Les vibrations de plaques minces présentent des dynamiques très riches et variées, allant de comportements linéaire à fortement non linéaire en fonction de leur amplitude par rapport à l'épaisseur. Cette thèse présente le développement d'un code numérique capable de simuler sans restriction cette dynamique complexe, décrite par les équations de Von Karman, dans le cas de plaques homogènes et présentant une géométrie rectangulaire. L'application principale de ce code est de produire des sons de cymbales et de gongs: cette partie du travail s'inscrit donc dans le contexte de la synthèse sonore par modélisation physique. Pour cela, une approche modale est utilisée, afin de réduire les équations aux dérivées partielles à un ensemble d'équations différentielles ordinaires couplées. Un schéma d'intégration temporelle est proposé, pour lequel la conservation de l'énergie produit une condition de stabilité. Les caractéristiques les plus intéressantes du schéma modal sont sa précision et la possibilité de mettre en place des lois d'amortissements complexes à moindre coût. Le son produit par le code numérique est systématiquement comparée à celui calculé par une autre méthode fondée sur les techniques de différences finies . Les aspects fondamentaux de la physique des vibrations non linéaires sont également pris en compte au cours de ce travail. Lorsqu'une plaque vibre dans un régime faiblement non linéaire, les couplages modaux produisent des vibrations qui dépendent de l'amplitude, des résonances internes, des instabilités, des sauts et des bifurcations. Le schéma modal est utilisée pour construire et analyser la réponse non linéaire de la plaque au voisinage de ses premières fréquences propres, dans un cas conservatif, puis en prenant en compte les effets de l'amortissement et du forçage, montrant ainsi leurs effets sur les modes normaux non linéaires du système hamiltonien. Lorsque les plaques vibrent dans un régime fortement non linéaire, la description la plus appropriée de la dynamique est donnée en termes des propriétés statistiques du système, en raison de la multitude de degrés de liberté activés. Théoriquement, ce cadre est offert par la théorie de turbulence d'ondes. À cause de la grande quantité de modes activés dans de telles vibrations, le code en différence finie conservatif est préféré au schéma modal. Lorsque la plaque est excitée avec un forçage sinusoïdal autour d'un de ses modes propres de basse fréquence, une cascade d'énergie se produit, activant des milliers de modes à plus hautes fréquences. Une interprétation statistique des résultats des simulations est proposée, ainsi qu'une comparaison avec des données expérimentales et des autres résultats numériques trouvés dans la littérature. En particulier, les effets du forçage ponctuel ainsi que des imperfections géométriques des plaques sont analysées.

Cette étude porte sur le steeldrum, aussi appelé steelpan, percussion mélodique de Trinidad et Tobago, fabriquée à partir de bidons métalliques dont une des faces subit un ensemble de déformations irréversibles afin d'obtenir une cuve principale à l'intérieur de laquelle sont façonnées les différentes notes de l'instrument. Cette thèse s'organise autour de deux axes. D'une part les processus de fabrication sont étudiés afin de mieux comprendre le travail du facteur et de proposer une modélisation de la première étape de fabrication. D'autre part, des études vibratoires sont menées sur l'instrument fini, pour comprendre la dynamique complexe responsable de son timbre. La première partie rend compte de l'évolution des caractéristiques vibratoires au cours de la fabrication. On remarque une forte localisation vibratoire au moment de la création des notes, des évolutions marquées des amortissements et des fréquences propres lors du chauffage, et des relations harmoniques après l'accordage final. La seconde partie se concentre sur la première étape de fabrication au cours de laquelle le haut du bidon est martelé pour obtenir une calotte sphérique concave. Ce processus de plasticité est modélisé analytiquement sous les hypothèses de von Karman par une structure mince soumise à des contraintes initiales. L'influence du changement géométrique et celle de l'état de contraintes résiduelles sont alors quantifiées sur les paramètres dynamiques de la structure dans son nouvel état d'équilibre. Enfin la dernière partie s'intéresse aux vibrations de l'instrument terminé qui présente un comportement dynamique caractéristique des systèmes non linéaires géométriques. En mode de jeu usuel, des échanges d'énergie entre les modes sont clairement audibles. Cette richesse de timbre provient des résonances internes dues à l'accordage, si bien que des couplages complexes sont mesurés pour des amplitudes vibratoires très faibles. Des modèles originaux de résonances internes sont proposés.

