Orientador: Paulo Roberto de Aguiar / Resumo: O chatter corresponde a movimentos instáveis e caóticos no sistema de usinagem, resultando em flutuação das forças de corte e na impressão de ondulações na superficie da peça usinada. É um fenômeno indesejável ao processo de usinagem, especialmente ao processo de retificação, pois a sua ocorrência acentuada resulta em um produto acabado com tolerâncias dimensionais e geométricas fora dos padrões, ou até mesmo em danos irreversíveis, como por exemplo, alteração na dureza, alta rugosidade e queima superficial da peça usinada. Na literatura, poucos trabalhos tratam da análise e monitoramento do chatter com técnicas de processamento digital de sinais, especialmente de aceleração. O objetivo desse trabalho é propor uma nova técnica de processamento digital utilizando os sinais de aceleração baseados no cálculo da STFT - Short Time Fourier Transform (Transformada de Fourier de curta duração) e na estatística Relação de Potência (ROP – ratio of power), com a finalidade de detecção do fenômeno de chatter na retificação tangencial plana com rebolo superabrasivo de nitreto cúbico de boro (CBN) e óxido de alumínio. Para tanto, ensaios de retificação foram realizados em corpos de prova de aço ABNT 1045. Um acelerômetro piezelétrico foi acoplado ao suporte das peças e sinais de aceleração foram coletados à uma frequência de amostragem de 2MHz. Dentre as variáveis de saída, obteve-se a dureza Vickers (HV), rugosidade média (Ra) e a análise microestrutural das peças retificadas. Os sinais d... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: Chatter corresponds to unstable and chaotic movements in the machining system, resulting in fluctuation of the cutting forces. It is a serious and undesired physical phenomenon that occurs in the grinding process during parts manufacturing. The intense occurrence of this phenomenon during machining can generate a finished part outside the dimensional and geometric tolerances or even cause irreversible damage, such as: changes to the hardness, high surface roughness, and thermal damages to the ground part. Few vibration signal processing techniques have been proposed for monitoring chatter during grinding. Thus, the objective of this study is to propose and validate a new vibration signal processing technique based on the short-time Fourier transform (STFT) and the ratio of power (ROP) statistic for the detection of chatter during the tangential surface grinding of ABNT 1045 steel with different grinding wheels. Experimental grinding tests were conducted, and the vibration signals were recorded at 2 MHz. The Vickers hardness (HV), roughness (Ra) and metallography of the ground workpiece surfaces were performed. Subsequently, a digital processing technique based on the STFT and ROP was applied to the vibration signals to extract the characteristics of the chatter in the grinding process. The results show that this technique can be used to characterize over time the spectral patterns of a frequency band related to chatter. The observed patterns have a strong relationship with th... (Complete abstract click electronic access below) / Doutor

A natureza vibratória, oriunda da transferência energética, manifesta-se em todos os sistemas e estruturas. Na engenharia, essa transferência energética se revela como um fenômeno vibratório indesejável ou desejável. Em sistemas mecânicos, o controle dinâmico para mitigação de vibrações indesejáveis se realiza através de diversas técnicas e configurações, entre os mais usuais, o Amortecedor de Massa Sintonizável (AMS). No entanto, sabe-se que seu desempenho é suscetível a alterações nas frequências de operação e na natureza das excitações. Em sistemas elétricos, as vibrações do ambiente podem ser desejáveis e convertidas em energia elétrica útil para a realimentação de rede de sensores sem fio e computação pervasiva. A fim de combinar estes fenômenos e reduzir custos de operação, é necessário projetar dispositivos sintonizáveis robustos capazes de operar eficientemente em uma banda larga de frequências. Portanto, este trabalho visa projetar e analisar experimentalmente um atenuador de vibrações eletromagnético sintonizável (semi-ativo) com captação energética (AEMSCE) através da introdução deliberada de não linearidades. O AEMSCE consiste em um sistema massa-mola-amortecedor não linear com um ímã oscilante central orientado sob forças repulsivas magnéticas e uma bobina instalada, sendo capaz de dissipar as vibrações da estrutura e convertê-las em energia elétrica útil. Os recursos e parâmetros do AEMSCE são apresentados e identificados. O fator de transdução eletromagnético que acopla o sistema mecânico ao elétrico é quantificado. Mostra-se que a variação da distância entre ímãs promove ao sistema ressonância ajustável e que a força de restauração magnética resultante apresenta uma faixa de operação linear. No trabalho, verifica-se que o campo de máxima captação energética está contido na faixa de operação linear confirmando a relevância deste campo linear. O comportamento do sistema é analisado considerando as influências da força restauradora magnética, das forças