Ultrasound acoustic energy transfer (UAET) is an emerging contactless technology that offers the capability to safely and efficiently power sensors and devices while eliminating the need to replace batteries, which is of interest in many applications. It has been proposed to recharge and communicate with implanted medical devices, thereby eliminating the need for invasive and expensive surgery and also to charge sensors inside enclosed metal containers typically found in automobiles, nuclear power plants, space stations, and aircraft engines. In UAET, energy is transferred through the reception of acoustic waves by a piezoelectric receiver that converts the energy of acoustic waves to electrical voltage. It has been shown that UAET outperforms the conventional CET technologies that use electromagnetic waves to transfer energy, including inductive coupling and capacitative coupling. To date, the majority of research on UAET systems has been limited to modeling and proof-of-concept experiments, mostly in the linear regime, i.e., under small levels of acoustic pressure that result in small amplitude longitudinal vibrations and linearized piezoelectricity. Moreover, existing models are based on the "piston-like" deformation assumption of the transmitter and receiver, which is only accurate for thin disks and does not accurately account for radiation effects. The linear models neglect nonlinear effects associated with the nonlinear acoustic wave propagation as well as the receiver's electroelastic nonlinearities on the energy transfer characteristics, which become significant at high source strengths. In this dissertation, we present experimentally-validated analytical and numerical multiphysics modeling approaches aimed at filling a knowledge gap in terms of considering resonant acoustic-piezoelectric structure interactions and nonlinear effects associated with high excitation levels in UAET systems. In particular, we develop a reduced-order model that can accurately account for the radiation effects and validate it by performing experiments on four piezoelectric disks with different aspect ratios. Next, we study the role of individual sources of nonlinearity on the output power characteristics. First, we consider the effects of electroelastic nonlinearities. We show that these nonlinearities can shift the optimum load resistance when the acoustic medium is fluid. Next, we consider the nonlinear wave propagation and note that the shock formation is associated with the dissipation of energy, and as such, shock formation distance is an essential design parameter for high-intensity UAET systems. We then present an analytical approach capable of predicting the shock formation distance and validate it by comparing its prediction with finite element simulations and experimental results published in the literature. Finally, we experimentally investigate the effects of both the nonlinearity sources on the output power characteristics of the UAET system by considering a high intensity focused ultrasound source and a piezoelectric disk receiver. We determine that the system's efficiency decreases, and the maximum voltage output position drifts towards the source as the source strength is increased. / Doctor of Philosophy / Advancements in electronics that underpinned the development of low power sensors and devices have transformed many fields. For instance, it has led to the innovation of implanted medical devices (IMDs) such as pacemakers and neurostimulators that perform life-saving functions. They also find applications in condition monitoring and wireless sensing in nuclear power plants, space stations, automobiles and aircraft engines, where the sensors are enclosed within sealed metal containers, vacuum/pressure vessels or located in a position isolated from the operator by metal walls. In all these applications, it is desired to communicate with and recharge the sensors wirelessly. Such a mechanism can eliminate the need for invasive and expensive surgeries to replace batteries of IMDs and preserve the structural integrity of metal containers by eliminating the need for feed through wires. It has been shown that ultrasound acoustic energy transfer (UAET) outperforms conventional wireless power transfer techniques. However, existing models are based on several assumptions that limit their potential and do not account for effects that become dominant when a higher output power is desired. In this dissertation, we present experimentally validated numerical and theoretical investigations to fill those knowledge gaps. We also provide crucial design recommendations based on our findings for the efficient implementation of UAET technology.

