Beamforming considerando difração acústica em superfícies cilíndricas

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Fonseca, William D'Andrea
Data de Publicação: 2013
Tipo de documento: Tese
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Institucional da UFSC
Texto Completo: https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/107608
Resumo: Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2013.
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spelling Beamforming considerando difração acústica em superfícies cilíndricas Engenharia mecânicaAcústicaDifracaoImagem acusticaProcessamento de sinaisMetodos de elementos de contornoTese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2013.Beamforming é uma técnica de processamento de sinais já conhecida por suas aplicações em antenas e radioastronomia. É, essencialmente, uma técnica de localização de fontes baseada na conformação de feixes de onda de uma dada direção ou região no espaço. Sua aplicação em acústica foi iniciada de forma rústica na primeira grande guerra. Todavia, os avanços que propiciaram a criação das imagens acústicas são datados a partir dos anos setenta. Este trabalho propõe a aplicação desta técnica considerando que os sensores estão posicionados na superfície de uma estrutura rígida e cilíndrica, sendo que o campo externo é o objeto de interesse. Deste modo, fontes sonoras ao redor do cilindro serão detectáveis e passíveis de visualização. Para este propósito, diferente do comumente aplicado, não somente o campo livre é considerado, mas também o campo de difração que é criado pelo cilindro. A modelagem analítica do problema é desenvolvida e adaptada para a aplicação do algoritmo de beamforming. Esta é uma das contribuições desta pesquisa visto que, na maioria das aplicações, somente o campo incidente é considerado no pós-processamento. Além disso, para uma das geometrias estudadas, medições foram realizadas em ambiente anecoico para comparar os resultados com as simulações analítica e numérica.Outros métodos numéricos foram também empregados em duas frentes: para confirmar o significado físico e discutir resultados, e para encontrar uma geometria mais adequada. O Método de Elementos de Contorno (MEC ou BEM) é utilizado para avaliação do problema de maneira genérica, visto que quase todos os tipos de estruturas podem ser modelados em seu domínio. O objetivo é calcular as mesmas situações de difração com o modelo analítico e com o MEC e compará-las. O trabalho então apresenta um estudo correlacionando à malha do modelo 3D com os erros de localização nos mapas criados pelo beamforming. Em conseguinte, um método de otimização baseado em Algoritmo Genético (GA) é desenvolvido para posicionar os sensores na superfície do cilindro de modo a prevenir lóbulos laterais, lóbulos espelho e maximizar a faixa dinâmica.A aplicação dos métodos estudados junto ao beamforming criou novos aspectos em design de arrays. Ao longo do documento as discussões apontam os aprimoramentos e problemas relacionados ao desempenho na localização de fontes sonoras. Ao final, há um sumário acerca das contribuições da pesquisa e algumas ideias para trabalhos futuro. <br>Abstract : Beamforming is a signal processing technique recognized for its applications in antennas and radio astronomy. It is essentially a technique to locate sources based on the conformation of wave beams from a given direction or region in space. Its application in acoustics originated rudimentarily during World War I. However, the advances that have led to the creation of acoustic images date from the early seventies.The present work proposes the application this technique considering the sensors are over a rigid cylindrical surface with the external field as the object of interest. Thus, sound sources anywhere around the cylinder become detectable and subject to viewing. For this purpose not only the free-field is considered, but also the diffraction acoustic field created by the cylinder. The problem?s analytical modelling is developed and adapted in order to apply the beamforming algorithm. This is one of the contributions of this research since in most applications only the incident field is considered in post-processing. In addition, measurements were carried out in an anechoic environment for one of the geometries studied to compare the results with the analytical and numerical simulations.Other numerical methods are also employed on two fronts: to confirm the physical meaning and discuss the results, and to search for a more suitable geometry. The Boundary Element Method (BEM) is used to generically review the problem, since the great majority of structures can be modelled in its domain. The objective is to calculate the same diffraction situations in the analytical model and the BEM for comparison. The work then presents a study on the mesh of the 3D model used correlated with beamforming sound source map location errors. Subsequently, an optimisation method based on the Genetic Algorithm (GA) is developed to place the sensors over the cylinder's surface in order to prevent sidelobes, grating lobes, and to maximize the dynamic range. The application of the methods studied together with beamforming has created new aspects in array design. This document then discusses and points out the improvements and problems with respect to sound source location performance. Finally, there is a summary concerning the research contributions and some thoughts for future work.Gerges, Samir Nagi YousriVorländer, MichaelUniversidade Federal de Santa CatarinaFonseca, William D'Andrea2013-12-06T00:36:43Z2013-12-06T00:36:43Z2013info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisxxx, 340 p.| il., grafs., tabs.application/pdf319741https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/107608engreponame:Repositório Institucional da UFSCinstname:Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)instacron:UFSCinfo:eu-repo/semantics/openAccess2013-12-06T00:36:43Zoai:repositorio.ufsc.br:123456789/107608Repositório InstitucionalPUBhttp://150.162.242.35/oai/requestopendoar:23732013-12-06T00:36:43Repositório Institucional da UFSC - Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)false
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