada de ambos os métodos na identificação do modo eletromecânico do sistema. Na sequência, simulações são realizadas em um um sistema trifásico desequilibrado, permitindo avaliar o efeito do desbalanço da carga sobre as oscilações eletromecânicas, sendo essa uma das maiores contribuições desse trabalho. A principal conclusão adquirida é o fato de que um Power System Stabilizer (PSS) pode ser usado para mitigar os impactos prejudiciais das oscilações eletromecânicas em um gerador síncrono distribuído, sendo que esse PSS pode ser projetado a partir de técnicas típicas, assumindo um funcionamento equilibrado desse gerador, e ainda assim ter um desempenho satisfatório para os casos desequilibrados estudados. / Over the last few decades, the advent of distributed synchronous generators has significantly modified the operation and dynamics of distribution systems. Dynamic behaviors that were typical of transmission systems are now also present in distribution systems. Problems related to poorly damped electromechanical oscillations, the focus of small-signal stability studies, can now also affect the distribution systems due to the insertion of synchronous generators. Tools usually employed in large systems for the analysis of these oscillations are not completely appropriate to analyze this phenomena in distribution systems with distributed generation, due to particular characteristics of these systems, such as load imbalance. Therefore, this research proposes an alternative procedure to analyze the small-signal stability of distribution systems, through the application of modal estimation techniques. Two modal estimation techniques are used: the Prony and ESPRIT methods. The former consists of a well-established tool for identifying low-frequency oscillations and the latter was chosen due to its satisfactory performance in works related to power quality, where it is applied in transient analysis. Initially, both modal estimation techniques are applied to the results of nonlinear simulations performed in the Alternative Transients Program for balanced three-phase systems. The modes identified by both techniques exhibit a close match, which provides a cross validation between these techniques. In the sequence, simulations are performed in three-phase unbalanced systems, allowing an evaluation of the effect of load imbalance on the electromechanical oscillations (which is another major contribution of this work). Furthermore, it is concluded from the obtained results that a Power System Stabilizer, designed under the assumption of a balanced operation of the distribution system, can be effectively used to mitigate the detrimental effects of the poorly damped oscillations even when the system operates under unbalanced load conditions.

Ao longo das últimas décadas, o advento de geradores síncronos distribuídos têm modificado significativamente a operação dinâmica de sistemas de distribuição. Características dinâmicas que antes eram típicas de sistemas de transmissão estão agora também presentes em sistemas de distribuição. Problemas relacionados a oscilações eletromecânica mal amortecidas, um dos focos de análise do estudo da estabilidade a pequenas perturbações, podem agora afetar também os sistemas de distribuição devido à inserção de geradores síncronos. Ferramentas usualmente utilizadas em sistemas de transmissão para a análise de tais oscilações não são completamente adequadas para analisar os fenômenos que ocorrem nos sistemas de distribuição com geração distribuída, devido a características peculiares desses sistemas, tais como o desequilíbrio de suas fases. Assim, essa pesquisa propõe um procedimento alternativo para analisar a estabilidade a pequenas perturbações de sistemas de distribuição, através da aplicação de técnicas de estimação modal. Abordam-se duas técnicas de estimação modal: os métodos de Prony e o ESPRIT. O primeiro método consiste em uma ferramenta já consagrada para a identificação de oscilações eletromecânicas de baixa frequência. Enquanto o segundo é uma t´técnica usualmente aplicada em análise de transitórios com desempenho satisfatório no contexto de qualidade de energia. Simulações não lineares são realizadas no software ATP, inicialmente sobre um sistema trifásico equilibrado e tais técnicas são aplicadas e comparadas, tornando possível a validação cruzada de ambos os métodos na identificação do modo eletromecânico do sistema. Na sequência, simulações são realizadas em um um sistema trifásico desequilibrado, permitindo avaliar o efeito do desbalanço da carga sobre as oscilações eletromecânicas, sendo essa uma das maiores contribuições desse trabalho. A principal conclusão adquirida é o fato de que um Power System Stabilizer (PSS) pode ser usado para mitigar os impactos prejudiciais das oscilações eletromecânicas em um gerador síncrono distribuído, sendo que esse PSS pode ser projetado a partir de técnicas típicas, assumindo um funcionamento equilibrado desse gerador, e ainda assim ter um desempenho satisfatório para os casos desequilibrados estudados. / Over the last few decades, the advent of distributed synchronous generators has significantly modified the operation and dynamics