Numerische Prozessanalysen werden heute standardmäßig zur virtuellen Prozessabsicherung der Herstellung umgeformter Blechformteile eingesetzt. Die dabei notwendige hohe Prognosegüte kann nur mit einer hinreichend präzisen Materialmodellierung realisiert werden. Ein wesentlicher Aspekt ist dabei die Modellierung des Fließverhaltens und der Werkstoffanisotropie. Zur Charakterisierung des Werkstoffverhaltens existieren zahlreiche Versuchs- und Auswertestrategien; diese werden aufgrund des hohen Versuchs- und Rechenaufwands in der industriellen Anwendung jedoch nur vereinzelt eingesetzt. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine neuentwickelte halbanalytische Methode zur Charakterisierung von Fließortkurven sowie der Folgefließortkurven vorgestellt. Dazu wurde eine Spannungsanalyse auf Messdaten einer digitalen Bildkorrelation sowie ein Schnittlinienansatz zur Berechnung innerer Kräfte entwickelt. Durch Bilanzierung dieser inneren Schnittkräfte mit gemessenen äußeren Prüfkräften werden Parameter eines gewählten Materialmodells in einer inversen Analyse identifiziert. Die Methode zur Parameteridentifikation wurde zunächst an synthetischen und anschließend an realen Experimenten untersucht. Es wurde eine sequentielle Identifikationsstrategie aufgestellt, die an den Blechwerkstoffen DX54, DP600 sowie AA5182 untersucht wurde. Abschließend wurde die Methode mithilfe von Validierungsversuchen hinsichtlich der identifizierten Materialantworten überprüft.:Inhaltsverzeichnis I Symbolverzeichnis IV Abkürzungen und Begriffe VIII 1 Einleitung 1 2 Stand der Technik 3 2.1 Grundlagen zur Umformung von Blechwerkstoffen 3 2.1.1 Umformprozesse zur Herstellung von Blechformteilen 3 2.1.2 Anforderungen bei der Herstellung von Blechbauteilen 4 2.2 Numerische Prozessauslegung von Blechumformoperationen 5 2.2.1 Anwendung der FEM als Hilfsmittel in der Prozessauslegung 5 2.2.2 Kritische Punkte der numerischen Prozessauslegung 7 2.3 Werkstoffverhalten und Materialmodellierung 8 2.3.1 Kenngrößen zur Beschreibung großer Deformation 8 2.3.2 Grundlagen zur Beschreibung elastoplastischen Materialverhaltens 9 2.3.3 Beschreibung der Verfestigungsregel in Materialmodellen 11 2.3.4 Modellierung anisotroper Fließortkurven 12 2.3.5 Modellierung der Fließortkurvenentwicklung 18 2.3.6 Zusammenfassende Hinweise zu den Fließkriterien 25 2.4 Kennwertermittlung und Werkstoffcharakterisierung 26 2.4.1 Experimentelle Methoden und analytische Verfahren zur Fließortkurvenermittlung 26 2.4.2 Erweiterte Messtechnik zur Identifikation von Fließortkurven 33 2.4.3 Inverse Strategien zur Identifikation von Fließortkurven 36 2.5 Zusammenfassung zum Stand der Technik 43 3 Zielsetzung und Vorgehensweise 45 3.1 Zielsetzung 45 3.2 Vorgehensweise 45 4 Experimentelle Versuchsdurchführung 47 4.1 Versuchsaufbau und Messtechnik 47 4.2 Prüfverfahren zur Werkstoffprüfung 48 4.2.1 Zugversuch 49 4.2.2 Kerbzugversuch 49 4.2.3 Scherzugversuch 49 4.2.4 Biaxialer Zugversuch 50 4.3 Wahl der Versuchswerkstoffe 51 4.3.1 Kaltgewalzter Tiefziehstahl DX54 51 4.3.2 Kaltgewalzter Dualphasenstahl DP600 52 4.3.3 Aluminiumknetlegierung AA5182 52 4.4 Messergebnisse aus den Werkstoffprüfungen 53 4.5 Zusammenfassung zur Versuchsdurchführung 55 5 Entwicklung einer halbanalytischen Methode zur Parameteridentifikation 56 5.1 Spannungsanalyse 56 5.1.1 Spannungsrichtung 57 5.1.2 Spannungszuwachs 58 5.1.3 Elastische Kompensation 59 5.2 Schnittkraftermittlung 60 5.3 Inverse Analyse 62 5.4 Zusammenfassende Darstellung der Entwicklung 64 6 Validierung der Methode an virtuellen Experimenten 67 6.1 Virtuelle Versuche 67 6.2 Validierung der Spannungsanalyse 68 6.2.1 Vorgehensweise zur Prüfung der Spannungsanalyse 69 6.2.2 Ergebnisse der Überprüfung der Spannungsanalyse 70 6.3 Validierung der Schnittkraftermittlung 76 6.4 Sensitivität der Materialantwort gegenüber den Materialparametern 80 6.4.1 Einfluss variierender Fließkurvenapproximationen 80 6.4.2 Einfluss variierender Fließortkurven 82 6.5 Diskussion zur Wahl