Laser Measurement Systems (LMS) are used in autonomous agricultural vehicles for guidance and obstacle detection purposes. In the particular case of agricultural vehicles, the efficiency of LMS measurements is affected by mechanical vibrations induced by the operation of these machines on uneven terrains. The objective of this study was to evaluate the effectiveness of a mounting system capable of reducing the transmission of mechanical vibrations to an LMS sensor installed on an agricultural tractor for the purpose of improving the detection accuracy of obstacles during field operation. A stabilization system (SS) was designed for a SICK LMS 291-S14 scanner. The LMS sensor and the SS were installed on an agricultural tractor to scan four objects positioned at known locations in the field. An experimental analysis was carried out to evaluate the detection accuracy of the LMS sensor under different operating conditions: with and without SS; with and without support bars (S); and for different types of terrains (in terms of roughness) and field operating speed. The detection accuracy of the LMS sensor was assessed by determining the difference between the known location of the four objects and their corresponding estimated location from the LMS measurements. The increase of tractor speed had a negative effect on the accuracy of the LMS sensor with an increase in the positioning error of up to 75%. However, it was not possible to establish a clear relationship between terrain roughness and the accuracy of the LMS sensor. The addition of the S systems positively affected the accuracy of the LMS sensor and resulted in a 41% decrease of the average positioning error from 0.340 to 0.201 m. Finally, the used of the SS mounting system decreased the average positioning error by 57% from 0.382 to 0.161 m. These experimental results confirmed the effectiveness of the joint use of the SS and S mounting systems in improving the accuracy of the LMS sensor mounted on an agricultural tractor through a reduction in transmitted vibrations.

Resumo: Na presença de não linearidades, a resposta forçada de estruturas exibe diversos fenômenos físicos que não podem ser descritos através de modelos lineares. Estes fenômenos incluem ressonâncias sub-harmônicas, ressonâncias super-harmônicas, “jumps”, movimentos quasi-periódicos, movimentos de período múltiplo, caos e interações modais. Recentes estudos experimentais indicam que um novo tipo de interação modal pode ocorrer através de mecanismos não ressonantes, decorrente da transferência de energia de modos de alta freqüência e baixa amplitude para modos de baixa freqüência e alta amplitude. Neste trabalho, interações modais não ressonantes são investigadas na resposta planar não linear de vigas cantilever flexíveis sujeitas a excitações externas e paramétricas. As equações diferenciais e as condições de contorno associadas que governam o movimento flexional-flexional não linear de uma viga assumida inextensível, metálica e isotrópica, são apresentadas. O estudo experimental conduzido revelou que a transferência de energia entre modos de alta freqüência para modos de baixa freqüência ocorre via modulação, sendo função do valor da amplitude de excitação e da proximidade entre os valores da freqüência de modulação e da freqüência dos modos ativados. O estudo revelou também que a ativação de modos de baixa freqüência pode ocorrer sob uma variedade de condições de entrada. Em adição, outros fenômenos dinâmicos não lineares classificados como rotas para o movimento caótico são também observados. Em determinadas condições, movimentos quasi-periódicos com amplitudes moduladas caoticamente e moduladas periodicamente são exibidos. Um movimento de resposta de período dois é também observado. / Abstract: Interesting physical phenomena occur in the forced response of structures in the presence of nonlinearities, which cannot be explained by linear models. These phenomena include subharmonic resonances, superharmonic resonances, jumps, period-multiplying motions, quasiperiodic motions, chaos and modal interactions. Recent studies suggest that another type of modal interaction may occur through nonresonant mechanisms, due to the energy transfer from the low-amplitude highfrequency modes to high-amplitude low-frequency modes. In this work, nonresonant modal interactions in the nonlinear planar motions of flexible cantilever beams subjected to transverse and parametric harmonic excitations are investigated. The governing equations of the nonlinear bending-bending motions and the associated boundary conditions for an isotropic metallic inextensional beam are presented. An experimental study revealed that the transfer of energy from high-frequency to lowfrequency modes occurs via modulation and is found to be function of the excitation amplitude and the closeness of the modulation frequency to the frequencies of the low modes activated. The experimental study also revealed that the energy transfer from high-frequency modes to low-frequency modes occurs for a variety of conditions. In addition, others nonlinear dynamic phenomenas routes to the chaotic motions, are also observed. Under certain conditions, quasiperiodic motion with periodically and chaotically modulated amplitudes are exhibited. Period-doubling motion is also observed. / Orientador: Fernando de Azevedo Silva / Coorientador: Mauro Hugo Mathias / Banca: Othon Cabo Winter / Banca: Victor Orlando Gamarra Rosado / Banca: José Juliano de Lima Júnior / Banca: Olivério Moreira de Macedo Silva / Doutor