amortecidas e da força de atrito. A partir dessas análises e das aproximações realizadas, apresenta-se estratégias de controle passivas e técnicas de otimização para mitigação, cuja resultante é um campo de atenuação ótimo, assim como desenvolve-se métodos de otimalidade para maximizar a conversão energética do AEMSCE, cuja resultante é um amortecimento elétrico ótimo ou um amortecimento admissível ótimo (deslocamento máximo). Métodos analíticos e simulações numéricas são desenvolvidos em todo o trabalho com diferentes configurações para analisar a robustez e eficiência do dispositivo, através do comportamento dinâmico vibratório à resposta transiente e estacionária induzido por excitação de base harmônica. De maneira geral, os resultados mostram que os parâmetros de sintonia e amortecimento do AEMSCE podem ser combinados e ajustados para ampliar o controle de vibrações da estrutura e maximizar a captação energética, principalmente na ressonância. Verifica-se que existe uma relação de importância da tensão induzida e do amortecimento elétrico, através da variação da resistência de carga no resistor, com a atenuação e captação energética. Por fim, este trabalho buscou apresentar os melhores métodos e resultados de parâmetros de amortecimento a fim de obter informações como guia de projeto para otimizar os dispositivos futuros e para a proposição de incorporar um controle semiativo ao AEMSCE. Como forma de melhorar o desempenho em aplicações futuras, é possível combinar as propriedades ótimas resultantes e ajustá-las através de estratégias de controle semiativa, explorando a dinâmica linear e não linear do sistema. / Vibratory nature, derived from the energy transfer, manifests itself in all systems and structures. In engineering, this energy transfer is revealed as an undesirable or desirable vibrational phenomenon. In mechanical systems, the dynamic control to mitigate undesirable vibrations is achieved through several techniques and configurations, among the most usual, the Tunable Mass Damper (TMD). However, it is known that their performance is susceptible to changes in the operating frequencies and the nature of the excitations. In electrical systems, ambient vibrations may be desirable and converted into useful electrical energy for the feedback of wireless sensors network and pervasive computing. In order to combine these phenomena and reduce operating costs, it is necessary to design robust tunable devices capable of operating efficiently over a wide frequency band. Therefore, this work aims to design and experimentally analyze a tunable electromagnetic vibrations absorver (semi-active) with energy harvesting (TEMAEH) through the deliberated introduction of non-linearities. TEMAEH consists of a non-linear mass-spring-damper system with a central oscillating magnet oriented under magnetic repulsive forces and a coil installed, being able to dissipate vibrations of the structure and convert them into useful electrical energy. The TEMAEH features and parameters are presented and identified. Electromagnetic transduction factor that couples the mechanical to electrical system is quantified. It is shown that the variation of the distance between magnets provides adjustable resonance to the system and that the resulting magnetic restoring force has a linear operating range. In the work, it is verified that the field of maximum energy harvesting is contained in the linear operating range confirming the relevance of this linear field. The behavior of the system is analyzed considering the influences of magnetic restoring force, damped forces and frictional force. From these analyzes and the approximations performed, passive control strategies and optimization techniques for mitigation are presented, resulting in an optimum attenuation field, as well as optimization methods to maximize the energy conversion of the TEMAEH, resulting in an optimum electric damping or optimum permissible damping (maximum displacement). Analytical methods and numerical simulations are developed throughout the work with different configurations to analyze the robustness and efficiency of the device through the dynamic behavior of vibration to the transient and stationary response induced by harmonic based excitation. In general, the results show that the tuning and damping parameters of the TEMAEH can be combined and adjusted to increase the vibration control of the structure and to maximize energy harvesting, especially in resonance. It is verified that there is a relation of importance of the induced voltage and the electrical damping, through the variation of the load resistance in the resistor, with the attenuation and power generation. Finally, this work sought to present the best methods and results of damping parameters in order to obtain information as a project guide to optimize future devices and for the proposition to incorporate a semiative control to TEMAEH. As a way to improve performance in future applications, it is possible to combine the resulting optimal properties and adjust them through semiative control strategies, exploring the linear and non-linear dynamics of the system.

