Análisis de la distribución espacial de los parámetros acústicos en recintos

El principal objetivo de este estudio es la evaluación de la distribución espacial de los parámetros acústicos en un recinto a través de la aplicación de técnicas geoestadísticas como el método Kriging. Mediante el uso de la herramienta de análisis espacial ArcMap, perteneciente a la plataforma ArcGIS, se ha analizado el comportamiento acústico del Salón de Actos común a la Escuela Técnica Superior de Ingeniería y Sistemas de Telecomunicación (ETSIST) y la Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Sistemas Informáticos (ETSISI), ambas situadas en el Campus Sur de la Universidad Politécnica de Madrid. Se han realizado mediciones in-situ del recinto no ocupado utilizando la herramienta de medición DIRAC Room Acoustics y el método de la respuesta impulsiva integrada, extrayéndose los parámetros acústicos de tiempo de reverberación (RT), tiempo de reverberación inicial (EDT), fuerza sonora relativa (Grel), claridad (C80), tiempo central (Ts), definición (D50) e Índice de Transmisión Rápida de la Palabra (RASTI). Se ha analizado la adecuación de los valores observados de Grel, C80 y Ts al modelo teórico de Barron y estimado, mediante el método Kriging Ordinario, el conjunto de parámetros medidos en el recinto, obteniéndose los semivariograma y mapas de estimación correspondientes. Además, se ha evaluado la calidad de la estimación en base a un número de puntos de medición reducido. A la vista de los resultados obtenidos, en general, el método Kriging puede considerarse un buen interpolador de los parámetros acústicos en un recinto, observándose que los parámetros que evalúan relaciones energéticas, especialmente la fuerza sonora relativa (Grel) proporcionan mejores estimaciones en comparación con aquellos relacionados con la reverberación y la inteligibilidad del habla. El coeficiente de determinación (R2) constituye una medida útil para evaluar la precisión de la estimación. Además, la entropía de los datos observados puede ser un buen indicador a priori de la precisión de la estimación. Asimismo, se ha demostrado que, basándose en un reducido número de puntos de medición, es posible obtener una estimación precisa de los parámetros acústicos de fuerza sonora relativa (Grel) y tiempo central (Ts). ABSTRACT. This project aims to evaluate the feasibility of using geostatistical techniques such as Kriging on the analysis of the spatial distribution of the acoustic parameters in rooms. The acoustic behaviour of the Assembly Hall of the ETSIST and ETSISI (Universidad Politécnica de Madrid) is investigated using ArcMap, which is the main component of ArcGIS suite of geospatial processing programs. For this purpose, in-situ acoustic measurements are carried out in the unoccupied room using DIRAC Room Acoustics software. The following acoustic parameters are measured by means of the integrated impulse response method for further examination: Reverberation Time (RT), Early Decay Time (EDT), Relative Strength (Grel), Clarity (C80), Centre Time (Ts), Definition (D50) and Rapid Speech Transmission Index (RASTI). Goodness-of-fit of measured Grel, C80 and Ts values to Barron’s theory is determined and Ordinary Kriging is applied to all the measured parameters in order to calculate the semivariogram and prediction surfaces. The prediction performance is also analysed when significantly fewer receiver positions are used for the prediction. The experimental results obtained lead to conclude that Kriging can be successfully applied to room acoustics. Energy\based acoustic parameters can be estimated with higher accuracy compared to those related to reverberation and speech intelligibility. Coefficient of determination (R2) is a reliable statistic for assessing the prediction accuracy, for which measured data entropy can also be a good a priori indicator. Furthermore, based on fewer receiver positions, it is demonstrated that accurate predictions of Grel and Ts can be achieved.

