Tesis sobre el tema "Excitation du source glottique"

La Conversion de la Voix (VC) vise à transformer les caractéristiques de la voix d’un locuteur source de manière qu’il sera perçu comme étant prononcé par un locuteur cible. Le principe de la VC est de définir des fonctions du transposition pour la conversion de la voix de l’un locuteur source à la voix de l’un locuteur cible. Les fonctions de transformation de VC systèmes "State-Of-The-Art" (START) adapte instantanément aux caractéristiques de la voix source. Cependant, la qualité est pas encore suffisant. Des améliorations considérables sont nécessaires que les techniques VC peuvent être utilisés dans un environnement industriel professionnel. L’objectif de cette thèse est d’augmenter la qualité de la conversion de la voix pour faciliter son applicabilité industrielle dans une mesure raisonnable. Les propriétés de base de différentes START algorithmes de la conversion de la voix sont discutés sur leurs avantages intrinsèques et ses déficits. Basé sur des évaluations expérimentales avec un GMM VC système la conclusion est que la plupart des systèmes VC START qui reposent sur des modèles statistiques sont, en raison de l’effet en moyenne de la régression linéaire, moins appropriées pour atteindre un score du similitude assez élevé avec le haut-parleur cible requise pour l’utilisation industrielle. Les contributions établies pendant de ce travail de thèse se trouvent dans les moyens étendus à a) modéliser l’excitation du source glottique, b) modéliser des descripteurs de la voix en utilisant un nouveau système de parole basée sur un modèle élargie de source-filtre, et c) avancer une nouveau système VC de l’Ircam en le combinant avec les contributions de a) et b)
Voice Conversion (VC) aims at transforming the characteristics of a source speaker’s voice in such a way that it will be perceived as being uttered by a target speaker. The principle of VC is to define mapping functions for the conversion from one source speaker’s voice to one target speaker’s voice. The transformation functions of common State-Of-The-Art (START) VC system adapt instantaneously to the characteristics of the source voice. While recent VC systems have made considerable progress over the conversion quality of initial approaches, the quality is nevertheless not yet sufficient. Considerable improvements are required before VC techniques can be used in an professional industrial environment. The objective of this thesis is to augment the quality of Voice Conversion to facilitate its industrial applicability to a reasonable extent. The basic properties of different START algorithms for Voice Conversion are discussed on their intrinsic advantages and shortcomings. Based on experimental evaluations of one GMM-based State-Of-The-Art VC approach the conclusion is that most VC systems which rely on statistical models are, due to averaging effect of the linear regression, less appropriate to achieve a high enough similarity score to the target speaker required for industrial usage. The contributions established throughout this thesis work lie in the extended means to a) model the glottal excitation source, b) model a voice descriptor set using a novel speech system based on an extended source-filter model, and c) to further advance IRCAM’s novel VC system by combining it with the contributions of a) and b)

Cette étude s'intéresse au problème de l'inversion d'un modèle de production de la voix pour obtenir, à partir d'un enregistrement audio de parole, une représentation de le source sonore qui est générée au niveau de la glotte, la source glottique, ainsi qu'un représentation des résonances et anti-résonances créées par le conduit vocal. Cette séparation permet de manipuler les éléments composant la voix de façon indépendente. On trouve de nombreuses applications de ce sujet comme celles présentées dans cette étude (transformation de la voix et synthèse de la parole) et bien d'autres comme la conversion d'identité, la synthèse d'expressivité, la restauration de la voix qui peuvent être utilisées dans les technologies de divertissement, des installations sonores, les industries de la musique et du cinéma, les jeux vidéos et autres jouets sonores, la télécommunication, etc. Dans cette étude, nous supposons que les éléments perçus de la voix peuvent être manipulés en utilisant le modèle source-filtre. Dans le domaine spectral, la production de la voix est donc décrite comme une multiplication des spectres de ses éléments, la source glottique, le filtre du conduit vocal et la radiation. La seconde hypothèse utilisée dans cette étude concerne la composante déterministe de la source glottique. En effet, nous supposons qu'un modèle glottique peut schématiser une période de la source glottique. En utilisant une telle description analytique, les spectres d'amplitude et de phase de la source déterministe sont donc liés par les paramètres de forme du modèle glottique. Vis-à-vis de l'état de l'art des méthodes de transformation de la voix et de sa synthèse, le naturel et le contrôle de ces voix devraient donc être améliorés en utilisant un tel modèle. Par conséquent, nous essayons de répondre au trois questions suivantes dans cette étude: 1) Comment estimer un paramètre de forme d'un modèle glottique. 2) Comment estimer le filtre du conduit vocal en utilisant ce modèle glottique. 3) Comment transformer et synthétiser un signal vocal en utilisant toujours ce même modèle. Une attention toute particulière à été portée à la première question. Premièrement, nous supposons que la source glottique est un signal à phase mixte et que la réponse impulsionnelle du filtre du conduit vocal est un signal à minimum de phase. Puis, considérant ces propriétés, différentes méthodes sont proposées qui minimisent la phase carrée moyenne du résiduel convolutif d'un spectre de parole observé et de son modèle. Une dernière méthode est décrite où un unique paramètre de forme est solution d'une forme quasi fermée du spectre observé. De plus, cette étude discute les conditions qu'un modèle glottique et sa paramétrisation doivent satisfaire pour assurer que les paramètres sont estimés de façon fiable en utilisant les méthodes proposées. Ces méthodes sont également évaluées et comparées avec des méthodes de l'état de l'art en utilisant des signaux synthétiques et electro-glotto-graphiques. En utilisant une des méthodes proposées, l'estimation du paramètre de forme est indépendante de la position et de l'amplitude du modèle glottique. En plus, il est montré que cette même méthode surpasse toute les méthodes comparées en terme d'efficacité. Pour répondre à la deuxième et à la troisième question, nous proposons une procédure d'analyse/synthèse qui estime le filtre du conduit vocal en utilisant un spectre observé et sa source estimée. Des tests de préférences ont été menés et leurs résultats sont présentés dans cette étude pour comparer la procédure décrite et d'autres méthodes existantes. En terme de transposition de hauteur perçue, il est montré que la qualité globale des segments voisés d'un enregistrement peut être meilleure pour des facteurs de transposition importants en utilisant la méthode proposée. Il est aussi montré que le souffle perçu d'une voix peut être contrôlé efficacement.

Les relations entre les paramètres de source glottique et la qualité vocale sont étudiées en voix parlée et chantée, par étude spectrale des modèles de signaux, par mesures acoustiques et électroglottographiques et par détermination des seuils différentiels. Les corrélats spectraux de ces paramètres sont évalués à partir des expressions analytiques temporelles et spectrales des modèles de signaux. Une augmentation de l'amplitude de voisement ou de la vitesse de fermeture entraîne une amplification spectrale globale. Le quotient ouvert et le coefficient d'asymétrie sont corrélés à la fréquence et la largeur de bande du formant glottique, ainsi qu'à l'amplitude de la pente spectrale. Le quotient de phase de retour affecte la pente spectrale en haute fréquence. L'estimation du quotient ouvert à partir de la différence spectrale entre les deux premiers harmoniques, H1-H2, est étudiée de façon théorique et expérimentale. Elle n'est pas adaptée aux signaux de voix chantée, où l'interaction entre source et filtre devient importante. L'utilisation des signaux électroglottographiques dérivés, qui permettent de détecter les instants d'ouverture et de fermeture glottique indépendamment du système supraglottique, est explorée et des méthodes de mesure de la fréquence fondamentale et du quotient ouvert sont proposées. Une base de données a été constituée, par enregistrement simultané des signaux acoustiques et électroglottographiques de 18 chanteurs entraînés sur des voyelles tenues, des sons filés ou des phrases parlées et chantées. Le quotient ouvert est analysé en fonction de l'intensité vocale et de la fréquence fondamentale, dans les deux principaux mécanismes laryngés de production vocale. Il présente des valeurs plus élevées en mécanisme II (0.5 < Oq < 0.95) qu'en mécanisme I (0.3 < Oq < 0.8) et la transition entre mécanismes s'accompagne d'un saut marqué de quotient ouvert. Il est fortement corrélé à l'intensité vocale en mécanisme I et à la fréquence fondamentale en mécanisme II et dépend de l'ouverture de la voyelle émise. Les seuils différentiels associés au quotient ouvert et au coefficient d'asymétrie sont mesurés. Le seuil différentiel relatif DOq/Oq est de l'ordre de 14 % pour 20 sujets non-entraînés et 10 % pour 10 sujets entraînés. Il ne varie pas lors d'un changement de voyelle ou de fréquence fondamentale, mais dépend du paramètre d'amplitude et de la présence ou non d'un vibrato.