No Brasil, como em outros países, podem ser encontrados milhões de trabalhadores com distúrbios e problemas resultantes da exposição ocupacional a vibrações mecânicas. No entanto, são escassos, os estudos e as pesquisas voltados a esse agente, seja com relação ao seu reconhecimento, à sua avaliação ou ao seu controle. Neste trabalho estimou-se a exposição ocupacional a vibrações em mãos e braços dos trabalhadores que atuam nas atividades de acabamento, em marmorarias no município de São Paulo. Os principais critérios técnicos internacionais relacionados ao agente, sua aplicação e interpretação são discutidos frente à legislação nacional. Para a obtenção de um sinal de vibração representativo da exposição dos trabalhadores, utilizou-se um procedimento alternativo de medição, mediante uso de um mini-acelerômetro triaxial e um adaptador de palma fixado diretamente nas mãos dos operadores. Dessa forma, procurou-se contabilizar de modo mais representativo as diversas posturas, forças e posições aplicadas durante a execução das atividades. Foram avaliados os processos de acabamento a seco e a úmido em treze marmorarias do município de São Paulo de um total de vinte e cinco empresas visitadas. Os resultados indicam que há uma predominância das exposições acima do nível de ação (A(8)=2,5 m/s2) em vigor na Comunidade Européia a partir de 2005, sendo importante a adoção de medidas preventivas e de vigilância à saúde dos operadores. Em contrapartida, os Programas de Prevenção de Riscos Ambientais (PPRAs) presentes em parte das empresas abordadas, não fazem menção ao agente, apesar da obrigatoriedade legal. São sugeridas estratégias voltadas à prevenção e ao controle, com base nas observações de campo e nos estudos efetuados junto à bibliografia especializada. / In Brazil, such as in others countries, millions of workers have problems and disturbs related with human exposure to vibration. In spite of that, exist few studies and researches related to recognition, evaluation and control of this agent. In this study it was estimated the occupational exposure to hand-arm vibration of workers involved in ornamental stone enterprises in São Paulo city. The main International technical standards related to this agent, it\'s application and interpretation are discussed facing Brazilian\'s regulations. In order to obtain a representative information of worker\'s exposure to vibration, it was used an alternative procedure based on a palm adapter and a mini accelerometer. Both were fixed on the worker\'s palm and aimed to take into account the different postures, forces and positions applied by operators during their activities. The evaluation\'s process and vibration measurements included dry and wet cutting, grinding and polishing of granite and marble in thirteen enterprises in São Paulo city of a total of twenty five enterprises visited. The results indicated that there is a predominance of worker\'s exposure above the action level (A(8) = 2,5m/s2) in force by European Community since 2005, implying the application of preventive measures and worker\'s health surveillance. On the other hand, the Preventive Programs for Environmental Risks presented by the enterprises visited, did not mention anything about the agent, in spite of legal obligation set out by Brazilian\'s regulations. Suggestions related to control and prevention strategies are set out based on field\'s observation and literature revision.

O crescimento da exploração do petróleo e gás em águas ultraprofundas fez com que a demanda por unidades flutuantes crescesse e, com isso, aumentasse a ocorrência do fenômeno de Movimentos Induzidos por Vórtices (ou VIM, de Vortex-Induced Motions) que age em plataformas com casco cilíndrico, como é o caso das monocolunas e spars. Efeito natural desse aumento nas ocorrências foi um maior interesse pelo fenômeno de VIM, simplificadamente investigado em cilindros lisos e curtos como os utilizados nesta pesquisa. A fim de contribuir com o conhecimento dos fundamentos fluido-dinâmicos nesta área, foram investigados quatro diferentes cilindros flutuantes de baixa razão de aspecto, todos caracterizados pelo valor típico de L/D = 2 (comprimento imerso por diâmetro, onde L= 250 mm e D= 125 mm), mas com diferentes condições de arredondamento da extremidade imersa, estas caracterizadas por quatro razões distintas entre o raio de adoçamento e o raio do cilindro, especificamente r/R= 0,00; 0,25; 0,50 e 1,00. Com este objetivo de observar a resposta dos cilindros curtos sob efeito dos vórtices gerados em diferentes formatos de extremidade imersa, experimentos foram realizados no tanque de provas do Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de