Este trabalho trata do desenvolvimento de uma mesa angular rotativa, para o microposicionamento de peças anesféricas durante a usinagem de ultraprecisão, para atender as tolerâncias nanométricas. Este microposicionamento angular é alcançado com o emprego de atuadores piezelétricos. Por se tratar de um tipo de sistema com movimento de rotação, relata-se o problema encontrado para energizar os atuadores. Este problema é abordado mostrando a alternativa encontrada destacando pontos relevantes, como: a) energização através de anéis coletores deslizantes, de cobre revestidos em prata, fixados no diâmetro externo do dispositivo; b)isolação elétrica entre os anéis e a peça; c) ligação do cabo coaxial vindo dos atuadores piezelétricos; d) aterramento dos cabos coaxiais, utilizando apenas um anel coletor deslizante. Explica como acontece a transmissão do sinal de corrente elétrica do aparelho de controle para os anéis deslizantes e posteriormente aos atuadores piezelétricos, utilizando contatos através de escovas, com 65% de prata e 35% de grafite, com molas duplas para garantir a pressão do contato, fixadas numa base rígida externa ao dispositivo. Destaca-se que a confiabilidade no microposicionamento da peça está na preservação da transmissão de uma corrente elétrica de 50mA para os atuadores. Conclui que é possível realizar o microposicionamento angular da peça que está sendo trabalhada, durante a usinagem de ultraprecisão, garantindo assim suas tolerâncias nanométricas / This work deals with a rotating tilt stage. It considers the micropositioning of aspheric workpieces during high precision machining, in order to obtain nanometric accuracies. It defines this angular micropositioning with the use of piezoelectric actuators. The problem found to energize the actuators, because it is a rotating driving mechanism is discussed. The chosen solution is presented and import points are highlighted, such as: a) to energize through sliding ring collectors, of copper coated in silver, fastened to the external diameter of the device; b) electric isolation between the rings and the workpiece; c) connection of the coax cable of the piezoelectric actuators; d) to ground the coax cables, just using a sliding ring collector. The transfer of electric current of the control system to the sliding rings and piezoelectric actuators is explained. Contacts with 65% of silver and 35% of carbon, with double springs to guarantee the pressure of the contact, fastened to a rigid base are used. The reliability in the micropositioning of a workpiece depends on the preservation of the electric current of 50mA to the actuators. It is shown that it is possible to realize the angular micropositioning of workpiece, during high precision machining, guaranteeing nanometric accuracies

Considerando que o petróleo quando extraído dos poços em águas profundas chega a ter teor de água superior a 50% e que antes de ser enviado à refinaria deve ter uma quantidade de água inferior a 1%, torna-se necessário o uso de técnicas de redução da quantidade de água. Durante a extração do petróleo formam-se emulsões de água em óleo que são muito estáveis devido a um filme interfacial contendo asfaltenos e/ou resinas ao redor das gotas de água. Nesse trabalho é apresentada a utilização de ondas estacionárias de ultrassom para realizar a quebra dessas emulsões. Quando gotículas de água com dimensões da ordem de 10m, muito menores que o comprimento de onda, são submetidas a um campo acústico estacionário em óleo, a força de radiação acústica empurra as gotículas para os nós de pressão da onda. Uma célula de coalescência com frequência central ao redor de 1 MHz, constituída por quatro camadas sendo uma piezelétrica, uma de acoplamento sólido, uma com o líquido e outra refletora, foi modelada empregando o método da matriz de transferência, que permite calcular a impedância elétrica em função da frequência. Para minimizar o efeito do gradiente de temperatura entre a entrada e a saída da cavidade da célula, quando está em operação, foram utilizados dois transdutores piezelétricos posicionados transversalmente ao fluxo que são excitados e controlados independentemente. Foi implementado um controlador digital para ajustar a frequência e a potência de cada transdutor. O controlador tem como entrada o módulo e a fase da corrente elétrica no transdutor e como saída a amplitude da tensão elétrica e a frequência. Para as células desenvolvidas, o algoritmo de controle segue um determinado pico de ressonância no interior da cavidade da célula no intervalo de frequência de 1,09 a 1,15 MHz. A separação acústica de emulsões de água em óleo foi realizada em uma planta de laboratório de processamento de petróleo no CENPES/PETROBRAS. Foram testados a variação da quantidade de desemulsificante, o teor inicial de água na emulsão e a influência da vazão do sistema, com uma potência de 80 W. O teor final de água na emulsão mostrou que a aplicação de ultrassom aumentou a coalescência de água da emulsão, em todas as condições testadas, quando comparada a um teste sem aplicação de ultrassom. Identificou-se o tempo de residência no interior da célula de separação como um fator importante no processo de coalescência de emulsões de água e