[EN] This Thesis is focused on the development and implementation of efficient numerical methods for the acoustic modelling and design of noise control devices in the exhaust system of combustion engines. Special attention is paid to automotive perforated dissipative silencers, in which significant differences are likely to appear in their acoustic behaviour, depending on the temperature variations within the absorbent material. Also, material heterogeneities can alter the silencer attenuation performance. Therefore, numerical techniques considering all these features are required to guarantee the accuracy of the results. A literature review is carried out, mainly related to one-dimensional models, as well as to acoustic models for absorbent materials and perforated surfaces. However, plane wave model limitations make indispensable using alternative multidimensional methods. In addition, the possibility of using new acoustic elements is explored. These elements have as an objective being a potential alternative to the fibrous absorbent materials, which can have a negative impact on health. The Thesis considers the use of microperforated and sintered surfaces. The latter have, in some cases, a nearly constant acoustic impedance, whose value depends, among others, on the thickness and porosity of the plates. To avoid the limitations of plane wave models, a finite element (FE) approach is proposed for the acoustic analysis of dissipative silencers including a perforated duct with uniform axial mean flow and an outer chamber with a heterogeneous distribution of the absorbent material. On the other hand, property variations can be also produced by temperature gradients. In this case, a hybrid FE model has been derived for perforated dissipative silencers including: (1) Thermal gradients in the central duct and the chamber; (2) A perforated passage carrying non-uniform axial mean flow. A FE approach has been implemented to solve the pressure-based wave equation for a non-moving heterogeneous medium, associated with the chamber. Also, the governing equation in the central duct has been written and solved in terms of an acoustic velocity potential to allow the presence of an axially inhomogeneous flow. The coupling between both regions has been carried out by means of a perforated duct and its acoustic impedance, adapted here to include absorbent material heterogeneities and mean flow effects. It has been found that the presence of non-homogeneities can have a significant influence on the acoustic attenuation of a silencer and should be included in the theoretical models. Optimization techniques for industrial noise control devices are relevant, since they lead to the production of elements with better characteristics. Evolutionary algorithms are emergent techniques able to obtain a solution, even in those problems in which the traditional optimization have difficulties. Optimization techniques are combined with the FE method to achieve the maximum attenuation in the frequency range of interest. A multichamber silencer optimization problem is defined and several analyses are carried out to obtain the most suitable configuration for each application. Under certain assumptions of axial uniformity, several techniques have been considered to reduce the computational effort of a full 3D FE analysis for dissipative silencers with temperature gradients and mean flow. These are based on a decomposition of the acoustic field into transversal and axial modes within each silencer subdomain, and a matching procedure of the modal expansions at the silencer area changes through the continuity conditions of the acoustic fields. The relative computational efficiency and accuracy of predictions for the matching techniques are studied, including point collocation at nodes and Gauss points and also mode-matching with weighted integration. All of them provide accurate predictions of the attenuation and improve the computational cost of a FE calculation / [ES] Esta Tesis se centra en el desarrollo e implementación de métodos numéricos eficientes para el diseño y modelado de componentes de la línea de escape en motores de combustión interna. Merecen especial atención los silenciadores disipativos perforados de automóviles, ya que su comportamiento acústico puede sufrir variaciones importantes debidas a las variaciones de temperatura en el material absorbente, así como a las heterogeneidades de la fibra. Por tanto, se requieren técnicas numéricas que consideren estos casos para garantizar la precisión de los resultados. Se lleva a cabo una revisión bibliográfica que recoge los modelos de onda unidimensionales, así como modelos acústicos de materiales absorbentes y superficies perforadas. Sin embargo, las limitaciones de los primeros hacen indispensable el uso de modelos multidimensionales. Además se explora la posibilidad de usar nuevos elementos acústicos, cuyo objetivo es ser una alternativa potencial a los materiales absorbentes, que pueden tener un efecto negativo sobre la salud. La Tesis considera el uso de superficies microperforadas y sinterizadas. Estas últimas en algunos casos presentan una impedancia casi constante, cuyo valor depende, entre otras cosas, del espesor y la porosidad de las placas. Para evitar las limitaciones de los modelos de onda plana, se propone un enfoque en elementos finitos (EF) para el análisis acústico de silenciadores disipativos que incluyen un conducto con flujo medio axial uniforme y una cámara externa con una distribución heterogénea de material absorbente. Por otro lado, la variación de las propiedades también puede producirse por gradientes térmicos. En este caso, se