Pitch perception: A dynamical-systems perspective

Two and a half millennia ago Pythagoras initiated the scientific study of the pitch of sounds; yet our understanding of the mechanisms of pitch perception remains incomplete. Physical models of pitch perception try to explain from elementary principles why certain physical characteristics of the stimulus lead to particular pitch sensations. There are two broad categories of pitch-perception models: place or spectral models consider that pitch is mainly related to the Fourier spectrum of the stimulus, whereas for periodicity or temporal models its characteristics in the time domain are more important. Current models from either class are usually computationally intensive, implementing a series of steps more or less supported by auditory physiology. However, the brain has to analyze and react in real time to an enormous amount of information from the ear and other senses. How is all this information efficiently represented and processed in the nervous system? A proposal of nonlinear and complex systems research is that dynamical attractors may form the basis of neural information processing. Because the auditory system is a complex and highly nonlinear dynamical system, it is natural to suppose that dynamical attractors may carry perceptual and functional meaning. Here we show that this idea, scarcely developed in current pitch models, can be successfully applied to pitch perception.

Signal Processing Techniques for Chipless UWB RFID Thermal Threshold Detector Detection.

This letter presents signal processing techniques to detect a passive thermal threshold detector based on a chipless time-domain ultrawideband (UWB) radio frequency identification (RFID) tag. The tag is composed by a UWB antenna connected to a transmission line, in turn loaded with a biomorphic thermal switch. The working principle consists of detecting the impedance change of the thermal switch. This change occurs when the temperature exceeds a threshold. A UWB radar is used as the reader. The difference between the actual time sample and a reference signal obtained from the averaging of previous samples is used to determine the switch transition and to mitigate the interferences derived from clutter reflections. A gain compensation function is applied to equalize the attenuation due to propagation loss. An improved method based on the continuous wavelet transform with Morlet wavelet is used to overcome detection problems associated to a low signal-to-noise ratio at the receiver. The average delay profile is used to detect the tag delay. Experimental measurements up to 5 m are obtained.

Atenuação de vibrações em pás de helicópteros utilizando circuito piezelétrico semi-passivo

O uso de materiais inteligentes em problemas de controle de vibração tem sido investigado em diversas pesquisas ao longo dos últimos anos. Apesar de que diferentes materiais inteligentes estão disponíveis, o piezelétrico tem recebido grande atenção devido à facilidade de uso como sensores, atuadores, ou ambos simultaneamente. As principais técnicas de controle usando materiais piezoelétricos são os ativos e passivos. Circuitos piezelétricos passivos são ajustados para uma frequência específica e, portanto, a largura de banda efetiva é pequena. Embora os sistemas ativos possam apresentar um bom desempenho no controle de vibração, a quantidade de energia externa e hardware adicionado são questões importantes. As técnicas SSD (Synchronized Switch Damping) foram desenvolvidas como uma alternativa aos controladores passivos e controladores ativos de vibração. Elas podem ser técnicas semi-ativas ou semi-passivas que introduzem um tratamento não linear na tensão elétrica proveniente do material piezelétrico e induz um aumento na conversão de energia mecânica para energia elétrica e, consequentemente, um aumento no efeito de amortecimento. Neste trabalho, o controle piezoelétrico semi-passivo de uma pá piezelétrica engastada é apresentado e comparado com outros controladores. O modelo não linear electromecânico de uma pá com piezocerâmicas incorporados é determinado com base no método variacional-assintótico (VAM). O sistema rotativo acoplado não linear é resolvido no domínio do tempo, utilizando um método de integração alfa-generalizado afim de garantir a estabilidade numérica. As simulações são realizadas para uma vasta gama de velocidades de rotação. Em primeiro lugar, um conjunto de resistências (variando desde a condição de curto-circuito para a condição de circuito aberto) é considerada. O efeito da resistência ótima (que resulta em máximo amortecimento) sobre o comportamento do sistema é investigado para o aumento da velocidade de rotação. Mais tarde, a técnica SSDS é utilizada para amortecer as oscilações da pá com o aumento da velocidade de rotação. Os resultados mostram que a técnica SSDS pode ser um método útil para o controle de vibrações de vigas rotativas não lineares, tais como pás de helicóptero.

