Os circuitos ou modelos elétricos equivalentes destinam-se à modelagem de transdutores piezoelétricos, incluindo todo seu comportamento eletromecânico. Os modelos elétricos convencionais e clássicos foram elaborados inicialmente para materiais cerâmicos e cristalinos e só posteriormente adaptados para a simulação de polímeros piezoelétricos. Seguindo estes estudos, este trabalho apresenta um circuito elétrico equivalente para transdutores construídos com a tecnologia dos piezoeletretos termo-formados, desenvolvida no Grupo de Alta Tensão e Materiais da Escola de Engenharia de São Carlos (EESC-USP). Este circuito, baseado em um modelo proposto por Fiorillo (2000) para simular um transdutor curvo de fluoreto de polivinilideno (PVDF), foi aprimorado para melhor representar o comportamento em baixas frequências. Nele existem dois ramos: um mecânico e um elétrico. Os parâmetros do ramo mecânico foram calculados nas proximidades da frequência de ressonância das amostras, enquanto que os componentes do ramo elétrico foram determinados pelos ajustes das curvas de condutância e de susceptância para frequências distantes da ressonância. Esta etapa compreendeu o desenvolvimento de um algoritmo baseado na taxa de variação da condutância pela frequência, o qual permitiu determinar um método para separação do espectro de frequência em uma região próxima e outra distante da frequência de ressonância. Após a determinação de todos os parâmetros do modelo elétrico, circuitos para simulação no software Pspice foram elaborados para cada transdutor. Os resultados das simulações da condutância, da susceptância, do módulo da impedância e do ângulo de fase dos circuitos mostraram relevante concordância com as medições quando comparados grafica e numericamente. Esta última análise foi feita através da expressão de erro relativo percentual médio. Neste trabalho, empregou-se a metodologia fundamentada nas medidas da condutância e da susceptância de diferentes amostras, incluindo filmes de polipropileno (PP), de PVDF e de piezoeletretos de canais tubulares abertos de Teflon®FEP. / Equivalent electric circuits or models are regularly employed in piezoelectric transducers modeling, including its electromechanical behavior. Conventional and classic electric models were initially developed for ceramic and crystalline materials and later adapted for simulating piezoelectric polymers. Following these studies, this work presents an equivalent electric circuit for transducers built with the piezoelectret thermo-formed technology, developed by the High Voltage and Materials Group of São Carlos Engineering School (EESC-USP). This circuit, based on a model proposed by Fiorillo (2000) for simulating a curved polyvinylidene fluoride (PVDF) transducer, was improved to represent the behavior at low frequencies. There are two branches in this circuit: a mechanical and an electrical branches. The mechanical branch parameters were calculated in the vicinity of the resonance frequency, whereas the components of the electrical branch were determined by conductance and susceptance curves fittings for frequencies far from resonance. This stage included the development of an algorithm based on the rate of change of conductance, which allowed determining a method to separate the frequency spectrum in near resonance and far from resonance. After determining all parameters, electrical circuits were designed to perform simulations using Pspice software. The results for conductance, susceptance, impedance magnitude and phase angle simulations presented relevant agreement with measurements when compared graphically and numerically. This latter analysis was done by error relative expression. In this work, the methodology was based on conductance and susceptance measurements for different samples, including porous polypropylene (PP), PVDF and Teflon®FEP piezoelectrets with open-tubular channels films.