óleo. O uso de desemulsificante químico é necessário para realizar a separação, porém, em quantidades elevadas implicaria no uso de processos adicionais antes do repasse final do petróleo à refinaria. Os teores iniciais de água na emulsão de 30 e 50% indicam que o uso da onda estacionária na coalescência de emulsões não tem limitação quanto a esse parâmetro. De acordo com os resultados obtidos em laboratório, essa técnica seria indicada como uma alternativa para integrar um sistema de processamento primário em conjunto com um separador eletrostático. / Considering that oil when extracted from the wells in deep water have water content greater than 50%, and that before to be sent to the refinery must have a quantity of water less than 1%, it becomes necessary to use water amount reduction techniques. During the oil extraction are formed water-in-oil emulsions that are highly stable due to an interfacial film containing asphaltenes and / or resins around the water droplets. This work presents the use of ultrasonic standing waves to perform that emulsion break. When water droplets with dimensions about 10m, much smaller than the wavelength, are placed in a standing acoustic field in oil, the acoustic radiation force pushes the water droplets to the pressure wave nodes. A coalescing chamber with frequency about 1 MHz, with four layers comprising a piezoelectric, a solid coupling, one with the liquid, and another reflector, was modeled using the matrix transfer method, that allows calculating the electrical impedance as a function of frequency. To minimize the effect of the temperature gradient between the inlet and the outlet of the chamber cavity, when it is operating, were used two groups of piezoelectric transducers positioned transverse to the flow which are excited and controlled independently. A digital controller has been implemented to adjust the frequency and the power of each transducer. The controller has as input the modulus and phase of electrical current of the transducer and as output the amplitude of voltage and the frequency. For developed cells, the control algorithm follows an specific resonance peak within the chambers cavity in the frequency range 1.09 to 1.15 MHz. Acoustic separation of water in oil emulsions was carried out on a laboratory oil processing plant. Tests were performed by varying the amount of the chemical demulsifier, the initial water content in the emulsion. The system flow rate was kept constant at 80 W using the control system. Residence time within the separation chamber was identified as an important factor in the water in oil emulsions coalescence process. The use of chemical demulsifier is required to perform the separation, however in large quantities, it implies the use of additional processes before the oil final transfer to the refinery. Initial water contents in the emulsion about 30 and 50% indicate that the use of the acoustic standing wave in the emulsion coalescence has not limitation on this parameter. According to the results obtained in laboratory, this technique would be indicated as an alternative to integrate a primary processing system together with an electrostatic separator.

O estudo da força de radiação acústica é de extrema importância para compreender o fenômeno da levitação acústica, tendo em vista que ela é que permite a levitação de objetos no interior de uma cavidade acústica. A cavidade acústica é uma região do espaço delimitada pelas faces de um transdutor e de um refletor, onde é produzida uma onda estacionária de alta intensidade. Nesta técnica, conhecida como levitação por ondas estacionárias, pequenos objetos são aprisionados nos nós de pressão da onda estacionária. Além desta, também existe uma outra técnica de levitação onde não há a necessidade de se utilizar um refletor, técnica conhecida como levitação de campo próximo, na qual se tem apenas um transdutor e o objeto de face plana que se deseja levitar. Nesta técnica há uma pequena região com ar entre o transdutor e o objeto, sendo que a espessura da camada de ar é muito menor que o comprimento de onda. Neste trabalho foi feito um estudo numérico e experimental da força de radiação acústica em levitadores acústicos de onda estacionária e em levitadores de campo próximo. As simulações foram realizadas no software de elementos finitos COMSOL Mutiphysics. No estudo experimental foi utilizada uma balança eletrônica para medir a força de radiação acústica e uma câmera de alta velocidade para observar o comportamento oscilatório de objetos esféricos no interior da cavidade acústica. O estudo da força de radiação acústica resultou em três principais contribuições. A primeira contribuição está relacionada com a caracterização de efeitos não lineares em um levitador acústico, como o fenômeno de salto (jump phenomenon) e o fenômeno de histerese. A segunda contribuição está relacionada com o estudo numérico e experimental da força de radiação acústica que atua no refletor de um levitador acústico. Por último também foi feito um estudo da força de radiação acústica que atua no refletor para a região do campo próximo. Neste último estudo foi verificado que quando o diâmetro da face do transdutor é pequeno em comparação com o comprimento