Les relations entre les parametres de source glottique et la qualite vocale sont etudiees en voix parlee et chantee, par etude spectrale des modeles de signaux, par mesures acoustiques et electroglottographiques et par determination des seuils differentiels. Les correlats spectraux de ces parametres sont evalues a partir des expressions analytiques temporelles et spectrales des modeles de signaux. Une augmentation de l'amplitude de voisement ou de la vitesse de fermeture entraine une amplification spectrale globale. Le quotient ouvert et le coefficient d'asymetrie sont correles a la frequence et la largeur de bande du formant glottique, ainsi qu'a l'amplitude de la pente spectrale. Le quotient de phase de retour affecte la pente spectrale en haute frequence. L'estimation du quotient ouvert a partir de la difference spectrale entre les deux premiers harmoniques, h 1 - h 2, est etudiee de facon theorique et experimentale. Elle n'est pas adaptee aux signaux de voix chantee, ou l'interaction entre source et filtre devient importante. L'utilisation des signaux electroglottographiques derives, qui permettent de detecter les instants d'ouverture et de fermeture glottique independamment du systeme supraglottique, est exploree et des methodes de mesure de la frequence fondamentale et du quotient ouvert sont proposees. Une base de donnees a ete constituee, par enregistrement simultane des signaux acoustiques et electroglottographiques de 18 chanteurs entraines sur des voyelles tenues, des sons files ou des phrases parlees et chantees. Le quotient ouvert est analyse en fonction de l'intensite vocale et de la frequence fondamentale, dans les deux principaux mecanismes larynges de production vocale. Il presente des valeurs plus elevees en mecanisme ii (0. 5 o q 0. 95) qu'en mecanisme i (0. 3 o q 0. 8) et la transition entre mecanismes s'accompagne d'un saut marque de quotient ouvert. Il est fortement correle a l'intensite vocale en mecanisme i et a la frequence fondamentale en mecanisme ii et depend de l'ouverture de la voyelle emise. Les seuils differentiels associes au quotient ouvert et au coefficient d'asymetrie sont mesures. Le seuil differentiel relatif o q/o q est de l'ordre de 14% pour 20 sujets non-entraines et 10% pour 10 sujets entraines. Il ne varie pas lors d'un changement de voyelle ou de frequence fondamentale, mais depend du parametre d'amplitude et de la presence ou non d'un vibrato.

La génération à la demande d'excitations quantiques dans un état contrôlé permet la construction de systèmes quantiques de plus en plus complexe. Cependant, la réponse collective de la mer de Fermi à une perturbation comprend généralement à la fois des électrons et des trous, ce qui rend la manipulation d'un nombre limité de degrés de liberté difficile. Une méthode permettant de générer une excitation élémentaire résolue en temps dans un conducteur cohérent unidimensionnel a été proposée : l'application de pulses de tension de forme lorentzienne. Un pulse Vp(t) de forme quelconque injecte un nombre fini de paires électron-trou. La seule possibilité de supprimer les trous et de laisser la mer de Fermi intacte est d'appliquer des pulses lorentziens dont le flux est quantifié. Les paquets d'onde transférés sont des quasi-particules et appelés Levitons. Ils ont des propriétés statistiques remarquables : ils minimisent le bruit de grenaille. Dans cette thèse, on étudie la génération de ces objets et on démontre que des pulses lorentziens constituent une source d'électrons à la demande. Des pulses GHz sont appliqués sur un contact ponctuel quantique (QPC) semi-réfléchissant et refroidi au-dessous de 50mK. Le bruit de grenaille photo-assisté (PASN) généré est proportionnel au nombre total d'électrons et de trous, ce qui permet de tester la source. Le PASN permet également de déterminer la distribution en énergie et le profil temporel des paquets d'onde
The on-demand generation of well-controlled quantum excitations leads to the operation of increasingly complex quantum systems. However, the collective response of the Fermi sea to a perturbation typically includes holes and electrons and the control of a few degrees of liberty is difficult to achieve. A means of generating a time-resolved elementary excitation through short-time voltage pulses Vp(t) applied on the contacts of a one-dimensional coherent conductor has been predicted. For most voltage pulses, a finite number of neutral electron-hole pairs are injected. The only possibility to suppress hole-generation, which means that the Fermi sea appears unmodified, is through lorentzian-shaped voltage pulses with quantized flux. The transferred quantum states, termed levitons, have strikingly simple statistical properties: they minimize the shot noise when impinging a static potential barrier. In this thesis, we study the generation of this states and show that lorentzian pulses implement an on-demand electron source. GHz pulses are applied on a partially-transmitting quantum point contact (QPC) below 50mK and realized from a two-dimensional electron gas in a GaAs/AlGaAs heterostructure. The resulting Photo-Assisted Shot Noise (PASN) is proportional to the number of electrons and holes, thus testing the source properties. Additional characterizations performed with the PASN include the energy distribution of the excitations and their time-domain extension

Ce manuscrit de thèse décrit le développement d'un faisceau d'électrons intense et bref qui s'insère dans le cadre de la recherche sur les propriétés nucléaires de la matière au sein des plasmas chauds et denses. Afin d'obtenir un tel faisceau, une nouvelle source a été imaginée, dont le principe est basé sur l'extraction des électrons d'un plasma produit par une impulsion laser intense. La caractérisation du plasma produit par laser lors de son expansion fait l'objet d'une première partie expérimentale de ce manuscrit. Ensuite, une différence de potentiel électrique de l'ordre de quelques kV appliquée sur le plasma lors de son expansion montre que l'extraction des électrons est un processus dynamique. Ces observations expérimentales sont validées par des études numériques à l'aide du code de simulation Particle-In-Cell "XOOPIC". Enfin, les distributions en surface et en énergie des électrons extraits du plasma sont déterminées expérimentalement et numériquement tout au long de l'expansion du plasma, ce qui fait l'objet d'une ultime partie de ce manuscrit. Pour cela, un détecteur de type Faraday Cup est utilisé. Une analyse de l'intensité d'émission du courant d'électrons via un modèle numérique met en évidence la présence d'un pré-plasma fournissant un champ électrique extracteur supplémentaire
This Ph.D thesis describes the development of an intense and brief electron beam and forms part of the research on the nuclear properties of matter in hot and dense plasmas. In order to obtain such a beam, a new source has been created, the principle is based on the extraction of electrons from a plasma produced by an intense laser pulse. The characterization of the laser-produced plasma during its expansion is the subject of a first experimental part of this thesis. Then, an electrical potential of the order of a few kV applied to the plasma during its expansion shows that the extraction of the electrons is a dynamic process. These experimental observations are validated by numerical studies using Particle-In-Cell simulation code "XOOPIC". Finally, the surface and energy distributions of the electrons extracted from the plasma are determined experimentally and numerically throughout the plasma expansion, which is the final part of this thesis. For this, a Faraday Cup type detector is used. An analysis of the emission intensity of the electron current with a numerical model shows the presence of a pre-plasma providing an additional extracting electric field