A utilização de ondas guiadas em técnicas de monitoramento de integridade estrutural tem se mostrado uma alternativa interessante para economia de tempo e de custos de operação. Técnicas com ondas guiadas apresentam a característica de monitorar trechos extensos de uma estrutura a partir de um único ponto de acesso, permitindo a inspeção de partes remotas e de difícil acesso. Entre os modos fundamentais de propagação de ondas guiadas em chapas, o modo SH0 possui a vantagem de não ser dispersivo, além de sofrer menores atenuações ao se propagar em superfícies em contato com fluidos. Neste trabalho é proposto um modelo de transdutor do modo SH0 de forma omnidirecional em uma chapa de aço utilizando um arranjo com cerâmicas piezoelétricas, que permita inspecionar determinada área de um componente através de um único modo de propagação. Para caracterizar e compreender o comportamento da resposta obtida foram realizadas simulações numéricas parametrizando características do modelo proposto, como o número de elementos piezoelétricos e dimensões geométricas dos componentes do transdutor. Para validação dos resultados do modelo numérico foram construídos modelos experimentais do transdutor, os quais foram instalados sobre uma chapa de aço de 2mm de espessura para verificação dos modos de propagação emitidos. Avaliando a relação entre intensidades de cada modo emitido e a qualidade da emissão de SH0 foi possível identificar as frequências que apresentaram resposta com a característica desejada. Também foi verificado o comportamento dos transdutores construídos ao serem excitados por ondas propagando na chapa, avaliando a sua utilização também como receptores. / The use of guided waves in structural health monitoring techniques has already proved to be an interesting alternative to reduce inspection time and overall operational costs. Guided waves techniques enable monitoring large structures from one single access point, allowing the inspection of distant and hard access parts. Among the fundamental propagation modes of guided waves in plates, the SH0 mode has the advantage of being non dispersive, as well as being subject to less attenuation when propagating through surfaces in contact with fluids. In this work, it is proposed one omnidirectional SH0 mode transducer in a steel plate using a piezoelectric ceramic array, which allows inspecting a component area through a single propagation mode. Numeric simulations parameterizating features of the transducer, such as the number of piezoelectric elements and the geometric dimensions of the transducer’s components, were developed to characterize and investigate the effect on the output response. To validate the numeric simulation results, experimental models of the transducer were built, which were installed on a 2mm thick steel plate to verify the generated propagation modes. The analysis of the relation between the intensity of each mode generated in the plate and the emission quality of the SH0 mode allowed the identification of frequencies that presented the most desirable response characteristics. The behavior of the built transducers was also studied when they were excited by waves propagating through the plate, evaluating the use of the transducers as signal receptors.

A utilização de ondas guiadas em técnicas de monitoramento de integridade estrutural tem se mostrado uma alternativa interessante para economia de tempo e de custos de operação. Técnicas com ondas guiadas apresentam a característica de monitorar trechos extensos de uma estrutura a partir de um único ponto de acesso, permitindo a inspeção de partes remotas e de difícil acesso. Entre os modos fundamentais de propagação de ondas guiadas em chapas, o modo SH0 possui a vantagem de não ser dispersivo, além de sofrer menores atenuações ao se propagar em superfícies em contato com fluidos. Neste trabalho é proposto um modelo de transdutor do modo SH0 de forma omnidirecional em uma chapa de aço utilizando um arranjo com cerâmicas piezoelétricas, que permita inspecionar determinada área de um componente através de um único modo de propagação. Para caracterizar e compreender o comportamento da resposta obtida foram realizadas simulações numéricas parametrizando características do modelo proposto, como o número de elementos piezoelétricos e dimensões geométricas dos componentes do transdutor. Para validação dos resultados do modelo numérico foram construídos modelos experimentais do transdutor, os quais foram instalados sobre uma chapa de aço de 2mm de espessura para verificação dos modos de propagação emitidos. Avaliando a relação entre intensidades de cada modo emitido e a qualidade da emissão de SH0 foi possível identificar as frequências que apresentaram resposta com a característica desejada. Também foi verificado o comportamento dos transdutores construídos ao serem excitados por ondas propagando na chapa, avaliando a sua utilização também como receptores. / The use of guided waves in structural health monitoring techniques has already proved to be an interesting alternative to reduce inspection time and overall operational costs. Guided waves techniques enable monitoring large structures from one single access point, allowing the inspection of distant and hard access parts. Among the fundamental propagation modes of guided waves in plates, the SH0 mode has the advantage of being non dispersive, as well as being subject to less attenuation when propagating through surfaces in contact with fluids. In this work, it is proposed one omnidirectional SH0 mode transducer in a steel plate using a piezoelectric ceramic array, which allows inspecting a component area through a single propagation mode. Numeric simulations parameterizating features of the transducer, such as the number of piezoelectric elements and the geometric dimensions of the transducer’s components, were developed to characterize and investigate the effect on the output response. To validate the numeric simulation results, experimental models of the transducer were built, which were installed on a 2mm thick steel plate to verify the generated propagation modes. The analysis of the relation between the intensity of each mode generated in the plate and the emission quality of the SH0 mode allowed the identification of frequencies that presented the most desirable response characteristics. The behavior of the built transducers was also studied when they were excited by waves propagating through the plate, evaluating the use of the transducers as signal receptors.