Restauración virtual del patrimonio sonoro. Aplicación al antiguo rito hispánico

Una de las aplicaciones más interesantes de las tecnologías de Realidad Acústica Virtual es la posibilidad de recuperar el patrimonio cultural del sonido de los recintos históricos que se han perdido o cuyas características se han modificado a lo largo de los siglos. En este trabajo, las tecnologías de realidad acústica virtual se utilizan para tratar de reconstruir virtualmente el sonido producido en las actividades litúrgicas del antiguo rito hispánico. Bajo este nombre se conoce a la liturgia que celebraban los cristianos de la península ibérica hasta su prohibición, en favor del culto romano, a mediados del siglo XI. El rito hispánico -también conocido como rito visigótico-mozárabe- es una de las manifestaciones culturales más interesantes de la Alta Edad Media en occidente. Se trata de un patrimonio cultural desaparecido, tanto desde el punto de vista de las señales sonoras que lo integraban -ya que la mayoría de las melodías que conformaban el rito se han perdido- como desde el punto de vista de los espacios en los que se desarrollaba, debido a que las iglesias conservadas de la época han experimentado modificaciones a lo largo de los siglos que alteran sus condiciones acústicas con respecto a las que tenían en el periodo de vigencia de esta liturgia. Para llevar a cabo este proyecto, se han realizado modelos acústicos digitales de un grupo representativo de iglesias prerrománicas de la Península Ibérica en su estado primitivo. Se ha procurado que las iglesias seleccionadas representen la variedad de comportamientos acústicos esperables en este tipo de edificios. Con este objetivo, se han elegido cinco iglesias prerrománicas que presentan diferencias sustanciales en los parámetros que, a priori, van a influir en mayor manera a su comportamiento acústico: el volumen del recinto, la forma de la planta y el tipo de cubierta. El proceso de creación de los modelos acústicos digitales de las iglesias se ha dividido en dos fases: en la primera se han creado modelos de los edificios en su estado actual, que se han validado a partir de los datos obtenidos en mediciones acústicas realizadas in situ; a partir de los modelos validados de las iglesias en su estado actual, en la segunda fase se han generado los modelos acústicos digitales correspondientes al estado primitivo de las mismas, modificando los modelos anteriores de acuerdo con las hipótesis de reconstrucción propuestas en las investigaciones arqueológicas más recientes. Se han realizado grabaciones en cámara anecoica de una serie de piezas del repertorio original del canto mozárabe. Las grabaciones se han llevado a cabo con un array esférico compuesto por 32 micrófonos, con objeto de obtener información sobre la directividad de la emisión sonora de los cantantes, que se aplicará en las auralizaciones. Finalmente, se han realizado diversas auralizaciones, teniendo en cuenta diferentes configuraciones litúrgicas que eran usuales en este rito. ABSTRACT One of the most interesting applications of the Acoustic Virtual Reality technologies is the possibility to recover the cultural heritage of the sound of the historical sites that have been lost or whose characteristics have been modified through time. In this work, Acoustic Virtual Reality technologies are used to try to reconstruct virtually the sound produced in the liturgical activities of the Hispanic Rite. This is the name given to the liturgy celebrated by Christians of the Iberian Peninsula prior to the introduction of the Roman cult in the mid-eleventh century. The Hispanic Rite (also known as Visigothic or Mozarabic rite) is one of the most interesting cultural manifestations of the Middle Ages. It is a lost cultural heritage, both from the point of view of the sound signals that were used since the majority of the melodies that conformed the rite have been lost, and from the point of view of the spaces in which this liturgy was celebrated, because the churches preserved from that era have changed over the centuries altering its acoustic conditions respect to which they were in the period in which this liturgy was in effect. To carry out this project, acoustic models of a representative group of the pre-Romanesque churches in the Iberian Peninsula have been made in his primitive state. To select the sample of buildings to study, efforts have been made to ensure that the selected churches were representative of the range of expected acoustic behaviors in this type of buildings. Five churches have been selected, showing differences in the parameters that have the greatest influence on their acoustic behavior: the enclosure volume, the shape of the floor plan and the type of roof. The process of creating digital acoustic models of the churches has been divided into two phases. In the first phase acoustic models of the churches in its current state have been created. These models have been validated with the data obtained from in situ acoustic measurements. From the validated models of churches in its current state, in the second phase, changes in the acoustic models have been performed in order to represent the primitive state of the churches, according to the historical reconstruction hypothesis that have been proposed in the most recent archaeological investigations. Anechoic recordings of a series of pieces of the original Mozarabic Chant repertoire have been recorded. The recordings were made with a spherical array composed of 32 microphones, in order to obtain information on the directivity of the sound emission of the singers. These directivity data will be used to simulate the directional radiation of the sound sources in the auralizations. Finally, auralizations were produced corresponding to different liturgical configurations which were common in this rite.

Interacción desde dispositivos Android vía Bluetooth, con juguete teledirigido, para su uso por personas con discapacidad

El Proyecto Fin de Carrera, con título, "Interacción desde dispositivos Android vía Bluetooth, con juguete teledirigido, para su uso por personas con discapacidad" pretende completar la primera versión de la aplicación sobre dispositivo Android para manejar un juguete teledirigido añadiendo nuevas formas de interactuar con el dispositivo Android. Para este caso, el juguete teledirigido es el mismo: el robot esférico llamado Sphero. Dicho robot posee una interfaz a través de la cual puede recibir instrucciones, y mediante las cuales, se puede poner en movimiento o iluminarse con diferentes colores. Esta ampliación facilitará la interacción del usuario con el dispositivo Android, además de ampliar la funcionalidad hacia la inversa: recibir los movimientos del robot Sphero en el dispositivo Android cuando es manejado con la mano. Completando la primera versión, como cumplimiento de este Proyecto Fin de Carrera, se han realizado una serie de mandos nuevos, los cuales abarcan desde el manejo del robot por instrucciones de voz, movimientos del dispositivo Android desde el que se ejecuta, describir una trayectoria dibujada previamente en el dispositivo Android, o, realizar una serie de movimientos corregidos mediante la aplicación gracias a los límites de movimientos para un usuario concreto que pueden introducirse. Además, completando lo anteriormente escrito, se ha desarrollado una aplicación web que registrará todos los datos de uso del juguete, la cual, explota una base de datos que almacena toda interacción con el juguete. Estos datos estarán asociados a un usuario, debido a que la aplicación Android debe perfilarse para el uso de un usuario concreto. El perfilado de usuario se ha completado añadiendo una serie de información que puede ser útil para la persona que analice el comportamiento de una persona con discapacidad que utilice la aplicación. Por último, se ha realizado un estudio de elementos externos que puedan facilitar la interacción con los dispositivos Android a personas que sufran alguna discapacidad. ABSTRACT. The Thesis, titled "Interaction from Android devices via Bluetooth, with remote control toy, for use by people with disabilities" project aims to complete the first version of the application on Android device to manage a remote control toy adding new ways of interacting to Android device. For this case, the remote control toy is the same: the spherical robot called Sphero. This robot has an interface through which it can receive instructions, and by means of which can be set in motion or illuminated with different colors. This expansion will facilitate user interaction with the Android device, and extend the functionality to reverse: receiving Sphero robot movements in the Android device when handled by hand. Completing the first version, in fulfillment of this Thesis, there have been a number of new controls, which range from control of robot by voice instructions, movements Android device from which it runs, describe a path drawn previously on your Android device, or perform a series of movements corrected by applying through limits of movement for a particular user can be made. Besides completing the above written, has developed a web application that will record all data on use of the toy, which exploits a database that stores all interaction with the toy. These data will be associated with a user, because the Android application should be outlined for the use of a particular user. The user profile is completed by adding a range of information that can be useful for the person to analyze the behavior of a disabled person to use the application. Finally, a study was made of external elements that can facilitate interaction with Android devices to people who suffer from a disability.