Cette these a pour but de proposer des methodes permettant d'ameliorer la decomposition source-filtre du signal vocal. Premierement, nous comparons deux methodes (fi et arx) d'extraction des parametres du conduit vocal et de l'excitation glottique tant au niveau de la reduction de l'erreur d'estimation par rapport a la methode lpc classique que de la complexite. Deuxiemement, nous montrons que l'utilisation du modele armax ameliore le modele de decomposition source-filtre ainsi que la modelisation des sons nasaux. L'application de notre modele a l'estimation des formants et des largeurs de bandes ainsi que la comparaison avec la methode de covariance confirmant que le modele source-filtre estime mieux le conduit vocal. Une etude statistique sur la variabilite des parametres de l'excitation glottique et ses applications a la transformation de la voix sont presentees

This research uses Bayesian analysis of fluorescence spectroscopy results to determine if wastewater from the Heber Valley Special Service District (HVSSD) lagoons in Midway, UT has seeped into the adjacent Provo River. This flow cannot be directly measured, but it is possible to use fluorescence spectroscopy to determine if there is seepage into the river.Fluorescence spectroscopy results of water samples obtained from HVSSD lagoons and from upstream and downstream in the Provo River were used to conduct this statistical analysis. The fluorescence 'fingerprints' for the upstream and lagoon samples were used to deconvolute the two sources in a downstream sample in a manner similar to the tools and methods discussed in the literature and used for source apportionment of air pollutants. The Bayesian statistical method employed presents a novel way of conducting source apportionment and identifying the existence of pollution.This research demonstrates that coupling fluorescence spectroscopy with Bayesian statistical methods allows researchers to determine the degree to which a water source has been contaminated by a pollution source. This research has applications in determining the affect sanitary wastewater lagoons and other lagoons have on an adjacent river due to groundwater seepage. The method used can be applied in scenarios where direct collection of hydrogeologic data is not possible. This research demonstrates that the Bayesian chemical mass balance model presented is a viable method of performing source apportionment.

Dans la rééducation selon la Méthode de la paille, on utilise des constrictions du tractus vocal, en particulier une paille (2 à 5mm de diamètre). Le débit de sortie doit être soutenu et indépendant de la fréquence. Chez un sujet expert :- PSG, PIO et débit de sortie dépendent du diamètre de la paille- PSG augmente avec la fréquence- débit et PIO sont peu sensibles à la fréquence- la différence [PSG - PIO] (ΔP) est indépendante du diamètre de la paille- le ΔP est identique au seuil de pression phonatoire (SPP) - sur les constrictives (/z/, /ʁ/ et /ʒ/), le ΔP est au-dessus du SPP- dans les enchaînements [constrictive - voyelle], le débit reste constant et la pression sousglottique baisse modérémentSur une population de 36 adultes sains, la valeur la plus basse du SPP se trouve au fondamental usuel de la voix.Sur une population de 22 sujets, les SPP s'abaissent avec la pratique des exercices. Les examens en fibro- et radiovidéoscopie, pendant et après les exercices montrent que :- les cavités sus-glottiques sont dilatées pendant et après l'exercice- la constriction glottique augmente avec la résistance à la sortie- le plan glottique s'élève légèrement avec la fréquenceDix instrumentistes à vent ont été examinés en fibrovidéoscopie : il y a une adduction des plis vocaux pendant le jeu et une importante activité synergique de la glotte sur le jeu en détaché. Les perspectives dégagées par ce travail intéressent :- la clinique, dans l'exploration des troubles de la voix.- la rééducation et la pédagogie- la phonétique (étude des interactions pavillon - source)
The reeducation according to the Methode of the straw using constrictions of the vocal tract, in particular a straw (2 in 5mm of diameter). The release flow must be steady and independent from the frequency. At a subject expert in the method: - PSG, PIO and release flow) depend on the diameter of the straw- PSG increases with the frequency- flow and PIO seem little perceptible to the variations of frequency- the difference [PSG - PIO] (ΔP) is independent from the diameter of the straw- the ΔP value is identical to the SPP - on the constrictive (/z/, /ʁ/ et /ʒ/) the ΔP is over the SPP- in the sequences [constrictive - vowel], the flow remains constant and the subglottal pressure falls moderatelyOn a population of 36 healthy adults, the lowest value of the SPP being in fundamental usual of the voice. On a population of 22 subjects, the SPP fall with the practice of the exercises. The examines with fibro- and radiovideoscopia during and after the execution of the exercises show that: - the supraglottal cavities are dilated during and after the exercise- the glottal constriction increases with the release resistance- the glottal plan rise slightly with the frequencyTen wind instrumentalists were examined with fibrovideoscopia: there is a adduction of the vocal folds during the play and an important synergic activity of the glottis during the staccato play.The perspectives cleared by this work could interest:- the clinical exploration of the voice disorders- the voice rehabilitation and pedagogy- the phonetic (study of the interactions [ tract - glottal source])

In the field of aeronautics (Aircraft, helicopters, space launchers...), as in the field of the automobile, reducing the harmful effects of acoustics constitutes a major concern at the international level and justifies the call for further research. With these challenges in mind, the manufacturers have expressed the need for simple models immediately available as early as the stage of preliminary drafts. This Master's Thesis presents the study and the validation of three different approaches to meet this industrial need. The first approach is based on the propagation of waves in the structure; the second approach uses the technique of SEA by calculating the equivalent damping; and the last approach uses the modal technique.In the three approaches, the transfer matrix method has been used to study the succession of layers. Applying these approaches to some aircraft structures confirm their relevance in relation to more exact and costly methods, such as the finite elements method.