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:25:28Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T14:02:56Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Dissertacao (Mestrado) / IPEN/D / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN/CNEN-SP

This thesis focuses on the analytical properties of the acoustic vibrations and applications of metallic nanoparticles. With regard to the analytical properties of the acoustic vibrations, we focus on nanoparticle acoustic resonance enhanced four-wave mixing (FWM) as an in situ characterization technique for characterizing nanoparticles’ shape, size, and size distribution. The nonlinear optical response of metallic nanoparticles is resonantly driven by the electrostriction force which couples to the acoustic vibrations of nanoparticles. Information about nanoparticles’ shape, size, and size distribution can be obtained by analyzing the resonant peak position and linewidth in the FWM signal which carries the information about the vibrational modes. We characterize different nanoparticle solutions of different materials, shapes, and sizes using this FWM technique. Information obtained from the FWM characterization agrees well with the scanning electron microscopic examination, indicating the FWM technique can serve as an in situ nanoparticle characterization tool. We also demonstrate the FWM technique can be used for monitoring nanoparticle growth in situ. iii With regard to the applications of metallic nanoparticles, we focus on quantification of an exogenous cancer biomarker Acetyl Amantadine using surface-enhanced Raman scattering (SERS). Raman spectroscopy can provide unique fingerprint information of molecules, which can be used as a chemical detection and identification technique. The intrinsically weak Raman signal caused by the small scattering cross section presents a barrier for trace chemical detection. Localized surface plasmon resonance of metallic nanoparticles can provide large local field enhancement, which can be utilized to enhance the intrinsically weak Raman signal. In order to achieve higher local field enhancement, we focus on using the gap structures formed between nanoparticles instead of using discrete nanoparticles. Molecules should locate within the hot spots of the gap structures to experience the largest enhancement. This requires that molecules should be extracted from volume onto the metallic surface. Based on these guidelines, two SERS platforms are designed using gold nanoparticles (nanorods and nanospheres) combined with different surface functionalization techniques. The performance of these two platforms are characterized by investigating the sensitivity and limit of detection (LOD). 16 ng/mL and 0.4 ng/mL LODs are achieved for nanorod and nanosphere platforms, respectively. / Graduate

Laser Measurement Systems (LMS) are used in autonomous agricultural vehicles for guidance and obstacle detection purposes. In the particular case of agricultural vehicles, the efficiency of LMS measurements is affected by mechanical vibrations induced by the operation of these machines on uneven terrains. The objective of this study was to evaluate the effectiveness of a mounting system capable of reducing the transmission of mechanical vibrations to an LMS sensor installed on an agricultural tractor for the purpose of improving the detection accuracy of obstacles during field operation. A stabilization system (SS) was designed for a SICK LMS 291-S14 scanner. The LMS sensor and the SS were installed on an agricultural tractor to scan four objects positioned at known locations in the field. An experimental analysis was carried out to evaluate the detection accuracy of the LMS sensor under different operating conditions: with and without SS; with and without support bars (S); and for different types of terrains (in terms of roughness) and field operating speed. The detection accuracy of the LMS sensor was assessed by determining the difference between the known location of the four objects and their corresponding estimated location from the LMS measurements. The increase of tractor speed had a negative effect on the accuracy of the LMS sensor with an increase in the positioning error of up to 75%. However, it was not possible to establish a clear relationship between terrain roughness and the accuracy of the LMS sensor. The addition of the S systems positively affected the accuracy of the LMS sensor and resulted in a 41% decrease of the average positioning error from 0.340 to 0.201 m. Finally, the used of the SS mounting system decreased the average positioning error by 57% from 0.382 to 0.161 m. These experimental results confirmed the effectiveness of the joint use of the SS and S mounting systems in improving the accuracy of the LMS sensor mounted on an agricultural tractor through a reduction in transmitted vibrations.