Multiclassificador inteligente de falhas no domínio do tempo em motores de indução trifásicos alimentados por inversores de frequência

Os motores de indução desempenham um importante papel na indústria, fato este que destaca a importância do correto diagnóstico e classificação de falhas ainda em fase inicial de sua evolução, possibilitando aumento na produtividade e, principalmente, eliminando graves danos aos processos e às máquinas. Assim, a proposta desta tese consiste em apresentar um multiclassificador inteligente para o diagnóstico de motor sem defeitos, falhas de curto-circuito nos enrolamentos do estator, falhas de rotor e falhas de rolamentos em motores de indução trifásicos acionados por diferentes modelos de inversores de frequência por meio da análise das amplitudes dos sinais de corrente de estator no domínio do tempo. Para avaliar a precisão de classificação frente aos diversos níveis de severidade das falhas, foram comparados os desempenhos de quatro técnicas distintas de aprendizado de máquina; a saber: (i) Rede Fuzzy Artmap, (ii) Rede Perceptron Multicamadas, (iii) Máquina de Vetores de Suporte e (iv) k-Vizinhos-Próximos. Resultados experimentais obtidos a partir de 13.574 ensaios experimentais são apresentados para validar o estudo considerando uma ampla faixa de frequências de operação, bem como regimes de conjugado de carga em 5 motores diferentes.

Aplicação de técnicas inteligentes com análise no domínio do tempo para reconhecimento de defeitos em motores de indução trifásicos

Os motores de indução trifásicos são os principais elementos de conversão de energia elétrica em mecânica motriz aplicados em vários setores produtivos. Identificar um defeito no motor em operação pode fornecer, antes que ele falhe, maior segurança no processo de tomada de decisão sobre a manutenção da máquina, redução de custos e aumento de disponibilidade. Nesta tese são apresentas inicialmente uma revisão bibliográfica e a metodologia geral para a reprodução dos defeitos nos motores e a aplicação da técnica de discretização dos sinais de correntes e tensões no domínio do tempo. É também desenvolvido um estudo comparativo entre métodos de classificação de padrões para a identificação de defeitos nestas máquinas, tais como: Naive Bayes, k-Nearest Neighbor, Support Vector Machine (Sequential Minimal Optimization), Rede Neural Artificial (Perceptron Multicamadas), Repeated Incremental Pruning to Produce Error Reduction e C4.5 Decision Tree. Também aplicou-se o conceito de Sistemas Multiagentes (SMA) para suportar a utilização de múltiplos métodos concorrentes de forma distribuída para reconhecimento de padrões de defeitos em rolamentos defeituosos, quebras nas barras da gaiola de esquilo do rotor e curto-circuito entre as bobinas do enrolamento do estator de motores de indução trifásicos. Complementarmente, algumas estratégias para a definição da severidade dos defeitos supracitados em motores foram exploradas, fazendo inclusive uma averiguação da influência do desequilíbrio de tensão na alimentação da máquina para a determinação destas anomalias. Os dados experimentais foram adquiridos por meio de uma bancada experimental em laboratório com motores de potência de 1 e 2 cv acionados diretamente na rede elétrica, operando em várias condições de desequilíbrio das tensões e variações da carga mecânica aplicada ao eixo do motor.

O efeito da estimulação top-down e bottom-up no potencial evocado auditivo de tronco encefálico com estímulo complexo