Bioimpedance spectroscopy is very useful in biomedical field as a safe and non-invasive technique. A stable and safe excitation current below than 0.5 mA for load impedances changing from 100 Ω to 10 kΩ in the full β-dispersion range from kHz up to 1 MHz is a big challenge for the design of the current source addressed by this thesis. For a good stability and high accuracy, the source should have a high output impedance. Different current source types in “current-mode approach” and “voltage-mode approach” were investigated and compared for usability in bioimpedance measurement systems. The “voltage-mode approach” with grounded load was proven to be more suitable and stable for biomedical measurements. Thereby the Tietze and the Howland circuit in dual configuration with negative feedback have shown the lowest error of the output current and the highest output impedance, where the improved Howland circuit in dual configuration with negative feedback is preferred because it has a simple structure, high accuracy and good stability. We suggest to improve the stability of the Howland circuit in dual configuration with negative feedback by introducing compensated operational amplifiers and to reduce stray capacitances at higher frequencies by adding gain compensation capacitor. We reach thereby an accuracy of 0.5% at low frequency and 0.9% at 1 MHz. With the realized accuracy of the designed voltage controlled current source, one decisive prerequisite for portable bioimpedance measurement system is achieved. In order to select the appropriate excitation signals for short measurement time, a comparative study of signals and their parameters was carried out. It leads to the selection of binary chirp signal as a suitable excitation signal due to its short measurement time about 100 μs, low crest factor lower than 2.8 and an energy efficiency higher than 54% in a very noisy signal. Simulation results show that the designed enhanced Howland current source excited by the binary chirp signal has low error and flatness in the whole range
Die Bioimpedanzspektroskopie gewinnt aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften als nicht-invasive, schonende Messmethode zunehmend an Bedeutung im biomedizinischen Bereich. Dabei ergeben sich besondere erausforderungen für den Entwurf der Stromquelle zur Realisierung eines stabilen und sicheren Anregungsstroms. Gefordert ist eine hohe Genauigkeit bis zu einem Maximalstrom von 0.5 mA in einem Frequenzbereich, der der β-Dispersion entspricht, von wenigen kHz bis hin zu 1 MHz. Die Stabilität muss bei variablen Lastimpedanzen im Bereich von 100 Ω bis 10 kΩ gewährleistet sein. Dafür muss die Stromquelle eine hohe Ausgangsimpedanz aufweisen. Diese Arbeit fokussiert auf den Entwurf von spannungsgesteuerten Stromquellen. Verschiedene Arten von Stromquellen wurden untersucht und verglichen. Der "Voltage-Modus-Ansatz" mit Masse-referenzierter Last hat sich als besser geeignet und stabiler für biomedizinische Messungen erwiesen. Die Tietze-Schaltung und diese Howland-Schaltung zeigen dabei die niedrigsten Fehler des Ausgangsstroms und die höchste Ausgangsimpedanz. Im direkten Vergleich besitzt die verbesserte Howland-Schaltung doch eine einfachere Struktur, höhere Genauigkeit und bessere Stabilität und wird daher gegenüber der Tietze-Schaltung bevorzugt. Um weitere Stabilitätsverbesserungen bei der Howland-Schaltung zu erreichen, werden zwei Maβnahmen vorgeschlagen. Zum einen werden kompensierte Operationsverstärker eingeführt und zum anderen wird der Einfluss von Streukapazitäten bei hohen Frequenzen minimiert indem die Verstärkung mit Kondensatoren kompensiert wird. Durch diese Maβnahmen wird eine Genauigkeit von 0.5% bei niedrigen Frequenzen und 0.9% bei 1 MHz ermöglicht. Mit dem neuen Entwurf der spannungsgesteuerten Stromquelle ist ein entscheidender Meilenstein für die Realisierung tragbarer Messsysteme der Bioimpedanz erreicht. Um eine kurze Messzeit zu realisieren wurde eine vergleichende Studie von Anregungssignalen und deren Signalparameter durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass binäre Chirp-Signale aufgrund der reduzierten Messzeit, des niedrigen Crest-Faktors unter 2.8 und hohe Energieeffizienz von mehr als 54% bei hohem Rauschlevel besonders geeignet sind. Simulationsergebnisse zeigen, dass die entwickelte Howland-Stromquelle zusammen mit einem binären Mehrfrequenzsignal den geringsten Amplitudenfehler im gesamten Frequenzbereich realisiert

De nos jours, les matériaux composites sont très largement utilisés dans l’industrie aéronautique et aérospatiale car ils ont de très bonnes tenues mécaniques, mais ces matériaux comportent de fortes hétérogénéités dues aux fibres et aux liants qui les constituent. Ainsi, depuis de nombreuses années, l’équipe TIFC «Thermal Imaging Fields and Characterization » du département TREFLE de l’institut I2M développe des méthodes de mesure des propriétés thermophysiques de matériaux hétérogènes dans le plan ou dans l’épaisseur. Ces méthodes sont très variées du point de vue des méthodes inverses (transformée intégrale, double décomposition en valeurs singulières, …) ou expérimentale (Flash, diode laser, …). Le faible coût des diodes lasers et des systèmes de déplacement de miroirs galvanométriques ont permis de développer un système complet de scanner optique laser, monté sur un banc de mesure. Il permet de revisiter les différents types de sollicitations thermiques et de réaliser une infinité de combinaisons spatiotemporelles d’excitations thermiques par méthode laser. Ceci est une des principales originalités de ce travail. De nouvelles méthodes inverses basées sur la réponse thermique au point source impulsionnel et sur la séparabilité des champs de température ont été proposées. Ces méthodes ont permis d’estimer le tenseur de diffusivité thermique selon les axes principaux d’anisotropie, mais aussi hors des axes du repère de l’image, où il est possible de déterminer l’orientation des axes d’anisotropie, lorsque le transfert de chaleur s’effectue hors des axes du repère de l’image. Ces méthodes ont permis d’obtenir des résultats intéressants comptetenu de leur simplicité. De plus, elles ont permis d’obtenir des cartographies de diffusivités thermiques dans le plan car, comparées aux autres méthodes, elles permettent d’obtenir des estimations du tenseur de diffusivité thermique localement grâce à l’obtention d’une cartographie de flux thermique surfacique via le scanner optique laser
Nowadays, composite materials are widely used in the aeronautic and aerospace industries because of their high mechanical resistance. However, they have a large heterogeneity due to the fiber and matrix they are made of. In this way, for many years, the TIC team «Thermal Imaging Fields and Characterization » from TREFLE department of I2M laboratory develops methods to measure thermal in-plane properties of heterogeneous materials such as inverses (integral transforms, double singular value decomposition…) or experimental (Flash, laser diode…) methods. The recent progress made in optical control, lasers and infrared (IR) cameras enables the development of a new scanning system (based on galvanometer-mirror) which allows the easy control of a laser hot spot spatial and temporal displacements over a plane surface. The low cost of laser diodes and optical control (galvanometric mirror) systems allows to develop a laser scanning system fixed on a test bench. We can revisit the different types of thermal excitation and realize infinite spatio-temporal combinations of thermal excitations by laser method. This is one of this thesis aims. New inverse methods based on the thermal response to an instantaneous point source heating, and temperature fields separability, have been proposed. These methods allow to estimate the thermal diffusivity tensor along the main axes of anisotropy, but also out of those axes, where it is possible to estimate the anisotropy axes orientation when the heat transfer takes place out of the image axes. These methods have produced interesting results in view of their simplicity. Moreover, they made it possible to obtain in-plane thermal diffusivities maps because, compared to the other methods, they allow to obtain, locally, thermal diffusivity tensor estimations by getting a surface heat flux map using the laser optical scanner

Cette thèse porte sur l'influence de la voyelle sur les mécanismes laryngés (M1 et M2) en voix chantée. Nous avons observé que les chanteurs associent le /a/ à M1 et le /i/ à M2. Nous avons alors cherché des corrélats physiologiques et acoustiques en étudiant l'influence des voyelles sur les limites phonétographiques, sur plusieurs paramètres de source et spectraux ainsi que sur les transitions des mécanismes. La limite supérieure des phonétogrammes est de 10 dB plus intense pour /a/ que pour /i/ en M1, mais pas en M2. Le phonétogramme de M2 est donc décalé, par rapport à celui de M1, vers les faibles niveaux pour /a/ mais pas pour /i/. Ce décalage est dû en partie à la différence de valeurs de quotient ouvert entre M1 et M2. De plus, l'amplitude du signal électroglottographique augmente avec l'intensité et est plus grande pour /i/ que pour /a/, révélant des différences glottiques de production de voyelles à mêmes hauteur et intensité. Les liens entre les voyelles et la position verticale du larynx dépendent de l'expertise vocale des chanteurs. L'étude de la répartition de l'énergie spectrale est effectuée en calculant le rapport de l'énergie (ER) de la bande du formant du chanteur (FB2) ou des hautes fréquences (FB3) à l'énergie totale. Il est possible d'obtenir un formant du chanteur aussi intense en M2 qu'en M1. ER(FB2) peut saturer à haut niveau, en fonction de la voyelle, du mécanisme et de l'expertise vocale. ER(FB3) est plus faible en M2 qu'en M1. L'intervalle fréquentiel des sauts M1->M2 augmente avec l'intensité mais pas avec la hauteur. Ceci n'est pas observé dans le sens M2->M1. La fréquence de déclenchement de la transition est plus basse pour /i/ que pour /a/.

