Dimensional synthesis of a spherical parallel manipulator based on the evaluation of global performance indexes

In this work, the dimensional synthesis of a spherical Parallel Manipulator (PM) with a -1S kinematic chain is presented. The goal of the synthesis is to find a set of parameters that defines the PM with the best performance in terms of workspace capabilities, dexterity and isotropy. The PM is parametrized in terms of a reference element, and a non-directed search of these parameters is carried out. First, the inverse kinematics and instantaneous kinematics of the mechanism are presented. The latter is found using the screw theory formulation. An algorithm that explores a bounded set of parameters and determines the corresponding value of global indexes is presented. The concepts of a novel global performance index and a compound index are introduced. Simulation results are shown and discussed. The best PMs found in terms of each performance index evaluated are locally analyzed in terms of its workspace and local dexterity. The relationship between the performance of the PM and its parameters is discussed, and a prototype with the best performance in terms of the compound index is presented and analyzed.

Reaction pathways in the solid state synthesis of multiferroic BiFeO3

The obtaining of multiferroic BiFeO3 as a pure single-phase product is particularly complex since the formation of secondary phases seems to be unavoidable. The process by which these secondary impurities are formed is studied by analyzing the diffusion and solid state reactivity of the Bi2O3?Fe2O3 system. Experimental evidence is reported which indicates that the progressive diffusion of Bi3+ ions into the Fe2O3 particles governs the solid state synthesis of the perovskite BiFeO3 phase. However a competition is established between the diffusion process which tends to complete the formation of BiFeO3, and the crystallization of stable Bi2Fe4O9 mullite crystals, which tend to block that formation reaction.

Synthesis of arbitrary group delay responses with all-pass optical cavities structures

We propose a systematic method for the synthesis of arbitrary group delay responses by using allpass structures of coupled optical cavities. Optimum structure parameters design, in terms of filter order and accuracy, are obtained.

Effect of substrate-target distance and sputtering pressure in the synthesis of AlN thin films

In this work, we analyze the influence of the processing pressure and the substrate–target distance on the synthesis by reactive sputtering of c-axis oriented polycrystalline aluminum nitride thin films deposited on Si(100) wafers. The crystalline quality of AlN has been characterized by high-resolution X-ray diffraction (HR-XRD). The films exhibited a very high degree of c-axis orientation especially when a low process pressure was used. After growth, residual stress measurements obtained indirectly from radius of curvature measurements of the wafer prior and after deposition are also provided. Two different techniques are used to determine the curvature—an optically levered laser beam and a method based on X-ray diffraction. There is a transition from compressive to tensile stress at a processing pressure around 2 mTorr. The transition occurs at different pressures for thin films of different thickness. The degree of c-axis orientation was not affected by the target–substrate distance as it was varied in between 30 and 70 mm.

Soft solution fluorine-free synthesis of anatase nanoparticles with tailored morphology

TiO2 nanoparticles with tailored morphology have been synthesized under exceptionally soft conditions. The strategy is based on the use of a non-aqueous alcoholic reaction medium in which water traces, coming either from the air (atmospheric water) or from an ethanol–water azeotropic mixture (ethanol 96%), are incorporated in order to accelerate hydrolysis of the Ti–precursor. Moreover, organic surfactants have been used as capping agents so as to tailor crystal growth in certain preferential directions. Combinations of oleic acid and oleylamine, which lead to the formation of another surfactant, dioleamide, are employed instead of fluorine-based compounds, thus increasing the sustainability of the process. As a result, TiO2 nanostructured hierarchical microspheres and individual nanoparticles with exposed high-energy facets can be obtained at atmospheric pressure and temperatures as low as 78 °C.