de onda, surge uma força atrativa sobre o refletor, e esta força pode ser utilizada para levitar um objeto plano em baixo da face do transdutor, sem haver necessidade de utilizar refletores. / The study of the acoustic radiation force is of high relevance to understand the acoustic levitation, since it is responsible for the levitation of small objects in the interior of an acoustic cavity. The acoustic cavity is the region delimited by the surfaces of the transducer and the reflector, where it is generated an acoustic standing wave field of high intensity. In this technique, called standing wave acoustic levitation, small objects are entrapped at the pressure nodes of the standing wave. In addition, there is also another levitation technique where there is no need to use a reflector. This technique is known as near-field levitation, in which there is only one transducer and the flat-faced object to be levitated. In this technique there is a small region with air between the transducer and the object, with the thickness of the air layer being much smaller than the wavelength. In this work, a numerical and experimental study of the acoustic radiation force in acoustic wave levitators and near-field levitators was done. The simulations were performed in the finite element software COMSOL Mutiphysics. In the experimental results, an electronic scale was used to measure the acoustic radiation force and a high speed camera was applied to observe the oscillatory behavior of spherical objects inside the acoustic cavity. The study of acoustic radiation strength resulted in three main contributions. The first contribution is related to the characterization of nonlinear effects in an acoustic levitator, such as the jump phenomenon and the hysteresis phenomenon. The second contribution is related to the numerical and experimental study of the acoustic radiation force that acts on the reflector of an acoustic levitator. Finally, a study of the acoustic radiation force that acts on the reflector for the near field region was also made. In this last study, it was verified that when the transducer is small in comparison with the wavelength, an attractive force appears on the reflector. This force can be used to levitate a flat object below the transducer face, without requiring a reflector.

Orientador: Fabricio Guimarães Baptista / Banca: Fernando de Souza Campos / Banca: Mário Anderson de Oliveira / Resumo: Sistemas de monitoramento de integridade estrutural (SHM - Structural Health Monitoring) são científica e economicamente relevantes como métodos de detecção de danos estruturais em diversos tipos de estruturas, aumentando assim a segurança e reduzindo os custos de manutenção. Entre os vários princípios de detecção de danos, o método da impedância eletromecânica (E/M) baseia-se na medição da impedância elétrica do transdutor piezelétrico fixado à estrutura monitorada. Aqui, a exatidão e precisão do sistema de medição são fundamentais para o diagnóstico correto da estrutura. Portanto, essa dissertação apresenta uma análise comparativa de duas técnicas de medição de impedância para detecção de danos que são tipicamente utilizadas em analisadores de impedância comerciais e em outros sistemas de medição alternativos: medições em estado transitório utilizando um sinal de excitação de varredura e medições em estado estacionário utilizando um sinal senoidal puro para cada frequência de excitação. Os testes foram realizados com cargas resistivas e capacitivas de valores nominais 100 Ω e 10 nF, respectivamente, e com um transdutor piezelétrico fixado em uma barra de alumínio que representa uma estrutura monitorada. As duas técnicas foram comparadas com base na exatidão, precisão, sensibilidade à danos e tempo necessário para as medições. Os resultados destacam as características importantes de cada técnica, as quais devem ser consideradas para o desenvolvimento de sistemas de SHM basea... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: Structural health monitoring (SHM) systems are scientifically and economically relevant as methods of detecting structural damage to various types of structures, thus increasing safety and reducing maintenance costs. Among the various principles of damage detection, the electromechanical impedance (EMI) method is based on the electrical impedance measurement of piezoelectric transducers attached to the monitored structure. Here, the accuracy and precision of the measurement system are fundamental for the correct diagnosis of the structure. Therefore, this dissertation presents a comparative analysis of two impedance measurement techniques for damage detection that are typically used in commercial impedance analyzers and other alternative measurement systems: transient-state measurements using a sweep excitation signal and steady-state measurements using a pure sinusoidal signal for each excitation frequency. Tests were performed with resistive and capacitive loads with nominal values of 100 Ω e 10 nF, respectively, and a piezoelectric transducer fixed to an aluminum bar representing a monitored structure. The two techniques were compared based on the accuracy, precision, sensibility to damage and time required for the measurements. The results highlight the important features of each technique, which should be considered for the development of impedance-based SHM systems and the correct diagnosis of monitored structures. / Mestre