The ability of a piezoelectric transducer in energy conversion is rapidly expanding in several applications. Some of the industrial applications for which a high power ultrasound transducer can be used are surface cleaning, water treatment, plastic welding and food sterilization. Also, a high power ultrasound transducer plays a great role in biomedical applications such as diagnostic and therapeutic applications. An ultrasound transducer is usually applied to convert electrical energy to mechanical energy and vice versa. In some high power ultrasound system, ultrasound transducers are applied as a transmitter, as a receiver or both. As a transmitter, it converts electrical energy to mechanical energy while a receiver converts mechanical energy to electrical energy as a sensor for control system. Once a piezoelectric transducer is excited by electrical signal, piezoelectric material starts to vibrate and generates ultrasound waves. A portion of the ultrasound waves which passes through the medium will be sensed by the receiver and converted to electrical energy. To drive an ultrasound transducer, an excitation signal should be properly designed otherwise undesired signal (low quality) can deteriorate the performance of the transducer (energy conversion) and increase power consumption in the system. For instance, some portion of generated power may be delivered in unwanted frequency which is not acceptable for some applications especially for biomedical applications. To achieve better performance of the transducer, along with the quality of the excitation signal, the characteristics of the high power ultrasound transducer should be taken into consideration as well. In this regard, several simulation and experimental tests are carried out in this research to model high power ultrasound transducers and systems. During these experiments, high power ultrasound transducers are excited by several excitation signals with different amplitudes and frequencies, using a network analyser, a signal generator, a high power amplifier and a multilevel converter. Also, to analyse the behaviour of the ultrasound system, the voltage ratio of the system is measured in different tests. The voltage across transmitter is measured as an input voltage then divided by the output voltage which is measured across receiver. The results of the transducer characteristics and the ultrasound system behaviour are discussed in chapter 4 and 5 of this thesis. Each piezoelectric transducer has several resonance frequencies in which its impedance has lower magnitude as compared to non-resonance frequencies. Among these resonance frequencies, just at one of those frequencies, the magnitude of the impedance is minimum. This resonance frequency is known as the main resonance frequency of the transducer. To attain higher efficiency and deliver more power to the ultrasound system, the transducer is usually excited at the main resonance frequency. Therefore, it is important to find out this frequency and other resonance frequencies. Hereof, a frequency detection method is proposed in this research which is discussed in chapter 2. An extended electrical model of the ultrasound transducer with multiple resonance frequencies consists of several RLC legs in parallel with a capacitor. Each RLC leg represents one of the resonance frequencies of the ultrasound transducer. At resonance frequency the inductor reactance and capacitor reactance cancel out each other and the resistor of this leg represents power conversion of the system at that frequency. This concept is shown in simulation and test results presented in chapter 4. To excite a high power ultrasound transducer, a high power signal is required. Multilevel converters are usually applied to generate a high power signal but the drawback of this signal is low quality in comparison with a sinusoidal signal. In some applications like ultrasound, it is extensively important to generate a high quality signal. Several control and modulation techniques are introduced in different papers to control the output voltage of the multilevel converters. One of those techniques is harmonic elimination technique. In this technique, switching angles are chosen in such way to reduce harmonic contents in the output side. It is undeniable that increasing the number of the switching angles results in more harmonic reduction. But to have more switching angles, more output voltage levels are required which increase the number of components and cost of the converter. To improve the quality of the output voltage signal with no more components, a new harmonic elimination technique is proposed in this research. Based on this new technique, more variables (DC voltage levels and switching angles) are chosen to eliminate more low order harmonics compared to conventional harmonic elimination techniques. In conventional harmonic elimination method, DC voltage levels are same and only switching angles are calculated to eliminate harmonics. Therefore, the number of eliminated harmonic is limited by the number of switching cycles. In the proposed modulation technique, the switching angles and the DC voltage levels are calculated off-line to eliminate more harmonics. Therefore, the DC voltage levels are not equal and should be regulated. To achieve this aim, a DC/DC converter is applied to adjust the DC link voltages with several capacitors. The effect of the new harmonic elimination technique on the output quality of several single phase multilevel converters is explained in chapter 3 and 6 of this thesis. According to the electrical model of high power ultrasound transducer, this device can be modelled as parallel combinations of RLC legs with a main capacitor. The impedance diagram of the transducer in frequency domain shows it has capacitive characteristics in almost all frequencies. Therefore, using a voltage source converter to drive a high power ultrasound transducer can create significant leakage current through the transducer. It happens due to significant voltage stress (dv/dt) across the transducer. To remedy this problem, LC filters are applied in some applications. For some applications such as ultrasound, using a LC filter can deteriorate the performance of the transducer by changing its characteristics and displacing the resonance frequency of the transducer. For such a case a current source converter could be a suitable choice to overcome this problem. In this regard, a current source converter is implemented and applied to excite the high power ultrasound transducer. To control the output current and voltage, a hysteresis control and unipolar modulation are used respectively. The results of this test are explained in chapter 7.

U fazi razvoja traktora upotrebom računarski podržanih simulacija, neophodan je odgovarajući model pneumatika. U radu je korišćenjem neuronskih mreža razvijen originalni empirijski model geometrijskog niskopojasnog filtriranja kratkotalasnih neravnina podloge koje vrši pneumatik. Razvoj modela baziran je na sopstvenim eksperimentalnim istraživanjima posmatranog aspekta ponašanja pneumatika. Model je integrisan u globalni oscilatorni model sposoban da opiše osnovne aspekte dinamičkog ponašanja taktorskih pneumatika.
During tractor development phase in which computer aided simulations are used, it is necessary to use appropriate tire model. Original empirical model of tractor tire low-pass geometric filtering behavior on short-wavelength road unevenness was developed in this work by using neural networks. Model development is based on author's experimental investigations. Model is integrated into global vibration tire model able to describe basic aspects of tractor tire dynamic behavior.

