Thesis (MScEng)--Stellenbosch University, 2014. / ENGLISH ABSTRACT: This thesis describes the second project relating to the development of a SONAR (SOund Navigation And Ranging) object detection and collision avoidance system for use on an AUV (Autonomous Underwater Vehicle) at Stellenbosch University. The main goal is to develop and test techniques that make use of the existing SONAR laboratory platform and wide-beam SONAR transducers to detect and locate objects and their limits/bounds under water in the horizontal plane. The results of the work done show that it is possible to use wide-beam transducers to locate the centroid and edges of a flat target with an error that is significantly smaller than the beam-width. The techniques developed will enable the development of a cost-effective SONAR system that can be implemented on an AUV. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Hierdie tesis beskryf the tweede projek rakende die ontwikkeling van ’n SONAR voorwerp opsporings en botsingvermydingstelsel vir gebruik op ’n OOV (Outonome Onderwater Voertuig) aan die Universiteit van Stellenbosch. Die hoofdoel is om tegnieke te ontwikkel en te toets wat gebruik maak van die bestaande SONAR laboratorium opstelling en wye-straal SONAR opnemers om die posisie van voorwerpe onder water te bepaal, sowel as die posisie van die voorwerp se rande in die horisontale vlak. Die resultate van die werk wat gedoen is wys dat dit moontlik is om wye-straal opnemers te gebruik om die posisie van die sentroïde en rande van ’n plat voorwerp te vind met ’n fout wat aansienlik kleiner is as die straal-wydte. Die tegnieke wat ontwikkel is sal ons in staat stel om ’n koste-effektiewe SONAR stelsel te ontwikkel wat op ’n OOV geïmplenteer kan word.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:30:32Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2010-01-08Bitstream added on 2014-06-13T18:40:52Z : No. of bitstreams: 1 baptista_fg_dr_ilha.pdf: 1105245 bytes, checksum: d9df8c940603a26591e01168eaac4aaa (MD5) / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / A técnica da impedância eletromecânica (E/M) tem sido amplamente pesquisada para o desenvolvimento de sistemas de SHM (Structural Health Monitoring – monitoramento de integridade estrutural) em diversas aplicações. Embora existam muitos trabalhos que indiquem a eficiência e a viabilidade dessa técnica, alguns problemas práticos em aplicações reais ainda precisam ser investigados. A medição da impedância elétrica, etapa básica da técnica, geralmente é realizada por instrumentos comerciais volumosos, pesados e de alto custo, características proibitivas para muitas aplicações. A seleção da faixa de frequência em que a impedância deve ser medida para assegurar boa sensibilidade ao dano é feita por métodos de tentativa e erro ou por metodologias que utilizam dados medidos em uma quantidade considerável de testes. Além disso, o dimensionamento dos transdutores é feito sem um embasamento teórico, independentemente das características da estrutura monitorada. Neste trabalho é proposto um sistema de medição de impedância elétrica rápido, versátil e de baixo custo que substitui com eficiência os instrumentos comerciais. A partir de um circuito eletromecânico equivalente, o efeito de carregamento do transdutor devido à estrutura monitorada foi analisado. A análise do efeito de carregamento permite dimensionar corretamente o transdutor de acordo com a estrutura monitorada e assegurar um bom desempenho do sistema. O circuito eletromecânico também foi utilizado para determinar, teoricamente, as faixas de frequência em que o transdutor tem boa sensibilidade e auxiliar na seleção da faixa de frequência adequada para a detecção de danos estruturais. Todas as metodologias propostas foram verificadas através de experimentos em estruturas de alumínio e houve uma boa concordância entre os resultados teóricos e experimentais / The electromechanical (E/M) impedance technique has been widely studied for the development of Structural Health Monitoring (SHM) systems in various applications. Although there are many studies indicating the effectiveness and feasibility of this technique, some practical issues in real applications yet should be investigated. The electrical impedance measurement, basic stage of the technique, is usually performed by bulky, heavy and expensive instruments; these features are prohibitive for many applications. The selection of the frequency range in which the electrical impedance must be measured to ensure good sensitivity for damage detection is performed by trial and error methods or by methodologies that use measured data in a considerable amount of tests. Furthermore, the design of the transducer is done without theoretical basis, regardless the characteristics of the host structure. In this work, a fast, versatile and low-cost