S~ao Paulo (IPT), compreendendo velocidades de reboque entre 0,024 a 0,154 m/s, ou seja, uma faixa de números de Reynolds entre 3.300 e 19.200. Os resultados de amplitude adimensional de resposta observados na direção transversal mostram influência moderada das modificações na extremidade imersa, ligeiramente mais acentuadas no modelo com razão de arredondamento de r/R=0,25, sendo que para este caso, as amplitudes máximas ficaram abaixo daquelas exibidas pelos demais modelos, com uma tendência geral de queda para as velocidades de reboque mais altas. A variação da geometria da extremidade imersa também influenciou moderadamente os resultados de amplitude adimensional de resposta na direção longitudinal, onde o modelo com r/R=1,00 apresentou menores amplitudes nas velocidades mais altas. Por outro lado, a razão entre as frequências de resposta e as frequências naturais de referência mostraram comportamentos típicos, semelhantes aos encontrados em análises de VIV de cilindros longos montados em suportes elásticos com dois graus de liberdade. Além disso, a observação dos movimentos dos modelos no plano da superfície livre não indicaram mudanças significativas nas trajetórias em função do arredondamento da extremidade livre. No tocante aos coeficientes de força (arrasto e sustentação), as comparações entre os modelos foram semelhantes, mas os coeficientes para o cilindro sem chanfro (r/R=0) mostraram-se maiores para grande parte das velocidades ensaiadas. Para o modelo com r/R=1,00, as força (arrasto e sustentação não se mostraram com a mesma intensidade do que aquelas nos demais modelos, o que, desta forma, se refletiu nos menores valores de coeficiente encontrados. Sob uma ótica geral, os resultados levam a crer que o modelo fluido responsável pelas oscilações nos cilindros com L/D = 2 não tem relação com a existência de vórtices de ponta e aresta, mas com a emissão de vórtices em forma de arco. / The oil and gas exploration in deep and ultra-deep water has increased in the past years, and at the same time, increasing the oating vessel demand, thereby the vortex-induced motion phenomenon (VIM) has been present for cylindrical hull structures, for example, spar and monocolumns oating units. The impact of this, enhance the VIM phenomenon interest with simplify investigations on smooth cylinders, as was used in the present research. In order to expand the knowledge, experiments were made in four floating cylinders with low aspect of ratio, L/D = 2 (Length / Diameter) were tested with different free end corner shape types, namely by the relation between chamfer rounding radius (r) divided by the radius of cylinder (R) (r/R = 0.0, 0.25, 0.5 and 1.0). For the initial case, r/R =0.0 represents at tip and r/R = 1.0 the semi-hemispherical tip. The aims were to understand the effect of different free-end types on VIV behaviour of cylinders. The oating circular cylinders, i.e. unit mass ratio m* = 1(structural mass/displaced uid mass), were elastically supported by a set of linear springs to provide low structural damping on the system and allow six degrees of freedom. The aim is to understand the effects of the free end vortex in the cylinder movements, varying the free end shape. The experiments were carried out in a towing tank of IPT - Institute for Technological Research of the state of São Paulo, Brazil. The range of velocities tested is 0.024 to 0.154 m/s , and Reynolds number covered 3;300 <= Re <= 19;200. The nondimensional amplitudes results for transversal direction, show a moderated effect when the free end shape has changed, more significant in the r/R=0.25 case, where the maximum amplitudes present lower values compare with the others cylinders. For in-line nondimensional amplitudes, model with r/R= 1.00 shown lower values for high velocities. On the other hand, the frequencies ratios between in-line/transverse and natural sistem frequency, presented typical VIV response for long cylinders with two degree of freedom. In addition, the trajectory observations in the XY plane have not illustrated differences for cylinders with rounded edges. Force coeffcients outcome (drag and lift), the no-rounded edge case (r/R=0.0), presented higher coeffcients for the large proportion velocities. Furthermore, the model with a semi-spherical shape in the free end (r/R=1.00), demonstrated the both force coeffcients have not acted with the same severity as was observed for the others cylinders, and thus, the r/R=1.00 models has presented lowest values. In general, the present results suggest the answer for oscillation on L/D=2 models is caused by arc-type vortex shedding, not by the free end vortex effects.