of distribution systems. Dynamic behaviors that were typical of transmission systems are now also present in distribution systems. Problems related to poorly damped electromechanical oscillations, the focus of small-signal stability studies, can now also affect the distribution systems due to the insertion of synchronous generators. Tools usually employed in large systems for the analysis of these oscillations are not completely appropriate to analyze this phenomena in distribution systems with distributed generation, due to particular characteristics of these systems, such as load imbalance. Therefore, this research proposes an alternative procedure to analyze the small-signal stability of distribution systems, through the application of modal estimation techniques. Two modal estimation techniques are used: the Prony and ESPRIT methods. The former consists of a well-established tool for identifying low-frequency oscillations and the latter was chosen due to its satisfactory performance in works related to power quality, where it is applied in transient analysis. Initially, both modal estimation techniques are applied to the results of nonlinear simulations performed in the Alternative Transients Program for balanced three-phase systems. The modes identified by both techniques exhibit a close match, which provides a cross validation between these techniques. In the sequence, simulations are performed in three-phase unbalanced systems, allowing an evaluation of the effect of load imbalance on the electromechanical oscillations (which is another major contribution of this work). Furthermore, it is concluded from the obtained results that a Power System Stabilizer, designed under the assumption of a balanced operation of the distribution system, can be effectively used to mitigate the detrimental effects of the poorly damped oscillations even when the system operates under unbalanced load conditions.

Ce mémoire traite de l'acoustique de la clarinette et du rôle de l'anche, résumant des travaux menés entre 2001 et 2018 sur divers sujets :I) Étude de modèles analytiques élémentaire focalisée sur : 1) le rôle des pertes. 2) les cartes itérées, mettant en évidence divers régimes de fonctionnement, utiles aussi pour la pédagogie instrumentale. II) Étude de caractérisation des anches : 1) Étude dynamique des résonances de l'anche réalisée par holographie. Elle conduit à un modèle de matériau viscoélastique expliquant certaines différences observées dans les fréquences des 15 premiers modes de l'anche. 2) Étude statique des caractéristiques mécaniques et aérauliques de l'excitateur (anche+bec+lèvre). La méthode mesure précisément la quantité d'air entrant dans l'instrument en fonction de la pression de lèvre et d'air. III) Synthèse sonore par modèle physique en temps réel : 1) Modélisation mécanique et aéraulique de l'anche, d'après mesure. Le modèle de ressort raidissant non linéaire proposé autorise une simulation dynamique efficace. 2) Estimation modale de l'impédance d'entrée (mesurée) des instruments à vent. On montre les techniques de conception de filtres numériques précis et passifs à toute fréquence. 3) Modélisation et simulation instruments à vent au moyen de guide-ondes, par estimation modale, implémentée dans un logiciel en C++. IV) Une étude de jouabilité d'un panel de 40 anches par analyse canonique des corrélations révèle des liens statistiquement solides entre mesures physiques, évaluations subjectives et synthèse sonore. Elle autorise une caractérisation des anches pouvant être réalisé par le fabricant, selon au moins 4 facteurs indépendants. / This thesis deals with the acoustics of the clarinet and the role of the reed, summarizing studies carried out between 2001 and 2018 on various topics : I) Study of elementary analytical models, focused on 1) role of losses. 2) iterated maps, highlighting various operating regimes, which are also useful for the instrumental pedagogy. II) Reed characterization study : 1) Dynamic study of the reed resonances, by holography. It leads to a model of viscoelastic material explaining some differences observed in the frequencies of the first 15 modes of the reed. 2) Static study of the mechanical and aeraulic characteristics of the exciter (reed + mouthpiece + lip). The method accurately measures the airflow entering the instrument as a function of lip and air pressure. III) Sound synthesis by physical model in real time : 1) Mechanical and aeraulic modeling of the reed, according to measurements. The proposed nonlinear stiffening spring model allows for an efficient dynamic simulation. 2) Modal estimation of the (measured) input impedance of wind instruments. Design techniques for accurate digital filters, passive at any frequency, are described. 3) Modal estimation and simulation of wind instruments by waveguides, implemented in C ++ software. IV) A playability study of a panel of 40 reeds by canonical correlation analysis reveals statistically strong links between physical measurements, subjective evaluations and sound synthesis. It allows a characterization of the reeds that can be made by the manufacturer, according to at least 4 independent factors.