propone una formulación híbrida de EF para silenciadores disipativos perforados que incluye: (1) Gradientes térmicos en el conducto central y la cámara; (2) Un conducto perforado que canaliza flujo medio axial no uniforme. Se ha implementado una formulación de EF para resolver la ecuación de ondas en términos de presión para el medio estacionario heterogéneo asociado a la cámara. Además, la ecuación asociada al conducto central, expresada en términos de potencial de velocidad acústica, permite la presencia de flujo axial no uniforme. El acoplamiento entre ambas regiones se ha realizado mediante un conducto perforado y su impedancia acústica y se ha adaptado para incluir la citada falta de homogeneidad. Se ha visto que las heterogeneidades pueden influir notablemente en la atenuación acústica de un silenciador, debiéndose incluir en los modelos teóricos. Las técnicas de optimización para componentes industriales de control de ruido son importantes, ya que producen elementos con mejores características. Los algoritmos evolutivos son técnicas emergentes capaces de obtener una solución, incluso cuando la optimización tradicional tiene dificultades. Las técnicas de optimización se combinan con el MEF para conseguir la máxima atenuación posible en el rango de frecuencias de interés. Se ha definido un problema de optimización de un silenciador multicámara y se han llevado a cabo varios análisis para obtener la configuración más adecuada para cada caso. Bajo ciertas hipótesis de uniformidad axial, se han considerado varias técnicas para reducir el coste computacional de un análisis 3D completo para silenciadores disipativos con gradientes de temperatura y flujo medio. Éstas se basan en la descomposición del campo acústico en modos axiales y transversales dentro de cada subdominio, y un procedimiento de acoplamiento de las expansiones modales en los cambios de sección del silenciador mediante las condiciones de continuidad de los campos acústicos. Se estudia la eficiencia computacional y precisión de las predicciones de las técnicas de acoplamiento, incluyendo colocación puntual en nodos y puntos de Gauss, así como ajuste modal. Todos ellos proporcionan predicciones precisas de la atenuación mejorando el coste / [CAT] Aquesta Tesi es centra en el desenvolupament i implementació de mètodes numèrics eficients per al disseny i modelatge de components de la línia d'escapament en motors de combustió interna. Mereixen especial atenció els silenciadors dissipatius perforats d'automòbils, ja que el seu comportament acústic pot patir variacions importants degudes a les variacions de temperatura en el material absorbent, així com a les heterogeneïtats de la fibra. Per tant, es requereixen tècniques numèriques que considerin aquests casos per garantir la precisió dels resultats. Es porta a terme una revisió bibliogràfica que recull els models d'ona unidimensionals, així com models acústics de materials absorbents i superfícies perforades. No obstant això, les limitacions dels primers fan indispensable l'ús de models multidimensionals. A més s'explora la possibilitat d'usar nous elements acústics amb l'objectiu que siguen una alternativa potencial als materials absorbents, que poden tenir un efecte negatiu sobre la salut. La Tesi considera l'ús de superfícies microperforades i sinteritzades. Aquestes últimes en alguns casos presenten una impedància gairebé constant. El seu valor depèn, entre altres coses, del gruix i la porositat de les plaques. Per evitar les limitacions dels models d'ona plana, es proposa un enfocament amb elements finits (EF) per a l'anàlisi acústic de silenciadors dissipatius que inclouen un conducte amb flux mig axial uniforme i una càmera externa amb una distribució heterogènia de material absorbent. D'altra banda, la variació de les propietats també es pot produir per gradients tèrmics. En aquest cas, es proposa una formulació híbrida d'EF per silenciadors dissipatius perforats que inclou: (1) Gradients tèrmics en el conducte central i la càmera; (2) Un conducte perforat que canalitza flux mig axial no uniforme. S'ha implementat una formulació d'EF per resoldre l'equació d'ones en termes de pressió per al medi estacionari heterogeni associat a la càmera. A més, l'equació associada al conducte central, expressada en termes de potencial de velocitat acústica, permet la presència de flux axial no uniforme. L'acoblament entre les dues regions s'ha realitzat mitjançant un conducte perforat i la seva impedància acústica i s'ha adaptat per incloure la esmentada falta d'homogeneïtat. S'ha vist que les heterogeneïtats poden influir notablement en l'atenuació acústica d'un silenciador i s'han d'incloure en els models teòrics. Les tècniques d'optimització per a components industrials de control de soroll són importants, ja que produeixen elements amb millors característiques. Els algoritmes evolutius són tècniques emergents capaces d'obtenir una solució, fins i tot quan l'optimització tradicional té dificultats. Les tècniques d'optimització es combinen amb el mètode d'elements finits (MEF) per aconseguir la màxima atenuació possible en el rang de freqüències d'interès. S'ha definit un problema d'optimització d'un silenciador multicàmera i s'han dut a terme diverses anàlisis per obtenir la configuració més adequada per a cada cas. Sota certes hipòtesis d'uniformitat axial, s'han considerat diverses tècniques per reduir el cost computacional d'una anàlisi 3D complet per silenciadors dissipatius amb gradients de temperatura i flux mig. Aquestes es basen en la descomposició del camp acústic en modes axials i transversals dins de cada subdomini, i un procediment d'acoblament de les expansions modals en els canvis de secció del silenciador mitjançant les condicions de continuïtat dels camps acústics. S'estudia l'eficiència computacional i precisió de les prediccions de les tècniques d'acoblament, incloent col·locació puntual en nodes i punts de Gauss, així com ajust modal. Tots ells proporcionen prediccions precises de l'atenuació millorant el cost computacional d'EF. / Sánchez Orgaz, EM. (2016). Advanced numerical techniques for the acoustic modelling of materials and noise control devices in the exhaust system of internal combustion engines [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/64090 / TESIS