Dans cette thèse, nous utilisons différentes nanostructures plasmoniques pour contrôler l'émission de lumière excitée électriquement. Notre émission électrique provient d'une "nanosource STM" qui utilise le courant tunnel inélastique entre la pointe d'un microscope à effet tunnel (STM) et un échantillon métallique, pour exciter localement les plasmons polaritons de surface localisés et propagatifs. L’interaction de notre nanosource STM et d'une lentille plasmonique circulaire (une série de fentes concentriques gravées dans un film d'or épais) produit une microsource radialement polarisée de faible dispersion angulaire (≈ ± 4 °). L'influence des paramètres structuraux sur la propagation angulaire de la microsource résultante est également étudiée. En outre, une faible dispersion angulaire (<± 7 °) pour une grande plage de longueurs d'onde (650-850 nm) est obtenue. Ainsi, cette microsource électrique de lumière presque collimatée a une réponse spectrale large et est optimale sur une large plage d'énergie, en particulier en comparaison avec d'autres structures plasmoniques résonantes telles que les nanoantennes Yagi-Uda. L'interaction de notre nanosource STM et d'une lentille plasmonique elliptique (une seule fente elliptique gravée dans un film d'or épais) est également étudiée. Lorsque l'excitation STM est située au point focal de la lentille plasmonique elliptique, un faisceau lumineux directionnel à faible divergence est acquis. De plus, expérimentalement, nous trouvons qu'en changeant l'excentricité de la lentille plasmique elliptique, l'angle d'émission varie. On constate que plus l'excentricité de la lentille elliptique est grande, plus l'angle d'émission est élevé. Cette étude permet de mieux comprendre comment les nanostructures plasmoniques façonnent l'émission de lumière. L'interaction de SPP excités par STM et d'une structure de pile multicouche planaire plasmonique est également étudiée. Il est démontré qu'en utilisant l'excitation STM, nous pouvons sonder la structure de bande optique de la pile Au-SiO₂-Au. Nous trouvons que l'épaisseur du diélectrique joue un rôle important dans la modification du couplage entre les modes. Nous comparons également les résultats obtenus par excitation laser et STM de la même structure de pile. Les résultats indiquent que la technique STM est supérieure en sensibilité. Ces résultats mettent en évidence le potentiel de la STM en tant que technique de nanoscopie optique sensible pour sonder les bandes optiques des nanostructures plasmoniques. Enfin, l'interaction d'une nanosource STM et d'une plaque triangulaire individuelle est également étudiée. Nous trouvons que lorsque l'excitation STM est centrée sur la plaque triangulaire, il n'y a pas d'émission de lumière directionnelle. Cependant, lorsque la nanosource STM est située sur le bord du triangle, on obtient une émission de lumière directionnelle. Cette étude nous fournit une nouvelle voie pour atteindre l'émission de lumière directionnelle. Nous étudions également l'exploration du LDOS optique du triangle avec la nanosource STM. Ainsi, nos résultats montrent que la manipulation de la lumière est réalisée par des interactions SPP-matière. En utilisant des nanostructures plasmoniques, nous contrôlons la collimation, la polarisation et la direction de la lumière provenant de la nanosource STM
In this thesis, we use different plasmonic nanostructures to control the emission of electrically-excited light. Our electrical emission is from an “STM-nanosource” which uses the inelastic tunnel current between the tip of a scanning tunneling microscope (STM) and a metallic sample, to locally excite both localized and propagating surface plasmon polaritons. The interaction of our STM-nanosource and a circular plasmonic lens (a series of concentric slits etched in a thick gold film) produces a radially polarized microsource of low angular spread (≈±4°). The influence of the structural parameters on the angular spread of the resulting microsource is also investigated. In addition, a low angular spread (<±7°) for a large wavelength range (650-850 nm) is achieved. Thus this electrically-driven microsource of nearly collimated light has a broad spectral response and is optimal over a wide energy range, especially in comparison with other resonant plasmonic structures such as Yagi-Uda nanoantennas. The interaction of our STM-nanosource and an elliptical plasmonic lens (a single elliptical slit etched in a thick gold film) is also studied. When the STM excitation is located at the focal point position of the elliptical plasmonic lens, a directional light beam of low angular spread is acquired. Moreover, in the experiment we find that by changing the eccentricity of the elliptical plasmonic lens, the emission angle is varied. It is found that the larger the eccentricity of the elliptical lens, the higher the emission angle. This study provides a better understanding of how plasmonic nanostructures shape the emission of light. The interaction of STM-excited SPPs and a planar plasmonic multi-layer stack structure is also investigated. It is demonstrated that using STM excitation we can probe the optical band structure of the Au-SiO₂-Au stack. We find that the thickness of the dielectric plays an important role in changing the coupling between the modes. We also compare the results obtained by both laser and STM excitation of the same stack structure. The results indicate that the STM technique is superior in sensitivity. These findings highlight the potential of the STM as a sensitive optical nanoscopic technique to probe the optical bands of plasmonic nanostructures. Finally, the interaction of an STM-nanosource and an individual triangular plate is also studied. We find that when the STM excitation is centered on the triangular plate, there is no directional light emission. However, when the STM-nanosource is located on the edge of the triangle, directional light emission is obtained. This study provides us a novel avenue to achieve directional light emission. We also study probing the optical LDOS of the triangle with the STM-nanosource. Thus, our results show that the manipulation of light is achieved through SPP-matter interactions. Using plasmonic nanostructures, we control the collimation, polarization, and direction of the light originating from the STM-nanosource

Cette thèse est consacrée à l'étude de l'émission résonnante de boîtes quantiques uniques InAs/GaAs en microcavité planaire. Un montage original d'excitation par fibre optique est mis en oeuvre afin de découpler spatialement l'excitation résonnante de l'émission des boîtes quantiques et de s'affranchir de la diffusion parasite du laser superposée au signal d'émission résonnante. Des études en puissance d'excitation et les mesures des fonctions de corrélation du premier et deuxième ordre confirment qu'une boîte quantique semiconductrice sous excitation résonnante peut être assimilée à un véritable système à deux niveaux. Cependant, l'environnement électrostatique lié aux impuretés non-intentionnelles de l'échantillon influence fortement l'émission résonnante des boîtes quantiques. Il apparaît pour la quasi-totalité des boîtes quantiques une complète inhibition de l'émission résonnante par blocage de Coulomb. L'utilisation d'un laser non-résonant supplémentaire de très faible puissance permet de résoudre ce problème grâce à un contrôle optique très efficace de l'émission résonnante. En effet, en présence de ce " gate " optique, l'émission résonnante est débloquée et les propriétés d'un système à deux niveaux sont spectaculairement restituées. Les effets du " gate " optique sur l'émission résonnante, le décalage spectral de l'émission résonnante et la statistique des photons émis sont parfaitement expliqués de manière quantitative par un modèle de population aléatoire que nous avons développé au cours de cette thèse.

Ова докторска дисертација се бави проблемом мерења и детекцијеасиметрије побуде торусног трансформатора прикљученог на нисконапонскудистрибутивну мрежу. Анализом постојећих научних решења изведен језакључак да иста испољавају висок ниво систематске грешке уследфлуктуације побудног напона трансформатора. Основни допринос тезе јестепредложени нови интерполациони поступак за калибрацију сензораасиметрије у нисконапонској дистрибутивној мрежи, који успешно редукујенаведену систематску грешку. Додатни допринос представља рачунарскаимплементација методе за рад у реалном времену.
Ova doktorska disertacija se bavi problemom merenja i detekcijeasimetrije pobude torusnog transformatora priključenog na niskonaponskudistributivnu mrežu. Analizom postojećih naučnih rešenja izveden jezaključak da ista ispoljavaju visok nivo sistematske greške usledfluktuacije pobudnog napona transformatora. Osnovni doprinos teze jestepredloženi novi interpolacioni postupak za kalibraciju senzoraasimetrije u niskonaponskoj distributivnoj mreži, koji uspešno redukujenavedenu sistematsku grešku. Dodatni doprinos predstavlja računarskaimplementacija metode za rad u realnom vremenu.
This PhD thesis addresses the problem of measurement and detection of theexcitation current asymmetry of a toroidal transformer connected to the lowvoltage distribution network. By analyzing the existing scientific solutions, itwas concluded that they show a high level of systematic error due to thefluctuation of the supply voltage of the transformer. The main contribution ofthe thesis is the proposal of a new interpolation method for the calibration ofan asymmetry sensor connected to the low-voltage distribution network thatsuccessfully reduces the systematic error. Computer implementation of themethod for work in real time represents an additional contribution.

On demand single-photon and entangled-photon sources are key building-blocks for many proposed photonic quantum technologies. For practical device applications, epitaxially grown quantum dots (QDs) are of increasing importance due to their bright photon emission with sharp line width. Particularly, they are solid-state systems and can be easily embedded within a light-emitting diode (LED) to achieve electrically driven sources. Therefore, one would expect a full-fledged optoelectronic quantum network that is running on macroscopically separated, QD-based single- and entangled-photon devices. An all-electrically operated wavelength-tunable on demand single-photon source (SPS) is demonstrated first. The device consists of a LED in the form of self-assembled InGaAs QDs containing nanomembrane integrated onto a piezoelectric crystal. Triggered single photons are generated via injection of ultra-short electrical pulses into the diode, while their energy can be precisely tuned over a broad range of about 4.8 meV by varying the voltage applied to the piezoelectric crystal. High speed operation of this single-photon emitting diode up to 0.8 GHz is demonstrated. In the second part of this thesis, a fast strain-tunable entangled-light-emitting diode (ELED) is demonstrated. It has been shown that the fine structure splitting of the exciton can be effectively overcome by employing a specific anisotropic strain field. By injecting ultra-fast electrical pulses to the diode, electrically triggered entangled-photon emission with high degree of entanglement is successfully realized. A statistical investigation reveals that more than 30% of the QDs in the strain-tunable quantum LED emit polarization-entangled photon-pairs with entanglement-fidelities up to f+ = 0.83(5). Driven at the highest operation speed ever reported so far (400 MHz), the strain-tunable quantum LED emerges as unique devices for high-data rate entangled-photon applications. In the end of this thesis, on demand and wavelength-tunable LH single-photon emission from strain engineered GaAs QDs is demonstrated. Fourier-transform spectroscopy is performed, from which the coherence time of the LH single-photon emission is studied. It is envisioned that this new type of LH exciton-based SPS can be applied to realize an all-semiconductor based quantum interface in the foreseeable distributed quantum networks.

