Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2013. / Made available in DSpace on 2013-12-06T00:36:43Z (GMT). No. of bitstreams: 1 319741.pdf: 306253565 bytes, checksum: 38cd6e325d6c77cda7e2bcbba3df8ab3 (MD5) Previous issue date: 2013 / Beamforming é uma técnica de processamento de sinais já conhecida por suas aplicações em antenas e radioastronomia. É, essencialmente, uma técnica de localização de fontes baseada na conformação de feixes de onda de uma dada direção ou região no espaço. Sua aplicação em acústica foi iniciada de forma rústica na primeira grande guerra. Todavia, os avanços que propiciaram a criação das imagens acústicas são datados a partir dos anos setenta. Este trabalho propõe a aplicação desta técnica considerando que os sensores estão posicionados na superfície de uma estrutura rígida e cilíndrica, sendo que o campo externo é o objeto de interesse. Deste modo, fontes sonoras ao redor do cilindro serão detectáveis e passíveis de visualização. Para este propósito, diferente do comumente aplicado, não somente o campo livre é considerado, mas também o campo de difração que é criado pelo cilindro. A modelagem analítica do problema é desenvolvida e adaptada para a aplicação do algoritmo de beamforming. Esta é uma das contribuições desta pesquisa visto que, na maioria das aplicações, somente o campo incidente é considerado no pós-processamento. Além disso, para uma das geometrias estudadas, medições foram realizadas em ambiente anecoico para comparar os resultados com as simulações analítica e numérica.Outros métodos numéricos foram também empregados em duas frentes: para confirmar o significado físico e discutir resultados, e para encontrar uma geometria mais adequada. O Método de Elementos de Contorno (MEC ou BEM) é utilizado para avaliação do problema de maneira genérica, visto que quase todos os tipos de estruturas podem ser modelados em seu domínio. O objetivo é calcular as mesmas situações de difração com o modelo analítico e com o MEC e compará-las. O trabalho então apresenta um estudo correlacionando à malha do modelo 3D com os erros de localização nos mapas criados pelo beamforming. Em conseguinte, um método de otimização baseado em Algoritmo Genético (GA) é desenvolvido para posicionar os sensores na superfície do cilindro de modo a prevenir lóbulos laterais, lóbulos espelho e maximizar a faixa dinâmica.A aplicação dos métodos estudados junto ao beamforming criou novos aspectos em design de arrays. Ao longo do documento as discussões apontam os aprimoramentos e problemas relacionados ao desempenho na localização de fontes sonoras. Ao final, há um sumário acerca das contribuições da pesquisa e algumas ideias para trabalhos futuro. <br> / Abstract : Beamforming is a signal processing technique recognized for its applications in antennas and radio astronomy. It is essentially a technique to locate sources based on the conformation of wave beams from a given direction or region in space. Its application in acoustics originated rudimentarily during World War I. However, the advances that have led to the creation of acoustic images date from the early seventies.The present work proposes the application this technique considering the sensors are over a rigid cylindrical surface with the external field as the object of interest. Thus, sound sources anywhere around the cylinder become detectable and subject to viewing. For this purpose not only the free-field is considered, but also the diffraction acoustic field created by the cylinder. The problem?s analytical modelling is developed and adapted in order to apply the beamforming algorithm. This is one of the contributions of this research since in most applications only the incident field is considered in post-processing. In addition, measurements were carried out in an anechoic environment for one of the geometries studied to compare the results with the analytical and numerical simulations.Other numerical methods are also employed on two fronts: to confirm the physical meaning and discuss the results, and to search for a more suitable geometry. The Boundary Element Method (BEM) is used to generically review the problem, since the great majority of structures can be modelled in its domain. The objective is to calculate the same diffraction situations in the analytical model and the BEM for comparison. The work then presents a study on the mesh of the 3D model used correlated with beamforming sound source map location errors. Subsequently, an optimisation method based on the Genetic Algorithm (GA) is developed to place the sensors over the cylinder's surface in order to prevent sidelobes, grating lobes, and to maximize the dynamic range. The application of the methods studied together with beamforming has created new aspects in array design. This document then discusses and points out the improvements and problems with respect to sound source location performance. Finally, there is a summary concerning the research contributions and some thoughts for future work.