geeigneter Schnittlinien 88 6.6 Fehlerbetrachtung 89 / Numerical process analysis is widely used today for the virtual process validation of the production of formed sheet metal parts. In this context, sufficiently precise material modeling is essential, especially for the flow behavior and the material anisotropy. Numerous test and evaluation strategies are known for the material characterization. However, these strategies are only used occasionally in industrial applications due to high experimental and computational costs. In the context of this work, a newly developed semi-analytical method for the characterization of yield locus curves and subsequent yield locus curves is presented. For this purpose, a stress analysis based on digital image correlation data and a cutting-line approach for internal forces computation was developed. By balancing these internal cutting forces with measured external test forces, parameters of a material model are identified in an inverse analysis. The method for parameter identification was first examined on synthetic and subsequently on real experiments. A sequential identification strategy was set up and examined on the sheet metal materials DX54, DP600 and AA5182. Finally, the method was checked using validation tests with regard to the identified material responses.:Inhaltsverzeichnis I Symbolverzeichnis IV Abkürzungen und Begriffe VIII 1 Einleitung 1 2 Stand der Technik 3 2.1 Grundlagen zur Umformung von Blechwerkstoffen 3 2.1.1 Umformprozesse zur Herstellung von Blechformteilen 3 2.1.2 Anforderungen bei der Herstellung von Blechbauteilen 4 2.2 Numerische Prozessauslegung von Blechumformoperationen 5 2.2.1 Anwendung der FEM als Hilfsmittel in der Prozessauslegung 5 2.2.2 Kritische Punkte der numerischen Prozessauslegung 7 2.3 Werkstoffverhalten und Materialmodellierung 8 2.3.1 Kenngrößen zur Beschreibung großer Deformation 8 2.3.2 Grundlagen zur Beschreibung elastoplastischen Materialverhaltens 9 2.3.3 Beschreibung der Verfestigungsregel in Materialmodellen 11 2.3.4 Modellierung anisotroper Fließortkurven 12 2.3.5 Modellierung der Fließortkurvenentwicklung 18 2.3.6 Zusammenfassende Hinweise zu den Fließkriterien 25 2.4 Kennwertermittlung und Werkstoffcharakterisierung 26 2.4.1 Experimentelle Methoden und analytische Verfahren zur Fließortkurvenermittlung 26 2.4.2 Erweiterte Messtechnik zur Identifikation von Fließortkurven 33 2.4.3 Inverse Strategien zur Identifikation von Fließortkurven 36 2.5 Zusammenfassung zum Stand der Technik 43 3 Zielsetzung und Vorgehensweise 45 3.1 Zielsetzung 45 3.2 Vorgehensweise 45 4 Experimentelle Versuchsdurchführung 47 4.1 Versuchsaufbau und Messtechnik 47 4.2 Prüfverfahren zur Werkstoffprüfung 48 4.2.1 Zugversuch 49 4.2.2 Kerbzugversuch 49 4.2.3 Scherzugversuch 49 4.2.4 Biaxialer Zugversuch 50 4.3 Wahl der Versuchswerkstoffe 51 4.3.1 Kaltgewalzter Tiefziehstahl DX54 51 4.3.2 Kaltgewalzter Dualphasenstahl DP600 52 4.3.3 Aluminiumknetlegierung AA5182 52 4.4 Messergebnisse aus den Werkstoffprüfungen 53 4.5 Zusammenfassung zur Versuchsdurchführung 55 5 Entwicklung einer halbanalytischen Methode zur Parameteridentifikation 56 5.1 Spannungsanalyse 56 5.1.1 Spannungsrichtung 57 5.1.2 Spannungszuwachs 58 5.1.3 Elastische Kompensation 59 5.2 Schnittkraftermittlung 60 5.3 Inverse Analyse 62 5.4 Zusammenfassende Darstellung der Entwicklung 64 6 Validierung der Methode an virtuellen Experimenten 67 6.1 Virtuelle Versuche 67 6.2 Validierung der Spannungsanalyse 68 6.2.1 Vorgehensweise zur Prüfung der Spannungsanalyse 69 6.2.2 Ergebnisse der Überprüfung der Spannungsanalyse 70 6.3 Validierung der Schnittkraftermittlung 76 6.4 Sensitivität der Materialantwort gegenüber den Materialparametern 80 6.4.1 Einfluss variierender Fließkurvenapproximationen 80 6.4.2 Einfluss variierender Fließortkurven 82 6.5 Diskussion zur Wahl geeigneter Schnittlinien 88 6.6 Fehlerbetrachtung 89