Contribución a la caracterización espacial de canales con sistemas MIMO-OFDM en la banda de 2,45 Ghz

La tecnología de múltiples antenas ha evolucionado para dar soporte a los actuales y futuros sistemas de comunicaciones inalámbricas en su afán por proporcionar la calidad de señal y las altas tasas de transmisión que demandan los nuevos servicios de voz, datos y multimedia. Sin embargo, es fundamental comprender las características espaciales del canal radio, ya que son las características del propio canal lo que limita en gran medida las prestaciones de los sistemas de comunicación actuales. Por ello surge la necesidad de estudiar la estructura espacial del canal de propagación para poder diseñar, evaluar e implementar de forma más eficiente tecnologías multiantena en los actuales y futuros sistemas de comunicación inalámbrica. Las tecnologías multiantena denominadas antenas inteligentes y MIMO han generado un gran interés en el área de comunicaciones inalámbricas, por ejemplo los sistemas de telefonía celular o más recientemente en las redes WLAN (Wireless Local Area Network), principalmente por la mejora que proporcionan en la calidad de las señales y en la tasa de transmisión de datos, respectivamente. Las ventajas de estas tecnologías se fundamentan en el uso de la dimensión espacial para obtener ganancia por diversidad espacial, como ya sucediera con las tecnologías FDMA (Frequency Division Multiplexing Access), TDMA (Time Division Multiplexing Access) y CDMA (Code Division Multiplexing Access) para obtener diversidad en las dimensiones de frecuencia, tiempo y código, respectivamente. Esta Tesis se centra en estudiar las características espaciales del canal con sistemas de múltiples antenas mediante la estimación de los perfiles de ángulos de llegada (DoA, Direction-of- Arrival) considerando esquemas de diversidad en espacio, polarización y frecuencia. Como primer paso se realiza una revisión de los sistemas con antenas inteligentes y los sistemas MIMO, describiendo con detalle la base matemática que sustenta las prestaciones ofrecidas por estos sistemas. Posteriormente se aportan distintos estudios sobre la estimación de los perfiles de DoA de canales radio con sistemas multiantena evaluando distintos aspectos de antenas, algoritmos de estimación, esquemas de polarización, campo lejano y campo cercano de las fuentes. Así mismo, se presenta un prototipo de medida MIMO-OFDM-SPAA3D en la banda ISM (Industrial, Scientific and Medical) de 2,45 Ghz, el cual está preparado para caracterizar experimentalmente el rendimiento de los sistemas MIMO, y para caracterizar espacialmente canales de propagación, considerando los esquemas de diversidad espacial, por polarización y frecuencia. Los estudios aportados se describen a continuación. Los sistemas de antenas inteligentes dependen en gran medida de la posición de los usuarios. Estos sistemas están equipados con arrays de antenas, los cuales aportan la diversidad espacial necesaria para obtener una representación espacial fidedigna del canal radio a través de los perfiles de DoA (DoA, Direction-of-Arrival) y por tanto, la posición de las fuentes de señal. Sin embargo, los errores de fabricación de arrays así como ciertos parámetros de señal conlleva un efecto negativo en las prestaciones de estos sistemas. Por ello se plantea un modelo de señal parametrizado que permite estudiar la influencia que tienen estos factores sobre los errores de estimación de DoA, tanto en acimut como en elevación, utilizando los algoritmos de estimación de DOA más conocidos en la literatura. A partir de las curvas de error, se pueden obtener parámetros de diseño para sistemas de localización basados en arrays. En un segundo estudio se evalúan esquemas de diversidad por polarización con los sistemas multiantena para mejorar la estimación de los perfiles de DoA en canales que presentan pérdidas por despolarización. Para ello se desarrolla un modelo de señal en array con sensibilidad de polarización que toma en cuenta el campo electromagnético de ondas planas. Se realizan simulaciones MC del modelo para estudiar el efecto de la orientación de la polarización como el número de polarizaciones usadas en el transmisor como en el receptor sobre la precisión en la estimación de los perfiles de DoA observados en el receptor. Además, se presentan los perfiles DoA obtenidos en escenarios quasiestáticos de interior con un prototipo de medida MIMO 4x4 de banda estrecha en la banda de 2,45 GHz, los cuales muestran gran fidelidad con el escenario real. Para la obtención de los perfiles DoA se propone un método basado en arrays virtuales, validado con los datos de simulación y los datos experimentales. Con relación a la localización 3D de fuentes en campo cercano (zona de Fresnel), se presenta un tercer estudio para obtener con gran exactitud la estructura espacial del canal de propagación en entornos de interior controlados (en cámara anecóica) utilizando arrays virtuales. El estudio analiza la influencia del tamaño del array y el diagrama de radiación en la estimación de los parámetros de localización proponiendo, para ello, un modelo de señal basado en un vector de enfoque de onda esférico (SWSV). Al aumentar el número de antenas del array se consigue reducir el error RMS de estimación y mejorar sustancialmente la representación espacial del canal. La estimación de los parámetros de localización se lleva a cabo con un nuevo método de búsqueda multinivel adaptativo, propuesto con el fin de reducir drásticamente el tiempo de procesado que demandan otros algoritmos multivariable basados en subespacios, como el MUSIC, a costa de incrementar los requisitos de memoria. Las simulaciones del modelo arrojan resultados que son validados con resultados experimentales y comparados con el límite de Cramer Rao en términos del error cuadrático medio. La compensación del diagrama de radiación acerca sustancialmente la exactitud de estimación de la distancia al límite de Cramer Rao. Finalmente, es igual de importante la evaluación teórica como experimental de las prestaciones de los sistemas MIMO-OFDM. Por ello, se presenta el diseño e implementación de un prototipo de medida MIMO-OFDM-SPAA3D autocalibrado con sistema de posicionamiento de antena automático en la banda de 2,45 Ghz con capacidad para evaluar la capacidad de los sistemas MIMO. Además, tiene la capacidad de caracterizar espacialmente canales MIMO, incorporando para ello una etapa de autocalibración para medir la respuesta en frecuencia de los transmisores y receptores de RF, y así poder caracterizar la respuesta de fase del canal con mayor precisión. Este sistema incorpora un posicionador de antena automático 3D (SPAA3D) basado en un scanner con 3 brazos mecánicos sobre los que se desplaza un posicionador de antena de forma independiente, controlado desde un PC. Este posicionador permite obtener una gran cantidad de mediciones del canal en regiones locales, lo cual favorece la caracterización estadística de los parámetros del sistema MIMO. Con este prototipo se realizan varias campañas de medida para evaluar el canal MIMO en términos de capacidad comparando 2 esquemas de polarización y tomando en cuenta la diversidad en frecuencia aportada por la modulación OFDM en