[pt] Este trabalho apresenta uma nova técnica para aproximação de uma superfície refletora definida numericamente, i.e., por pontos fornecidos pelo processo de síntese da antena. As limitações inerentes às técnicas usuais são aqui eliminadas pela utilização de Pseudo-Splines Quínticas que interpolam uma distribuição arbitrária de pontos por uma superfície suave, com derivadas primeiras e segundas contínuas, assegurando uma representação única para o domínio de interesse. O procedimento é, então, aplicado ao subrefletor modelado de uma antena Cassegrain, com subseqüente cálculo do campo eletromagnético espalhado, permitindo uma análise detalhada de sua aplicabilidade. Uma teoria assintótica uniforme de difração é, também, aqui desenvolvida de modo a acomodar o espalhamento de feixes Gaussianos, descritivos, em freqüências altas, do diagrama de irradiação de alimentadores comumente empregados em sistemas refletores, por superfícies condutoras, através do rastreamento do campo eletromagnético ao longo de raios no espaço complexo. A análise do problema canônico (difração por semi-plano) estabelece as particularidades do método e a comparação com a solução rigorosa existente comprova sua acurácia, permitindo a extensão a problemas tridimensionais vetorais. A teoria Complexa da Difração, assim formulada, é, então aplicada ao cálculo do campo espalhado por diferentes geometrias de antenas refletoras, ilustrando a versatilidade do método bem como suas limitações. / [en] In order to evaluate the electromagnetic field scattered by shaped reflector antennas, one has to fit a surface to a set of points furnished by a synthesis technique. A new method, capable of interpolating arbitrarily located data points by a smooth surface is here presented. The interpolating function, called Quintic Pseudo-Spline, has continuous first and seconde order derivatives and yields a unique representation for the entire domain. The method is tested on the shaped subreflector of a Cassegrain antenna providing a thorough investigation of its applicability. Also, an uniform asymptotic theory of diffraction is derived in order to analyse the scattering of Gaussin beams, descriptive of the high-frequency radiation pattern of feed horns commonly employed in reflector systems, by conducting surfaces with edges. The constraints inherent to usual methods of analysis are hereby avoided by tracking these beam-type fields along straight rays in a complex coordinate space. Investigation of the canonical problem of scattering of a Gaussian beam by a conducting half-plane establishes the characteristics of the complex ray diffraction process. Comparison of the results thus obtained with the rigorous solution reveals the accuracy of the proposed theory and permits its extension to the three-dimensional vector problem. The resulting Complex Theory of Diffraction is then applied to the evaluation of the scattered field for several reflector antenna geometries, illustrating the versatility of the method as well as its limitation.