Synthesis of Nature Sounds for Speech Masking

The introduction of open-plan offices in the 1960s with the intent of making the workplace more flexible, efficient, and team-oriented resulted in a higher noise floor level, which not only made concentrated work more difficult, but also caused physiological problems, such as increased stress, in addition to a loss of speech privacy. Irrelevant background human speech, in particular, has proven to be a major factor in disrupting concentration and lowering performance. Therefore, reducing the intelligibility of speech and has been a goal of increasing importance in recent years. One method employed to do so is the use of masking noises, which consists in emitting a continuous noise signal over a loudspeaker system that conceals the perturbing speech. Studies have shown that while effective, the maskers employed to date – normally filtered pink noise – are generally poorly accepted by users. The collaborative "Private Workspace" project, within the scope of which this thesis was carried out, attempts to develop a coupled, adaptive noise masking system along with a physical structure to be used for open-plan offices so as to combat these issues. There is evidence to suggest that nature sounds might be more accepted as masker, in part because they can have a visual object that acts as the source for the sound. Direct audio recordings are not recommended for various reasons, and thus the nature sounds must be synthesized. This work done consists of the synthesis of a sound texture to be used as a masker as well as its evaluation. The sound texture is composed of two parts: a wind-like noise synthesized with subtractive synthesis, and a leaf-like noise synthesized through granular synthesis. Different combinations of these two noises produced five variations of the masker, which were evaluated at different levels along with white noise and pink noise using a modified version of an Oldenburger Satztest to test for an affect on speech intelligibility and a questionnaire to asses its subjective acceptance. The goal was to find which of the synthesized noises works best as a speech masker. This thesis first uses a theoretical introduction to establish the basics of sound perception, psychoacoustic masking, and sound texture synthesis. The design of each of the noises, as well as their respective implementations in MATLAB, is explained, followed by the procedures used to evaluate the maskers. The results obtained in the evaluation are analyzed. Lastly, conclusions are drawn and future work is and modifications to the masker are proposed. RESUMEN. La introducción de las oficinas abiertas en los años 60 tenía como objeto flexibilizar el ambiente laboral, hacerlo más eficiente y que estuviera más orientado al trabajo en equipo. Como consecuencia, subió el nivel de ruido de fondo, que no sólo dificulta la concentración, sino que causa problemas fisiológicos, como el aumento del estrés, además de reducir la privacidad. Hay estudios que prueban que las conversaciones de fondo en particular tienen un efecto negativo en el nivel de concentración y disminuyen el rendimiento de los trabajadores. Por lo tanto, reducir la inteligibilidad del habla es uno de los principales objetivos en la actualidad. Un método empleado para hacerlo ha sido el uso de ruido enmascarante, que consiste en reproducir señales continuas de ruido a través de un sistema de altavoces que enmascare el habla. Aunque diversos estudios demuestran que es un método eficaz, los ruidos utilizados hasta la fecha (normalmente ruido rosa filtrado), no son muy bien aceptados por los usuarios. El proyecto colaborativo "Private Workspace", dentro del cual se engloba el trabajo realizado en este Proyecto Fin de Grado, tiene por objeto desarrollar un sistema de ruido enmascarador acoplado y adaptativo, además de una estructura física, para su uso en oficinas abiertas con el fin de combatir los problemas descritos anteriormente. Existen indicios de que los sonidos naturales son mejor aceptados, en parte porque pueden tener una estructura física que simule ser la fuente de los mismos. La utilización de grabaciones directas de estos sonidos no está recomendada por varios motivos, y por lo tanto los sonidos naturales deben ser sintetizados. El presente trabajo consiste en la síntesis de una textura de sonido (en inglés sound texture) para ser usada como ruido enmascarador, además de su evaluación. La textura está compuesta de dos partes: un sonido de viento sintetizado mediante síntesis sustractiva y un sonido de hojas sintetizado mediante síntesis granular. Diferentes combinaciones de estos dos sonidos producen cinco variaciones de ruido enmascarador. Estos cinco ruidos han sido evaluados a diferentes niveles, junto con ruido blanco y ruido rosa, mediante una versión modificada de un Oldenburger Satztest para comprobar cómo afectan a la inteligibilidad del habla, y mediante un cuestionario para una evaluación subjetiva de su aceptación. El objetivo era encontrar qué ruido de los que se han sintetizado funciona mejor como enmascarador del habla. El proyecto consiste en una introducción teórica que establece las bases de la percepción del sonido, el enmascaramiento psicoacústico, y la síntesis de texturas de sonido. Se explica a continuación el diseño de cada uno de los ruidos, así como su implementación en MATLAB. Posteriormente se detallan los procedimientos empleados para evaluarlos. Los resultados obtenidos se analizan y se extraen conclusiones. Por último, se propone un posible trabajo futuro y mejoras al ruido sintetizado.

New methods for the synthesis of radiation patterns of coupled antenna arrays = Nuevos métodos de síntesis de diagramas de radiación de agrupaciones de antenas acopladas