Introdução: Crianças com transtorno fonológico (TF) apresentam dificuldade na percepção de fala, em processar estímulos acústicos quando apresentados de forma rápida e em sequência. A percepção dos sons complexos da fala, dependem da integridade no processo de codificação analisado pelo Sistema Nervoso Auditivo. Por meio do Potencial Evocado Auditivo de Tronco Encefálico com estímulo complexo (PEATEc) é possível investigar a representação neural dos sons em níveis corticais e obter informações diretas sobre como a estrutura do som da sílaba falada é codificada no sistema auditivo. Porém, acredita-se que esse potencial sofre interferências tanto de processos bottom-up quanto top-down, o que não se sabe é quanto e como cada um desses processos modifica as respostas do PEATEc. Uma das formas de investigar a real influência dos aspectos top-down e bottom-up nos resultados do PEATEc é estimulando separadamente esses dois processos por meio do treinamento auditivo e da terapia fonoaudiológica. Objetivo: Verificar o impacto da estimulação sensorial (processamento bottom-up) e cognitiva (processamento top-down), separadamente, nos diferentes domínios da resposta eletrofisiológica do PEATEc. Método: Participaram deste estudo 11 crianças diagnosticadas com TF, com idades entre 7 e 10:11, submetidas a avaliação comportamental e eletrofisiológica e então dividas nos grupos Bottom-up (B-U) (N=6) e Top-down T-D (N=5). A estimulação bottom-up foi voltada ao treinamento das habilidades sensoriais, através de softwares de computador. A estimulação top-down foi realizada por meio de tarefas para estimular as habilidades cognitiva por meio do Programa de Estimulação Fonoaudiológica (PEF). Ambas as estimulações foram aplicadas uma vez por semana, num período de aproximadamente 45 minutos por 12 semanas. Resultados: O grupo B-U apresentou melhoras em relação aos domínios onset e harmônicos e no valor da pontuação do escore após ser submetido à estimulação bottom-up. Por sua vez, após serem submetidos à estimulação top-down, o grupo T-D apresentou melhoras em relação aos domínios onset, espectro-temporal, fronteiras do envelope e harmônicos e para os valores da pontuação do escore. Conclusão: Diante dos resultados obtidos neste estudo, foi possível observar que a estimulação sensorial (processamento bottom-up) e a estimulação cognitiva (processamento top-down) mostraram impactar de forma diferente a resposta eletrofisiológica do PEATEc

Controle cooperativo aplicado a sistemas de posicionamento dinâmico.

Hoje em dia com o crescente aumento da exploração de petróleo e gás em águas profundas, há um aumento na demanda por operações offshore envolvendo a cooperação entre unidades flutuantes. Tais operações requerem um alto nível de planejamento e coordenação, o que na maioria dos casos é feito com a troca de informação no nível de operação, com cada unidade flutuante comandada independentemente. Exemplos de operações deste tipo vão desde operações de alívio passando por operações de instalação de equipamento submarino, até operações de pesquisa envolvendo múltiplas unidades flutuantes dotadas de sistema de posicionamento dinâmico (DP). As vantagens do controle cooperativo surgem com a redução do erro da distância relativa durante a manutenção do posicionamento ou durante a execução de manobras de posicionamento conjuntas. No presente trabalho, os conceitos de controle de consenso são aplicados de forma combinada com o sistema DP de cada navio. A influência dos ganhos do controlador cooperativo no sistema como um todo será discutida, utilizando-se técnicas de análise da resposta em frequência. Simulações completas no domínio do tempo e experimentos usando modelos em escala serão utilizados para se demonstrar o funcionamento do controle cooperativo. Todas as simulações serão conduzidas no simulador Dynasim e os ensaios experimentais no tanque de provas da Engenharia Naval da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. Além disso, serão feitas comparações entre os experimentos em tanque de provas e simulações numéricas equivalentes, demonstrando-se a validade dos ensaios numéricos. Será também demonstrado que os requisitos de projetos adotados são atendidos pelos ensaios em tanque de provas. .

Force-free twisted magnetospheres of neutron stars

Context. The X-ray spectra observed in the persistent emission of magnetars are evidence for the existence of a magnetosphere. The high-energy part of the spectra is explained by resonant cyclotron upscattering of soft thermal photons in a twisted magnetosphere, which has motivated an increasing number of efforts to improve and generalize existing magnetosphere models. Aims. We want to build more general configurations of twisted, force-free magnetospheres as a first step to understanding the role played by the magnetic field geometry in the observed spectra. Methods. First we reviewed and extended previous analytical works to assess the viability and limitations of semi-analytical approaches. Second, we built a numerical code able to relax an initial configuration of a nonrotating magnetosphere to a force-free geometry, provided any arbitrary form of the magnetic field at the star surface. The numerical code is based on a finite-difference time-domain, divergence-free, and conservative scheme, based of the magneto-frictional method used in other scenarios. Results. We obtain new numerical configurations of twisted magnetospheres, with distributions of twist and currents that differ from previous analytical solutions. The range of global twist of the new family of solutions is similar to the existing semi-analytical models (up to some radians), but the achieved geometry may be quite different. Conclusions. The geometry of twisted, force-free magnetospheres shows a wider variety of possibilities than previously considered. This has implications for the observed spectra and opens the possibility of implementing alternative models in simulations of radiative transfer aiming at providing spectra to be compared with observations.