Orientador: Vera Lúcia da Silveira Nantes Button / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-22T22:55:05Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Nascimento_ValeriaMonteirodo_D.pdf: 6068450 bytes, checksum: 537e820daa45af6d8d50ccee4ad135e5 (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: Para observar o efeito no campo acústico dos diversos parâmetros de configuração do projeto de um transdutor ultrassônico, foram simuladas várias configurações de transdutor de alta frequência (5 a 50 MHz), tipo array anular, com kerf e kerfless, de cerâmica PZT-5H e de filme de PVDF. Transdutores com configurações de três, quatro, cinco e seis anéis, em que os anéis possuíam a mesma largura foram simulados com elemento ativo de cerâmica. E transdutores com cinco, seis, sete, oito e dez anéis de mesma área, com separação física entre os elementos (kerf) e sem separação física entre os elementos (kerfless) foram simulados com elementos piezoelétricos de cerâmica PZT-5H e filme de PVDF. Também foram testados materiais de diferentes impedâncias acústicas nas camadas de retaguarda (epóxi, epóxi e Araldite, ferro, tungstênio, alumina e madeira), foram usadas diversas funções de excitação dos elementos piezoelétricos (Blackman, Wavelet, Gauss, Seno, Step) em frequências variadas, além de se acionar os diversos elementos anelares isoladamente, em grupos e com atraso temporal. O objetivo das simulações realizadas foi determinar a melhor configuração de um transdutor array anular, quanto ao número de anéis, espaçamento entre eles e necessidade ou não de separação física entre os elementos, levando-se em conta a complexidade de construção e as características do campo acústico gerado. Para isso, os parâmetros observados no campo acústico foram à amplitude do pico, a amplitude média de pressão, a profundidade do campo, a colimação do feixe principal e a presença de lóbulos laterais. Outros parâmetros observados foram à tensão e a carga nos elementos. Os resultados obtidos nas simulações dos transdutores arrays circulares, feitas com o programa PZFlex®, foram processados no Matlab® para visualização do campo acústico e extração de parâmetros. As funções de transferência do sinal de excitação e da resposta à estimulação foram calculadas com os dados obtidos. O transdutor kerfless foi simulado no PZFlex® e seus resultados processados no Matlab®, para comparar com os resultados do transdutor com kerf de mesma configuração. Os resultados das simulações mostraram que o campo acústico neste tipo de transdutor, array anular, tem a região de campo distante começando bem próximo à face do transdutor. A camada de retaguarda de epóxi e Araldite® apresentaram valores mais elevados de amplitude do campo acústico. A função de excitação foi Wavelet na frequência de 30 MHz devido às restrições da relação diâmetro / espessura da cerâmica PZT-5H. O transdutor kerfless apresentou um campo acústico com as mesmas características do transdutor com kerf, com a vantagem de sua construção ser mais simples / Abstract: In order to observe the effect of ultrasound transducers parameters configurations in an acoustic field, simulations were made in some different configuration of an annular array ultrasound transducer in high frequency (5 to 50 MHz), kerf and kerfless, with active element of PZT - 5H ceramic or PVDF. The transducers configurations simulated were three, four, five and six annulus, with the same width, and the active element was PZT-5H. And transducers with five, six, seven, eight and ten annulus, with the same area, with and without physical separation between the elements had been simulated with active element of PZT-5H ceramics or PVDF. The materials of backing layer (epoxy, epoxy and Araldite, iron, tungsten, alumina and wood dust) with different impedance were also be tested, and a variety of excited functions (Blackman, Wavelet, Gauss, Sine, Step), in different frequencies, and also with time delay in active elements. The objective of this simulation was to find out the better configuration of an annular array ultrasound transducer in high frequency, the number of annulus, spacing