[pt] Neste presente trabalho, o Método do Casamento de Modos é aplicado na análise e no projeto de estruturas coaxiais. A estrutura de excitação é um dos pontos críticos do projeto de antenas do tipo discone quando se pretende explorar suas características de banda larga. Seções não uniformes de guias de ondas coaxiais são usualmente utilizadas como elementos dessa estrutura de excitação sendo, eventualmente, necessária a inclusão de anéis dielétricos para garantir a rigidez mecânica da antena. Devido a essas não uniformidades encontradas nas dimensões e no meio dielétrico desse dispositivo de microondas, métodos numéricos serão utilizados na predição do seu comportamento eletromagnético. O correto dimensionamento desses anéis e das descontinuidades de guias de onda coaxiais que compõe a estrutura de alimentação, permite estabelecer um compromisso entre minimização das perdas, alargamento da banda passante e rigidez mecânica. Associados ao Método do Casamento de Modos serão utilizados algoritmos de otimização que farão o ajuste das dimensões dessas seções de guias de onda coaxiais não uniformes, visando à minimização da perda de retorno e o aumento da banda de operação da antena. Finalmente, será feito o estudo de algumas estruturas de excitação, onde serão otimizados seus desempenhos para a perda de retorno. / [en] In this present work, the Mode Matching technique is applied in the analysis and project of coaxial structures. The feed junction is one of the critical points of the project of discone antennas when broadband performance is expected. Usually, these junctions are composed of nonuniform sections of coaxial waveguide and, to guarantee the necessary mechanical rigidity of the structure, some sections are filled with dielectric material. The project of these feed junctions requires a compromise between frequency band, compact structure, minimal losses, and mechanical rigidity. Due to the discontinuities, numerical methods are used to predict the electromagnetic behavior. Here, Mode Matching technique associated with an optimization algorithm is employed in the adjustment of the dimensions of the coaxial waveguide sections, seeking the minimization of the return loss and the enlargement of the antenna bandwidth. Several types of junctions are explored and their performance is compared.

[pt] Este trabalho apresenta um estudo abrangente sobre novas técnicas para modelagem de sensores eletromagnéticos usados na prospecção de petróleo. Estes sensores normalmente ficam imersos em formações geofísicas complexas (não homogêneas, dissipativas e anisotrópicas) com dimensões e parâmetros constitutivos do meio envolvendo múltiplas escalas, e isso representa um problema desafiador para as técnicas tradicionais de eletromagnetismo computacional. Nossa proposta supera esses problemas e contribui para uma melhor compreensão dos fenômenos eletromagnéticos físicos que ocorrem nessas estruturas. Analisamos o problema de propagação usando: a) uma técnica de onda completa baseada no método de casamento de modos, b) soluções perturbacionais para a equação integral de Fredholm vetorial baseadas na aproximação de Born, e c) métodos variacionais para o cálculo da impedância dos sensores eletromagnéticos de interesse para a exploração geofísica. Nós apresentamos resultados que demostram a capacidade das técnicas introduzidas nesta tese para modelar de forma acurada e eficiente sensores eletromagnéticos de forma mais realista do que as alternativas disponiveis na literatura. O custo computacional dos algoritmos desenvolvidos é relativamente baixo comparado com técnicas puramente numéricas tradicionais (tais como os métodos de elementos e diferenças finitas ou o método dos momentos). / [en] This work presents a comprehensive study on some techniques for modeling electromagnetic sensors used in well prospecting. These sensors are usually immersed in complex geophysical formations (inhomogeneous, dissipative, and anisotropic) with multiscale dimensions and constitutive parameters of the medium abruptly varying, resulting in a challenging problem for conventional computational electromagnetic techniques. Our proposal overcomes these problems and contributes to a better understanding of the physical electromagnetic phenomena that occur in these structures. We analyzed the propagation problem by using: a) a fullwave method based on the mode-matching technique, b) perturbational solutions for solving a Fredholm integral equation on the grounds of the Born approximation, and c) variational methods for calculating the sensor impedance. We present results that demonstrate the ability of the techniques introduced in this dissertation to accurately and efficiently modeling electromagnetic sensors in a more realistic fashion when compared with other methods available in the literature.The computational cost of the numerical algorithms developed in this work is relatively low if compared to that required in traditional techniques (such as finite elements, finite differences, and method of moments).