O fenômeno de vibração induzida por vórtices (VIV) é particularmente danoso para estruturas submarinas como risers de exploração de petróleo. A maneira mais usual de se atenuarem os efeitos de VIV é instalar um supressor, como por exemplo strakes ou fairings. Dentre esses, foi desenvolvido por All Brow Universal Components um supressor chamado Ventilated Trousers (VT), que consiste em uma malha permeável feita de uma rede flexível e dezenas de bobbins. Através de um estudo experimental, procurou-se investigar os mecanismos hidrodinâmicos pelos quais o supressor V T funciona. Foram construídos três modelos diferentes de supressores: um modelo idêntico ao V T e duas malhas dele derivadas, alterando-se a geometria dos bobbins e a distribuição destes ao redor da malha. Foram realizados ensaios com o modelo xo e ensaios de VIV em um grau de liberdade alterando-se o amortecimento estrutural. Foram medidos deslocamento e forças de sustentação e arrasto. Os resultados mostraram que o supressor do tipo V T reduz as amplitudes de vibração, força de sustentação e arrasto quando comparados com um cilindro oscilando. No entanto, aumenta a força de arrasto quando comparado com o cilindro xo. A geometria da malha mostrou-se de grande importância para a supressão de VIV. Modelos que possuem o disco externo no bobbin impedem o surgimento de folga entre o modelo e o cilindro, além de aumentar o amortecimento hidrodinâmico. Três hipóteses foram levantadas para explicar o funcionamento do supressor V T. A primeira diz que a supressão é provocada pelo aumento do amortecimento hidrodinâmico. Os ensaios mostraram que, de fato, o supressor V T aumenta o amortecimento e, consequentemente, diminui as VIV. No entanto, somente esse efeito não explica toda a supressão obtida. As outras hipóteses, relacionadas à alterações bi e tridimensionais da esteira, foram avaliadas, porém não se pode afirmar que alguma delas seja isoladamente responsável por produzir o mecanismo hidrodinâmico de supressão. / The phenomenon of vortex-induced vibration (VIV) is particularly harmful to submarine structures such as risers used for oil extraction. The most usual way to attenuate the effects of VIV is the installation of suppressors, like strakes or fairings. Among them, All Brow Universal Components developed a VIV suppressor called Ventilated Trousers (VT), which consist of a permeable mesh made of a flexible net and tens of bobbins. Three different models of suppressors based on permeable meshes have been assembled with the objective to understand the hydrodynamic mechanism behind the suppression: one model identical to the VT and two meshes with different bobbin geometries and distribution. Tests were carried out with xed models and models free to oscillate in one degree of freedom varying the structural damping. Displacements, drag and lift forces were measured. Results showed that the VT suppressor reduced vibration amplitudes, lift and drag forces when compared to an oscillating circular cylinder. However, it increased drag force when compared to a fixed circular cylinder. The mesh geometry proved to be important to VIV suppression. Models that had an external disc on the bobbins avoided the appearance of a gap between the model and the cylinder. Three hypotheses were formulated to explain how the VT suppressor works. The first one says that the increase on hydrodynamic damping is responsible for suppression. In fact, tests showed that the VT increased hydrodynamic damping and, consequently, reduced the VIV response. However, this effect alone does not explain the suppression as a whole. The other two hypotheses related to two-dimensional and three-dimensional wake changes were evaluated, but it cannot be stated that any of them, on its own, is responsible for the whole of the suppression mechanism.

Com o crescimento urbano ao redor das minerações surgiram novos problemas como o desconforto dos vizinhos com vibrações, que podem provocar danos nas estruturas das casas, a poeira, os ultralançamento, a sobrepressão atmosférica, entre outros. Atualmente no Brasil as restrições ambientais são cada vez mais rígidas e são exigidos mais monitoramentos sismográficos como medida de controle ambiental. A Geosonic Inc. foi a primeira a usar o sistema de mapa de iso-velocidades, mas seu uso não é prática corrente no Brasil devido ao elevado custo de instrumentação e de operação no campo. Iramina (2002) desenvolveu um método com equações de carga-distância simulando um mapa de iso-velocidades. O objetivo deste trabalho é verificar a metodologia proposta por Iramina (2002), que construiu mapas de iso-velocidades usando oito monitoramentos unidirecionais para oito detonações diferentes e sequenciais numa mesma bancada e analisar alternativas para a construção dos mapas de iso-velocidade. Neste trabalho foram monitoradas quatro detonações e em cada uma delas, quatro direções diferentes foram selecionadas utilizando um total de 20 sismógrafos. As detonações avaliadas foram todas na mesma bancada e com características similares. Para cada direção foram estimados os parâmetros da equação carga-distância e foram construídos e comparados diferentes mapas de iso-velocidade. Conclui-se que a disposição dos geofones deve-se adequar aos objetivos do monitoramento. Oito a quinze