[pt] A investigação da dinâmica da interação de raios-X de alta energia e moléculas de interesse biológico impõe que a energia dos raios-X seja bem definida, de modo que se possa estabelecer a dependência entre os padrões de ionização e fragmentação molecular com a energia do feixe incidente. Com este objetivo, um sistema versátil foi projetado, construído e caracterizado para ser utilizado como monocromador do feixe de amplo espectro produzido por um tubo de raios-X modelo ISOVOLT 160 M2. O sistema de monocromatização consiste de um par de cristais montados sobre duas mesas transladoras fixadas a um goniômetro de alta precisão, fabricados pela Newport Corporation. Esta configuração permite movimentos de translação independentes para os dois cristais, associados a um movimento de rotação do sistema como um todo com respeito à direção de incidência do feixe de raios-X. Estes movimentos, juntamente com uma escolha conveniente do par de cristais para uma dada faixa de energia - o que depende do material e da orientação dos cristais -, permitirão a cobertura de uma região muito extensa de energias de raios-X, de alguns até cerca de 100 kV. Quando este sistema se encontrar totalmente operacional, será possível realizar uma grande variedade de experiências nos campos da Física de Colisões e das Radiações, tais como, fragmentação molecular induzida por raios- X, fluorescência e difração seletivas em cristais, avaliação em tempo real de danos induzidos por raios-X em tecidos biológicos, testes não destrutivos em materiais, dentre muitas outras aplicações. / [en] The investigation of the dynamics of the interaction of high-energy X-rays and molecules of biological interest requires the energy of the X-rays to be well defined, so that one can establish the dependence of the molecular ionization and fragmentation patterns as functions of the incident beam energy. For this purpose, a versatile system for the monochromatization of the broadband beams produced by an ISOVOLT 160M2 X-ray tube has been designed, constructed and characterized. The monochromator consists of a pair of crystals mounted on two translator tables fixed on a high-precision goniometer, all manufactured by Newport Corp. This configuration allows independent translational motions for the two crystals, associated to a rotational motion of the whole system in respect to the direction of the incident X-ray beam. These motions, together with a convenient choice of the pair of crystals for a given energy range - which depends on the material and orientation of the crystals -, will allow us to cover a wide range of X-rays energies, roughly from few to around 100 keV. However, it has not yet been possible to distinguish energy-defined X-ray peaks with the complete two-crystal system. Some of the possible causes may be related to the large angular dispersion of the incident beam and to the need of more accurate adjustments of the parallelism between both crystals. When this system is fully operational, it will be possible to perform a large variety of experiments in the fields of collision and radiation physics, such as, molecular fragmentation by Xrays, selective fluorescence and diffraction in crystals, real-time evaluation of Xray- induced damage in biological tissues, non-destructive testing of materials, among many other aplications.

[pt] Este trabalho tem por objetivo um estudo da viabilidade de se fazer varreduras com uma antena gregoriana off-set com deslocamentos apenas do alimentador. São localizadas as regiões focais para a antena receptora de modo a posicionar o alimentador de uma maneira simples. Também são apresentados os diagramas de radiação correspondentes a estes deslocamentos calculados segundo a Teoria Escalar da Difração; e as limitações de varreduras para a antena particular que serviu para testar a eficiência do método. / [en] This work is related to the study of the pattern of Gregorian off-set antennas, by displacement of the feeder. The position of the feeder is obtained, in a simple way, by determining the focal regions of the antennas, working in reception. The radiation patterns corresponding to different position of the feeder are also presented. Such patterns are calculated according to the scalar theory of diffraction. The useful range of scanning, for a given antenna, used to check the efficiency of the method, is determined.

[pt] Os laboratórios analíticos de universidades e instituições de pesquisa privadas sem fins lucrativos estão expostos a um ambiente competitivo bem como à descontinuidade e contingenciamento de recursos financeiros oferecidos pelos órgãos de fomento. Objetivando a auto-sustentabilidade operacional, esses laboratórios estão buscando fontes de recursos próprios com a oferta crescente de prestação de serviços especializados a diferentes setores industriais. Contudo, as atividades de prestação de serviço são distintas quando comparadas às atividades de P&D&I, pois as primeiras são caracterizadas pela necessidade imediata ou de curto prazo e as últimas são caracterizadas pelo longo prazo. Neste contexto, torna-se necessário avaliar o trade-off entre ambientes competitivos e cooperativos (serviços e pesquisa) e estabelecer estratégias competitivas sustentáveis, além de práticas e técnicas de gestão que garantam a eficiência operacional sem prejuízo da qualidade e do nível de atendimento do laboratório analisado. O objetivo geral deste trabalho é, portando, analisar o desempenho do LabDRX da PUC-Rio em um cenário auto-sustentável através de um modelo de simulação de eventos discretos. Conclui-se que em tal cenário o desempenho do Laboratório atende a política de atendimento acordada com as categorias de clientes, desde que se faça a implementação conjunta de limitação dos pedidos de urgência na disciplina de fila do sistema e do aumento de capacidade com uma proposta de inovação em processo, o Distance Rietveld. A metodologia apresentada neste trabalho pode ser adaptada para outros laboratórios semelhantes que procurem sustentabilidade operacional através de prestação de serviços tecnológico para indústria. / [en] Private non-profit universities and research institutes have their analytical laboratories exposed to a competitive environment, as well as to discontinuity and limitation of financial resources offered by funding agencies. Aiming to operational self-sustainability, these laboratories are searching complementary resources by increasing the offer of specialized services to different industrial sectors. However, service activities are distinct from R&D&I activities, because the former are characterized by immediate or short-term need and the latter, by long-term need. In this context, it becomes necessary to evaluate the trade-off between competitive and cooperative environments (services and research), and to establish sustainable competitive strategies, as well as management practices and techniques that assure operational efficiency without quality losses or decrease in the service level. The objective of this work is, therefore, to analyze the performance of LabDRX at PUC-Rio in a self-sustainable scenario through discrete-event simulation. It was found that, in the self- sustainable scenario considered, the performance of the Laboratory satisfies the contracting policy agreed with the customer categories, as long as one makes simultaneous implementation of a limited urgent queue discipline and a capacity increase through an innovation proposal: Distance Rietveld. The methodology presented in this work can be adapted for many other similar laboratories searching for operational sustainability by offering technological services to industry.