Le SPS (Spark plasma sintering) ou frittage flash est une technique innovante de compaction de poudre. Ce procédé fait intervenir le courant électrique pour chauffer l'échantillon en appliquant simultanément une pression. Grâce à la vitesse de chauffage, le procédé SPS apparaît comme étant une technologie prometteuse dans le secteur aéronautique servant à produire des matériaux denses à microstructure fine, composés par des intermétalliques difficiles à fondre, à former et à usiner avec les procédés conventionnels. Cependant, la fabrication de formes complexes est problématique à cause des hétérogénéités en densité qui peuvent apparaître lors de la compaction et qui proviennent de la distribution de la température et des contraintes dans la poudre compactée. La distribution du courant, de la température et des contraintes, ainsi que leurs différents effets, font l'objet d'une large étude, étant responsables de l'homogénéité de la microstructure. Une modélisation numérique 3D du procédé est réalisée, dans le cadre de la librairie CimLib. Elle englobe trois problèmes physiques fortement couplés : électrique, thermique et mécanique. Nous utilisons une approche monolithique qui consiste à résoudre une équation pour chaque problème sur un maillage unique représentant outils et poudre. Tout d'abord le couplage électrique-thermique est modélisé et les simulations numériques sont validées. Une loi de comportement viscoplastique compressible s'appuyant sur un modèle d'Abouaf est utilisée pour modéliser la densification de la poudre de TiAl. Ce modèle est validé par plusieurs cas tests de compaction de poudre dans un contexte lagrangien puis eulérien avant de passer à une simulation complète de couplage électrique-thermique-mécanique. Dans ce contexte monolithique, nous développons un modèle pour prendre en compte les effets du frottement entre la poudre et le moule. Enfin, la loi de comportement utilisée est identifiée pour la poudre intermétallique de TiAl. Le frittage par SPS d'échantillons de différentes tailles est simulé. Les résultats en termes de distribution de densité et déplacement sont validés grâce à une comparaison avec l'expérience. / Spark plasma sintering process (SPS) is a breakthrough technology for producing high quality sintered materials. An electric current is applied simultaneously with a vertical load to sinter the powder placed in a graphite mould. Joule effect leads to high heating rates which are favorable for enhancing the microstructure and physical properties. However, manufacturing complex shapes is problematic due to heterogeneities in density distribution that may appeari during compaction. For that reason, the development of a numerical model to predict sintering is necessary. The model should help controlling temperature and stress distributions, which are responsible for the microstructure homogeneity. A 3D numerical model is developed to ensure a predictive tool for SPS using CimLib, a code developed at CEMEF. The numerical model presents three physical problems strongly coupled: an electric problem, a thermal problem and a mechanical problem. A monolithic approach is used which consists in solving one equation for each problem using one unique mesh for tools and powder. First the electric thermal coupling is modeled and the numerical simulations are validated by comparison with commercial codes. A viscoplastic compressible law based on Abouaf model is implemented to model the densification of TiAl powder. This model is validated by comparing the numerical results of different compaction tests with analytic solutions using a Lagrangian and Eulerian framework. Then a fully coupled electric-thermal-mechanical simulation is carried out. In the monolithic framework, a model is developed to take into account friction effects between powder and mould. Finally, the parameters of the selected material law are identified for TiAl powder using our numerical model and SPS experiments. Sintering of different samples is then simulated. Results are compared with the experiments in terms of density distribution and displacement.