In this thesis, we analyze the electromagnetic wave propagation in waveguidestructuresexhibiting periodical geometry, including glide symmetry. The analysisis performed using a mode matching technique which correlates the different modecoefficients from separate but, connected regions in the structure. This technique isused to obtain the dispersion diagrams for two one-dimensional periodic structures:a glide-symmetric corrugated metasurface and a coaxial line loaded with periodicholes. The mode matching formulation is presented in Cartesian and cylindricalcoordinate system for the former and the later, respectively. The mode matchingresults are compared to simulated results obtained from the Eigenmode Solver inCST Microwave Studio and are found to agree very well. / I detta examensarbete, analyseras elektromagnetisk v°agutbredning i periodiskav°agledarstrukturer som uppvisar glid symmetri. Analysen genomf¨ordes genom enmod matchnings-teknik som korrelerar de olika mod-koefficienterna fr°an separeraderegioner i strukturen med varandra. Denna teknik anv¨ands f¨or att ta framdispersionsrelationen f¨or tv°a endimensionella periodiska strukturer: en glid symmetriskkorrugerad meta-yta och en koaxial ledare belagd med periodiskt urgr¨opdah°aligheter. Mod matchnings-formuleringen presenteras i Kartesiska och cylindriskakoordinatsystem respektive f¨or de ovan n¨amnda fallen. Mod matchnings-resultatenj¨amf¨ors med data-simulerade resultat erh°allna fr°an CST Microwave Studio och de¨overenst¨ammer v¨al med varandra.

Gyroscopes are inertial sensors that measure the rate or angle of rotation. One of the most promising technologies for reaching a high-performance MEMS gyroscope has been development of the micro-hemispherical shell resonator. (μHSR) This thesis presents the electronic control and read-out interface that has been developed to turn the μHSR into a fully functional micro-hemispherical resonating gyroscope (μHRG) capable of measuring the rate of rotation. First, the μHSR was characterized, which both enabled the design of the interface and led to new insights into the linearity and feed-through characteristics of the μHSR. Then a detailed analysis of the rate mode interface including calculations and simulations was performed. This interface was then implemented on custom printed circuit boards for both the analog front-end and analog back-end, along with a custom on-board vacuum chamber and chassis to house the μHSR and interface electronics. Finally the performance of the rate mode gyroscope interface was characterized, showing a linear scale factor of 8.57 mv/deg/s, an angle random walk (ARW) of 34 deg/sqrt(hr) and a bias instability of 330 deg/hr.

[pt] Neste trabalho são analisadas junções entre guias coaxiais não homogêneos com perdas. A expansão modal dos campos eletromagnéticos em um guia coaxial com duas camadas radiais é detalhadamente deduzida, e posteriormente a formulação é generalizada para guias com multicamadas radiais. As constantes de propagação para guias com perdas são determinadas pelo método do winding number, garantindo que todos os autovalores possam ser encontrados. O método do casamento de modos é aplicado na análise e projeto de estruturas coaxiais. A formulação é aplicada na otimização de estruturas de acoplamento e cornetas radiantes com carregamento dielétrico não homogêneo. O preenchimento não homogêneo é empregado nas estruturas radiantes a fim de minimizar a perda de retorno, e principalmente controlar e melhorar o formato do diagrama de radiação para operação em banda larga. Adicionalmente, a formulação é utilizada para analisar a propagação eletromagnética em sistemas de telemetria sem fio para poços de petróleo. / [en] In this work, we analyzed junctions between coaxial waveguides heterogeneously filled with lossy dielectrics. The modal expansion of the electromagnetic fields in a coaxial waveguide with two radial layers is derived in detail, and afterward the formulation is generalized for a multilayer waveguide. The propagation constants for lossy waveguides are determined through the method of winding number, ensuring that all eigenvalues can be found. The mode matching technique is applied in the analysis and design of coaxial structures. The formulation is applied in the optimization of coupling structures and radiating horns with heterogeneous dielectric loading. The heterogeneous filling is used in radiating structures in order to reduce the return loss, and especially to control and improve the shape of the radiation pattern for broadband operation. Additionally, the formulation is used to analyze the electromagnetic propagation in wireless telemetry systems for oil wells.