La reconstruction de champ source a pour but d’identifier le champ d’excitation en mesurant la réponse du système. Pour l’Holographie acoustique de champ proche (Near-field Acoustic Holography), la réponse du système (pression acoustique rayonnée) est mesurée sur un hologramme bidimensionnel utilisant un réseau de microphones et le champ source (le champ de vitesse acoustique) est reconstruit par une technique de rétropropagation effectuée dans le domaine des nombres d’ondes. L’objectif des travaux présentés est d’utiliser le même type de techniques pour reconstruire le champ de déplacement sur toute la surface d’une plaque en mesurant les vibrations sur des hologrammes à une dimension (lignes de mesures). Dans le domaine vibratoire, l’équation du mouvement de plaque implique la présence de 4 types d’ondes différents, deux étant purement évanescents. Ces derniers peuvent introduire des instabilités dans l’application de la méthode, notamment lorsque les hologrammes sont placés dans le champ lointain des efforts appliqués à la structure. La méthode présentée ici, appelée ”Holographie Vibratoire”, est particulièrement intéressante quand une mesure directe du champ de vitesse est impossible. L’holographie vibratoire permet également de séparer les sources dans le cas d’excitations multiples en les considérant comme des ondes allers ou retours. Il est alors possible d’isoler l’influence de chaque source et de quantifier notamment les champs d’intensités structurales que chacune d’elles génère. L’objectif de cette thèse est de présenter les principes de l’holographie Vibratoire, ses limites, ses applications et de les illustrer par des exemples sur plaque infinie, plaque appuyée et sur des résultats expérimentaux
The source field reconstruction aims at identifying the excitation field measuring the response of the system. In Near-field Acoustic Holography, the response of the system (the radiated acoustic pressure) is measured on a hologram using a microphones array and the source field (the acoustic velocity field) is reconstructed with a back-propagation technique performed in the wave number domain. The objective of the present works is to use such a technique to reconstruct displacement field on the whole surface of a plate by measuring vibrations on a one-dimensional holograms. This task is much more difficult in the vibratory domain because of the complexity of the equation of motion of the structure. The method presented here and called "Structural Holography" is particularly interesting when a direct measurement of the velocity field is not possible. Moreover, Structural Holography decreases the number of measurements required to reconstruct the displacement field of the entire plate. This method permits to separate the sources in the case of multi-sources excitations by considering them as direct or back waves. It’s possible to compute the structural intensity of one particular source without the contributions of others sources. The aim of this PHD is to present the principles of Structural Holography, its limits, its applications and illustrate them with examples of infinite plate, supported plate and on experimental results

碩士
國立臺灣大學
電信工程學研究所
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Speech processing has been one of the major topics in the research field of signal processing. The process of speech production can be modeled as the convolution of glottal source excitation and vocal tract filter. The research in the details of speech production and the characteristic extraction can be applied in the fields such as speech synthesis and transformation. In this thesis, we discuss the zeros of the z-transform(ZZT) algorithm developed by Dr. Baris Bozkurt[1] and its application to the extraction of the excitation pulse in the source-tract model of human speech signals. After z-transform, the zeros of the speech signals can be represented on z the plane and the mixed-phase property is revealed, which would be used in source-tract separation. On the other hand, by the study of the ZZT plot, the phase information obtained from group delay spectrum could be well improved using the Chirp Group Delay. Moreover, we present the capabilities of formant tracking by ZZT, making a comparison between the performances of ZZT with other speech signal processing tools, and apply Attenuated Main Excitation(AME) for further improvement.

Furnace atomization plasma excitation spectrometry (FAPES) is a relatively new atomic emission elemental analysis technique. In FAPES, a radio frequency (r.f.) plasma is created inside the cuvette of a graphite furnace atomizer by applying r.f. power to an electrode placed inside, and coaxial with, the atomization chamber of the cuvette. The plasma provides the energy to excite analyte atoms which then emit the light measured as the analytical signal. In the research reported in this thesis, the spatial structure of this plasma was studied using spectroscopic techniques. Spatially resolved OH and N[sup + over sub 2] molecular and Pb(l) excitation temperature measurements showed that there is a significant thermal gradient in the source with higher temperatures adjacent to the center electrode and cuvette wall. Spatially resolved absorption and emission profiles of an ln(l) line were measured to determine the spatial distributions of ground and excited states in the plasma. The emission profiles contained three concentric emission maxima; the most intense was adjacent to the center electrode, another was adjacent to the cuvette wall, and the third was separated from these maxima by two emission minima. These maxima and minima did not appear in the absorption profiles thus must be due to plasma excitation processes. Spatially resolved magnesium ionization measurements showed that the zones adjacent to the graphite cuvette and center electrode have the highest degree of ionization which causes a decrease in the atomic emission signal at higher r.f. powers. As the pressure in the source was decreased, the emission maxima adjacent to the center electrode and adjacent to the cuvette wall moved away from the graphite surfaces creating dark spaces. These observations suggest that the FAPES source operates as an atmospheric pressure r.f. glow discharge. Two concentric negative glows, adjacent to the cuvette wall and center electrode, are seen where there are maxima in both ionic and atomic emission intensities. Moving away from these glows there are then two Faraday dark spaces. The emission maximum between these is the positive column which exhibits relatively weak ionic emission. Furthermore, cathode dark spaces appear adjacent to each electrode as the pressure is decreased from atmospheric.

Furnace Atomization Plasma Excitation Spectrometry (FAPES) is a relatively new atomic emission spectrochemical method which employs a conventional graphite furnace for analyte atomization and an atmospheric-pressure helium plasma sustained inside the furnace for analyte excitation. The generation of the plasma is achieved by applying radio frequency (rf) power to an electrode located inside, and coaxial with, the graphite furnace. The primary objective of this thesis was to characterize the fundamental properties of the plasma, study analyte excitation and ionization processes, and seek ways to improve analyte ionization efficiency. Background emission characteristics have been observed in a new FAPES source, and temporally resolved emission profiles of background species (He, N₂⁺, OH and CO⁺) have been measured. The ionization mechanisms of major background species are also discussed. Plasma temperatures have been measured in order to characterize the helium plasma. During an atomization cycle, rotational temperatures for N₂⁺ and OH at 40 W have been found to be 1300 K and 1400 K, respectively, and the excitation temperature for He at 40 W is about 3600 K. Plasma temperatures can be substantially affected by plasma operating conditions. Thus, the effects of conditions such as rf power, gas flow rate, atomization temperature and the dimensions of the center electrode on plasma temperatures and analyte ionization were studied. The temporal atomic and ionic emission behaviors of Cr, Mg, Cd, Fe and Zn have been measured, and analyte atomization mechanisms have been proposed based on the measurements. The effects of operating conditions on analyte ionization have been studied, and an appropriate atomization temperature was found for optimum analyte ionization. An optimum gas flow rate can also maximize analyte ionization. Compared with a "continuousflow" mode, a "stop-flow" mode can improve analytical sensitivity. Increasing rf power was found to be the best way to achieve a high degree of ionization. A variety of center electrodes with different physical dimensions were used to modify the FAPES source in an effort to improve the ionization capability. However, the larger electrode size acted to reduce the voltage drop across the plasma sheath compromising the analytical performance. The effects of varying the counter ion (MgCl₂, MgO, MgNO₃ and MgSO₄ ) on Mg atomization, excitation, and ionization were studied, and it was found that these compounds exhibit different atomization mechanisms. It was also observed that Mg ionization in the FAPES source could be improved by the addition of a minute amount of Pd modifier. Figures of merit for magnesium demonstrate improved analytical performance for this new FAPES source. An ionization temperature of about 7000 K at 80 W rf power level was measured. The calculation of electron number densities in the FAPES source shows that in addition to helium ionization, secondary electron emission and thermal or thermionic electron emission from the graphite walls and center electrode inside the source also contribute to the total electron number density.