distintos escenarios. ABSTRACT Multiple-antennas technologies have been evolved to be the support of the actual and future wireless communication systems in its way to provide the high quality and high data rates required by new data, voice and data services. However, it is important to understand the behavior of the spatial characteristics of the radio channel, since the channel by itself limits the performance of the actual wireless communications systems. This drawback raises the need to understand the spatial structure of the propagation channel in order to design, assess, and develop more efficient multiantenna technologies for the actual and future wireless communications systems. Multiantenna technologies such as ‘Smart Antennas’ and MIMO systems have generated great interest in the field of wireless communications, i.e. cellular communications systems and more recently WLAN (Wireless Local Area Networks), mainly because the higher quality and the high data rate they are able to provide. Their technological benefits are based on the exploitation of the spatial diversity provided by the use of multiple antennas as happened in the past with some multiaccess technologies such as FDMA (Frequency Division Multiplexing Access), TDMA (Time Division Multiplexing Access), and CDMA (Code Division Multiplexing Access), which give diversity in the domains of frequency, time and code, respectively. This Thesis is mainly focus to study the spatial channel characteristics using schemes of multiple antennas considering several diversity schemes such as space, polarization, and frequency. The spatial characteristics will be study in terms of the direction-of-arrival profiles viewed at the receiver side of the radio link. The first step is to do a review of the smart antennas and MIMO systems technologies highlighting their advantages and drawbacks from a mathematical point of view. In the second step, a set of studies concerning the spatial characterization of the radio channel through the DoA profiles are addressed. The performance of several DoA estimation methods is assessed considering several aspects regarding antenna array structure, polarization diversity, and far-field and near-field conditions. Most of the results of these studies come from simulations of data models and measurements with real multiantena prototypes. In the same way, having understand the importance of validate the theoretical data models with experimental results, a 2,4 GHz MIMO-OFDM-SPAA2D prototype is presented. This prototype is intended for evaluating MIMO-OFDM capacity in indoor and outdoor scenarios, characterize the spatial structure of radio channels, assess several diversity schemes such as polarization, space, and frequency diversity, among others aspects. The studies reported are briefly described below. As is stated in Chapter two, the determination of user position is a fundamental task to be resolved for the smart antenna systems. As these systems are equipped with antenna arrays, they can provide the enough spatial diversity to accurately draw the spatial characterization of the radio channel through the DoA profiles, and therefore the source location. However, certain real implementation factors related to antenna errors, signals, and receivers will certainly reduce the performance of such direction finding systems. In that sense, a parameterized narrowband signal model is proposed to evaluate the influence of these factors in the location parameter estimation through extensive MC simulations. The results obtained from several DoA algorithms may be useful to extract some parameter design for directing finding systems based on arrays. The second study goes through the importance that polarization schemes can have for estimating far-field DoA profiles in radio channels, particularly for scenarios that may introduce polarization losses. For this purpose, a narrowband signal model with polarization sensibility is developed to conduct an analysis of several polarization schemes at transmitter (TX) and receiver (RX) through extensive MC simulations. In addition, spatial characterization of quasistatic indoor scenarios is also carried out using a 2.45 GHz MIMO prototype equipped with single and dual-polarized antennas. A good agreement between the measured DoA profiles with the propagation scenario is achieved. The theoretical and experimental evaluation of polarization schemes is performed using virtual arrays. In that case, a DoA estimation method is proposed based on adding an phase reference to properly track the DoA, which shows good results. In the third study, the special case of near-field source localization with virtual arrays is addressed. Most of DoA estimation algorithms are focused in far-field source localization where the radiated wavefronts are assume to be planar waves at the receive array. However, when source are located close to the array, the assumption of plane waves is no longer valid as the wavefronts exhibit a spherical behavior along the array. Thus, a faster and effective method of azimuth, elevation angles-of-arrival, and range estimation for near-field sources is proposed. The efficacy of the proposed method is evaluated with simulation and validated with measurements collected from a measurement campaign carried out in a controlled propagation environment, i.e. anechoic chamber. Moreover, the performance of the method is assessed in terms of the RMSE for several array sizes, several source positions, and taking into account the effect of radiation pattern. In general, better results are obtained with larger array and larger source distances. The effect of the antennas is included in the data model leading to more accurate results, particularly for range rather than for angle estimation. Moreover, a new multivariable searching method based on the MUSIC algorithm, called MUSA (multilevel MUSIC-based algorithm), is presented. This method is proposed to estimate the 3D location parameters in a faster way than other multivariable algorithms, such as MUSIC algorithm, at the cost of increasing the memory size. Finally, in the last chapter, a MIMO-OFDM-SPAA3D prototype is presented to experimentally evaluate different MIMO schemes regarding antennas, polarization, and frequency in different indoor and outdoor scenarios. The prototype has been developed on a Software-Defined Radio (SDR) platform. It allows taking measurements where future wireless systems will be developed. The novelty of this prototype is concerning the following 2 subsystems. The first one is the tridimensional (3D) antenna positioning system (SPAA3D) based on three linear scanners which is developed for making automatic testing possible reducing errors of the antenna array positioning. A set of software has been developed for research works such as MIMO channel characterization, MIMO capacity, OFDM synchronization, and so on. The second subsystem is the RF autocalibration module at the TX and RX. This subsystem allows to properly tracking the spatial structure of indoor and outdoor channels in terms of DoA profiles. Some results are draw regarding performance of MIMO-OFDM systems with different polarization schemes and different propagation environments.