Para abordar el análisis de estas estructuras de forma altamente eficiente, se pretenden utilizar dos enfoques distintos, que llevarían a dos técnicas distintas y eficientes, pero cada una de ellas con sus ventajas e inconvenientes respecto de la otra, que podremos concluir una vez finalizado el trabajo de investigación. Por un lado, se pretende utilizar el Método de los Momentos, una técnica numérica que convierte las ecuaciones integrales de un problema electromagnético en un sistema linear, expandiendo la magnitud desconocida usando un conjunto de funciones con coeficientes desconocidos. Al forzar las condiciones de contorno, en este caso de potencial eléctrico, en un determinado número de puntos, se obtiene un sistema linear de ecuaciones que será resuelto numéricamente. Por otro lado, según el segundo enfoque, pretende utilizar una expansión en modos cilíndricos del campo, tanto incidente como dispersado. Dada la geometría circular de las vías éstas pueden ser caracterizadas de forma analítica mediante espectros circulares. Posteriormente se resolverá el acoplo entre las vías mediante el método de [1] pero generalizado al caso de objetos inmersos en un medio dieléctrico infinito, y se desarrollará un nuevo método de acoplo modal entre modos cilíndricos y modos guiados proyectando las ecuaciones del acoplo modal tanto sobre modos cilíndricos como sobre modos guiados para evitar las singularidades que aparecen con el método de de [2] cuando los planos de referencia están muy próximos al objeto dispersor. Por tanto, esta técnica caracterizará las vías de forma analítica y resolverá las integrales del acoplo de modos mediante la transformada rápida de Fourier. Para aumentar más aún la eficiencia de ambos métodos se evitará repetir los cálculos para cada punto en frecuencia, y se implementará la técnica de barrido rápido en frecuencia similar descrita en [3], adaptándola al caso particular de cada método de análisis, aunque se prevé que quizá dicho procedimiento sea más difícil de implementar en el segundo método. Se espera que ambas técnicas puedan proporcionar unos tiempos de computación inferiores a los del software comercial de análisis electromagnético más habitual (i.e. HFSS), y también inferiores a otros métodos de análisis recientemente aparecidos en la bibliografía técnica ([4],[5],[6]). En concreto, se espera que los tiempos de computación para barrido discreto en frecuencia sea inferior con el segundo método ya que usa únicamente expresiones analíticas y transformada rápida de Fourier, pero, dado que el primer método es más susceptible de realizar barrido rápido en frecuencia, éste puede ser muy útil a la hora de realizar muchos análisis consecutivos. Una vez se disponga de métodos eficientes para el análisis de dispositivos SIW, se abordará el diseño de varios dispositivos pasivos en esta tecnología (filtros de diferentes topologías, diplexores, multiplexores, híbridos, acopladores, etc.). Como se dispone de una vasta experiencia en el grupo de investigación en el diseño de dispositivos en guía de onda rectangular, se puede como primera aproximación realizar el diseño en guía, y luego transformar esta estructura guiada en otra en tecnología SIW mediante unas reglas empíricas que relacionan ambas tecnologías [7]. Posteriormente se debe ajustar el diseño en el dispositivo SIW ya que estas reglas empíricas no consiguen que la respuesta sea idéntica a la del dispositivo guiado original, principalmente debido al hecho de que los irises rectangulares de la guía son transformados en vías metalizadas con geometría circular, no rectangular. Para minimizar este ajuste, se diseñará el dispositivo guiado con irises con esquinas redondeadas en la cavidad (método de [8] pero con un simulador más eficiente [9]), haciendo que el radio de esas esquinas redondeadas coincida con el de las vías metalizadas que se van a utilizar en el dispositivo SIW. Esto permitirá [...] (Ver documento anexo) / Díaz Caballero, E. (2013). Efficient analysis and design of devices in Substrate Integrated Waveguide (SIW) technology [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/34627 / TESIS