electrical impedance measurement system was developed; the proposed system successfully replaces the conventional instruments. From an equivalent electromechanical circuit, the transducer loading effect due to the host structure was analyzed. The analysis of the loading effect allows the correct design of the transducer according to the host structure for ensure a good performance of the system. The electromechanical circuit was also used to theoretically determine the frequency ranges in which the transducer has good sensitivity and assist in the selection of the suitable frequency range for structural damage detection. All proposed methodologies were validated by experimental tests on aluminum structures and there was a good match between the theoretical and practical results

Les transducteurs ultrasonores capacitifs micro-usinés (CMUT) représentent aujourd’hui une réelle alternative aux technologies piézoélectriques dans le domaine de l’imagerie échographique médicale. Au cours des années, les procédés de fabrication des transducteurs se sont enrichis en vue d’améliorer leurs performances. A contrario le choix du substrat, généralement en silicium, a été peu étudié. Il est cependant reconnu que le support contribue à la signature acoustique du dispositif ultrasonore. L’objectif de ces travaux de thèse a été d’intégrer une couche de silicium poreux afin d’absorber une partie des ondes élastiques qui se propagent dans le substrat et interfèrent avec le signal acoustique émis. Nous montrons alors qu’il été possible de réaliser une couche de silicium poreux en face arrière de composants, sur plaquettes 6 pouces, sans dégrader leurs performances. Finalement, par l’intermédiaire de caractérisations acoustiques et des signatures impulsionnelles des transducteurs, nous révélons le potentiel prometteur de ce matériaux pour la réalisation de milieu arrière atténuant dédié à la transduction ultrasonore. / Capacitive micromachined ultrasonic transducers (CMUT) have emerged as a potential alternative to traditional piezoelectric transducers for ultrasound imaging. Along the years, CMUT processes have been evolved to enhance the device performances. In the meantime, no particular attention was paid on the silicon substrate, even if it is well-known that it could contribute to the transducer efficiency. The aim of this PhD thesis was to use porous silicon as a backing material for ultrasonic transducers to absorb a piece of the acoustic wave propagating in the substrate and which induce crosstalks in the acoustic signal. We show that porous silicon layer can be obtained on the rear side of already processed wafers without any damage on the performances of capacitive micromachined ultrasonic transducers. Finally, by means of acoustic characterizations and the transducer electroacoustic responses, we reveal the potential interest of porous silicon as backing material for ultrasonic transducers.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / The purpose of this study is to explore the use of ultrasonic technique in order to estimate the moisture content during wood drying, from green condition to the end of the drying process. The treatments were based on the combination of two different species (Pinus elliottii Engelm. and Eucalyptus grandis Hill ex Maiden), drying temperatures (20, 40 and 70ºC) and transducers types (plane faces and dry points). The experiment was set up according to a factorial model, with approximately 50 replications. A 50 kHz - transducer (PUNDIT ultrasonic equipment) was used. Samples tested had nominal 3.5 cm thick by 10 cm wide by 25 cm long and the ultrasonic wave speed propagation was measured according to its longitudinal direction. The results indicated increase of ultrasonic speed with reduction of moisture content for both transducers used. This relationship is valid for the wood from green to the end of the drying process. However, low correlation was observed, and the best model adjusted determination coefficients were observed with eucalypt wood (Raj.²= 88%). The use of the transducers of dry points was more practical than the plane faces one. Moreover, they should be used in hard and not much heterogeneous woods. The ultrasonic velocity was also influenced by wood density and drying temperature. The species showed different effects of wood density on the velocity. In the pine wood, velocity increased with increasing density. Opposing effect was observed in eucalypt wood. The ultrasonic speed tended to decrease as drying temperature increased. Nevertheless, this variable s influence was reduced. It was not noticed any defined influence of the species in the ultrasonic speed when the plane face transducers were used. However, the eucalyptus wood provided larger velocity when the dry point transducers were used. The results suggest that this method presents