Determining the elastic-plastic properties of metallic materials through instrumented indentation

En los últimos años, y asociado al desarrollo de la tecnología MEMS, la técnica de indentación instrumentada se ha convertido en un método de ensayo no destructivo ampliamente utilizado para hallar las características elástico-plásticas de recubrimientos y capas delgadas, desde la escala macroscópica a la microscópica. Sin embargo, debido al complejo mecanismo de contacto debajo de la indentación, es urgente proponer un método más simple y conveniente para obtener unos resultados comparables con otras mediciones tradicionales. En este estudio, el objetivo es mejorar el procedimiento analítico para extraer las propiedades elástico-plásticas del material mediante la técnica de indentación instrumentada. La primera parte se centra en la metodología llevada a cabo para medir las propiedades elásticas de los materiales elásticos, presentándose una nueva metodología de indentación, basada en la evolución de la rigidez de contacto y en la curva fuerza-desplazamiento del ensayo de indentación. El método propuesto permite discriminar los valores de indentación experimental que pudieran estar afectados por el redondeo de la punta del indentador. Además, esta técnica parece ser robusta y permite obtener valores fiables del modulo elástico. La segunda parte se centra en el proceso analítico para determinar la curva tensión-deformación a partir del ensayo de indentación, empleando un indentador esférico. Para poder asemejar la curva tension-deformación de indentación con la que se obtendría de un ensayo de tracción, Tabor determinó empíricamente un factor de constricción de la tensión () y un factor de constricción de la deformación (). Sin embargo, la elección del valor de y  necesitan una derivación analítica. Se describió analíticamente una nueva visión de la relación entre los factores de constricción de tensión y la deformación basado en la deducción de la ecuación de Tabor. Un modelo de elementos finitos y un diseño experimental se realizan para evaluar estos factores de constricción. A partir de los resultados obtenidos, las curvas tension-deformación extraidas de los ensayos de indentación esférica, afectadas por los correspondientes factores de constricción de tension y deformación, se ajustaron a la curva nominal tensión-deformación obtenida de ensayos de tracción convencionales. En la última parte, se estudian las propiedades del revestimiento de cermet Inconel 625-Cr3C2 que es depositado en el medio de una aleación de acero mediante un láser. Las propiedades mecánicas de la matriz de cermet son estudiadas mediante la técnica de indentación instrumentada, haciendo uso de las metodologías propuestas en el presente trabajo. In recent years, along with the development of MEMS technology, instrumented indentation, as one type of a non-destructive measurement technique, is widely used to characterize the elastic and plastic properties of metallic materials from the macro to the micro scale. However, due to the complex contact mechanisms under the indentation tip, it is necessary to propose a more convenient and simple method of instrumented indention to obtain comparable results from other conventional measurements. In this study, the aim is to improve the analytical procedure for extracting the elastic plastic properties of metallic materials by instrumented indentation. The first part focuses on the methodology for measuring the elastic properties of metallic materials. An alternative instrumented indentation methodology is presented. Based on the evolution of the contact stiffness and indentation load versus the depth of penetration, the possibility of obtaining the actual elastic modulus of an elastic-plastic bulk material through instrumented sharp indentation tests has been explored. The proposed methodology allows correcting the effect of the rounding of the indenter tip on the experimental indentation data. Additionally, this technique does not seem too sensitive to the pile-up phenomenon and allows obtaining convincing values of the elastic modulus. In the second part, an analytical procedure is proposed to determine the representative stress-strain curve from the spherical indentation. Tabor has determined the stress constraint factor (stress CF), and strain constraint factor (strain CF), empirically but the choice of a value for and is debatable and lacks analytical derivation. A new insight into the relationship between stress and strain constraint factors is analytically described based on the formulation of Tabor’s equation. Finite element model and experimental tests have been carried out to evaluate these constraint factors. From the results, representative stress-strain curves using the proposed strain constraint factor fit better with the nominal stress-strain curve than those using Tabor’s constraint factors. In the last part, the mechanical properties of an Inconel 625-Cr3C2 cermet coating which is deposited onto a medium alloy steel by laser cladding has been studied. The elastic and plastic mechanical properties of the cermet matrix are studied using depth-sensing indentation (DSI) on the micro scale.

Polpa de guavira (Campomanesia cambessedeana Berg) desidratada em spray dryer: efeitos das condições de processo e composição da alimentação nas propriedades físico químicas e atividade antioxidante