Es wurde die Optimierungssoftware SPC-Opt entwickelt, mit welcher sich Aufgaben aus den Bereichen der Formoptimierung sowie der Material- und Formidentifikation bearbeiten lassen. Zur Lösung von Identifikationsproblemen steht eine robuste Implementierung des Levenberg-Marquardt-Fletcher-Verfahrens zur Verfügung. Ergänzt wird dieses durch Line-Search- und Trust-Region-Verfahren, welche sich besonders für Aufgaben der Formoptimierung eignen. Es wurden effiziente Algorithmen zur Approximation der Hesse-Matrix sowie verschiedene Verfahren zur Startparametervariation integriert. Das Programm verfügt über Schnittstellen zur Nutzung von ABAQUS, ANSYS, MSC.MARC, eigenen FEM-Programmen sowie LUA-Skripten. Für Formoptimierungen können geometrische Konturen durch NURBS approximiert und deren Kontrollpunkte als Formparameter genutzt werden. Die Aktualisierung der FEM-Netze entsprechend der Formparameteränderung erfolgt durch ein analytisches Verfahren. Der zweite Schwerpunkt der Arbeit bezieht sich auf die Weiterentwicklung bestehender Verfahren zur Materialparameteridentifikation im Bereich der Gummiwerkstoffe. Hierbei wurde das Konzept der Anpassung anhand bauteilnaher Probekörper entwickelt. Dabei wurde am Beispiel einer Fahrwerksbuchse ein Probekörper entworfen, welcher dem originalen Bauteil zwar ähnlich sieht, jedoch eine deutlich einfachere Geometrie hat. Durch diesen konnte das Verhalten des Bauteils gut approximiert und sichergestellt werden, dass die im Rahmen der Parameteridentifikation durchgeführten FEM-Simulationen sicher konvergieren. Zudem wurden die Nutzerschnittstellen des inelastischen Morph-Stoffgesetz für MSC.MARC und ABAQUS weiterentwickelt, sodass diese nunmehr auch im industriellen Umfeld nutzbar sind. Es konnte nachgewiesen werden, dass die Verwendung bauteilnah identifizierter Parameter zu einer erheblich besseren Abbildung des Materialverhaltens führt als die Verwendung anhand von Standardprobekörpern identifizierter Parameter. Weiterhin zeigte sich, dass vor allem der Einsatz eines Stoffgesetzes mit der Möglichkeit zur Abbildung des charakteristischen Verhaltens von Elastomeren unbedingt erforderlich ist. / Within the scope of this work the optimization software SPC-Opt has been developed to successfully process tasks in the fields of shape optimization and parameter identification. The software includes a robust Levenberg-Marquardt-Fletcher algorithm, several line search and trust region algorithms as well as efficient methods for the approximation of the Hessian matrix. Additionally, procedures for the variation of initial parameters (Design Of Experiments) were implemented. The software includes interfaces to ABAQUS, ANSYS, MSC.MARC, in-house FEM programs and LUA scripts. Within shape optimization problems, geometric shapes are approximated by NURBS and the related control points are employed as design variables. For the update of the FE mesh during the variation of the design variables, a special analytical algorithm is used to preserve the mesh topology. Another focus is related to the further development of existing material parameter identification procedures for rubber materials. Therefor, the concept of component-oriented specimens was developed. Using the example of a bushing, a specimen was designed, which is similar to the original component but has a much simpler geometry. According to this, the behavior of the original component is approximated and the stability of necessary FE simulations is ensured. Additionally, the utilized Model of Rubber Phenomenology (MORPH) is improved in view of the industrial use. It is shown that the identification of material parameters using component-oriented specimens leads to a much better approximation of the original component behaviour than using standard specimens. Additionally, it is shown that the use of a material law which can consider characteritic properties of elastomers, is absolutely necessary.

Afin de réduire le coût de calcul pour des problèmes d'optimisation coûteuse, cette thèse a été consacrée à la Stratégie d'Evolution avec Adaptation de Matrice de Covariance assistée par modèle de Krigeage (KA-CMA-ES). Plusieurs algorithmes de KA-CMA-ES ont été développés et étudiés. Une application de ces algorithmes KA-CMA-ES développés est réalisée par l'identification des paramètres matériels avec un modèle constitutif d'endommagement élastoplastique. Les résultats expérimentaux démontrent que les algorithmes KA-CMA-ES développés sont plus efficaces que le CMA-ES standard. Ils justifient autant que le KA-CMA-ES couplé avec ARP-EI est le plus performant par rapport aux autres algorithmes étudiés dans ce travail. Les résultats obtenus par l'algorithme ARP-EI dans l'identification des paramètres matériels montrent que le modèle d'endommagement élastoplastique utilisé est suffisant pour décrire le comportement d'endommage plastique et ductile. Ils prouvent également que la KA-CMA-ES proposée améliore l'efficace de la CMA-ES. Par conséquent, le KA-CMA-ES est plus puissant et efficace que CMA-ES pour des problèmes d'optimisation coûteuse. / In order to reduce the cost of solving expensive optimization problems, this thesis devoted to Kriging-Assisted Covariance Matrix Adaptation Evolution Strategy (KA-CMA-ES). Several algorithms of KA-CMA-ES were developed and a comprehensive investigation on KA-CMA-ES was performed. Then applications of the developed KA-CMA-ES algorithm were carried out in material parameter identification of an elastic-plastic damage constitutive model. The results of experimental studies demonstrated that the developed KA-CMA-ES algorithms generally are more efficient than the standard CMA-ES and that the KA-CMA-ES using ARP-EI has the best performance among all the investigated KA-CMA-ES algorithms in this work. The results of engineering applications of the algorithm ARP-EI in material parameter identification show that the presented elastic-plastic damage model is adequate to describe the plastic and ductile damage behavior and also prove that the proposed KA-CMA-ES algorithm apparently improve the efficiency of the standard CMA-ES. Therefore, the KA-CMA-ES is more powerful and efficient than CMA-ES for expensive optimization problems.