Orientador: João Antonio Pereira / Banca: Luiz de Paula do Nascimento / Banca: Roberto Gil Annes da Silva / Resumo: Esse trabalho discute o uso dos materiais piezelétricos, mais especificamente, o Polyvinylidene Fluoride (PVDF) e o Lead Zirconate Titatane (PZT) na análise modal experimental (AME) de estruturas mecânicas. Materiais piezelétricos, também chamados de materiais inteligentes, têm se consolidado como uma nova tecnologia que mostra um grande potencial de aplicação em diferentes áreas da engenharia. Esse tipo de material exibe um acoplamento entre multi-domínios físicos, como por exemplo o acoplamento eletro-mecânico, o térmo-magnético, etc. O acoplamento eletro-mecânico produz um deslocamento elétrico quando o material é sujeito a uma tensão mecânica (efeito direto) e um deformação mecânica quando esse material é submetido a um campo elétrico (efeito inverso). Assim, principalmente por conta desses efeitos, seu uso no campo da análise modal experimental torna-se uma interessante questão a ser investigada. A incorporação de novas tecnologias nos testes estruturais pode agregar novos conhecimentos e avanços tanto na análise modal baseada na relação entrada-saída da estrutura, quanto na mais recente técnica, a análise modal baseada apenas na resposta das mesmas. Os conceitos teóricos para o desenvolvimento são apresentados e discutidos neste trabalho, onde é mostrada a análise modal de uma viga utilizando tanto sensores e atuadores convencionais quanto os produzidos com materiais inteligentes. Os testes de análise modal da viga foram feitos utilizando diferentes combinações de sensores e atuadores e isso pode mostrar as diferenças da estimativa de modos utilizando materiais piezelétricos. Também é apresentada a formulação da relação entre os modos em deslocamento e os modos com diferença de inclinação obtidos com materiais piezelétricos e, finalmente, uma comparação dos resultados obtidos pelas diferentes técnicas. Os testes apresentados mostram... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: This work discusses the use of piezoelectric materials, more specifically, Polyvinylidene Fluoride (PVDF) and Lead Zirconate Titanate (PZT) for experimental modal analysis (EMA) of mechanical structures. Piezoelectric materials also called smart materials have becoming a consolidated new technology that shows a large potential of application for different engineering areas. These materials exhibit a multi physics domain field coupling like mechanical and electrical coupling domains, thermal and magnetic coupling and etc. The electro-mechanical coupling domains of the material produces an electric displacement when the material is subject to a mechanical stress (direct-effect) and a mechanical strain when the material is submitted to an electric field (inverse effect). So, mainly due to these effects, the use in the experimental modal analysis field appears to be an interesting issue to be investigated. The incorporation of this new technology in the structural tests might aggregate new acknowledgments and advances in the well consolidated input-output based modal analysis techniques as well as in the more recent output only-based modal analysis. This work aims to present some contribution in this area by using piezoelectric sensors, instead of the conventional ones like accelerometers for modal analysis of mechanical structures. The theoretical concepts and background for the developing of the work are presented and discussed, it is also presented the modal analysis of a beam like structure using conventional sensors/actuators and piezoelectric materials. The modal analysis tests of the beam are conducted using different kinds of sensors/actuator and they give some insight of the difference of the estimated modes shapes by using piezoelectric materials. It is also presented a formulation that shows the relation between... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre

Este trabalho visa o desenvolvimento de um processo de fabricação para a produção de pequenos lotes de transdutores piezelétricos de ultrassom. O comportamento destes transdutores é estudado através de modelos matemáticos e verificações experimentais, com o objetivo de obter especificações de projeto para seleção de cerâmicas piezelétricas, dimensionamento da camada de retaguarda e da camada de casamento de impedância acústica. Utilizando as equações constitutivas dos materiais piezelétricos e a solução da equação de onda, o transdutor é modelado como um produto de matrizes, sendo cada matriz correspondente a uma camada do transdutor. As relações entre os parâmetros de entrada e saída das camadas analisadas do modelo são utilizadas para determinar as funções características de interesse no projeto de transdutores específicos. O processo de fabricação foi desenvolvido visando diminuir o tempo de montagem e aumentar a confiabilidade de funcionamento, melhorando a qualidade de soldagem das conexões elétricas, da colagem e da vedação, e aumentando a precisão de posicionamento