O objetivo desse trabalho foi obter polpa de guavira desidratada por atomização, utilizando maltodextrina ou goma arábica como agentes carreadores. Inicialmente, avaliou-se a influência das condições de processo, temperatura do ar de secagem (130, 155 e 180) °C e vazão volumétrica da mistura (20 e 40) mL/min, o tipo e concentração de agente carreador (10 e 20) % nas características físicas, físico-químicas e atividade antioxidante do produto obtido. As propriedades analisadas foram umidade, atividade de água, higroscopicidade, solubilidade, cor, distribuição e tamanho médio de partículas, morfologia, compostos fenólicos totais e atividade antioxidante. A temperatura do ar de secagem e a vazão volumétrica de alimentação influenciaram significativamente todas as propriedades da guavira em pó. A umidade e atividade de água apresentaram os menores valores na temperatura intermediária, independentemente do tipo e concentração do carreador usado. A solubilidade das amostras adicionadas de maltodextrina foram superiores às amostras com goma arábica. O aumento da concentração de agente carreador, em geral, proporcionou um aumento no parâmetro L* e diminuição dos parâmetros a* e b*, tornando as amostras mais claras e reduzindo as tonalidades vermelha e amarela. A guavira em pó apresentou coloração próxima do amarelo e marrom, com grande variação nos parâmetros de cor C* e H* em função das diferentes condições de secagem. A distribuição do tamanho de partículas não teve um padrão definido e o tamanho médio das amostras com maltodextrina foram maiores do que as com goma arábica para a temperatura do ar a 130 °C. No entanto, para as outras temperaturas (155 e 180) °C não houve um comportamento específico do tamanho das partículas em função da vazão de alimentação, tipo e ou concentração de agente carreador. A análise de microscopia eletrônica de varredura permitiu observar que as partículas obtidas tanto com maltodextrina como goma arábica apresentaram formato esférico, superfície rugosa e com adesão de partículas menores nas de maior tamanho, sendo que a superfície das partículas com goma arábica também apresentaram concavidades. A atividade antioxidante foi superior quando utilizada a temperatura de secagem intermediária. A partir das condições selecionadas na primeira etapa (temperatura do ar de 155 °C, vazão volumétrica da mistura de 40 mL/min e 10% de maltodextrina ou goma arábica) a polpa de guavira em pó foi caracterizada quanto a temperatura de transição vítrea, as isotermas de adsorção e a estabilidade à estocagem do ácido ascórbico, compostos fenólicos totais e da atividade antioxidante da polpa de guavira em pó produzida por spray drying ao longo de 120 dias. As temperaturas de transição vítrea foram de (25,2 ± 2,7 °C e 31,4 ± 0,4) °C para os pós produzidos com goma arábica e maltodextrina, respectivamente. O modelo de BET apresentou ajuste muito bom (R2>0,99) para descrever o comportamento de sorção de água das amostras nas temperaturas de (20, 30 e 40) °C. A polpa de guavira em pó produzida com goma arábica apresentou maior adsorção de água do que as amostras obtidas com maltodextrina. No estudo da estabilidade, as amostras foram acondicionadas em embalagem de polietileno laminado e armazenadas a 25 °C e umidade relativa de 75%. A embalagem de polietileno laminado foi eficiente na manutenção do teor de ácido ascórbico e atividade antioxidante da guavira em pó por um período de 120 dias, independente do carreador adicionado. O teor de compostos fenólicos para a guavira em pó com goma arábica apresentou uma redução nos primeiros 22 dias, contudo a amostra com maltodextrina manteve-se estável durante 120 dias de armazenamento.

Estudo e desenvolvimento de lipossomas com potencial para aplicação em base cosmética

A acne vulgar é uma das doenças cutâneas mais comuns, apresentando como um de seus fatores fisiopatológicos primários a colonização pelo microrganismo Propionibacterium acnes. Atualmente, têm-se buscado terapias alternativas para o combate ao P. acnes, destacando-se alguns ácidos graxos, como o ácido laúrico (LA). O LA é uma molécula pouco solúvel em água, sendo possível sua incorporação em lipossomas. Os lipossomas apresentam capacidade de encapsulação/ liberação de ativos e impedem a desidratação da pele, tornando-se ingredientes inovadores na área de cosméticos. Foram preparados lipossomas de dipalmitoilfosfatidilcolina (DPPC) contendo diferentes concentrações de LA, que variaram de 0 a 50% da concentração total em mol, em quatro pHs: 9,0, 7,4, 5,0 e 3,0. Nestes pHs o estado de protonação do LA muda variando de 0 a -1. Os lipossomas foram extrusados por filtros com poros de 100 nm de diâmetro visando à obtenção de vesículas unilamelares grandes (LUV). As LUV foram caracterizadas quanto a sua estabilidade em condições de prateleira, temperatura de transição de fase da bicamada, encapsulamento no interior aquoso, liberação do LA, difusão das vesículas na pele e seus aspectos morfológicos foram caracterizados por espalhamento de raios-X a baixo ângulo (SAXS) e crio-microscopia eletrônica de transmissão. Estudos de estabilidade mostraram que independentemente da concentração de LA, as formulações são mais estáveis em pHs mais altos, quando LA está em sua maioria na forma de laurato. Os experimentos de DSC revelaram que em pHs 3,0 e 5,0 e concentrações maiores de LA, a interação deste ácido graxo com as bicamadas é favorecida, havendo um aumento da temperatura de transição de fase (Tm) e diminuição da cooperatividade. Análises de taxa de incorporação de sondas hidrofílicas confirmaram a presença de um compartimento aquoso interno para as vesículas de DPPC:LA. O LA conseguiu permear a pele no período avaliado e pouco LA foi liberado das vesículas em condições de temperatura ambiente. A morfologia das LUV se mostrou bem diferente da esperada e se observaram vesículas com mais de uma bicamada e outros formatos que não o esférico. Estes resultados podem auxiliar na otimização das condições para uma formulação que poderá ser usada no tratamento da acne, aumentando a eficácia do LA no sítio alvo.

Estudo da solidificação equiaxial utilizando o modelo do campo de fases tridimensional.

