Neste trabalho são analisados os campos acústicos gerados por transdutores ultrassônicos planos e circulares, do tipo pistão plano, no modo pulso-eco, trabalhando como emissor e receptor de ondas, com freqüências de 1,6 MHz, 2,25 MHz e 5 MHz. As ondas emitidas por esses transdutores interagem com interfaces denominadas alvos, com diversas geometrias de superfícies, como planas e circulares, planas com cavidade do tipo alvéolo circular, e cone reto, todas compostas de alumínio e imersas em tanque com água. O campo acústico refletido varia de acordo com o tipo de geometria do alvo. Para essas analises foram produzidas e comparadas modelagens do campo acústico no software Matlab, por meio de dois modelos teóricos: método da resposta impulsiva e método da representação discreta. Foram analisados o tempo de computação produzido pelo método numérico com relação a discretização dos elementos de área do transdutor e do alvo, alem da influencia da conversão de modo nas respostas impulsivas simuladas para essas superfícies. Os resultados mostraram uma boa correlação entre os dois métodos teóricos, porem o de representação discreta possibilita o estudo em transdutores com geometria diferente do pistão plano, sem o uso de integrais complexas. As diferenças dos resultados experimentais e teóricos podem ser minimizadas por meio de uma escolha adequada da relação entre a discretização e comprimento de onda (Dx/), em que foi considerado um valor aceitável de erro relativo de 15% para Dx/ 0,68. Foi observado que o uso da conversão de modo na interface refletora influi apenas na amplitude do sinal de eco (atenuação) e não na forma do sinal. / This work deals with acoustic fields generated by ultrasonic broadband transducers as a planar circular piston, operating in pulse-echo mode, with frequencies of 1.6 MHz, 2.25 MHz and 5 MHz. The waves emitted by transducers interact with water-immersed aluminum targets of different geometries such as planar circular surfaces, concave circular cavity on plane surfaces, and right circular conical surfaces. The impulse response and the discrete representation methods were applied to model the echo responses, using the Matlab software. The influence of mode conversion over the simulated impulse responses for these surfaces was analyzed. The results show a good correlation between the two theoretical methods, but the discrete representation enables the study of arbitrary aperture transducers, with no need to solve complex integrals. The computational times of the discrete representation method was analyzed were respect to the spatial discretization of both the transducer aperture and the target. Experimental tests were carried out to validate the simulated results. Differences in experimental and theoretical results can be minimized by an appropriate choice of the discretization/wavelength ratio (Dx / ). A relative error of 15% was considered acceptable for Dx / 0,68. It was observed that the use of mode conversion at the reflected interface modifies only the amplitude of the echo signal (attenuation), but not its shape.

Neste trabalho são analisados os campos acústicos gerados por transdutores ultrassônicos planos e circulares, do tipo pistão plano, no modo pulso-eco, trabalhando como emissor e receptor de ondas, com freqüências de 1,6 MHz, 2,25 MHz e 5 MHz. As ondas emitidas por esses transdutores interagem com interfaces denominadas alvos, com diversas geometrias de superfícies, como planas e circulares, planas com cavidade do tipo alvéolo circular, e cone reto, todas compostas de alumínio e imersas em tanque com água. O campo acústico refletido varia de acordo com o tipo de geometria do alvo. Para essas analises foram produzidas e comparadas modelagens do campo acústico no software Matlab, por meio de dois modelos teóricos: método da resposta impulsiva e método da representação discreta. Foram analisados o tempo de computação produzido pelo método numérico com relação a discretização dos elementos de área do transdutor e do alvo, alem da influencia da conversão de modo nas respostas impulsivas simuladas para essas superfícies. Os resultados mostraram uma boa correlação entre os dois métodos teóricos, porem o de representação discreta possibilita o estudo em transdutores com geometria diferente do pistão plano, sem o uso de integrais complexas. As diferenças dos resultados experimentais e teóricos podem ser minimizadas por meio de uma escolha adequada da relação entre a discretização e comprimento de onda (Dx/), em que foi considerado um valor aceitável de erro relativo de 15% para Dx/ 0,68. Foi observado que o uso da conversão de modo na interface refletora influi apenas na amplitude do sinal de eco (atenuação) e não na forma do sinal. / This work deals with acoustic fields generated by ultrasonic broadband transducers as a planar circular piston, operating in pulse-echo mode, with frequencies of 1.6 MHz, 2.25 MHz and 5 MHz. The waves emitted by transducers interact with water-immersed aluminum targets of different geometries such as planar circular surfaces, concave circular cavity on plane surfaces, and right circular conical surfaces. The impulse response and the discrete representation methods were applied to model the echo responses, using the Matlab software. The influence of mode conversion over the simulated impulse responses for these surfaces was analyzed. The results show a good correlation between the two theoretical methods, but the discrete representation enables the study of arbitrary aperture transducers, with no need to solve complex integrals. The computational times of the discrete representation method was analyzed were respect to the spatial discretization of both the transducer aperture and the target. Experimental tests were carried out to validate the simulated results. Differences in experimental and theoretical results can be minimized by an appropriate choice of the discretization/wavelength ratio (Dx / ). A relative error of 15% was considered acceptable for Dx / 0,68. It was observed that the use of mode conversion at the reflected interface modifies only the amplitude of the echo signal (attenuation), but not its shape.