good potential for the control of the drying process. Studies on the influence of the several wood characteristics on the ultrasonic wave s velocity and the development of specific transducers for the use of this alternative in commercial scale are required. / O objetivo deste estudo foi explorar o uso da técnica ultra-sônica para estimar o teor de umidade da madeira durante sua secagem, desde a condição verde até o final do processo. Os tratamentos basearam-se na combinação de duas espécies (Pinus elliottii Engelm. e Eucalyptus grandis Hill ex Maiden), temperaturas de secagem (20, 40 e 70ºC) e tipos de transdutores (faces planas e pontos secos). O experimento foi estabelecido segundo modelo fatorial, com aproximadamente 50 repetições por tratamento. Utilizou-se um equipamento ultra-sônico PUNDIT, com transdutores de 50 kHz. As amostras testadas apresentaram dimensões nominais de 3,5 x 10 x 25 cm de espessura, largura e comprimento, respectivamente e a velocidade ultra-sônica foi determinada considerando-se o plano longitudinal. Os resultados indicaram aumento da velocidade ultra-sônica estimada em função da redução do teor de umidade, para ambos os transdutores. Esta relação apresentou-se válida para a madeira desde verde até o final da secagem. No entanto, foi observada baixa correlação, sendo que os melhores coeficientes de determinação ajustados ocorreram à madeira de eucalipto (Raj.²= 88%). O uso dos transdutores de pontos secos apresentou-se mais prático do que o uso do de faces planas, devendo ser utilizados em madeiras duras e pouco heterogêneas. A velocidade ultra-sônica também foi influenciada pela densidade da madeira e pela temperatura de secagem. As espécies proporcionaram efeitos distintos da densidade sobre a velocidade. Na madeira de pinus, a velocidade aumentou com o aumento da densidade, ao passo que na de eucalipto ocorreu efeito inverso. A velocidade ultra-sônica apresentou tendência de redução em virtude do aumento da temperatura de secagem. No entanto, a influência desta variável foi reduzida. Não foi observada influência definida das espécies sobre a velocidade ultra-sônica quando utilizados os transdutores de faces planas. Porém, a madeira de eucalipto proporcionou maior velocidade quando utilizados os transdutores de pontos secos. Os resultados sugerem que este método apresenta bom potencial para ser usado no controle do processo de secagem. Entretanto, são necessários estudos sobre a influência das diversas características das madeiras sobre a velocidade das ondas ultra-sônicas, bem como o desenvolvimento de transdutores específicos para o uso desta alternativa em escala comercial.

Ultrasonic sensors are well known for various applications such as NDT, ultrasound imaging, and proximity sensing. Conventional ultrasound transducers are bulky, work at notoriously high voltages, and consume significant power. Microfabrication techniques are leading to a paradigm shift in the field of ultrasonics by enabling development of low power - small footprint ultrasound transducers. This work focuses on the development of piezoelectric type flexural mode micromachined ultrasound transducer also known as PMUTs. We start by establishing a system level analytical model of a PMUT and use it to offer insights into scaling of the performance of the transducer with respect to various design parameters. In this analysis we give special attention to residual stresses thus establishing a contrast between membrane type and plate type PMUTs. After going through various steps of material development and microfabrication, we obtain arrays of PMUTs with different designs. PZT thin films deposited by sol-gel method are used as the piezoelectric layer in the multilayer stack. Further, we present a thorough characterization of fabricated PMUTs which includes measurement of the piezoelectric properties of the embedded PZT thin film, electrical impedance of the electromechanical transducer, its vibrational charac-teristics and acoustic radiation from a single PMUT cell. We also develop a pre-amplifier circuit for a PMUT receiver and present its working as a simple proximity sensor. After establishing the repeatability and predictability of our PMUT sensors we delve into application development beyond ultrasound imaging. Experiments and analysis of PMUTs submerged in water show strong structural-acoustic coupling between the PMUT membrane and the surrounding fluid. We hypothesize the applicability of this feature to sense changes in the acoustic environment of a PMUT. To this end, we integrate an array of PMUTs with a micro-fluidic chip and study the changes in the vibrational behaviour of the PMUT in response to change in the air-water ratio in a closed cell around a PMUT membrane. We also present our preliminary results on presence of micro-bubbles in the closed cell around the PMUT.