A pulse hysteresisgraph system was constructed capable outputting current source and voltages source waveforms. MATLAB scripts were created to analyze the collected data. Three toroidal samples of soft magnetic materials were prepared. Theoretical modeling was done to predict the variation of effective applied magnetic fields inside the toroids from ideal assumptions due to three effects: wire spacing, cylindrical spreading, and eddy current generated fields. Data was collected under sinusoidal voltage source and sinusoidal current source excitation at 1 kHz. Large differences in core loss were noted especially at higher field excitations. Core loss under sinusoidal current source excitation was found to always be greater than or equal to core loss under sinusoidal voltage source. Normal magnetization curves under sinusoidal current and voltage source excitation were also compared. Significant differences were apparent in the magnetization curves of one sample toroid, and slight differences noted in the curves of the other two samples. Eddy currents were offered as a primary mechanism for the difference in core loss between sinusoidal current source and sinusoidal voltage source. A formula to predict the relative eddy current losses to be expected from an arbitrary, periodic voltage waveform shape is given.
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The human respiratory system plays a crucial role in breathing and swallow ing. However, it also plays an essential role in speech production, which is unique to humans. Speech production involves expelling air from the lungs. As the air flows from the lungs to the lips, some kinetic energy gets con verted to sound. Different structures modulate the generated sound, which is finally radiated out of the lips. The speech consists of various informa tion such as linguistic content, speaker identity, emotional state, accent, etc. Apart from speech, there are various scenarios where the sound is generated in the human respiratory system. These could be due to abnor malities in the muscles, motor control unit, or the lungs, which can directly affect generated speech as well. A variety of sounds are also generated by these structures while breathing including snoring, Stridor, Dysphagia, and Cough. The source filter (SF) model of speech is one of the earlier models of speech production. It assumes that speech is a result of filtering an excita tion or source signal by a linear filter. The source and filter are assumed to be independent. Even though the SF model represents the speech pro duction mechanism, there needs to be a tractable way of estimating the excitation and the filter. The estimation of both of them given speech falls under the general category of signal deconvolution problem, and, hence, there is no unique solution. There are several variations of the source-filter model in the literature by assuming different structures on the source/filter. There are various ways to estimate the parameters of the source and the filter. The estimated parameters are used in various speech applications such as automatic speech recognition, text to speech, speech enhancement etc. Even though the SF model is a model of speech production, it is used in applications including Parkinson’s Disease classification, asthma classification. The existing source filter models show much success in various appli cations, however, we believe that the models mainly lack two respects. The first limitation is that these models lack the connection to the physics of sound generation or propagation. The second limitation of the cur rent models is that they are not fully probabilistic. The inherent nature of the airflow is stochastic because of the presence of turbulence. Hence, probabilistic modeling is necessary to model the stochastic process. The probabilistic models come with several other advantages: 1) systematically inducing the prior knowledge into the models through probabilistic priors, 2) the estimation of the uncertainty of the model parameters, 3) allows sampling of new data points 4) evaluation of the likelihood of the observed speech. We start with the governing equation of sound generation and use a simplified geometry of the vocal folds. We show that the sound generated by the vocal folds consists of two parts. The first part is because of the difference between the subglottal and supra glottal pressure difference. The second part is because of the sound generated by turbulence. The first kind is dominant in the voiced sounds, and the second part is dominant in the unvoiced sounds. We further assume the plane wave propagation in the vo cal tract, and there is no feedback from the vocal tract on the vocal folds. The resulting model is the excitation passing through an all-pole filter, and the excitation is the sum of two signals. The first signal is quasi-periodic, and the shape of each cycle depends on the time-varying area of the glottis. The second part is stochastic because the turbulence is modeled as a white noise passed through a filter. We further convert the model into a proba bilistic one by assuming the following distribution on the excitations and filters. We model the excitation using a Bernoulli Gaussian distribution. Filter coefficients are modeled using the Gaussian distribution. The noise distribution is also Gaussian. Given these distributions, the likelihood of the speech can be derived as a closed-form expression. Similarly, we im pose an appropriate prior to the model’s parameters and make a maximum a posteriori (MAP) estimation of the parameters. The MAP estimation of parameters can be computationally complex. But the model assumption can be changed/approximated with respect to the application and result ing in different estimation procedures. To validate the model, we apply this model to seven applications as follows: 1. Analysis and Synthesis: This ap plication is to understand the representation power of the model. 2. Robust GCI detection: This shows the usefulness of estimated excitation, and the probabilistic modeling helps to incorporate the second-order statistics for robust the excitation estimation. 3. Probabilistic glottal inverse filtering: This application shows the usefulness of the prior distribution on filters. 4. Neural speech synthesis: We show that the model’s reformulation with the neural network results in a computationally efficient neural speech synthe sis. 5. Prosthetic esophageal (PE) to normal speech conversion: We use the probabilistic model for detecting the impulses in the noisy signal to convert the PE speech to normal speech. 6. Robust essential vocal tremor classification: The usefulness of robust excitation estimation in pathological speech such as essential vocal tremor. 7. Snorer group classification: Based on the analogy between voiced speech production and snore production, the derived model is applicable for snore signals. We also use the parameter of the model to classify the snorer groups.

Many of the existing ambient modal identification methods based on vibration data process information centrally to calculate the modal properties. Such methods demand relatively large memory and processing capabilities to interrogate the data. With the recent advances in wireless sensor technology, it is now possible to process information on the sensor itself. The decentralized information so obtained from individual sensors can be combined to estimate the global modal information of the structure. The main objective of this thesis is to present a new class of decentralized algorithms that can address the limitations stated above. The completed work in this regard involves casting the identification problem within the framework of underdetermined blind source separation (BSS). Time-frequency transformations of measurements are carried out, resulting in a sparse representation of the signals. Stationary wavelet packet transform (SWPT) is used as the primary means to obtain a sparse representation in the time-frequency domain. Several partial setups are used to obtain the partial modal information, which are then combined to obtain the global structural mode information. Most BSS methods in the context of modal identification assume that the excitation is white and do not contain narrow band excitation frequencies. However, this assumption is not satisfied in many situations (e.g., pedestrian bridges) when the excitation is a superposition of narrow-band harmonic(s) and broad-band disturbance. Under such conditions, traditional BSS methods yield sources (modes) without any indication as to whether the identified source(s) is a system or an excitation harmonic. In this research, a novel under-determined BSS algorithm is developed involving statistical characterization of the sources which are used to delineate the sources corresponding to external disturbances versus intrinsic modes of the system. Moreover, the issue of computational burden involving an over-complete dictionary of sparse bases is alleviated through a new underdetermined BSS method based on a tensor algebra tool called PARAllel FACtor (PARAFAC) decomposition. At the core of this method, the wavelet packet decomposition coefficients are used to form a covariance tensor, followed by PARAFAC tensor decomposition to separate the modal responses. Finally, the proposed methods are validated using measurements obtained from both wired and wireless sensors on laboratory scale and full scale buildings and bridges.