Ultrasonic and X-ray computed tomography characterization of progressive fracture damage in low-porous carbonate rocks

This paper studies the fracturing process in low-porous rocks during uniaxial compressive tests considering the original defects and the new mechanical cracks in the material. For this purpose, five different kinds of rocks have been chosen with carbonate mineralogy and low porosity (lower than 2%). The characterization of the fracture damage is carried out using three different techniques: ultrasounds, mercury porosimetry and X-ray computed tomography. The proposed methodology allows quantifying the evolution of the porous system as well as studying the location of new cracks in the rock samples. Intercrystalline porosity (the smallest pores with pore radius < 1 μm) shows a limited development during loading, disappearing rapidly from the porosimetry curves and it is directly related to the initial plastic behaviour in the stress–strain patterns. However, the biggest pores (corresponding to the cracks) suffer a continuous enlargement until the unstable propagation of fractures. The measured crack initiation stress varies between 0.25 σp and 0.50 σp for marbles and between 0.50 σp and 0.85 σp for micrite limestone. The unstable propagation of cracks is assumed to occur very close to the peak strength. Crack propagation through the sample is completely independent of pre-existing defects (porous bands, stylolites, fractures and veins). The ultrasonic response in the time-domain is less sensitive to the fracture damage than the frequency-domain. P-wave velocity increases during loading test until the beginning of the unstable crack propagation. This increase is higher for marbles (between 15% and 30% from initial vp values) and lower for micrite limestones (between 5% and 10%). When the mechanical cracks propagate unstably, the velocity stops to increase and decreases only when rock damage is very high. Frequency analysis of the ultrasonic signals shows clear changes during the loading process. The spectrum of treated waveforms shows two main frequency peaks centred at low (~ 20 kHz) and high (~ 35 kHz) values. When new fractures appear and grow the amplitude of the high-frequency peak decreases, while that of the low-frequency peak increases. Besides, a slight frequency shift is observed towards higher frequencies.

Parameters of the Earths orbit for the last 5 Million years in 1 kyr resolution

New values for the astronomical parameters of the Earth's orbit and rotation (eccentricity, obliquity and precession) are proposed for paleoclimatic research related to the Late Miocene, the Pliocene and the Quaternary. They have been obtained from a numerical solution of the Lagrangian system of the planetary point masses and from an analytical solution of the Poisson equations of the Earth-Moon system. The analytical expansion developed in this paper allows the direct determination of the main frequencies with their phase and amplitude. Numerical and analytical comparisons with the former astronomical solution BER78 are performed so that the accuracy and the interval of time over which the new solution is valid can be estimated. The corresponding insolation values have also been computed and compared to the former ones. This analysis leads to the conclusion that the new values are expected to be reliable over the last 5 Ma in the time domain and at least over the last 10 Ma in the frequency domain.

Mineralogy of ODP Hole 117-722B (Appendix)