L’ostéoporose ménopausique est généralement traitée par une stratégie médicamenteuse à visée anti-résorptive, couplée à des exercices de musculation/proprioception relativement efficaces pour maintenir la masse musculaire et prévenir le risque de chute. Ces dernières années, bien que de nombreuses études animales et cliniques aient suggéré un effet ostéogénique des vibrations corps entier (VCE), les résultats pas toujours concluants et les protocoles très hétérogènes rendent l’interprétation difficile. Dans ce travail, nous avons étudié l’importance de la fréquence de la vibration dans les effets osseux induits par les VCE, sur des rats adultes. Nous avons montré que la stimulation osseuse était dose dépendante de la fréquence, avec un effet ostéogénique d’autant plus important que la fréquence est élevée, et un effet délétère des basses fréquences. Le régime à haute fréquence (90Hz) améliore la micro-macroarchitecture de l’os cortical (épaississement cortical, diminution de la porosité) et de l’os trabéculaire (augmentation du volume osseux, nombre de travées), et stimule la formation osseuse (taux de formation osseuse augmenté), alors que le régime basse fréquence (8Hz) découple les activités de formation et minéralisation, responsable d’une diminution des DMO corticales et trabéculaires, caractéristiques d’une ostéomalacie. Dans cette étude, la réponse ostéogénique plus marquée aux vertèbres vs les os longs (Tibia et fémur) suggère un rôle de la moelle grasse dans la réponse osseuse aux VCE. L’étude clinique réalisée par la suite chez des femmes ménopausées, confirme la capacité des VCE à stimuler la formation osseuse corticale et trabéculaire (épaississement cortical, augmentation de l’aire corticale, maintien de la porosité, augmentation du volume osseux trabéculaire) avec un effet systémique des VCE (os porteurs et non porteurs). L’étude de la propagation du signal vibratoire chez l’animal et l’humain montre une amplification du signal dans les basses fréquences, caractéristique d’un effet de résonance, et une transmission plus importante des vibrations au-delà de 40Hz, expliquant en partie les effets des VCE en fonction de la fréquence. Nos résultats suggèrent l’utilisation des VCE comme moyen non pharmacologique de prévention voir traitement de la fragilité osseuse / The postmenopausal osteoporosis is generally handled by a medicinal strategy with anti-résorptive aim, coupled with relatively effective exercises of body-building / proprioception to maintain the muscular mass and prevent the risk of fall. These last years, although numerous animal and clinical studies suggested an osteogenic effect of the whole-body vibrations (WBV), the not always decisive results and the very heterogeneous protocols make difficult the interpretation. In this work, we studied the importance of the frequency of vibration in the bone effects induced by WBV on adult rats. We have shown that bone stimulation was dependent on the dose frequency, with a particularly important that the frequency is high osteogenic effect and a detrimental effect of low frequency. The high frequency system (90Hz) improves the control of the microarchitecture cortical bone (cortical thickening, reduced porosity) and trabecular bone (bone augmentation, number of spans), and stimulate bone formation (bone formation rate increased), while the low frequency regime (8Hz) decouples training and mineralization, causing a decrease in cortical and trabecular BMD, characteristic of osteomalacia. In this study, the more pronounced the vertebrae vs long bones (femur and tibia) osteogenic response suggests a role of the fat in the bone marrow response to WBV. The clinical study later postmenopausal women, confirms the ability of WBV to stimulate cortical and trabecular bone formation (cortical thickening, increased cortical area, maintaining porosity, trabecular bone volume increase) with a systemic effect of WBV (bearing and non-bearing bones). The study of the propagation of the vibration signal in animals and humans shows an amplification of the signal in the low frequency characteristic of a resonance effect, and a greater transmission of vibrations beyond 40Hz, explaining part of the effects according to the WBV frequency. Our results suggest the use of WBV as non-pharmacological means of prevention, or even treatment, of bone fragility