Nesta Dissertação propõe-se a aplicação de algoritmos genéticos para a síntese de filtros para modular sinais de controladores a estrutura variável e modo deslizante. A modulação do sinal de controle reduz a amplitude do sinal de saída e, consequentemente, pode reduzir o consumo de energia para realizar o controle e o chattering. Esses filtros também são aplicados em sistemas que possuem incertezas paramétricas nos quais nem todas as variáveis de estado são medidas. Nesses sistemas, as incertezas nos parâmetros podem impedir que seus estados sejam estimados com precisão por observadores. A síntese desses filtros necessita da obtenção da envoltória, que é o valor máximo da norma de cada resposta impulsiva admissível no sistema. Após este passo, é sintetizado um filtro que seja um majorante para a envoltória. Neste estudo, três métodos de busca da envoltória por algoritmos genéticos foram criados. Um dos métodos é o preferido, pois apresentou os melhores resultados e o menor tempo computacional. / This thesis proposes the application of genetic algorithms for the synthesis of filters which modulate signals of variable structure sliding mode controllers. The modulation of the control signal reduces the amplitude of the output signal and thus can reduce power consumption and chattering. These filters are also applied to systems with parametric uncertainties and unmeasured state variables. In these systems, the uncertainties can impair the accurate estimation of the state by means of observers. For the synthesis of these filters, it is necessary to obtain the envelope which is the maximum norm of each impulse response admissible for the system. After this step, a filter is synthesized to be an upper bound for the envelope. In this study, three methods of search of the envelope by genetic algorithms were developed. One of these methods has been giving the best results and needs the least computational time.

Nesta Dissertação propõe-se a aplicação de algoritmos genéticos para a síntese de filtros para modular sinais de controladores a estrutura variável e modo deslizante. A modulação do sinal de controle reduz a amplitude do sinal de saída e, consequentemente, pode reduzir o consumo de energia para realizar o controle e o chattering. Esses filtros também são aplicados em sistemas que possuem incertezas paramétricas nos quais nem todas as variáveis de estado são medidas. Nesses sistemas, as incertezas nos parâmetros podem impedir que seus estados sejam estimados com precisão por observadores. A síntese desses filtros necessita da obtenção da envoltória, que é o valor máximo da norma de cada resposta impulsiva admissível no sistema. Após este passo, é sintetizado um filtro que seja um majorante para a envoltória. Neste estudo, três métodos de busca da envoltória por algoritmos genéticos foram criados. Um dos métodos é o preferido, pois apresentou os melhores resultados e o menor tempo computacional. / This thesis proposes the application of genetic algorithms for the synthesis of filters which modulate signals of variable structure sliding mode controllers. The modulation of the control signal reduces the amplitude of the output signal and thus can reduce power consumption and chattering. These filters are also applied to systems with parametric uncertainties and unmeasured state variables. In these systems, the uncertainties can impair the accurate estimation of the state by means of observers. For the synthesis of these filters, it is necessary to obtain the envelope which is the maximum norm of each impulse response admissible for the system. After this step, a filter is synthesized to be an upper bound for the envelope. In this study, three methods of search of the envelope by genetic algorithms were developed. One of these methods has been giving the best results and needs the least computational time.