Bulk mineralogy of the terrigenous fraction of 99 samples from ODP Site 722 on the Owen Ridge, western Arabian Sea, has been determined by x-ray diffraction, using an internal standard method. The sampling interval, approximately 4.3 k.y., provides a detailed mineralogic record for the past 500 k.y. Previous studies have identified important modern continental sediment sources and the mineral assemblages presently derived from each. These studies have also demonstrated that most of this material is supplied by southwest and northwest winds during the summer monsoon. A variety of marine and terrestrial records and general circulation model (GCM) simulations have indicated the importance of monsoonal circulation during the Pleistocene and Holocene and have demonstrated increased aridity during glacial times and increased humidity during inter glacials. The mineralogic data generated here were used to investigate variations in source area weathering conditions during these environmental changes. Terrigenous minerals present include smectite, illite, palygorskite, kaolinite, chlorite, quartz, plagioclase feldspar, and dolomite. This mineralogy is consistent with the compositions of source areas presently supplying sediment to the Arabian Sea. An R-mode factor analysis has identified four mineral assemblages present throughout the past 500 k.y.: quartz/chlorite/dolomite (Factor 1), kaolinite/plagioclase/illite (Factor 2), smectite (Factor 3), and palygorskite/dolomite (Factor 4). Chlorite, illite, and palygorskite are extremely susceptible to chemical weathering, and a spectral comparison of these factors with the eolian mass accumulation rate (MAR) record from Hole 722B (an index of dust source area aridity) indicates that Factors 1, 2, and 4 are directly related to changes in aridity. Because of these characteristics, Factors 1,2, and 4 are interpreted to originate from arid source regions. Factor 3 is interpreted to record more humid source conditions. Time-series of scores for the four factors are dominated by short-term (10-100 k.y.) variability, and do not correlate well to glacial/interglacial fluctuations in the time domain. These characteristics suggest that local climatic shifts were complex, and that equilibrium weathering assemblages did not develop immediately after climatic change. Spectral analysis of factor scores identifies peaks at or near the primary Milankovitch frequencies for all factors. Factor 1 (quartz/chlorite/dolomite), Factor 2 (kaolinite/plagioclase/illite), and Factor 4 (illite/palygorskite) are coherent and in phase with the MAR record over the 23, 41, and 100 k.y. bands, respectively. The reasons for coherency at single Milankovitch frequencies are not known, but may include differences in the susceptibilities of minerals to varying time scales of weathering and/or preferential development of suitable continental source environments by climatic changes at the various Milankovitch frequencies.

(Table 1) Diatom abundance and preservation in ODP Hole 130-806B samples

We report on diatom abundance and preservation stratigraphy in the uppermost four cores of Ocean Drilling Program Hole 806B, which span the Quaternary period. Changes in diatom abundance and preservation show a rather complicated pattern, with much noise at high frequencies. However, in the cycles corresponding to eccentricity and obliquity variations, the picture is quite clear. Abundance and preservation follow glacial-interglacial cycles, with lowest abundances and poorest preservation observed in sediments that correspond to glacial stages. Seventy taxa compose the diatom assemblage of Hole 806B (from Samples 130-806B-1H-1, 8-9 cm, to -4H-7, 73-74 cm) with Azpeitia nodulifera as the dominant member. This species exhibits significant size variations related to glacial and interglacial stages during the Pleistocene. The distribution of power in the Fourier spectrum of the diatom signal (in the time domain) displays the expected Milankovitch frequencies (at 100,41, and 24-18 k.y.). It also shows concentration at various "odd" frequencies, especially at 62 k.y., suggesting a complicated response of productivity (and silicate chemistry) to climatic forcing.

Modelling the input-output behaviour of piezoelectric structural health monitoring systems for composite plates

This paper investigates the input-output characteristics of structural health monitoring systems for composite plates based on permanently attached piezoelectric transmitter and sensor elements. Using dynamic piezoelectricity theory and a multiple integral transform method to describe the propagating and scattered flexural waves an electro-mechanical model for simulating the voltage input-output transfer function for circular piezoelectric transmitters and sensors adhesively attached to an orthotropic composite plate is developed. The method enables the characterization of all three physical processes, i.e. wave generation, wave propagation and wave reception. The influence of transducer, plate and attached electrical circuit characteristics on the voltage output behaviour of the system is examined through numerical calculations, both in frequency and the time domain. The results show that the input-output behaviour of the system is not properly predicted by the transducers' properties alone. Coupling effects between the transducers and the tested structure have to be taken into account, and adding backing materials to the piezoelectric elements can significantly improve the sensitivity of the system. It is shown that in order to achieve maximum sensitivity, particular piezoelectric transmitters and sensors need to be designed according to the structure to be monitored and the specific frequency regime of interest.

Consequences of incorrect sampling procedures in resonance-based radar target identification

Radar target identification based on complex natural resonances is sometimes achieved by convolving a linear time-domain filter with a received target signature. The filter is constructed from measured or pre-calculated target resonances. The performance of the target identification procedure is degraded if the difference between the sampling rates of the target signature and the filter is ignored. The problem is investigated for the natural extinction pulse technique (E-pulse) for the case of identifying stick models of aircraft.