dos componentes do transdutor. Assim objetiva-se obter lotes homogêneos em relação às especificações de projeto, com repetitividade no comportamento dos transdutores produzidos. Utilizando o processo de fabricação desenvolvido, um lote de 133 transdutores de 5 MHz foi produzido, com cerâmicas piezelétricas de 10 mm de diâmetro para suportar pressões de até 500 atm. Os transdutores foram testados individualmente e os resultados mostram uma grande repetitividade do processo desenvolvido. / This work aims the development of a manufacturing process for the production of small batches of piezoelectric ultrasonic transducers. The behavior of these transducers is studied by means of mathematical models and experimental tests, in order to get the design specifications for the piezoelectric ceramics selection, scaling the backing and matching layers. Using the constitutive equations of piezoelectric materials and the wave equation solution, the transducer is modeled as a product of matrices, each matrix corresponding to a layer of the transducer. The relationship between input and output parameters of transducer layers is used to determine the characteristic functions of specific transducers. The manufacturing process was developed for small production batches of transducers and aim decrease assembly time and increase reliability operation, improving the quality of welding of electrical connections, bond and seal, and increasing the positioning accuracy of the transducer components. So the objective is to obtain homogeneous batches regarding to design specifications, with repeatability in the behavior of the manufactured transducers. Using the process manufacturing developed, a 133-transducers batch of 5 MHz was produced, with 10 mm diameter piezoelectric ceramics, to withstand pressures up to 500 atm. The transducers are individually tested and the results show a high repeatability of the manufacturing process.

Desde o final da década de 1980 até os dias atuais a utilização de materiais inteligentes em sistemas de controle de vibrações e em problemas de conversão de energia mecânica em energia elétrica tem sido amplamente investigada. Entre os materiais inteligentes destacamos os piezelétricos, apresentando acoplamento entre os domínios elétrico e mecânico. Em casos de controle passivo de vibrações utiliza-se o efeito piezelétrico direto e a energia de vibração é dissipada em um circuito elétrico passivo. Apesar de não utilizarem uma fonte externa de energia, a faixa de frequências onde o controlador passivo tem bom desempenho é limitada em relação aos controladores ativos. Em problemas de controle ativo de vibrações o efeito piezelétrico inverso é utilizado. Neste caso, uma tensão elétrica de controle é aplicada aos piezelétricos para a atenuação de vibrações. Os sistemas híbridos de controle (ativo-passivo) associam circuitos passivos e uma fonte de tensão elétrica. Nesse caso, os efeitos piezelétricos direto e inverso são utilizados simultaneamente. Espera-se que a parte ativa do sistema híbrido necessite de menor potência elétrica de atuação (se comparado com um controlador ativo) além do sistema híbrido proporcionar melhor resposta estrutural que o sistema passivo isoladamente. Entretanto, os controladores ativos e híbridos apresentam desvantagens relacionadas com complexidades de uma lei de controle, necessidade de equipamentos externos e podem exigir elevada potência de atuação. Os controladores semi-passivos surgiram como uma alternativa aos pontos negativos dos controladores passivos, ativos e híbridos. Uma técnica semi-passiva chamada SSD (synchronized switch damping) consiste no chaveamento do material piezelétrico entre a condição de circuito aberto e a condição de curto-circuito (SSDS) ou a uma indutância (SSDI), em momentos específicos da vibração da estrutura. Em geral, a conversão eletromecânica de energia é amplificada assim como o efeito shunt damping. Dessa forma, os circuitos semi-passivos, assim como os passivos, têm sido utilizados tanto como controladores de vibração quanto em problemas de coleta piezelétrica de energia. O objetivo deste trabalho é avaliar o desempenho de controladores piezelétricos passivos, semi-passivos, ativos e híbridos na atenuação de vibrações e também em problemas aeroelásticos. O modelo piezoaeroelástico é obtido com um modelo por elementos finitos (placa de Kirchhoff) eletromecanicamente acoplado que associado a um modelo aerodinâmico não-estacionário (método de malha de dipolos) resulta um modelo piezoaeroelástico. Casos de excitação harmônica de base, entrada impulsiva e também condição de flutter são estudados. / From the late 1980s until the present date, the use of smart materials as actuators in vibration control systems and as conversers of mechanical energy into electricity has been widely investigated. Among these smart materials, the piezoelectric ones stand out, presenting a coupling between the electrical and mechanical domain. In passive vibration control, the direct piezoelectric effect is used and vibration energy is dissipated (or harvested) in a passive circuit. Although no external power source is required, the frequency bandwidth in which passive controllers have good performance is