Fundação Carlos Chagas Filho de Amparo a Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / O presente trabalho aborda o problema de identificação de danos em uma estrutura a partir de sua resposta impulsiva. No modelo adotado, a integridade estrutural é continuamente descrita por um parâmetro de coesão. Sendo assim, o Modelo de Elementos Finitos (MEF) é utilizado para discretizar tanto o campo de deslocamentos, quanto o campo de coesão. O problema de identificação de danos é, então, definido como um problema de otimização, cujo objetivo é minimizar, em relação a um vetor de parâmetros nodais de coesão, um funcional definido a partir da diferença entre a resposta impulsiva experimental e a correspondente resposta prevista por um MEF da estrutura. A identificação de danos estruturais baseadas no domínio do tempo apresenta como vantagens a aplicabilidade em sistemas lineares e/ou com elevados níveis de amortecimento, além de apresentar uma elevada sensibilidade à presença de pequenos danos. Estudos numéricos foram realizados considerando-se um modelo de viga de Euler-Bernoulli simplesmente apoiada. Para a determinação do posicionamento ótimo do sensor de deslocamento e do número de pontos da resposta impulsiva, a serem utilizados no processo de identificação de danos, foi considerado o Projeto Ótimo de Experimentos. A posição do sensor e o número de pontos foram determinados segundo o critério D-ótimo. Outros critérios complementares foram também analisados. Uma análise da sensibilidade foi realizada com o intuito de identificar as regiões da estrutura onde a resposta é mais sensível à presença de um dano em um estágio inicial. Para a resolução do problema inverso de identificação de danos foram considerados os métodos de otimização Evolução Diferencial e Levenberg-Marquardt. Simulações numéricas, considerando-se dados corrompidos com ruído aditivo, foram realizadas com o intuito de avaliar a potencialidade da metodologia de identificação de danos, assim como a influência da posição do sensor e do número de dados considerados no processo de identificação. Com os resultados obtidos, percebe-se que o Projeto Ótimo de Experimentos é de fundamental importância para a identificação de danos. / The present work deals with the damage identification problem in mechanical structures from their impulse response. In the adopted model, the structural integrity is continually described by a cohesion parameter and the finite element model (FEM) is used to spatially discretize both the displacement and cohesion fields. The damage identification problem is then posed as an optimization one, whose objective is to minimize, with respect to the vector of nodal cohesion parameters, a functional based on the difference between the experimentally obtained impulse response and the corresponding one predicted by an FEM of the structure. The damage identification problem built on the time domain presents some advantages, as the applicability in linear systems with high levels of damping an/or closed spaced modes, and in nonlinear systems. Besides, the time domain approaches present high sensitivities to the presence of small damages. Numerical studies were carried out considering a simply supported Euler-Bernoulli beam. Optimal experiment design techniques were considered with the aim at determining the optimal position of the displacement sensor and also the number of points of the impulse response to be considered in the identification process. The Differential Evolution optimization method and the Levenberg-Marquardt method were considered to solve the inverse problem of damage identification. Numerical analysis were carried out in order to assess the influence, on the identification results, of noise in the synthetic experimental data, of the sensor position, and of the number of points retained in the impulse response. The presented results shown the potentiality of the proposed damage identification approach and also the importance of the optimal experiment design for the quality of the identification. al importance for the identification of damage.

Fundação Carlos Chagas Filho de Amparo a Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / O presente trabalho aborda o problema de identificação de danos em uma estrutura a partir de sua resposta impulsiva. No modelo adotado, a integridade estrutural é continuamente descrita por um parâmetro de coesão. Sendo assim, o Modelo de Elementos Finitos (MEF) é utilizado para discretizar tanto o campo de deslocamentos, quanto o campo de coesão. O problema de identificação de danos é, então, definido como um problema de otimização, cujo objetivo é minimizar, em relação a um vetor de parâmetros nodais de coesão, um funcional definido a partir da diferença entre a resposta impulsiva experimental e a correspondente resposta prevista por um MEF da estrutura. A identificação de danos estruturais baseadas no domínio do tempo apresenta como vantagens a aplicabilidade em sistemas lineares e/ou com elevados níveis de amortecimento, além de apresentar uma elevada sensibilidade à presença de pequenos danos. Estudos numéricos foram realizados considerando-se um modelo de viga de Euler-Bernoulli simplesmente apoiada. Para a determinação do posicionamento ótimo do sensor de deslocamento e do número de pontos da resposta impulsiva, a serem utilizados no processo de identificação de danos, foi considerado o Projeto Ótimo de Experimentos. A posição do sensor e o número de pontos foram determinados segundo o critério D-ótimo. Outros critérios complementares foram também analisados. Uma análise da sensibilidade foi realizada com o intuito de identificar as regiões da estrutura onde a resposta é mais sensível à presença de um dano em um estágio inicial. Para a resolução do problema inverso de identificação de danos foram considerados os métodos de otimização Evolução Diferencial e Levenberg-Marquardt. Simulações numéricas, considerando-se dados corrompidos com ruído aditivo, foram realizadas com o intuito de avaliar a potencialidade da metodologia de identificação de danos, assim como a influência da posição do sensor e do número de dados considerados no processo de identificação. Com os resultados obtidos, percebe-se que o Projeto Ótimo de Experimentos é de fundamental importância para a identificação de danos. / The present work deals with the damage identification problem in mechanical structures from their impulse response. In the adopted model, the structural integrity is continually described by a cohesion parameter and the finite element model (FEM) is used to spatially discretize both the displacement and cohesion fields. The damage identification problem is then posed as an optimization one, whose objective is to minimize, with respect to the vector of nodal cohesion parameters, a functional based on the difference between the experimentally obtained impulse response and the corresponding one predicted by an FEM of the structure. The damage identification problem built on the time domain presents some advantages, as the applicability in linear systems with high levels of damping an/or closed spaced modes, and in nonlinear systems. Besides, the time domain approaches present high sensitivities to the presence of small damages. Numerical studies were carried out considering a simply supported Euler-Bernoulli beam. Optimal experiment design techniques were considered with the aim at determining the optimal position of the displacement sensor and also the number of points of the impulse response to be considered in the identification process. The Differential Evolution optimization method and the Levenberg-Marquardt method were considered to solve the inverse problem of damage identification. Numerical analysis were carried out in order to assess the influence, on the identification results, of noise in the synthetic experimental data, of the sensor position, and of the number of points retained in the impulse response. The presented results shown the potentiality of the proposed damage identification approach and also the importance of the optimal experiment design for the quality of the identification. al importance for the identification of damage.