Este trabalho apresenta um estudo da solidificação de metais puros utilizando o modelo de campo de fases. O modelo é utilizado para simular a solidificação com o intuito de obter a morfologia da interface sólido-líquido sob diversas condições de transferência de calor. Foram realizados testes de validação comparando as morfologias da interface sólido-líquido obtida com as morfologias apresentadas em trabalhos anteriores para os casos bi e tridimensionais. O modelo do campo de fases adotado consiste principalmente de duas equações diferenciais: uma para calcular a variável de campo de fases e outra para calcular o campo de temperaturas. As equações foram solucionadas numericamente para um oitavo do domínio devido a simetria do problema. Os cálculos do modelo indicam que um sólido esférico com um raio inicial menor que o raio crítico de nucleação refunde. Entretanto uma esfera de raio maior cresce. Quando o sólido inicial cresce em uma malha numérica relativamente grosseira, a forma do sólido desvia da forma esférica devido perturbações na interface sólido-líquido. Quando a malha é refinada, as perturbações não são detectadas; contudo, quando introduzidas artificialmente as perturbações crescem e distorcem o formato esférico.

Tecnologia CAM aplicada no fabrico por fresagem de componentes mecânicos : caracterização do processo de fresagem e dos componentes produzidos

Na fase inicial desta Dissertação foi realizada uma revisão abordando as operações por corte de arranque de apara mais comuns, considerando-se que estas seriam o torneamento, a furação mecânica e a fresagem, sendo esta última operação abordada de uma forma mais detalhada, uma vez que esta operação será o tema central de estudo neste trabalho. Realizou-se também um estudo mais elaborado sobre alguns fundamentos de fresagem como a maquinagem concordante e discordante, fatores que influenciam no acabamento final da maquinagem, diâmetro efetivo de corte para uma ferramenta de topo esférico, flexão da ferramenta, entre outros. Temas como o CAD-CAM, CNC e Engenharia Inversa foram também particularizados neste trabalho, pois o conhecimento destes assuntos por parte do leitor seriam importantes para a compreensão do trabalho posteriormente desenvolvido. Na parte seguinte deste trabalho foi realizada uma parte experimental. Um primeiro trabalho foi desenvolvido com base numa geometria a duas dimensões, onde foi necessária a realização das geometrias no software AUTOCAD® e posterior utilização do MASTERCAM® para criar os ciclos de maquinagem e, para um segundo trabalho, desta vez com base numa geometria a três dimensões, utilizou-se o SOLID-WORKS® para extração da Bucha e Cavidade e o MASTERCAM® para criar os ciclos de maquinagem. Ambos os trabalhos foram produzidos no Centro de maquinagem existente no Departamento de Engenharia Mecânica do Instituto Superior de Engenharia de Coimbra.

O problema da matéria escura e o teorema do virial na teoria de gravidade Eddington-Born-Infeld

Dark matter is a fundamental ingredient of the modern Cosmology. It is necessary in order to explain the process of structures formation in the Universe, rotation curves of galaxies and the mass discrepancy in clusters of galaxies. However, although many efforts, in both aspects, theoretical and experimental, have been made, the nature of dark matter is still unknown and the only convincing evidence for its existence is gravitational. This rises doubts about its existence and, in turn, opens the possibility that the Einstein’s gravity needs to be modified at some scale. We study, in this work, the possibility that the Eddington-Born-Infeld (EBI) modified gravity provides en alternative explanation for the mass discrepancy in clusters of galaxies. For this purpose we derive the modified Einstein field equations and find their solutions to a spherical system of identical and collisionless point particles. Then, we took into account the collisionless relativistic Boltzmann equation and using some approximations and assumptions for weak gravitational field, we derived the generalized virial theorem in the framework of EBI gravity. In order to compare the predictions of EBI gravity with astrophysical observations we estimated the order of magnitude of the geometric mass, showing that it is compatible with present observations. Finally, considering a power law for the density of galaxies in the cluster, we derived expressions for the radial velocity dispersion of the galaxies, which can be used for testing some features of the EBI gravity.

O problema da matéria escura e o teorema do virial na teoria de gravidade Eddington-Born-Infeld

Dark matter is a fundamental ingredient of the modern Cosmology. It is necessary in order to explain the process of structures formation in the Universe, rotation curves of galaxies and the mass discrepancy in clusters of galaxies. However, although many efforts, in both aspects, theoretical and experimental, have been made, the nature of dark matter is still unknown and the only convincing evidence for its existence is gravitational. This rises doubts about its existence and, in turn, opens the possibility that the Einstein’s gravity needs to be modified at some scale. We study, in this work, the possibility that the Eddington-Born-Infeld (EBI) modified gravity provides en alternative explanation for the mass discrepancy in clusters of galaxies. For this purpose we derive the modified Einstein field equations and find their solutions to a spherical system of identical and collisionless point particles. Then, we took into account the collisionless relativistic Boltzmann equation and using some approximations and assumptions for weak gravitational field, we derived the generalized virial theorem in the framework of EBI gravity. In order to compare the predictions of EBI gravity with astrophysical observations we estimated the order of magnitude of the geometric mass, showing that it is compatible with present observations. Finally, considering a power law for the density of galaxies in the cluster, we derived expressions for the radial velocity dispersion of the galaxies, which can be used for testing some features of the EBI gravity.

Efeitos diretos e indiretos de parâmetros dos semivariogramas referentes aos atributos químicos do solo sobre a produtividade de grãos de soja