limited when compared to active controllers. In active vibration control problems, the inverse piezoelectric effect is used. In this work, a voltage source is applied on the piezoceramic patches in order to attenuate vibration. Hybrid (active-passive) vibration controllers combine passive shunt circuits with the voltage source. In this case, the direct and inverse piezoelectric effects are used simultaneously. It is expected that the active part of the hybrid system will require less energy (when compared to an active controller) and a better structural response will be obtained than the purely passive system. Nevertheless, the active and hybrid controllers present disadvantages such as complexity of a control law, require external equipment and potentially require large amounts of energy. The semi-passive controllers are a recent alternative to the drawbacks of passive, active and hybrid controllers. A semi-passive technique called SSD (synchronized switch damping) consists of using an electronic switch that the piezoelectric element is briefly switched to an electrical shunt-circuit that can be a simple short-circuit (SSDS), or a small inductance (SSDI) at specific times in the structure\'s vibration cycle (Mohammadi, 2008). In general, the electromechanical energy conversion is enhanced as well as the shunt effect damping. Therefore, the switching techniques, as well as the passive circuits, have been used both in vibration control problems and in piezoelectric energy harvesting problems. The goal of this work is to assess the performance of passive, semi-passive, active and hybrid piezoelectric controllers to attenuate vibration in aeroelastic problems. The aeroelastic model is obtained by combining an electromechanically coupled finite element model (Kirchhoff\'s plate) with an unsteady aerodynamic models (the doublet-lattice method and Roger\'s model). The case studies are carried out on an elastic wing response to a base excitation, impulse force, and the flutter condition.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:27:14Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2011-09-26Bitstream added on 2014-06-13T20:35:23Z : No. of bitstreams: 1 prazzo_ce_me_ilha.pdf: 1585012 bytes, checksum: 3ddb6b2bb4fddee99d49636888c24ded (MD5) / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / Esse trabalho discute o uso dos materiais piezelétricos, mais especificamente, o Polyvinylidene Fluoride (PVDF) e o Lead Zirconate Titatane (PZT) na análise modal experimental (AME) de estruturas mecânicas. Materiais piezelétricos, também chamados de materiais inteligentes, têm se consolidado como uma nova tecnologia que mostra um grande potencial de aplicação em diferentes áreas da engenharia. Esse tipo de material exibe um acoplamento entre multi-domínios físicos, como por exemplo o acoplamento eletro-mecânico, o térmo-magnético, etc. O acoplamento eletro-mecânico produz um deslocamento elétrico quando o material é sujeito a uma tensão mecânica (efeito direto) e um deformação mecânica quando esse material é submetido a um campo elétrico (efeito inverso). Assim, principalmente por conta desses efeitos, seu uso no campo da análise modal experimental torna-se uma interessante questão a ser investigada. A incorporação de novas tecnologias nos testes estruturais pode agregar novos conhecimentos e avanços tanto na análise modal baseada na relação entrada-saída da estrutura, quanto na mais recente técnica, a análise modal baseada apenas na resposta das mesmas. Os conceitos teóricos para o desenvolvimento são apresentados e discutidos neste trabalho, onde é mostrada a análise modal de uma viga utilizando tanto sensores e atuadores convencionais quanto os produzidos com materiais inteligentes. Os testes de análise modal da viga foram feitos utilizando diferentes combinações de sensores e atuadores e isso pode mostrar as diferenças da estimativa de modos utilizando materiais piezelétricos. Também é apresentada a formulação da relação entre os modos em deslocamento e os modos com diferença de inclinação obtidos com materiais piezelétricos e, finalmente, uma comparação dos resultados obtidos pelas diferentes técnicas. Os testes apresentados mostram... / This work discusses the use of piezoelectric materials, more specifically, Polyvinylidene Fluoride (PVDF) and Lead Zirconate Titanate (PZT) for experimental modal analysis (EMA) of mechanical structures. Piezoelectric materials also called smart materials have becoming a consolidated new technology that shows a large potential of application for different engineering areas. These materials exhibit a multi physics domain field coupling like mechanical and electrical coupling domains, thermal and magnetic coupling and etc. The electro-mechanical coupling domains of the material produces an electric displacement when the material is subject to a mechanical stress (direct-effect) and a mechanical strain when the material is submitted to an electric field (inverse effect). So, mainly due to these effects, the use in the experimental modal analysis field appears to be an interesting issue to be investigated. The incorporation of this new technology in the structural tests might aggregate new acknowledgments and advances