El principal objetivo de esta tesis es el desarrollo de métodos de síntesis de diagramas de radiación de agrupaciones de antenas, en donde se realiza una caracterización electromagnética rigurosa de los elementos radiantes y de los acoplos mutuos existentes. Esta caracterización no se realiza habitualmente en la gran mayoría de métodos de síntesis encontrados en la literatura, debido fundamentalmente a dos razones. Por un lado, se considera que el diagrama de radiación de un array de antenas se puede aproximar con el factor de array que únicamente tiene en cuenta la posición de los elementos y las excitaciones aplicadas a los mismos. Sin embargo, como se mostrará en esta tesis, en múltiples ocasiones un riguroso análisis de los elementos radiantes y del acoplo mutuo entre ellos es importante ya que los resultados obtenidos pueden ser notablemente diferentes. Por otro lado, no es sencillo combinar un método de análisis electromagnético con un proceso de síntesis de diagramas de radiación. Los métodos de análisis de agrupaciones de antenas suelen ser costosos computacionalmente, ya que son estructuras grandes en términos de longitudes de onda. Generalmente, un diseño de un problema electromagnético suele comprender varios análisis de la estructura, dependiendo de las variaciones de las características, lo que hace este proceso muy costoso. Dos métodos se utilizan en esta tesis para el análisis de los arrays acoplados. Ambos están basados en el método de los elementos finitos, la descomposición de dominio y el análisis modal para analizar la estructura radiante y han sido desarrollados en el grupo de investigación donde se engloba esta tesis. El primero de ellos es una técnica de análisis de arrays finitos basado en la aproximación de array infinito. Su uso es indicado para arrays planos de grandes dimensiones con elementos equiespaciados. El segundo caracteriza el array y el acoplo mutuo entre elementos a partir de una expansión en modos esféricos del campo radiado por cada uno de los elementos. Este método calcula los acoplos entre los diferentes elementos del array usando las propiedades de traslación y rotación de los modos esféricos. Es capaz de analizar agrupaciones de elementos distribuidos de forma arbitraria. Ambas técnicas utilizan una formulación matricial que caracteriza de forma rigurosa el campo radiado por el array. Esto las hace muy apropiadas para su posterior uso en una herramienta de diseño, como los métodos de síntesis desarrollados en esta tesis. Los resultados obtenidos por estas técnicas de síntesis, que incluyen métodos rigurosos de análisis, son consecuentemente más precisos. La síntesis de arrays consiste en modificar uno o varios parámetros de las agrupaciones de antenas buscando unas determinadas especificaciones de las características de radiación. Los parámetros utilizados como variables de optimización pueden ser varios. Los más utilizados son las excitaciones aplicadas a los elementos, pero también es posible modificar otros parámetros de diseño como son las posiciones de los elementos o las rotaciones de estos. Los objetivos de las síntesis pueden ser dirigir el haz o haces en una determinada dirección o conformar el haz con formas arbitrarias. Además, es posible minimizar el nivel de los lóbulos secundarios o del rizado en las regiones deseadas, imponer nulos que evitan posibles interferencias o reducir el nivel de la componente contrapolar. El método para el análisis de arrays finitos basado en la aproximación de array infinito considera un array finito como un array infinito con un número finito de elementos excitados. Los elementos no excitados están físicamente presentes y pueden presentar tres diferentes terminaciones, corto-circuito, circuito abierto y adaptados. Cada una de estas terminaciones simulará mejor el entorno real en el que el array se encuentre. Este método de análisis se integra en la tesis con dos métodos diferentes de síntesis de diagramas de radiación. En el primero de ellos se presenta un método basado en programación lineal en donde es posible dirigir el haz o haces, en la dirección deseada, además de ejercer un control sobre los lóbulos secundarios o imponer nulos. Este método es muy eficiente y obtiene soluciones óptimas. El mismo método de análisis es también aplicado a un método de conformación de haz, en donde un problema originalmente no convexo (y de difícil solución) es transformado en un problema convexo imponiendo restricciones de simetría, resolviendo de este modo eficientemente un problema complejo. Con este método es posible diseñar diagramas de radiación con haces de forma arbitraria, ejerciendo un control en el rizado del lóbulo principal, así como en el nivel de los lóbulos secundarios. El método de análisis de arrays basado en la expansión en modos esféricos se integra en la tesis con tres técnicas de síntesis de diagramas de radiación. Se propone inicialmente una síntesis de conformación del haz basado en el método de la recuperación de fase resuelta de forma iterativa mediante métodos convexos, en donde relajando las restricciones del problema original se consiguen unas soluciones cercanas a las óptimas de manera eficiente. Dos métodos de síntesis se han propuesto, donde las variables de optimización son las posiciones y las rotaciones de los elementos respectivamente. Se define una función de coste basada en la intensidad de radiación, la cual es minimizada de forma iterativa con el método del gradiente. Ambos métodos reducen el nivel de los lóbulos secundarios minimizando una función de coste. El gradiente de la función de coste es obtenido en términos de la variable de optimización en cada método. Esta función de coste está formada por la expresión rigurosa de la intensidad de radiación y por una función de peso definida por el usuario para imponer prioridades sobre las diferentes regiones de radiación, si así se desea. Por último, se presenta un método en el cual, mediante técnicas de programación entera, se buscan las fases discretas que generan un diagrama de radiación lo más cercano posible al deseado. Con este método se obtienen diseños que minimizan el coste de fabricación. En cada uno de las diferentes técnicas