ANP; FINEP / Este trabalho apresenta um estudo sobre o emprego de redes de período longo como transdutores aplicados ao setor petroquímico. Resultados são apresentados ilustrando as fases envolvidas na produção, caracterização, encapsulação e aplicação das redes de período longo. Utilizando o método de gravação ponto-a-ponto e luz ultravioleta, foram produzidas três redes de período longo. Foi proposta uma metodologia para encapsulação de redes capaz de agregar robustez e versatilidade ao sistema de medição. A rede encapsulada foi aplicada na análise de misturas de combustíveis e solventes. Foi observado que a sensibilidade da rede ao índice de refração externo não foi prejudicada pela encapsulação e que, além da proteção adicional contra danos externos, a reprodutibilidade da rede foi melhorada consideravelmente. Para as amostras empregadas, a melhoria na reprodutibilidade apresentou valores entre 40 % e 78 %. Finalmente, o desempenho da rede encapsulada foi verificado para análise da concentração de etanol em uma mistura etanol-água. Foi observado que a resposta da rede à concentração de etanol é não-linear e possui uma região de ambiguidade para amostras com concentração de etanol entre 60 % e 100 %. Para solucionar o problema da ambiguidade e determinar a concentração de etanol em misturas etanol-água, foram propostos quatro métodos baseados em redes neurais artificiais e sistemas fuzzy. O método com o melhor desempenho foi construído baseado em redes neurais artificiais e implementado de forma a correlacionar a resposta da LPG com a velocidade do som obtida para amostras com diferentes concentrações de etanol. O desvio máximo observado entre o valor da concentração de etanol em uma amostra em relação ao valor fornecido pela rede neural artificial foi de apenas 0,55%, com erro médio quadrático de 0,13%. / This work shows the applicability of long period gratings as transducers in the petrochemical industry. Results are presented in order to illustrate the phases involved in the fabrication, characterization, encapsulation and application of the long period gratings. Three long period gratings were produced using the point-by-point technique based on the ultraviolet irradiation. An encapsulation methodology was proposed to improve the long period grating robustness and versatility. The encapsulated long period grating was applied to the fuel blends and solvents analysis. It was shown that the optical fiber device sensitivity for changes in the external refractive index is not affected by the encapsulation. In addition to the extra protection to external damages added by the encapsulation, the device reproducibility was considerably improved. For the employed samples this improvements range from 40 % to 78 %. Finally the transducer performance was assessed in the analysis of ethanol concentration in ethanol-water mixture. It was found that the long period grating response to the ethanol concentration is non-linear and presents an ambiguous behavior to samples with ethanol concentration ranging from 60 % to 100 %. Four different methods based on artificial neural networks and fuzzy inference systems were proposed to determine the ethanol concentration in ethanol-water mixtures. The method with the best performance was based on artificial neural networks, and implemented in order to correlate the LPG response with the sample’s sound velocity obtained to samples with different ethanol concentration. The maximum deviation observed between the sample’s ethanol concentration and the value provided by the artificial neural network was 0,55%, with mean squared error of 0.13 %.

Para que um transdutor ultrassônico gere e transmita um pulso curto e receba ecos com elevada sensibilidade, além de uma camada de retaguarda que absorva as ondas emitidas para trás, é necessário que haja um bom casamento de impedância acústica entre a cerâmica piezelétrica e o meio externo (camada de acoplamento). Quando comparado ao acoplamento em líquido, o acoplamento em ar é ainda mais complexo, pois este tipo resulta em perdas elevadas durante a transmissão e a recepção dos sinais acústicos, devido à grande diferença de impedância acústica entre a cerâmica e o ar. Certas aplicações requerem um acoplamento em ar e, para isso, os transdutores ultrassônicos usados devem ter banda larga, além de uma baixa impedância acústica. O aumento da largura de banda de um transdutor piezelétrico pode ser alcançado com o emprego de piezocompósitos, de uma camada de retaguarda, de camadas de acoplamento frontal e melhorias na parte eletrônica. A contribuição deste trabalho visa a estudar e desenvolver piezocompósitos com maior largura de banda para aplicação em transdutores de ultrassom para acoplamento em ar. De modo geral, os piezocompósitos possibilitam um maior fator de acoplamento eletromecânico e uma menor impedância acústica quando comparado às cerâmicas piezelétricas convencionais. Neste trabalho foram realizadas a modelagem, a construção e a caracterização de três tipos de piezocompósitos: piezocompósitos com gradação da densidade, piezocompósitos 2-2, e piezocompósitos 1-3. Naqueles com gradação da densidade,variaram-se os parâmetros profundidade, largura e distribuição dos cortes. O método de elementos finitos foi utilizado para analisar a influência dos parâmetros dos cortes. Os piezocompósitos foram construídos a partir de piezocerâmicas circulares e retangulares. Alguns dos piezocompósitos construídos foram submetidos a experimentos de interferometria a laser, mostrando a variação da distribuição dos deslocamentos máximos na superfície em função da frequência. A