between them, the area, the transducer is kerf or kerfless, considering the build complexity and the characteristics of acoustic field. To do this, the peak amplitude, the depth and the average amplitude of the acoustic field was measured. The charge and the voltage in the elements were also observed. The results obtained in simulations in PZFlex® software were run in Matlab® to visualize the acoustic field and to extract parameter. The ultrasound kerfless transducer was simulated in PZFlex® and the data obtained runs in Matlab®, the results were compared with the results of a transducer with kerf in the same configuration. The simulation results showed that the acoustic field of this kind of transducer has Fraunhofer zone began near the transducer's face. The backing layer with epoxy and Araldite® showed high amplitude of acoustic field. The frequency 30 MHz was choice due to diameter/thickness relations. The excitation function was wavelet, as this present high values response in acoustic field. Kerfless transducer showed acoustic field characteristics the same as the kerf transducers, with the advantage of a simple construction / Doutorado / Engenharia Biomedica / Doutora em Engenharia Elétrica

Orientador: Vera Lucia da Silveira Nantes Button / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-04T03:25:15Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Duarte_MauricioGomes_M.pdf: 2754469 bytes, checksum: 075905e730585b96c40637855bee28c3 (MD5) Previous issue date: 2003 / Resumo: o objetivo deste trabalho foi aprimorar o processo de apodização de discos de cerâmica piezoelétrica utilizado no LUS (Laboratório de Ultra-Som, DEB/FEEC e CEB, UNlCAMP), buscando estabelecer uma melhor relação entre tempo de aplicação do campo elétrico e a temperatura do banho de óleo isolante usado no processo. A apodização das cerâmicas piezoelétricas é utilizada para reduzir a difração no campo acústico gerado por transdutores de ultra-som, como já foi comprovado no LUS em trabalhos anteriores. Buscou-se reduzir o tempo de aplicação do campo elétrico através do ensaio de temperaturas diferentes do óleo mineral que banha o disco cerâmico e verificando em quais ensaios foi obtida uma boa apodização. Foram utilizadas cerâmicas piezoelétricas PZT-5A de 12,7mm de diâmetro, com 0,885mm (EDO Acoustics) e lmm (APCI) de espessura. O campo elétrico aplicado foi de 2kV/mm de espessura de cerâmica, e um eletrodo esférico de 5mm de raio foi usado para formatar o campo elétrico de apodização. Foram utilizados dois tipos de óleo mineral: o Nujol, que acima de 160°C evapora rapidamente e o óleo da CooperPower, que permitiu utilizar temperaturas até 250°C, com pouca evaporação. Os discos cerâmicos apodizados para os quais o coeficiente eletromecânico do modo espessura, kt, resultou em valores acima de 0,37, foram considerados bem apodizados. O óleo isolante foi aquecido a temperaturas diferentes entre 120°C e 250°C e o campo elétrico foi aplicado por períodos de 2 minutos até 4 horas e 30 minutos (tempo necessário para a temperatura do óleo resfriar até 25°C). Este estudo também incluiu a avaliação do efeito de sucessivas despolarizações e repolarlzações nos modos de vibração da cerâmica piezoelétrica. Os resultados confirmaram que, usando temperaturas mais altas (acima de 200°C), o campo elétrico precisa ser aplicado durante um período menor. Apodizações que utilizaram temperatura igual a 160°C, só mostraram acoplamentos bons quando o campo permaneceu aplicado enquanto o óleo resfriava até 25°C. Apodizações em que o óleo foi aquecido a temperaturas inferiores a 160°C não apresentaram bons resultados, independentemente do tempo de aplicação do campo elétrico. Os resultados também mostraram que o efeito de aplicar o campo elétrico ainda antes do óleo ser aquecido foi um aumento do acoplamento eletromecânico obtido, comparando com o resultado de um processo de apodização semelhante, mas em que o campo elétrico só foi aplicado depois do aquecimento do óleo. O mesmo efeito não foi observado com as apodizações em que utilizou-se a temperatura mais alta possível, 250°C, usando o óleo mineral da Copper