in the well consolidated input-output based modal analysis techniques as well as in the more recent output only-based modal analysis. This work aims to present some contribution in this area by using piezoelectric sensors, instead of the conventional ones like accelerometers for modal analysis of mechanical structures. The theoretical concepts and background for the developing of the work are presented and discussed, it is also presented the modal analysis of a beam like structure using conventional sensors/actuators and piezoelectric materials. The modal analysis tests of the beam are conducted using different kinds of sensors/actuator and they give some insight of the difference of the estimated modes shapes by using piezoelectric materials. It is also presented a formulation that shows the relation between... (Complete abstract click electronic access below)

O estudo da força de radiação acústica é de extrema importância para compreender o fenômeno da levitação acústica, tendo em vista que ela é que permite a levitação de objetos no interior de uma cavidade acústica. A cavidade acústica é uma região do espaço delimitada pelas faces de um transdutor e de um refletor, onde é produzida uma onda estacionária de alta intensidade. Nesta técnica, conhecida como levitação por ondas estacionárias, pequenos objetos são aprisionados nos nós de pressão da onda estacionária. Além desta, também existe uma outra técnica de levitação onde não há a necessidade de se utilizar um refletor, técnica conhecida como levitação de campo próximo, na qual se tem apenas um transdutor e o objeto de face plana que se deseja levitar. Nesta técnica há uma pequena região com ar entre o transdutor e o objeto, sendo que a espessura da camada de ar é muito menor que o comprimento de onda. Neste trabalho foi feito um estudo numérico e experimental da força de radiação acústica em levitadores acústicos de onda estacionária e em levitadores de campo próximo. As simulações foram realizadas no software de elementos finitos COMSOL Mutiphysics. No estudo experimental foi utilizada uma balança eletrônica para medir a força de radiação acústica e uma câmera de alta velocidade para observar o comportamento oscilatório de objetos esféricos no interior da cavidade acústica. O estudo da força de radiação acústica resultou em três principais contribuições. A primeira contribuição está relacionada com a caracterização de efeitos não lineares em um levitador acústico, como o fenômeno de salto (jump phenomenon) e o fenômeno de histerese. A segunda contribuição está relacionada com o estudo numérico e experimental da força de radiação acústica que atua no refletor de um levitador acústico. Por último também foi feito um estudo da força de radiação acústica que atua no refletor para a região do campo próximo. Neste último estudo foi verificado que quando o diâmetro da face do transdutor é pequeno em comparação com o comprimento de onda, surge uma força atrativa sobre o refletor, e esta força pode ser utilizada para levitar um objeto plano em baixo da face do transdutor, sem haver necessidade de utilizar refletores. / The study of the acoustic radiation force is of high relevance to understand the acoustic levitation, since it is responsible for the levitation of small objects in the interior of an acoustic cavity. The acoustic cavity is the region delimited by the surfaces of the transducer and the reflector, where it is generated an acoustic standing wave field of high intensity. In this technique, called standing wave acoustic levitation, small objects are entrapped at the pressure nodes of the standing wave. In addition, there is also another levitation technique where there is no need to use a reflector. This technique is known as near-field levitation, in which there is only one transducer and the flat-faced object to be levitated. In this technique there is a small region with air between the transducer and the object, with the thickness of the air layer being much smaller than the wavelength. In this work, a numerical and experimental study of the acoustic radiation force in acoustic wave levitators and near-field levitators was done. The simulations were performed in the finite element software COMSOL Mutiphysics. In the experimental results, an electronic scale was used to measure the acoustic radiation force and a high speed camera was applied to observe the oscillatory behavior of spherical objects inside the acoustic cavity. The study of acoustic radiation strength resulted in three main contributions. The first contribution is related to the characterization of nonlinear effects in an acoustic levitator, such as the jump phenomenon and the hysteresis phenomenon. The second contribution is related to the numerical and experimental study of the acoustic radiation force that acts on the reflector of an acoustic levitator. Finally, a study of the acoustic radiation force that acts on the reflector for the near field region was also made. In this last study, it was verified that when the transducer is small in comparison with the wavelength, an attractive force appears on the reflector. This force can be used to levitate a flat object below the transducer face, without requiring a reflector.