partir do espectro de frequência da condutância e dos valores inferiores e superiores da largura de banda foram analisados os deslocamentos máximos nas diversas regiões da superfície dos piezocompósitos. Nos piezocompósitos gradados observou-se que os deslocamentos máximos em determinadas regiões da superfície do piezocompósito dependiam da frequência de excitação. Desse modo, os piezocompósitos gradados apresentaram fator de acoplamento eletromecânico e largura de banda maiores do que os dos piezocompósitos 1-3. Transdutores com emissão em ar construídos a partir de piezocompósito gradado e do tipo 1-3 foram caracterizados e medidos os parâmetros largura de banda e fator de acoplamento eletromecânico. O transdutor construído a partir do piezocompósito gradado apresentou maior largura de banda quando comparado com o transdutor do tipo 1-3. / In order to generate and emit a short pulse and receive the echoes with high sensitivity, an ultrasound transducer requires a backing layer to attenuate the signal going backwards and a matching layer to match the acoustical impedances of the piezoceramic and the medium. When compared to liquid coupling, air coupling is further complicated because the large mismatch in acoustic impedance between the ceramic and air results in high losses during transmission and reception of acoustic signals. Certain applications require air-coupling and, therefore, the ultrasonic transducers used must be broadband and have low acoustic impedance. The increase of the bandwidth of a piezoelectric transducer can be achieved with the use of piezocomposites, a back layer, frontal coupling layers and improvements in the electronic part. The contribution of this work aims to study and develop piezocomposites with higher bandwidth for application in ultrasonic transducers with air coupling. In general, the piezocomposites allow a higher electromechanical coupling factor and a lower acoustic impedance when compared to conventional piezoelectric ceramics. In this work, three types of piezocomposites were made: piezocomposites with density gradation, piezocomposites 2-2, and piezocomposites 1-3. In those with density gradation, depth, width and distribution of the cuts were varied. The finite element method was used to analyze the influence of the cut parameters. The piezocomposites were constructed from circular and rectangular piezoceramics. Some of the constructed piezocomposites were submitted to laser interferometry experiments, which showed the variation of the distribution of the maximum displacements in the surface as a function of the frequency. From the frequency spectrum of the conductance curve and of the lower and upper values of bandwidth, the maximum displacements in the various surface regions of the piezocomposites were analyzed. In the graded piezocomposites it was observed that the maximum displacements in certain regions of the surface of the piezocomposite depend on the frequency of excitation. Thus, the graded piezocomposites presented higher electromechanical coupling factor and bandwidth than the piezocomposites 1- 3. Air-coupled transducers constructed from graded piezocomposite and type 1-3 were characterized and measured the parameters bandwidth and electromechanical coupling factor. The transducer constructed from the graded piezocomposite presented higher bandwidth when compared to the type 1-3 transducer.

Materiais piezocompósitos laminados são compostos por camadas de material piezelétrico, metálico e compósito (matriz epóxi com fibras de carbono ou de vidro), que possibilitam obter vantagens em relação aos materiais piezelétricos convencionais, permitindo obter características superiores que não podem ser conseguidas pelos seus componentes de forma isolada como, por exemplo, maior flexibilidade e resistência mecânica ou menor peso. Sob esse enfoque, este trabalho tem por objetivo o desenvolvimento de Estruturas Piezocompósitas Laminadas (EPLA) que consistem basicamente em estruturas multicamadas, através do projeto da sua resposta transiente e harmônica visando aplicações dinâmicas. Entre as potenciais aplicações dessas estruturas, tem-se atuadores, motores, sonares e dispositivos de coleta de energia (\"energy harvester\"), sendo de muito interesse a melhora das suas características dinâmicas e o seu desempenho. O projeto dinâmico de uma EPLA é complexo, porém pode ser sistematizado utilizando o Método de Otimização Topológica (MOT). O MOT é um método baseado na distribuição de material num domínio de projeto fixo com o objetivo de extremizar uma função de custo sujeita às restrições inerentes do problema, combinando algoritmos de otimização e de elementos finitos. A formulação de MOT para o projeto dinâmico de EPLA pretende determinar tanto a topologia ótima dos materiais nas diferentes camadas quanto o sinal de polarização do material piezelétrico e o ângulo da fibra na camada compósita, tendo como finalidade a maximização da amplitude de vibração em pontos determinados (em atuadores) ou da geração de energia elétrica a partir de excitações mecânicas (em coletores de energia). Além disso, é formulado um problema combinando os enfoques harmônico e transiente com o intuito de customizar a resposta da EPLA, de modo que, o nível da resposta seja o mesmo perante diferentes tipos de onda de excitação (transdutores multi-entrada). O trabalho inclui as etapas de projeto, simulação, fabricação e caracterização de protótipos. / Laminated piezocomposite materials are composed by layers of piezoelectric, metal and composite material (epoxy matrix with carbon or glass fiber), which have advantages