Power. Concluiu-se que, usando a temperatura igual a 250°C, foi possível reduzir o tempo de aplicação do campo elétrico de apodização, com resultados satisfatórios, de mais de 4 horas para apenas 2 minutos. No entanto, o processo que utiliza uma dada relação tempo de aplicação do campo/temperatura do óleo, e que apodiza satisfatoriamente uma cerâmica com lmm de espessura, pode resultar na polarização convencional (linear) de uma cerâmica mais fina, como a cerâmica com espessura igual a O,885mm. Algumas das cerâmicas apodizadas foram usadas para construir transdutores de ultra-som. Os campos acústicos gerados pelos transdutores construidos foram mapeados, confirmando o aumento da profundidade do campo acústico, como conseqüência da redução da difração acústica, obtida a partir da apodização da polarização das cerâmicas piezoelétricas / Abstract: The objective of this work was to optimize the process of apodization of piezoelectric ceramics disks, looking for the better relation between the insulating oil bath temperature and the smaIlest period of time through which the poling field must be applied. The apodization of the piezoelectric ceramic is performed to reduce the diffraction in the acoustic field generated by ultrasonic transducers. We looked for the best initial temperature of the insulating mineral oil that surrounds the piezoelectric ceramic, and how long the poling electric field must be applied to the ceramic to achieve a good apodization. We used 12.7mm diameter, 0.885mm and lmm thickness PZT-5A ceramic disks. The non-uniform poling electric field (2kV/mm) has been shaped by a 5mm radius spherica1 electrode. The apodized ceramic disks which showed piezoelectric coupling coefficient values larger than 0.37, were considered well apodizated. We used oil temperatures from 120°C to above 200°C and the electric field was applied for periods of at least 2 minutes to up to 4 hours and third minutes (until the oil temperature cooled down to 25°C). This study a1so inc1uded the ceramic disk evaluation after successive depolarizations and repolarizations. The results showed that using higher temperatures (above 200°C) we needed to apply the poling field for a shorter time. Temperature equa1160°C was efficient on1y ifthe poling field was applied until the oil was cooled down to 25°C (4 hours and thirty minutes). The results also showed that if the poling electric field was applied to the piezoelectric ceramic even before the oil was heated, we obtained larger piezoelectric coupling coefficients, compared to the poling processes where the electric field was applied to the ceramic on1y afier the oil was heated. This was not necessary if we used higher temperatures (250°C). We concluded that using higher temperatures (250°C) it was possible to reduce the apodization process, with good results, from more than 4 hours to on1y 2 minutes. Ultrasound transducers were built; their acoustic fields were mapped in a water tank, and the results confirmed the increasing of the depth of the acoustic field, as consequence of the acoustic difraction reduction / Mestrado / Engenharia Biomedica / Mestre em Engenharia Elétrica

Orientador: Alberto Luiz Serpa / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-18T13:10:19Z (GMT). No. of bitstreams: 1 TinocoNavarro_HectorAndres_M.pdf: 12075431 bytes, checksum: cab5c2f419dac7a4f94391f21804ed8d (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: Neste trabalho foi desenvolvido um estudo numérico e experimental com o objetivo de compreender os efeitos da descolagem nos sinais elétricos obtidos por meio de sensores piezelétricos. Na análise numérica, os deslocamentos do sistema acoplado estrutura-adesivosensor foram representados em equações diferenciais para os casos estático e dinâmico. Os sinais elétricos emitidos pelos sensores foram determinados pelos deslocamentos para diferentes parâmetros geométricos da interface adesiva. Os resultados numéricos mostram que as propriedades geométricas da interface adesiva modificam as condições de deformação entre o sensor e a estrutura. Também, foi proposto um sensor com três eletrodos com o qual foram estabelecidas