In order to add value to soybens crops, and hence the marketing, medium and large producers have been using precision agriculture techniques (PA), as the Remote Sensing, Geographic Information Systems (GIS) and positioning satellite, to assist the management of crops. Thus, given the economic relevance of that culture to the southwest of Paraná State and Brazil, scientific studies to increase their productivity and profitability are of main importance. The objective of this study was to evaluate the correlation between the chemical soil properties and soybean yield for each estimated parameter of semivariogram (range, nugget and level effect), and the deployment of these correlations in direct and indirect effects, aiming to improve the mapping process of spatial variability of soil chemical properties for use in PA. The hypothesis is that not all attributes of soil used to estimate the semivariogram parameters has a direct effect on productivity, and that even in groups of plants within a larger area it is possible to estimate the parameters of the semivariograms. The experiment was conducted in a commercial area of 19.7 ha, located in the city of Pato Branco - PR, central geographic coordinates 26º 11 '35 "South, 52 43' 05" West longitude, and average altitude of 780 m. The area is planted with soybeans for over 30 years, currently being adopted to cultivate Brasmax Target RR - Don Mario 5.9i, with row spacing of 0.50 m and 13 plants m-1, totaling 260,000 plants ha-1. For georeferencing of the area of study and sampling points was used a couple of topographic ProMarkTM3 receptors, making a relative positioning to obtain the georeferenced coordinates. To collect data (chemical analyzes of soil and crop yield) were sampled 10 blocks in the experimental area, each with an area of 20 m2 (20 meters long x 1 meter wide) containing two spaced adjacent rows of 0.5 m. Each block was divided into 20 portions of 1 m2, and from each were collected four subsamples at a distance of 0.5 m in relation to the lines of blocks, making up a sample depth for 0-10 cm a sample to 10-20 cm for each plot, totaling 200 samples for each depth. The soybean crop was performed on the blocks depending on maturity, and in each block was considered a bundle at each meter. In the data analysis, it was performed a diagnosis of multicollinearity, and subsequently a path analysis of the main variables according to the explanatory variables (range of chemical attributes: pH, K, P, Ca, etc.). The results obtained by the path analysis of the parameters of the semivariogram of soil chemical properties, indicated that only the Fe, Mg, Mn, organic matter (OM), P and Saturation by bases (SB) exerted direct and indirect effects on soybean productivity, although they have not presented spatial variability, indicating that the distribution of blocks in the area was unable to identify the spatial dependence of these elements, making it impossible to draw up maps of the chemical attributes for use in PA.

Aneis intraestromais –intacts®- a nossa experiência no tratamento do queratocone

Introdução: O queratocone é uma ectasia progressiva e não inflamatória da córnea, relativamente comum na prática clinica, e que se manifesta por uma diminuição progressiva da acuidade visual, associada a miopia e astigmatismo miópico irregular de difícil correcção. Os anéis corneanos intraestromais são uma opção terapêutica nos doentes com queratocone, visando melhorar a acuidade visual, a maior tolerância ao uso de lentes de contacto e protelar a necessidade de um transplante de córnea. Os autores apresentam os resultados da sua experiência, nos últimos 3 anos, com o implante de anéis intraestromais INTACS SK® em doentes com queratocone. Material e Métodos: Foram incluídos 21 olhos de 20 doentes submetidos a colocação de segmentos de anéis intraestromais –Intacs SK®-, por técnica manual assistida por vácuo. A técnica cirúrgica consistiu na criação de uma incisão radial no eixo mais curvo, com zona óptica de 7 mm, e criação de túneis por dissecção mecânica sob vácuo. Os critérios de inclusão foram: queratocone moderado a severo com Km<65D, sem compromisso da transparência central da córnea, baixa acuidade visual e/ou intolerância às lentes de contacto e paquimetria superior a 400 micras na área de inserção. Todos os doentes foram submetidos a exame oftalmológico completo e estudo topográfico corneano com Pentacam®. Foram registados os seguintes parâmetros no pré e pós-operatório (3 a 6 meses): melhor acuidade visual corrigida, equivalente esférico, esfera e cilindro, queratometria e paquimetria. Foram ainda registadas as complicações pós-operatórias. Utilizou-se o Teste Paired-samples t-test e o Teste de Wilcoxon para determinar se existia diferença estatisticamente significativa entre o pré e o pós-operatório em relação aos parâmetros analisados, adoptando-se um nível de significância de 5%. Resultados: Foram incluídos 21 olhos de 20 doentes, 9 mulheres e 11 homens. A idade média foi de 33,81 anos, variando entre os 12 e os 70 anos. Para todos os parâmetros analisados encontrou-se uma diferença estatisticamente significativa (p <0,05) entre o pré e o pós-operatório. Após 3 a 6 meses de colocação dos anéis, verificou-se melhoria de acuidade visual em 85,7% dos doentes, com valor médio de 0,5 pré-operatório para 0,3 unidades LogMar pós-operatório. O equivalente esférico médio diminuiu de -7,13 dioptrias pré-operatórias para -4,19 dioptrias pós-operatórias (redução de 2,94 dioptrias) e a queratometria média de 50,44 dioptrias para 48,01 dioptrias (redução de 2,43 dioptrias). Com um tempo máximo de seguimento de 3 anos, os depósitos estéreis no túnel estromal foram a complicação mais frequente no pós-operatório, não se verificando outras complicações como extrusão ou migração do anel, neovascularização ou infecção corneana. Conclusão: O implante de anéis intraestromais INTACS SK® permitiu melhorar a acuidade visual corrigida na grande maioria dos doentes, com redução do equivalente esférico e da queratometria e aumento da regularidade topográfica.

Size-dependent electronic properties of metal nanoparticles.

105 p.

La octava esfera o la esfera de las estrellas fijas

Según el modelo cosmológico medieval, heredero directo del sistema de representación cosmológica del Mundo Antiguo, el Universo era esférico, y en su centro, inmóvil, estaba situada la Tierra. Ésta se encontraba rodeada por las esferas, “orbes”, de los siete planetas1, quedando esta estructura cerrada por la octava esfera o esfera de las estrellas fijas, en la que se disponían las constelaciones. Más allá se encontraba el primun mobile que ponía en marcha la maquinaría celeste, siendo identificado en el mundo cristiano con Dios. La esfera de las estrellas fijas se convirtió en un motivo iconográfico de gran interés a lo largo de toda la Edad Media, bien en su representación unitaria, como la octava esfera que cierra el sistema de representación cosmológica, o a través de la representación de sus constelaciones.