La maîtrise de la demande en climatisation des bâtiments tertiaires peut contribuer à la limitation du réchauffement climatique à 2°C. Les réseaux de froid urbain sont une solution pour répondre à cette demande avec une haute efficacité énergétique. Une conduite performante est cependant essentielle pour maintenir et augmenter leurs avantages compétitifs. L'objectif de la thèse est de contribuer à la construction d'un outil d'aide à la conduite journalière des réseaux de froid. La difficulté réside à deux niveaux : la diversité des décisions et la complexité des phénomènes physiques sous-jacents. L'originalité est de proposer une méthodologie pour aider au pilotage des groupes frigorifiques, des tours aéroréfrigérantes, de la pression différentielle et de la répartition de puissance entre des centrales de production aux performances variables. La méthodologie développée est appliquée au réseau de froid de Paris-Bercy exploité par Climespace. Tout d'abord, un modèle intégrant une représentation physique des centrales de production, du réseau de distribution et des sous-stations, est développé. En particulier, un modèle de type semi-empirique, paramétrable sur des mesures, est modifié pour calculer les performances non-nominales des groupes frigorifiques centrifuges. La validation du modèle complet est réalisée sur un jeu de données indépendant de l'identification. Ensuite, le modèle est exploité pour rechercher une conduite optimisée à partir d'un modèle de prévision de la demande. La méthode proposée est séquentielle : résolution a priori des optimisations locales puis génération de modèles quadratiques de centrales servant à déterminer la répartition optimale. La pression différentielle est minimisée à partir de l'identification, par simulation, de la sous-station défavorisée. Enfin, la réduction de la consommation électrique est évaluée sur une semaine d'été. / Cooling demand management of commercial buildings can contribute to limit global warming below 2°C. District cooling is an energy-efficient option. However, improving operational performance is of great importance to ensure and increase its competitive advantages. The aim of this thesis is to contribute to the development of a decision-support tool for daily operation of district cooling networks. Challenges lie at two levels: diversity of decisions to be taken and complexity of physical phenomena involved. The original aspect of our work is to propose a methodology to improve chillers and cooling towers control, differential pressure management and dispatching between production plants with variable efficiency. Our developments are applied to the district cooling of Paris-Bercy, operated by Climespace. First; a model featuring a physical description of chilled-water production plants, distribution network and buildings substations, is developed. In particular, a semi-empirical model with identified parameters is modified to compute non-nominal characteristics of centrifugal chillers. The system model is validated against an independent dataset. Then, the model is used to find optimized controls from cooling loads forecast. The proposed methodology is sequential: pre-computation of optimal set-points at plant level and then generation of quadratic plant models to solve the dispatching optimization problem at each time step. Differential pressure is minimized with a simulation-based tracking of the critical substation. To conclude, electricity consumption reduction with optimized controls is evaluated during a summer week.