relações de força. As relações de força mostraram que as propriedades do adesivo podem diminuir as forças nos extremos do sensor e assim evitar descolagem. As simulações de descolagem do sensor foram realizadas com o aplicativo computacional COMSOL. As soluções numéricas dinâmicas indicaram que um sensor descolado gera menor potência elétrica que um sensor completamente colado. Isto foi comprovado experimentalmente em três casos e os resultados experimentais concordaram com os resultados teóricos. Este estudo demonstrou que a descolagem parcial não pode ser considerada uma falha de adesão, já que o sensor pode emitir sinais elétricos quando o sensor está descolado. Também foi demonstrado que a descolagem afeta o rendimento elétrico dos sensores / Abstract: In this investigation it was developed a numerical and experimental study with the aim to understand the debonding effects on electrical signatures obtained by means of piezoelectric sensors. In the numerical analysis, the displacements of the coupled system structure-adhesivesensor were represented by differential equations for static and dynamic cases. Electrical signatures emitted by sensors were determined through the displacements for different geometric parameters of the adhesive interface. Numerical results show that geometric properties of the adhesive interface modify the deformation conditions between the sensor and the structure. Also, a sensor was proposed with three electrodes in which were established force relations between each electrode. Force relations shown that the properties of adhesive can diminish the forces in the end of the sensor avoiding debonding. Simulations of debonding of the sensor were carried out with COMSOL software. Dynamic numerical solutions indicate that debonded sensor generates electric power lower than a sensor completely bonded. This was proved experimentaly in three cases and the experimental results presented good agreement. This study demonstrated that the partial debonding cannot be considered as a fail by adhesion, since the sensor can emit electrical signatures when it is partially debonded. Also it was demonstrated that the debonding of the sensor affects electric performance / Mestrado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Mestre em Engenharia Mecânica

Orientadores: Francisco José Arnold, Rangel Arthur / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Tecnologia / Made available in DSpace on 2018-08-26T20:53:37Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Ximenes_RodrigoLuiz_M.pdf: 1709801 bytes, checksum: 3d8b8086551025bf630aa238baf7d7c8 (MD5) Previous issue date: 2015 / Resumo: A medição da impedância elétrica em transdutores piezelétricos é um procedimento fundamental para a caracterização desses dispositivos. A larga variação do módulo da impedância elétrica ao longo da frequência representa uma dificuldade para a realização dessas medições. Neste trabalho é apresentado o protótipo de um medidor de impedâncias elétricas de transdutores de ultrassom utilizados em aplicações de potência elevada. O sistema opera baseado na captação dos valores de pico de tensão e corrente sob uma faixa de frequência de utilização dos transdutores. O protótipo é controlado por um microcontrolador que se comunica com um computador no qual um software, desenvolvido em LabView, armazena e mostra resultados numa interface. A validação do medidor de impedâncias foi feita pela comparação de resultados experimentais com os medidos por um analisador de impedâncias comercial. Os resultados mostram que o sistema proposto pode medir impedâncias entre 100 W e 10 kW, aproximadamente, numa faixa de frequências de até 43 kHz / Abstract: The measurement of electrical impedance of piezoelectric transducers is a fundamental procedure for the characterization of these devices. The large variation in the electrical impedance module over frequency is a difficulty to carry out these measurements. This dissertation presents the prototype of a meter electrical impedance of ultrasound transducers used in high power applications. The system operates based on the capture of peak voltage and current values of the transducers in a usage frequency band. The prototype is controlled by a microcontroller that communicates with a computer on which a software, developed in LabView, stores and displays the results in an user interface. The validation of the impedance meter was made by comparison with the experimental results measured by a commercial impedance analyzer. The results show that the proposed system can measure impedances between 10 W and 10 kW at frequencies up to 43 kHz / Mestrado / Tecnologia e Inovação / Mestre em Tecnologia