geofones alinhados são adequados para uma curva carga-distância. Sessenta e quatro ou mais geofones, bem distribuídos espacialmente, podem gerar um mapa de iso-velocidades referente a uma única detonação. A alta variabilidade das características dos maciços rochosos parece não permitir bons resultados quando os sismógrafos não são bem distribuídos ao redor da detonação. / The urban growth around the open pit mines causes some problems hard to solve due to possible damage to structures built as result of unwanted ground vibration propagation, blast overpressure, flyrocks, water contamination and also particulate matter dispersion. Currently in Brazil, the environmental constraints are increasingly rigid and it is required seismographic monitoring as a measure of environmental control. Geosonic Inc. was the first to use the iso-seismic maps, but this technique is not commonly used in Brazil due to the high cost of instrumentation and field operation. Iramina (2002) developed a model of vibration predictor equations that simulates an iso-seismic map. Thus, the objective of this work is to verify the methodology developed by Iramina (2002), who implemented an iso-seismic map from eight unidirectional measurements in eight different and sequential detonations in the same bench and analyze alternatives for the construction of iso-seismic maps. Herein were monitored four detonations with four directions in each and 20 seismographs at most. All detonations were monitored in the same bench and with similar characteristics. For each direction were estimated the parameters of the vibration predictor equations and from these equations were obtained and compared different iso-seismic maps. Then, it is concluded that the arrangement of geophones should suit to the objectives of monitoring. In this sense, eight to fifteen aligned geophones are suitable for a good load-distance curve, sixty-four geophones or more spatially well distributed, must generate a iso-seismic map corresponding to a single detonation. The high variability of the characteristics of the rock mass does not seem to allow good results when the seismograph are not well distributed around the detonation.

Esta dissertação tem como objetivo principal o estudo das técnicas de cancelamento de massa, bem como suas aplicações em análise modal experimental. Estas técnicas são utilizadas na redução de determinados erros nos dados de resposta em frequência da estrutura sob estudo. Estes erros são por sua vez causados por fontes adicionais de inércia, tais como acelerômetros e transdutores de força, que são frequentemente utilizados nos ensaios para o levantamento das características dinâmicas da estrutura. As técnicas de cancelamento de massa estudadas neste trabalho são desenvolvidas a partir de uma modelagem das relações de entrada e saída no domínio da frequência, utilizando-se para tanto as Funções de Resposta em Frequência (FRF), bem como conceitos de subestruturação. Os modelos analíticos utilizados no problema de cancelamento de massa são também aplicados na geração de FRFs desconhecidas para a estrutura sob estudo, a partir de um subconjunto de FRFs medidas com massas adicionais acopladas à estrutura. Os métodos estudados são aplicados a dados obtidos através de simulações numéricas em sistemas discretos, bem como a dados experimentais provenientes de ensaios em estruturas simples. Resultados satisfatórios foram obtidos tanto a partir das simulações numéricas quanto na análise experimental para o problema de cancelamento de massa. Na obtenção de FRFs desconhecidas, verificou-se que os modelos teóricos conduzem a resultados satisfatórios em determinadas situações, e que o ruído encontrado em dados experimentais representa um fator detrimental na utilização das técnicas de cancelamento de massa para o propósito de gerar-se FRF desconhecidas a partir de FRF efetivamente medidas na estrutura sob estudo. / The goal of this dissertation is to develop a study on mass cancellation techniques and their applications in experimental modal analysis. These techniques are commonly employed in the reduction of experimental errors on the structure\'s measured frequency response data. Such errors are in turn caused by extra masses such as accelerometer and force transducers, that are utilized on the measurement of the system\'s Frequency Response Functions (FRF). The mass cancellation techniques studied here are developed through frequency domain input and output relationships as well as substructuring concepts. The analytical models employed in the mass cancellation problem are also applied in obtaining unknown FRF from a subset of measured FRF that are measured with extra masses attached to the structure. The methods studied are applied to numerically simulated data from discrete systems, as well as to experimental data coming from modal tests performed on simple structures. Reasonably good results are obtained in either the numerical and experimental analysis for the mass cancellation problem. In obtaining unknown FRF data, it was verified that the models generated reasonable results in some circumstances, and that experimental noise is a major source of error in using these mass cancellation techniques for the purpose of obtaining unmeasured data from a subset of measured FRF.