This thesis describes new methods of evaluating the efficiency of three-phase induction machines using synthetic loading. Synthetic loading causes the induction machine to draw full-load current without the need to connect a mechanical load to the machine's drive shaft. The synthetic loading methods cause the machine to periodically accelerate and decelerate, producing an alternating motor-generator action. This action causes the machine, on average over each synthetic loading cycle, to operate at rated rms current, rated rms voltage and full-load speed, thereby producing rated copper losses, iron loss and friction and windage loss. The excitation voltages are supplied from a PWM inverter with a large capacity DC bus capable of supplying rated rms voltage. The synthetic loading methods of efficiency evaluation are verified in terms of the individual losses in the machine by using a new dynamic model that accounts for iron loss and all parameter variations. The losses are compared with the steady-state loss distribution determined using very accurate induction machine parameters. The parameters were identified using a run-up-to-speed test at rated voltage and the locked rotor and synchronous speed tests conducted with a variable voltage supply. The latter tests were used to synthesise the variations in stator leakage reactance, magnetising reactance and the equivalent iron loss resistance over the induction machine's speed range. The run-up-to-speed test was used to determine the rotor resistance and leakage reactance variations over the same speed range. The test method results showed for the first time that the rotor leakage reactance varied in the same manner as the stator leakage and magnetising reactances with respect to current. When all parameter variations are taken into account there is good agreement between theoretical and measured results for the synthetic loading methods. The synthetic loading methods are applied to three-phase induction machines with both single- and double-cage rotors to assess the effect of rotor parameter variations in the method. Various excitation waveforms for each method were used and the measured and modelled efficiencies compared to conventional efficiency test results. The results verify that it is possible to accurately evaluate the efficiency of three-phase induction machines using synthetic loading.

The advent of deep submicron technology coupled with ever increasing demands from the customer for more functionality on a compact silicon real estate has led to a proliferation of highly complex integrated RF system-on-chip (SoC) and system-on-insulator (SoI) solutions. The use of scaled CMOS technologies for high frequency wireless applications is posing daunting technological challenges both in design and manufacturing test. To ensure market success, manufacturers need to ensure the quality of these advanced RF devices by subjecting them to a conventional set of production test routines that are both time consuming and expensive. Typically the devices are tested for parametric specifications such as gain, linearity metrics, quadrature mismatches, phase noise, noise figure (NF) and end-to-end system level specifications such as EVM (error vector magnitude), BER (bit-error-rate) etc. Due to the reduced visibility imposed by high levels of integration, testing for parametric specifications are becoming more and more complex. To offset the yield loss resulting from process variability effects and reliability issues in RF circuits, the use of self-healing/self-tuning mechanisms will be imperative. Such self-healing is typically implemented as a test/self-test and self-tune procedure and is applied post-manufacture. To enable this, simple test routines that can accurately diagnose complex performance parameters of the RF circuits need to be developed first. After diagnosing the performance of a complex RF system appropriate compensation techniques need to be developed to increase or restore the system performance. Moreover, the test, diagnosis and compensation approach should be low-cost with minimal hardware and software overhead to ensure that the final product is economically viable for the manufacturer. The main components of the thesis are as follows: 1) Low-cost specification testing of advanced radio frequency front-ends: Methodologies are developed to address the issue of test cost and test time associated with conventional production testing of advanced RF front-ends. The developed methodologies are amenable for performing self healing of RF SoCs. Test generation algorithms are developed to perform alternate test stimulus generation that includes the artifacts of test signal path such as response capture accuracy, load-board DfT etc. A novel cross loop-back methodology is developed to perform low cost system level specification testing of multi-band RF transceivers. A novel low-cost EVM testing approach is developed for production testing of wireless 802.11 OFDM front-ends. A signal transformation based model extraction technique is developed to compute multiple RF system level specifications of wireless front-ends from a single data capture. The developed techniques are low-cost and facilitate a reduction in the overall contribution of test cost towards the manufacturing cost of advanced wireless products. 2)Analog tuning methodologies for compensating wireless RF front ends: Methodologies for performing low-cost self tuning of multiple impairments of wireless RF devices are developed. This research considers for the first time, multiple analog tuning parameters of a complete RF transceiver system (transmitter and receiver) for tuning purposes. The developed techniques are demonstrated on hardware components and behavioral models to improve the overall yield of integrated RF SoCs.

In this paper, we study ill-posedness concepts of nonlinear and linear inverse problems in a Hilbert space setting. We define local ill-posedness of a nonlinear operator equation $F(x) = y_0$ in a solution point $x_0$ and the interplay between the nonlinear problem and its linearization using the Frechet derivative $F\acent(x_0)$ . To find an appropriate ill-posedness concept for the linarized equation we define intrinsic ill-posedness for linear operator equations $Ax = y$ and compare this approach with the ill-posedness definitions due to Hadamard and Nashed.