Submitted by Kilvya Braga (kilvyabraga@hotmail.com) on 2018-04-26T13:55:49Z No. of bitstreams: 1 ALAN GONÇALVES PAULO E SILVA - DISSERTAÇÃO (PPGEM) 2016.pdf: 4036442 bytes, checksum: 66c4a790f1155d8ce09ccc484d739542 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-04-26T13:55:49Z (GMT). No. of bitstreams: 1 ALAN GONÇALVES PAULO E SILVA - DISSERTAÇÃO (PPGEM) 2016.pdf: 4036442 bytes, checksum: 66c4a790f1155d8ce09ccc484d739542 (MD5) Previous issue date: 2016-02-04 / Capes / A necessidade de controle ou supressão das vibrações surgiu devido aos seus efeitos danosos causados as pessoas, estruturas e elementos de máquinas. Com o passar dos anos, várias técnicas de controle foram criadas e se desenvolvem à medida que a tecnologia avança. Hoje, a utilização de materiais funcionais ou inteligentes, já é utilizada em larga escala em aplicações práticas e nas pesquisas acadêmicas dos maiores centros de tecnologia do mundo. Neste trabalho, temos como objetivo, realizar o controle de vibrações de uma estrutura com dois graus de liberdade do tipo pórtico, utilizando transdutores piezoelétricos associados a circuitos do tipo shunt de capacitância negativa com resistência elétrica em série. Para tal, utilizamos um circuito eletroeletrônico com componentes passivos (resistores, capacitores, indutores) associados a transdutores piezoelétricos QP10W, para produzirmos o circuito shunt de capacitância negativa, implementado através de Conversores de Impedância Negativa (NIC), utilizando amplificadores operacionais. As amplitudes de resposta do sistema nos domínios do tempo e frequência foram analisadas em vibração livre e em vibração forçada, utilizando os resistores que obtiveram o melhor desempenho na dissipação de energia da estrutura, que foram os de 100 Ω e de 150 kΩ. Obtivemos uma redução de 9,01 dB para o primeiro pico de frequência e de 6,95 dB para o segundo pico, em vibração livre. Para o caso de vibração forçada, obtivemos uma redução de 1,5 dB para o primeiro pico de frequência e de 2,19 dB para o segundo pico de frequência, cumprindo assim o objetivo do trabalho pretendido. / The need for control or suppression of vibrations arose due to its harmful effects caused at people, structures and machine elements. With the passage of years, various control techniques were created and develop as technology advance. Today, the use of functional or smart materials is already used on a large scale in practical applications and in academic research of the world's largest technology centers. In this work, our goal is to perform vibration control of a structure with two degrees of freedom portico type using piezoelectric transducers associated with the negative capacitance shunt circuits with electric resistance in series. To do this, we use an electroelectronics circuit with passive components (resistors, capacitors, inductors) associated with piezoelectric transducers QP10W, to produce the negative capacitance shunt circuit, implemented through Negative Impedance Converters (NIC) using operational amplifiers. Response amplitudes of the system in the domains of time and frequency were analyzed in free vibration and forced vibration using the resistors that had the best performance in energy dissipation structure, which were the 100 Ω and 150 kΩ. We obtained a reduction of 9.01 dB for the first peak frequency and 6.95 dB for the second peak in vibration free. In the case of forced vibration, we obtained a reduction of 1.5 dB for the first peak frequency and 2.19 dB for the second peak frequency, thus fulfilling the purpose of the intended work.