Concernant la recherche sur les semiconducteurs, la substitution isovalente sur un sous-réseau, qu’il soit cationique ou anionique, permet d’ajuster les paramètres de structure de maille et les propriétés électroniques ou élastiques. La pression hydrostatique externe peut augmenter ou inhiber les effets produits par cette substitution, et, en tout cas, offre un degré de liberté supplémentaire pour varier, ou sonder, les propriétés des semiconducteurs. Par ailleurs, la pression extérieure peut induire une s´séquence de transitions structurales de phase, qui à leur tour peuvent induire une modification de la structure de bande et des propriétés de dynamique du réseau inhabituelles. Puisque les énergies des phases en présence ainsi que les constantes de force sont des propriétés que relèvent de l’état fondamental, elles peuvent être obtenues de manière fiable à partir de calculs “premiers principes” effectués au sein de la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT). Le présent travail concerne de telles études d’ordre théorique, réalisées avec diverses méthodes de calcul, qui sont, en partie, complémentaires. L’analyse comparative des phases en compétition dans les composés purs ZnS et ZnSe sous pression hydrostatique, réalisée en utilisant la méthode de calcul de haute précision APW+lo (mise en oeuvre dans le logiciel WIEN2k), a permis de préciser la s´séquence des transitions de phase induites sous pression extérieure et de résoudre certaines controverses théoriques, liées à l’utilisation de schémas différents d’échange-corrélation. Le calcul des dispersions des phonons dans l’un des dits composés (ZnSe) sous pression, effectué dans le cadre du formalisme de la réponse linéaire via le code abinit, a permis d’identifier les instabilités dynamiques associées au “ramollissement” des modes acoustiques dans certaines parties de la zone de Brillouin, correspondant au pressentiment d’une transition de phase. Les spectres de vibration sous pression ont ensuite été simulés dans un système mixte, en l’occurrence (Zn,Be)Se, en utilisant la méthode des "phonons gelés" et le code Siesta. Enfin, la stabilité thermodynamique des phases en compétition, zincblende et wurtzite, du semiconducteur mixte Cd(S,Se) a été étudiée en utilisant le logiciel VASP selon la méthode du pseudopotentiel, en combinaison avec le formalisme des structures quasi aléatoires spéciales (SQS) permettant de représenter efficacement le caractère désordonné des phases considérées. Il a été possible, sur cette base, de réaliser la caractérisation structurale complète, et de discuter le diagramme de phase température–concentration / In semiconductor research, an isovalent substitution on a sublattice, either cationic or anionic one, is a convenient tool to tune lattice parameters, electronic or elastic properties. External hydrostatic pressure is another such tool, which may either enhance or inhibit the effects of alloying, and in any case offers an additional “coordinate” for scanning and probing the properties of semiconductors. Moreover, external pressure may induce a sequence of structural phase transitions, which in their turn may result in unusual band structures and lattice-dynamical properties. As energies of different phases (needed to construct phase diagrams) and force constants (responsible for vibrational spectra in crystals) are groundstate properties, they can be reliably obtained from first-principles calculations done within the density functional theory (DFT). The present work outlines such studies realized with different and, in part, complementary calculation methods. Comparative analysis of possible phases of pure ZnS and ZnSe compounds under hydrostatic pressure, done using a highly precision APW+lo method (realized in the WIEN2k code), helped to refine the sequence of pressure-induced phase transitions and to resolve some earlier controversies in theory works, related to the use of different exchange-correlation schemes. The calculation of phonon dispersions in the same compounds under pressure, done in linear-response formalism (abinit code), helped to identify dynamical instabilities associated with softening of acoustic modes in some parts of the Brillouin zone, indicating precursors of phase transition. The vibrational spectra under pressure were then subject to study under alloying, in the (Zn,Be)Se system; calculations done using the frozenphonon method as employed in Siesta code. The thermodynamic stability of the known competing phases (zincblende and wurtzite), in the alloy Cd(S,Se), is investigated using pseudopotential method (VASP), where the special quasirandom structures (SQS) formalism is employed to efficiently represent the disorder of the considered phases. On this basis, it became possible to give full structural characterization, and to discuss the temperature-concentration phase diagram

The Magellan Telescope Adaptive Optics System (MagAO) is subject to resonance effects induced by elements within the system instrumentation, such as fans and cooling pumps. Normalized PSDs are obtained through frequency-based analysis of closed-loop on-sky data, detecting and measuring vibration effects. Subsequently, a space-state model for the AO loop is obtained, using a standard AO loop scheme with an integrator-based controller and including the vibration effects as disturbances. Finally, a new control alternative is proposed, focusing on residual phase variance minimization through the design and simulation of an optimal LQG control approach.