Considerando que o petróleo quando extraído dos poços em águas profundas chega a ter teor de água superior a 50% e que antes de ser enviado à refinaria deve ter uma quantidade de água inferior a 1%, torna-se necessário o uso de técnicas de redução da quantidade de água. Durante a extração do petróleo formam-se emulsões de água em óleo que são muito estáveis devido a um filme interfacial contendo asfaltenos e/ou resinas ao redor das gotas de água. Nesse trabalho é apresentada a utilização de ondas estacionárias de ultrassom para realizar a quebra dessas emulsões. Quando gotículas de água com dimensões da ordem de 10m, muito menores que o comprimento de onda, são submetidas a um campo acústico estacionário em óleo, a força de radiação acústica empurra as gotículas para os nós de pressão da onda. Uma célula de coalescência com frequência central ao redor de 1 MHz, constituída por quatro camadas sendo uma piezelétrica, uma de acoplamento sólido, uma com o líquido e outra refletora, foi modelada empregando o método da matriz de transferência, que permite calcular a impedância elétrica em função da frequência. Para minimizar o efeito do gradiente de temperatura entre a entrada e a saída da cavidade da célula, quando está em operação, foram utilizados dois transdutores piezelétricos posicionados transversalmente ao fluxo que são excitados e controlados independentemente. Foi implementado um controlador digital para ajustar a frequência e a potência de cada transdutor. O controlador tem como entrada o módulo e a fase da corrente elétrica no transdutor e como saída a amplitude da tensão elétrica e a frequência. Para as células desenvolvidas, o algoritmo de controle segue um determinado pico de ressonância no interior da cavidade da célula no intervalo de frequência de 1,09 a 1,15 MHz. A separação acústica de emulsões de água em óleo foi realizada em uma planta de laboratório de processamento de petróleo no CENPES/PETROBRAS. Foram testados a variação da quantidade de desemulsificante, o teor inicial de água na emulsão e a influência da vazão do sistema, com uma potência de 80 W. O teor final de água na emulsão mostrou que a aplicação de ultrassom aumentou a coalescência de água da emulsão, em todas as condições testadas, quando comparada a um teste sem aplicação de ultrassom. Identificou-se o tempo de residência no interior da célula de separação como um fator importante no processo de coalescência de emulsões de água e óleo. O uso de desemulsificante químico é necessário para realizar a separação, porém, em quantidades elevadas implicaria no uso de processos adicionais antes do repasse final do petróleo à refinaria. Os teores iniciais de água na emulsão de 30 e 50% indicam que o uso da onda estacionária na coalescência de emulsões não tem limitação quanto a esse parâmetro. De acordo com os resultados obtidos em laboratório, essa técnica seria indicada como uma alternativa para integrar um sistema de processamento primário em conjunto com um separador eletrostático. / Considering that oil when extracted from the wells in deep water have water content greater than 50%, and that before to be sent to the refinery must have a quantity of water less than 1%, it becomes necessary to use water amount reduction techniques. During the oil extraction are formed water-in-oil emulsions that are highly stable due to an interfacial film containing asphaltenes and / or resins around the water droplets. This work presents the use of ultrasonic standing waves to perform that emulsion break. When water droplets with dimensions about 10m, much smaller than the wavelength, are placed in a standing acoustic field in oil, the acoustic radiation force pushes the water droplets to the pressure wave nodes. A coalescing chamber with frequency about 1 MHz, with four layers comprising a piezoelectric, a solid coupling, one with the liquid, and another reflector, was modeled using the matrix transfer method, that allows calculating the electrical impedance as a function of frequency. To minimize the effect of the temperature gradient between the inlet and the outlet of the chamber cavity, when it is operating, were used two groups of piezoelectric transducers positioned transverse to the flow which are excited and controlled independently. A digital controller has been implemented to adjust the frequency and the power of each transducer. The controller has as input the modulus and phase of electrical current of the transducer and as output the amplitude of voltage and the frequency. For developed cells, the control algorithm follows an specific resonance peak within the chambers cavity in the frequency range 1.09 to 1.15 MHz. Acoustic separation of water in oil emulsions was carried out on a laboratory oil processing plant. Tests were performed by varying the amount of the chemical demulsifier, the initial water content in the emulsion. The system flow rate was kept constant at 80 W using the control system. Residence time within the separation chamber was identified as an important factor in the water in oil emulsions coalescence process. The use of chemical demulsifier is required to perform the separation, however in large quantities, it implies the use of additional processes before the oil final transfer to the refinery. Initial water contents in the emulsion about 30 and 50% indicate that the use of the acoustic standing wave in the emulsion coalescence has not limitation on this parameter. According to the results obtained in laboratory, this technique would be indicated as an alternative to integrate a primary processing system together with an electrostatic separator.