[pt] A soldagem é um processo de união de materiais que possui grande aplicação em diversos setores da indústria, como automotiva, óleo e gás, nuclear, naval, dentre outros. Dentre os fatores responsáveis pelo comprometimento da vida útil pós-soldagem de componentes mecânicos e estruturais se destacam as tensões residuais, cuja análise qualitativa e quantitativa é de extrema importância no projeto, na garantia da qualidade e prevenção de falhas de estruturas soldadas. No presente trabalho aplicou-se uma metodologia composta por análise numérica e experimental, que se complementaram. Chapas do aço AISI 1020 foram soldadas pelo processo Metal Active Gas (MAG), em um único passe. Os experimentos foram conduzidos com duas velocidades, visando avaliar a influência deste parâmetro sobre o nível das tensões residuais geradas. Na sequência, as tensões residuais foram analisadas por difração de raios-X. Simultaneamente, procedeu-se a análise numérica das tensões residuais, com o emprego do código comercial de elementos finitos ANSYS, através de um modelo sólido 3D, em análise não linear termo-elastoplástica, utilizando-se a técnica Birth and Death, ativando e desativando os elementos, à medida que o cordão de solda foi depositado. Parâmetros experimentais da soldagem, geometria das amostras, coeficiente de transmissão de calor, propriedades térmicas e mecânicas do material, que variam com a temperatura, foram utilizados como dados de entrada no modelo numérico. Por fim, realizou-se a comparação entre as tensões residuais determinadas experimentalmente por difração de raios-X e as calculadas numericamente pelo método de elementos finitos, observando-se uma boa concordância entre os resultados obtidos pelas duas metodologias. / [en] Welding is a process of joining materials that have wide application in various industry sectors such as automotive, oil and gas, nuclear, naval, among others. Residual Stresses is often a cause of premature failure of critical components. The qualitative and quantitative analysis of residual stresses is extremely important in the design, on quality assurance and prevention of weldment failures. The objective of this study was developing a methodology that includes numerical and experimental analyses that are complementary. AISI 1020 steel samples were butt welded by GMAW process with weld metal in a single pass. Experiments were conducted at different heat source speeds in order to evaluate the influence of this parameter on the level of residual stresses generated. Subsequently, the samples were subjected to measurement of residual stress by diffraction X-ray method. Simultaneously, a numerical analysis of the residual stresses was performed with a commercial finite element software called ANSYS (17.0), and a 3D solid model for a nonlinear thermo-elastic-plastic analysis using the Birth and Death technique, where the elements are enabled and disabled along weld metal deposition. Experimental welding parameters such as geometry of the samples, heat transfer coefficients, thermal and mechanical properties which vary with temperature were used as input data in the numerical model. Finally, there was a comparison between the residual stresses determined experimentally by diffraction of X-rays and computed data by finite element method. A good agreement was observed between the two methods.