over conventional piezoelectric materials, because of their superior characteristics, which cannot be achieved by any of its components isolated, for example, more flexibility and strength and less weight. Under this approach, this work aims at the development of Laminated Piezocomposite Structures (LAPS) what primarily consist of multi-layer structures, through the transient and harmonic response design aiming at dynamic applications. Among the potential applications of these structures it can be cited actuators, motors, sonar devices and energy harvester, being of great interest the improvement of its dynamic characteristics and performance. The dynamic design of a LAPS is complex however it can be systematized by using the Topology Optimization Method (TOM). The TOM is a method based on the distribution of material in a fixed design domain with the aim of extremizing a cost function subject to constraints inherent to the problem by means of combining the optimization algorithms and the finite element method (FEM). The TOM formulation for the LAPS dynamic project aims to determine together the optimal topology of the materials for different layers, the polarization sign of the piezoelectric material and the fiber angle of the composite layer, in order to maximize the vibration amplitude at certain points (in actuators), or the generation of electrical energy from mechanical excitations (in energy harvesters). In addition, a TOM problem combining harmonic and transient approaches is formulated with the purpose of customizing EPLA response so that the response level is the same for different excitation waveforms (multi-entry transducers). The work includes design, simulation, manufacturing and characterization of prototypes.

Transdutores baseados em cascas piezocompósitas têm uma vasta aplicação no campo de estruturas inteligentes, principalmente como atuadores, sensores e coletores de energia. Essas estruturas piezocompósitas são geralmente compostas por dois ou mais tipos de materiais, como por exemplo materiais piezelétricos, ortotrópicos elásticos (possuem fibras de reforçamento) e isotrópicos (materiais homogêneos). Vários fatores devem ser considerados no projeto de transdutores baseados em cascas piezocompósitas, como o tamanho, a forma, a localização e a polarização do material piezelétrico, bem como a orientação das fibras do material ortotrópico. O projeto desses transdutores é complexo e trabalhos anteriores envolvendo esses tipos de materiais sugerem utilizar Método de Otimização Topológica (MOT) para aprimorar o desempenho dos transdutores distribuindo o material piezelétrico sobre substratos fixos de materiais isotrópicos e ortotrópicos, ou otimizar a orientação das fibras dos materiais ortotrópicos com material piezelétrico com tamanho, forma e localização previamente estabelecidos. Assim, nesta tese, propõe-se o desenvolvimento de uma metodologia baseada no MOT para projetar transdutores piezocompósitos de casca considerando, simultaneamente, a otimização da distribuição e do sentido de polarização do material piezelétrico, e também a otimização da orientação das fibras de materiais ortotrópicos, que é livre para assumir valores diferentes ao longo da mesma camada compósita. Utilizando essa metodologia, são obtidos resultados numéricos para atuadores e sensores em regime estático e para coletores de energia com circuito elétrico acoplado, em regime dinâmico amortecido. Para os casos dos sensores e dos coletores de energia, também são consideradas as tensões mecânicas na estrutura, as quais devem obedecer os critérios de von Mises (para materiais isotrópicos) e de Tsai-Wu (para materiais ortotrópicos) para que não haja falhas na estrutura, que está sujeita a esforços mecânicos. / Transducers based on laminated piezocomposite shell structures have a wide application in the field of smart structures, especially as actuators, sensors and energy harvesting devices. These piezocomposite structures are generally composed by two or more kinds of materials, such as piezoelectric, isotropic, and elastic orthotropic (fiber reinforcement) materials. Several factors must be considered in the design of piezocomposite transducers, such as size, shape, location and polarization of the piezoelectric material and the fiber orientation of the orthotropic material. The design of these transducers is complex and previous studies involving these types of materials suggest using \"Topology Optimization Method\" (TOM) to enhance the performance of piezoelectric transducers by distributing piezoelectric material over fixed isotropic and orthotropic substrate or to optimize the fiber orientation of orthotropic materials with piezoelectric patches previously established. Thus, this thesis proposes the development of a methodology based on the TOM to design laminated piezocomposite shell transducers by considering simultaneously the optimization of distribution and the polarization direction of the piezoelectric material, and also the optimization of the fiber orientation orthotropic material, which is free to assume different values along the same composite layer. By using this methodology, numerical results are obtained for actuators and sensors under static response, and energy harvesting devices with an electrical circuit coupled, in dynamic damped analysis. In the case of sensors and energy harvesting devices, which are subjected to mechanical loads, the mechanical stresses in the structure are also considered, which must satisfy two stress criteria to prevent failure: von Mises for isotropic materials and Tsai-Wu for orthotropic materials.