Apresentam-se as bases teóricas do Método de Elementos Finitos (MEF) piezoelétrico, e a sua aplicação na modelagem de transdutores de ultra-som piezoelétricos, que consiste na determinação das características vibracionais (frequências de ressonância e anti-ressonância, modos de vibrar e coeficiente de acoplamento eletromecânico), obtenção da curva de admitancia, análise transiente da estrutura piezoelétrica sujeita a uma excitação pulsada e análise da influência da variação das constantes piezoelétricas do transdutor com o raio. Utilizando-se o MEF aplicado a acústica obteve-se o campo acústico gerado pelo transdutor operando em onda contínua, bem como iniciou-se o estudo da propagação de ondas num líquido, analisando-se as ondas geradas pela excitação pulsada de um pistão plano em contato com o fluido. Os modos de vibrar e os valores de frequências de ressonância obtidos para um transdutor, foram comparados com os resultados experimentais. / The theoretical basis of piezoelectric finite element method (FEM), and its application in piezoelectric ultrasonic transducer modelling is presented. Among these applications we have the calculation of resonance and antiresonance frequencies, vibration modes, piezoelectric coupling coefficient, admittance curve and transient analysis of piezoelectric structure excited by a short pulse. By means of piezoelectric FEM the influence of variation of piezoelectric constant with radius is analysed. It is discussed three kind of functions (linear, cosinoidal and Gaussian). This technique is called apodization. The acoustic filed generated by the transducer operating in continuous wave (CW) was calculated by using FEM applied to acoustic, considering the fluid-structure coupling. The study of wave propagation in liquids is started by using FEM, analyzing the waves generated by a plane piston in contact with the fluid, excited by a short pulse. For each case discussed above, all boundary conditions and hypothesis assumed in the construction of finite element models are discussed. Although the models considered are circular transducers, the concepts acquired can be expanded to other geometries. The vibrational modes were visualized by means of a laser interferometry technique (ESPI), and the admittance curves were measured by using an impedometer. These results were compared with the FEM results, and the models precision was discussed.

Apresentam-se as bases teóricas do Método de Elementos Finitos (MEF) piezoelétrico, e a sua aplicação na modelagem de transdutores de ultra-som piezoelétricos, que consiste na determinação das características vibracionais (frequências de ressonância e anti-ressonância, modos de vibrar e coeficiente de acoplamento eletromecânico), obtenção da curva de admitancia, análise transiente da estrutura piezoelétrica sujeita a uma excitação pulsada e análise da influência da variação das constantes piezoelétricas do transdutor com o raio. Utilizando-se o MEF aplicado a acústica obteve-se o campo acústico gerado pelo transdutor operando em onda contínua, bem como iniciou-se o estudo da propagação de ondas num líquido, analisando-se as ondas geradas pela excitação pulsada de um pistão plano em contato com o fluido. Os modos de vibrar e os valores de frequências de ressonância obtidos para um transdutor, foram comparados com os resultados experimentais. / The theoretical basis of piezoelectric finite element method (FEM), and its application in piezoelectric ultrasonic transducer modelling is presented. Among these applications we have the calculation of resonance and antiresonance frequencies, vibration modes, piezoelectric coupling coefficient, admittance curve and transient analysis of piezoelectric structure excited by a short pulse. By means of piezoelectric FEM the influence of variation of piezoelectric constant with radius is analysed. It is discussed three kind of functions (linear, cosinoidal and Gaussian). This technique is called apodization. The acoustic filed generated by the transducer operating in continuous wave (CW) was calculated by using FEM applied to acoustic, considering the fluid-structure coupling. The study of wave propagation in liquids is started by using FEM, analyzing the waves generated by a plane piston in contact with the fluid, excited by a short pulse. For each case discussed above, all boundary conditions and hypothesis assumed in the construction of finite element models are discussed. Although the models considered are circular transducers, the concepts acquired can be expanded to other geometries. The vibrational modes were visualized by means of a laser interferometry technique (ESPI), and the admittance curves were measured by using an impedometer. These results were compared with the FEM results, and the models precision was discussed.