O presente trabalho propõe o estudo de dispositivos CMUTs fabricados através de métodos e materiais alternativos com potencial aplicação em ensaios não destrutivos. O CMUT é constituído por uma membrana condutiva colocada sobre uma cavidade com o fundo metalizado, formando uma estrutura capacitiva. Ondas acústicas incidentes criam uma vibração na membrana que modifica de forma detectável a capacitância do dispositivo (modo de detecção). De modo inverso, é possível aplicar tensão alternada sobre a estrutura do CMUT fazendo com que a membrana vibre gerando ondas acústicas (modo de emissão). Hoje as principais tecnologias utilizadas para detecção e emissão de ondas acústicas utilizam materiais piezelétricos que são de difícil obtenção, possuem baixa integrabilidade e restrições em aplicações em altas temperaturas. O transdutor proposto baseia-se na tecnologia MEMS onde efeitos elétricos e mecânicos são combinados de forma a atender uma determinada aplicação. Os dispositivos MEMS são fabricados por técnicas de microfabricação, o que diminui o custo de produção e possibilita o uso de diversos tipos de materiais. Antes da fabricação dos CMUTs, foram feitas modelagens analíticas e computacionais visando determinar as dimensões ideais dos dispositivos a serem fabricados e também quais materiais seriam melhores se aplicados como membrana. A partir dos resultados da modelagem foi possível determinar que CMUTs com membrana de cobre fossem fabricados. Com os resultados da modelagem foram propostos métodos de fabricação baseados em técnicas de wafer-bonding. Dois materiais foram utilizados para produzir as cavidades, um deles foi o fotorresiste SU-8 e outro uma resina adesiva de secagem rápida, material este não convencional para produção de CMUTs. No primeiro caso, as cavidades foram abertas por processo de fotolitografia, já no segundo foi utilizado um método de corrosão a laser, também não convencional. Diferentes métodos foram utilizados na colagem das membranas, sendo que membranas coladas com resina adesiva e membranas deixadas suspensas sobre as cavidades apresentaram melhores resultados. As caracterizações elétricas e acústicas realizadas nos dispositivos fabricados mostraram que os CMUTs obtidos possuem características capacitivas e podem emitir e receber, comprovando assim seu funcionamento. Isto indica que os roteiros de fabricação propostos são eficientes e que os materiais e métodos utilizados se mostraram adequados. Além disso, a partir das caracterizações acústicas é possível dizer que os CMUTs fabricados podem ser potencialmente aplicados em ensaios não destrutivos, principalmente em análise de vibrações. / This thesis proposes the study of CMUT devices produced using alternative methods and materials with potential application in non-destructive analysis. CMUT is composed of a metallized substrate covered with an insulator cavity structure and a conductive membrane on its top, forming a capacitive structure. Incident acoustic waves cause vibration in the membrane modifying their capacitance (detection mode). AC voltage can be applied on the structure of the CMUT causing the membrane to vibrate generating acoustic waves (transmission mode). Today the main technologies used for the detection and emission of acoustic waves use piezoelectric materials that are difficult to obtain, have low integrability and restrictions in high temperature applications. The proposed transducer is based on MEMS technology where electrical and mechanical effects are combined to suit a particular application. MEMS devices are manufactured by microfabrication techniques, which reduce the cost of production and allow the use of various types of materials. Before the fabrication of CMUTs, analytical and computational modeling were made to determine the optimal dimensions of the devices to be manufactured and also what materials would be best if applied as membrane. From the modeling results CMUTs with copper membrane were manufactured. Based on the results of the modeling process, manufacturing methods based on wafer-bonding techniques were proposed. Two materials were used to produce the cavities: one of them was the SU-8 photoresist and the other an acrylic adhesive, an unconventional material for the production of CMUTs. In the first case the cavities were opened by the photolithographic process. In the second method the corrosion laser was used, which is also unconventional. Different methods were used to bond the membranes. The membranes bonded with acrylic adhesive and left suspended over the cavity wells showed better results. The electric and acoustic characterizations performed on fabricated devices showed that CMUTs present capacitive characteristics and can emit and receive acoustic waves, thus proving its operation. This indicates that the proposed manufacturing routes are efficient and that the materials and methods used are appropriate. Moreover, these results show that the manufactured CMUTs may be potentially applied to nondestructive analyses, especially in analyses of vibrations.