Orientador: Eduardo Tavares Costa / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-11T02:41:16Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Zanella_FabioPieroni_M.pdf: 8365446 bytes, checksum: c1fa57572fdaf7e48b08a6a5fb58a524 (MD5) Previous issue date: 2006 / Resumo: O ultra-som na medicina tem passado por enorme evolução nas últimas décadas e ocupado posição de destaque cada vez maior como ferramenta para terapia e diagnóstico. Isso é devido principalmente ao fato de que os equipamentos de diagnóstico por ultra-som são de relativo baixo custo, o ultra-som é uma radiação não-ionizante e permite realização de exame por método não-invasivo e as imagens são geradas e visualizadas em tempo real. Na geração de imagens deste tipo, é comum a utilização de transdutores matriciais. Entretanto, o Brasil apresenta defasagem tecnológica com respeito à construção destes transdutores e à eletrônica envolvida em sua operação. O objetivo deste trabalho consistiu no desenvolvimento de circuitos eletrônicos com 12 canais de geração e de recepção de ondas ultra-sônicas para operação com transdutor matricial linear. O sistema é capaz de excitar transdutores piezoelétricos e receber ecos ultra-sônicos na faixa de 0,5 a 30 MHz e tem seus circuitos de recepção protegidos contra a alta tensão dos pulsos gerados para a excitação do transdutor. Os disparos dos elementos do transdutor e o tempo de corte dos sinais nos circuitos de recepção, para evitar receber sinais indesejáveis referentes ao período inicial de oscilação do transdutor, são controlados via circuito com microcontrolador PIC 16F877 que, juntamente com o programa de controle, foram desenvolvidos para conectar o sistema a um microcomputador. Os 12 canais foram caracterizados eletricamente e verificou-se seu funcionamento utilizando um transdutor piezoelétrico linear de 12 elementos com 1 MHz de freqüência central, especialmente desenvolvido para este trabalho. Os resultados mostraram que o sistema funciona adequadamente, gerando imagem de um phantom construído em nosso laboratório / Abstract: Ultrasound in medicine has gone through great evolution in the last few decades and has occupied important position as a tool for therapy and diagnosis. This is due to the ultrasound equipment be of relatively low-cost, ultrasound is a non-ionizing radiation, is a non-invasive imaging method, and the images are created and seen in real time. It is common the use of transducer arrays in order to generate this kind of image. There is a lack of know how in Brazil relative to the construction of these transducers and the involved electronics in their operation. The objective of this work was the development of a multi-purpose 12 channel pulser/receiver electronic circuitry to operate with linear transducer arrays. The system is able to fire ultrasound piezoelectric transducers and to receive ultrasound echo signals in the range 0.5-30 MHz. The system has reception circuits with protection against high voltage pulses. The firing of transducer elements and cutting time of the reception circuits, to avoid unwanted signals of natural initial transducer oscillations, can be controlled via PIC 16F877 hardware and software designed to connect the system to a microcomputer. The electrical characteristics of the 12 channel pulser/receiver and its use in firing a specially constructed 1 MHz 12 element PZT transducer array has been carried out and the images of a specially constructed phantom showed that it can be used in laboratory conditions / Mestrado / Engenharia Biomedica / Mestre em Engenharia Elétrica