[pt] Fibras naturais vêm sendo utilizadas desde a antiguidade, mas, a partir do século XX, foram amplamente substituídas por fibras sintéticas, que apresentam diversas vantagens, tais como grande uniformidade de suas propriedades. Com a preocupação de se ter um desenvolvimento sustentável, voltou-se a substituir os materiais sintéticos por materiais naturais. Algumas das vantagens de utilizar fibras ligno-celulósicas incluem biodegrabilidade, a fixação de carbono, baixo custo e baixa abrasividade. Nos últimos anos, entre diversas aplicações, os setores de construção civil e automobilística estão utilizando fibras naturais como reforço de compósitos termoplásticos, assim como para interiores de cabines de automóveis e caminhões e em capacetes usados em EPI. Este trabalho visa realizar uma caracterização de fibras naturais existentes no mercado brasileiro, a saber: Bastão do Imperador, Costus e Helicônia bihai. O principal uso dessas três espécies se dá como flores ornamentais e como plantas medicinais, mas há um grande potencial no reaproveitamento dos rejeitos dos caules dessas plantas. Para isto foi realizada uma caracterização das fibras, visando medir a verdadeira seção transversal destas utilizando microscopia digital e análise de imagens. Alem disto foi desenvolvida uma metodologia própria para a preparação de amostras de fibras naturais. Foi realizado caracterização por MEV, DRX e TGA. / [en] Natural fibers have been used since ancient times, but since the 20th century they have been largely substituted by synthetic fibers, which offer several advantages such as their homogeneous properties. However, in light of the growing concerns about sustainable development, natural materials have once again started to substitute synthetic ones. A few of the advantages of utilizing lignocellulosic fibers include biodegradability, low cost, and low abrasiveness. In recent years, among many applications, the civil construction and automotive industries are using natural fibers as reinforcement in thermoplastic composites, as well as interior cabins of cars and trucks and helmets used in PPE. Over the past years, areas such as civil construction and the automotive industry have used natural fiber-reinforced thermoplastic composites in car and truck interiors, as well as in helmets used in constructions. This work intends to characterize fibers available in the brazilian market, in particular: Etlingera elatior, Costus, Helicônia bihai. These three species are mainly used as medicinal plants or ornamental flowers, but there is a great potential to reutilize the discarded stems of these plants. Furthermore, these fibers will be characterized using digital microscopy and image analysis, aiming to measure their real transversal section. A method for preparing natural fiber samples will be developed for this purpose. For this was a characterization of the fibers was done in order to measure the true cross section of these using digital microscopy and image analysis. Besides it has been developed a methodology for the preparation of samples of natural fibers. Characterization was performed by SEM, XRD and TGA.

Este trabalho descreve o acoplamento entre um minicomputador genérico e uma experiência de defeito "RAMAN", com vistas ao conteole e aquisição dos dados da mesma. / This work describes an interface between a generic minicomputer and a Laser Raman spectrometer for control and data acquisition in experiments.

[pt] Os efeitos da difração na propagação de ondas de rádio sobre terreno irregular em VHF e outras bandas a ser usado por futuras aplicações da TV digital são normalmente estimados usando um dos muitos modelos clássicos. Nesta dissertação é feita uma comparação dos erros cometidos na previsão do sinal recebido por três modelos de propagação computacionalmente intensivos. Os resultados da presente comparação indicarão se os esforços computacionais envolvidos na aplicação destes métodos são capazes de diminuir o valor médio e desvio padrão das diferenças entre as medidas e predições determinadas pelos métodos clássicos. / [en] Diffraction effects on the propagation of radio wave over irregular terrain in the VHF and other bands to be used by future digital TV applications are normally estimated using one of many classical models. In this dissertation is made a comparison of the errors committed prediction of signal received by three propagation models computationally-intensive. The results of the present comparison will indicate whether the computational efforts involved on the application of these methods are capable of decreasing the mean value and the standard deviation of the difference between measurements and predictions determined by the classical methods.

Este trabalho descreve o acoplamento entre um minicomputador genérico e uma experiência de defeito "RAMAN", com vistas ao conteole e aquisição dos dados da mesma. / This work describes an interface between a generic minicomputer and a Laser Raman spectrometer for control and data acquisition in experiments.