Este trabalho se insere no contexto de redução de vibrações de rotores via mancais ativos. Essas vibrações são causadas pelo desbalanço do próprio rotor e possuem frequência igual à frequência de rotação desse rotor. O desbalanço pode ser modelado como uma força de perturbação girante, sendo que uma técnica bastante conhecida para anular o efeito dessa perturbação é o balanceamento eletrônico, também chamado de compensação síncrona de desbalanço ou de regulação sincronizada. A presente dissertação traz duas contribuições para o tema. A primeira é a simplificação do compensador síncrono através de considerações de simetria do rotor e de isotropia dos mancais, e a segunda é a obtenção do modelo exato do sistema discreto resultante da aplicação da metodologia de compensação síncrona. Tais contribuições se valem da descrição do modelo em coordenadas complexas. À transformação de coordenadas reais para coordenadas complexas deu-se o nome de complexificação. Assim sendo, a complexificação do modelo permite dividir por dois a dimensão das variáveis do sistema (estados, entradas e saídas), além de dar sentido físico à separação entre os distúrbios diretos (caso do desbalanço) e os distúrbios retrógrados. Essa complexificação reduz o tempo de identificação da matriz de influência feita no balanceamento eletrônico, e o modelo complexificado obtido através das hipóteses de simetria e isotropia permite desacoplar completamente a compensação das perturbações diretas da compensação das perturbações retrógradas. / This work is inserted in the context of active attenuation of rotor vibrations. These vibrations are caused by the rotor\'s own unbalance and have a frequency equal to the rotor\'s rotation frequency. The unbalance can be modeled as a rotating disturbance force, and a well-known technique for cancelling the effect of such a disturbance is the so-called active balancing, also known as synchronous unbalance compensation or synchronized regulation. The present dissertation brings two contributions to the theme. The first one is the simplification of the synchronous compensator through considerations of rotor symmetry and bearing isotropy, and the second one is to obtain the exact model of the discrete system resulting from the application of the synchronous compensation methodology. These contributions make use of the model described in complex coordinates. The transformation from real coordinates to complex coordinates is defined as a complexification. Thus, the complexification of the model allows the division in half of the dimension of the system variables (states, inputs and outputs), as well as giving a physical sense to the separation between forward disturbances (case of the rotor unbalance) and backward disturbances. This complexification reduces the time of identification of the influence matrix made in active balancing, and the complexified model obtained through symmetry and isotropy hypotheses allows the completely uncouple of the forward disturbances compensation from the backward disturbances compensation.

Este trabalho se insere no contexto de redução de vibrações de rotores via mancais ativos. Essas vibrações são causadas pelo desbalanço do próprio rotor e possuem frequência igual à frequência de rotação desse rotor. O desbalanço pode ser modelado como uma força de perturbação girante, sendo que uma técnica bastante conhecida para anular o efeito dessa perturbação é o balanceamento eletrônico, também chamado de compensação síncrona de desbalanço ou de regulação sincronizada. A presente dissertação traz duas contribuições para o tema. A primeira é a simplificação do compensador síncrono através de considerações de simetria do rotor e de isotropia dos mancais, e a segunda é a obtenção do modelo exato do sistema discreto resultante da aplicação da metodologia de compensação síncrona. Tais contribuições se valem da descrição do modelo em coordenadas complexas. À transformação de coordenadas reais para coordenadas complexas deu-se o nome de complexificação. Assim sendo, a complexificação do modelo permite dividir por dois a dimensão das variáveis do sistema (estados, entradas e saídas), além de dar sentido físico à separação entre os distúrbios diretos (caso do desbalanço) e os distúrbios retrógrados. Essa complexificação reduz o tempo de identificação da matriz de influência feita no balanceamento eletrônico, e o modelo complexificado obtido através das hipóteses de simetria e isotropia permite desacoplar completamente a compensação das perturbações diretas da compensação das perturbações retrógradas. / This work is inserted in the context of active attenuation of rotor vibrations. These vibrations are caused by the rotor\'s own unbalance and have a frequency equal to the rotor\'s rotation frequency. The unbalance can be modeled as a rotating disturbance force, and a well-known technique for cancelling the effect of such a disturbance is the so-called active balancing, also known as synchronous unbalance compensation or synchronized regulation. The present dissertation brings two contributions to the theme. The first one is the simplification of the synchronous compensator through considerations of rotor symmetry and bearing isotropy, and the second one is to obtain the exact model of the discrete system resulting from the application of the synchronous compensation methodology. These contributions make use of the model described in complex coordinates. The transformation from real coordinates to complex coordinates is defined as a complexification. Thus, the complexification of the model allows the division in half of the dimension of the system variables (states, inputs and outputs), as well as giving a physical sense to the separation between forward disturbances (case of the rotor unbalance) and backward disturbances. This complexification reduces the time of identification of the influence matrix made in active balancing, and the complexified model obtained through symmetry and isotropy hypotheses allows the completely uncouple of the forward disturbances compensation from the backward disturbances compensation.