propuestas en la tesis, se presentan resultados con elementos reales que muestran las capacidades y posibilidades que los métodos ofrecen. Se comparan los resultados con otros métodos disponibles en la literatura. Se muestra la importancia de tener en cuenta los diagramas de los elementos reales y los acoplos mutuos en el proceso de síntesis y se comparan los resultados obtenidos con herramientas de software comerciales. ABSTRACT The main objective of this thesis is the development of optimization methods for the radiation pattern synthesis of array antennas in which a rigorous electromagnetic characterization of the radiators and the mutual coupling between them is performed. The electromagnetic characterization is usually overlooked in most of the available synthesis methods in the literature, this is mainly due to two reasons. On the one hand, it is argued that the radiation pattern of an array is mainly influenced by the array factor and that the mutual coupling plays a minor role. As it is shown in this thesis, the mutual coupling and the rigorous characterization of the array antenna influences significantly in the array performance and its computation leads to differences in the results obtained. On the other hand, it is difficult to introduce an analysis procedure into a synthesis technique. The analysis of array antennas is generally expensive computationally as the structure to analyze is large in terms of wavelengths. A synthesis method requires to carry out a large number of analysis, this makes the synthesis problem very expensive computationally or intractable in some cases. Two methods have been used in this thesis for the analysis of coupled antenna arrays, both of them have been developed in the research group in which this thesis is involved. They are based on the finite element method (FEM), the domain decomposition and the modal analysis. The first one obtains a finite array characterization with the results obtained from the infinite array approach. It is specially indicated for the analysis of large arrays with equispaced elements. The second one characterizes the array elements and the mutual coupling between them with a spherical wave expansion of the radiated field by each element. The mutual coupling is computed using the properties of translation and rotation of spherical waves. This method is able to analyze arrays with elements placed on an arbitrary distribution. Both techniques provide a matrix formulation that makes them very suitable for being integrated in synthesis techniques, the results obtained from these synthesis methods will be very accurate. The array synthesis stands for the modification of one or several array parameters looking for some desired specifications of the radiation pattern. The array parameters used as optimization variables are usually the excitation weights applied to the array elements, but some other array characteristics can be used as well, such as the array elements positions or rotations. The desired specifications may be to steer the beam towards any specific direction or to generate shaped beams with arbitrary geometry. Further characteristics can be handled as well, such as minimize the side lobe level in some other radiating regions, to minimize the ripple of the shaped beam, to take control over the cross-polar component or to impose nulls on the radiation pattern to avoid possible interferences from specific directions. The analysis method based on the infinite array approach considers an infinite array with a finite number of excited elements. The infinite non-excited elements are physically present and may have three different terminations, short-circuit, open circuit and match terminated. Each of this terminations is a better simulation for the real environment of the array. This method is used in this thesis for the development of two synthesis methods. In the first one, a multi-objective radiation pattern synthesis is presented, in which it is possible to steer the beam or beams in desired directions, minimizing the side lobe level and with the possibility of imposing nulls in the radiation pattern. This method is very efficient and obtains optimal solutions as it is based on convex programming. The same analysis method is used in a shaped beam technique in which an originally non-convex problem is transformed into a convex one applying symmetry restrictions, thus solving a complex problem in an efficient way. This method allows the synthesis of shaped beam radiation patterns controlling the ripple in the mainlobe and the side lobe level. The analysis method based on the spherical wave expansion is applied for different synthesis techniques of the radiation pattern of coupled arrays. A shaped beam synthesis is presented, in which a convex formulation is proposed based on the phase retrieval method. In this technique, an originally non-convex problem is solved using a relaxation and solving a convex problems iteratively. Two methods are proposed based on the gradient method. A cost function is defined involving the radiation intensity of the coupled array and a weighting function that provides more degrees of freedom to the designer. The gradient of the cost function is computed with respect to the positions in one of them and the rotations of the elements in the second one. The elements are moved or rotated iteratively following the results of the gradient. A highly non-convex problem is solved very efficiently, obtaining very good results that are dependent on the starting point. Finally, an optimization method is presented where discrete digital phases are synthesized providing a radiation pattern as close as possible to the desired one. The problem is solved using linear integer programming procedures obtaining array designs that greatly reduce the fabrication costs. Results are provided for every method showing the capabilities that the above mentioned methods offer. The results obtained are compared with available methods in the literature. The importance of introducing a rigorous analysis into the synthesis method is emphasized and the results obtained are compared with a commercial software, showing good agreement.