Für die Optimierung akustischer Eigenschaften von Räumen ist die Verbesserung deren numerischer Simulationen von entscheidender Bedeutung. Im unteren Frequenzbereich hängt in vielen Fällen die Qualität der Lösungen stark von der Kenntnis akustischer Wandadmittanzen ab. Die vorliegende Arbeit umfasst die Entwicklung und Untersuchung verschiedener auf deterministischen Diskretisierungen des akustischen Randwertproblems basierender Formulierungen zur globalen Bestimmung frequenzabhängiger Admittanzparameter. Mit Admittanzen kann das Reflexions- und Absorptionsverhalten von Wänden quantifiziert werden. Der vorgestellte Ansatz der globalen Admittanzbestimmung in Innenräumen ermöglicht die Berücksichtigung schrägen Schalleinfalls. Die Methode sieht ein Experiment vor, bei dem das Schallfeld mit Mikrofonen abgetastet, alle vorhandenen Schallquellen bestimmt sowie die Geometrie des akustischen Raumes erfasst werden. Mit den in der Arbeit entwickelten Algorithmen wird eine globale Admittanzverteilung für den gesamten Rand aus diesen Daten berechnet. Mit Hilfe erfolgreich identifizierter Admittanzverläufe sollen Simulationen niederfrequenter Wellenausbreitungen in Räumen auch komplizierter Geometrien und Oberflächenbeschaffenheiten durch Hinzunahme von Admittanzrandbedingungen ermöglicht und verbessert werden. Die Bestimmung von Wandadmittanzen aus partiell bekannten Schalldruckwerten wird mathematisch als inverses Problem eingeordnet. Für die inversen Algorithmen werden die Methoden der Randelemente (BE) und der finiten Elemente (FE) zur Diskretisierung des akustischen Randwertproblems verwendet. Aus den Gleichungen der BE-Diskretisierung lässt sich ein schlecht konditioniertes, aber dafür lineares Gleichungssystem für das inverse Problem finden, während die FE-basierte Formulierung ein nichtlineares, aufgrund der Komplexität des Problems meist ebenfalls schlecht konditioniertes Optimierungsproblem darstellt. Ein wesentliches Ergebnis dieser Arbeit ist die Gegenüberstellung der linearen und nichtlinearen Algorithmen des inversen Problems in Hinblick auf deren Herleitungen, die umgesetzten Berechnungsverfahren und der sich stark unterscheidenden Lösungsqualitäten. Untersuchungen der Admittanzrekonstruktion an zwei- und dreidimensionalen theoretischen Modellen verdeutlichen die Einflüsse der Modellgenauigkeit, des Messumfanges und des Messrauschens auf die Ergebnisse der inversen Algorithmen. Anhand der Anwendung auf Messdaten eines bei Brüel & Kjaer durchgeführten Experimentes wird das inverse Verfahren der globalen Admittanzbestimmung einem Praxistest unterzogen. / Reflection and absorption of sound waves on boundaries play a determining role for the optimization of acoustical properties in closed rooms. Above all the geometry and dynamic behavior of the wall structure are responsible for it. These boundary terms are quantifiable within the scope of numerical acoustics by the so-called admittance boundary conditions of the acoustical boundary value problem. Especially at low frequencies the quality of acoustical simulation depends strongly on the recognition of boundary admittances. The present work includes the development of two different inverse algorithms based on deterministic discretization methods for the global determination of frequency-dependent boundary admittance parameters. The approach of global determination of admittances allows to take account for non-perpendicular wave incident. For the method to work an experiment shall be initially conducted. In that process all present sound sources and microphone arrays scanning the sound field must be located and measured and a model of the geometry of the room needs to be created. The developed algorithms calculate then a global admittance distribution based on this data. Using successfully identified admittance characteristics as admittance boundary condition, low frequency simulation in rooms of complex geometry and arbitrary consistency of the surface shall be improved. Identifying boundary admittances out of partially measured sound pressure data is classifiable as inverse acoustic problem. In order to develop inverse formulations the acoustical boundary value problem is discretized by means of the Boundary Element and the Finite Element Method. The inverse formulation of the Boundary Element equations composes an ill-posed but linear system of equations. In contrast, based on Finite Elements only a nonlinear optimization problem can be set up that often features a bad condition due to the complexity of the inverse problem. The comparison of these linear and nonlinear algorithms of the inverse acoustic problem of global determination of boundary admittances in respect of derivation, implemented solution techniques and differing solution qualities states an essential result of this work. The investigation of admittance reconstruction at two and three-dimensional theoretical models reveal the influences of model accuracy, measurement expense and noise on measured data onto the results of both inverse algorithms. Finally, the problem of global admittance determination is subjected to experimentally obtained data (at Brüel & Kjaer) in order to check for practical applicability.