Lautsprecher
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Transkript
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| Valerie Rennoll |
Ein Schwerpunkt des Labors liegt in der Entwicklung neuer flexibler akustischer Sensoren für den Einsatz am Körper. |
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Heute bespreche ich meine Forschung zur Verwendung eines optimalen Versuchsdesigns, um die akustischen Eigenschaften mehrerer verschiedener Polymermaterialien mit hinzugefügten Partikeln zu untersuchen. |
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Die Ergebnisse dieses Experiments werden verwendet, um einen akustischen Impedanz-angepassten Sensor zu entwickeln. |
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Schallimpedanz und Dämpfung sind daher wichtige Materialeigenschaften, die sich auf Schallausbreitungsmaterialien auswirken. Die akustische Impedanz ist eine Funktion seiner Dichte in der Schallgeschwindigkeit durch das Material. |
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Wenn Schall von einem Material zum anderen wandert, führen Unterschiede in der akustischen Impedanz dazu, dass Energie an der Grenze reflektiert wird. |
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Diese akustische Impedanz-Fehlanpassung zwischen Wasser und Luft ist der Grund, warum Sie dieses Geräusch nicht hören können, wenn jemand unter Wasser in einem Pool ein Geräusch macht und Sie am Rand dieses Pools stehen. |
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Diese Animationen zeigen also, wie sich die akustische Impedanz auf die Übertragung von Körpergeräuschen auswirkt. |
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In dieser ersten Abbildung sehen Sie, dass der von Ihrem Körper emittierte Schall auf eine Grenzfläche zwischen Ihrer Haut und der Luft trifft, wodurch der größte Teil des Schalls aufgrund der großen Impedanzfehlanpassung zum Körper zurückreflektiert wird. |
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Die zweite Abbildung zeigt, wie sich dieser Effekt wirklich verstärkt, wenn ein Arzt auf Ihre... |
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hört mit einem Stethoskop auf Ihren Körper. Die Impedanzfehlanpassung führt dazu, dass ein kleiner Teil der einfallenden Energie an das Stethoskop übertragen wird und fügt auch einen Pfad hinzu, bei dem Luftschall das Signal wirklich verfälschen kann. |
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Diese dritte Abbildung zeigt unseren Ansatz mit einem Impedanzanpassungssensor. Die Impedanzen sind gut aufeinander abgestimmt, sodass an der Körpersensorschnittstelle nur sehr wenig Signalreflexion auftritt und Luftschall passiv vom Sensor weg reflektiert wird. |
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Insgesamt kann durch die Anpassung der akustischen Impedanz des zu überwachenden Mediums eine größere Schallmenge erfasst werden. Um dies zu tun, muss verstanden werden, wie ein Polymer so hergestellt werden kann, dass es auf eine bestimmte akustische Impedanz abzielt. |
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Frühere Forschungen hatten also gezeigt, dass Nanopartikel in einer Polymermatrix dispergiert werden können, um deren akustische Impedanz zu kontrollieren. |
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Die bisherige Forschung beschränkte sich jedoch auf die grundsätzliche Erforschung des Entwurfsraums, wobei ein Einzelfaktor-Ansatz verwendet und der Fokus auf eine kleine Teilmenge relevanter Faktoren gelegt wurde. |
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Daher haben wir uns entschieden, die bisherige Forschung zu erweitern, indem wir ein optimales Design von Experimenten in JMP eingerichtet haben. Das optimale Design war ideal, da wir eine Mischung aus kontinuierlichen, diskreten und kategorialen Faktoren berücksichtigen wollten. |
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Diese beiden Tabellen geben also einen Überblick über die Faktoren und Reaktionen, die wir in das DOE aufgenommen haben. |
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Nach einer Literaturrecherche, um Faktoren zu berücksichtigen, die untersucht werden sollten, haben wir uns entschieden, insgesamt sieben Faktoren des Polymertyps einzubeziehen; Partikelkonzentration, Größe und Dichte; |
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Probendicke; und Charakterisierungsfrequenz und Temperatur. Wie Sie in dieser dritten Spalte sehen können, umfassten die Faktoren normalerweise niedrige, hohe und mittlere Einstellungen, |
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obwohl der Polymertyp vier Ebenen umfasste. Bei der Konstruktion wurden auch Faktorenbeschränkungen berücksichtigt, sodass bestimmte Polymertypen nicht mit der kleinsten Partikelgröße kombiniert werden konnten, da dies die Aushärtung der Polymere verhinderte. |
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Wir untersuchten vier Gesamtantworten, einschließlich Dichte, Schallgeschwindigkeit, akustische Impedanz und Dämpfung. |
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Das Ziel war es, einen bestimmten akustischen Impedanzwert mit minimaler Dämpfung zu erreichen und nur die Faktoren zu verstehen, die sich auf die Dichte der Schallgeschwindigkeit auswirken. |
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Unser Ziel war es, alle mittleren Effekte, Wechselwirkungen zweiter Ordnung und quadratische Terme zu schätzen, um ein Modell mit hoher Vorhersagegenauigkeit zu generieren. Und um dies zu tun, haben wir uns darauf festgelegt, insgesamt 98 Proben herzustellen, um eine angemessene Leistung zum Nachweis dieser Effekte zu haben. |
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Materialien wurden mit einem Durchgangsübertragungsverfahren charakterisiert, bei dem die unbekannten akustischen Eigenschaften des Materials aus dem Vergleich mit einem Referenzmaterial, in diesem Fall Wasser, gewonnen werden. |
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Ein Signal wird vom Sender an den Empfänger gesendet und das erfasste Signal wird beim Durchqueren des Wassers allein mit dem Wasser und der Probe verglichen. |
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In dem von uns untersuchten Designraum haben wir also festgestellt, dass wir eine Reihe von akustischen Impedanzen in Abhängigkeit vom Polymer und den Eigenschaften der hinzugefügten Partikel gemessen haben. |
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Wir haben festgestellt, dass wir die akustische Impedanz von Materialien wie Wasser, Haut und Holz anpassen können. |
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Nachdem wir Antwortdaten für jede der 98 Stichproben gesammelt hatten, verglichen wir verschiedene reduzierte Kandidatenmodelle mit dem Ziel, die höchste Vorhersagegenauigkeit zu erreichen |
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mit der geringsten Anzahl von Modellkoeffizienten. Wir verwendeten Techniken wie Rückwärtsselektion und K-Falten-Kreuzvalidierung |
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um mögliche Modelle zu erhalten und dann eine Vielzahl von Bewertungsinstrumenten verwendet, um das endgültige Modell auszuwählen. Wir haben überlegt, ob Ausreißer oder Einflusspunkte in den Daten enthalten sind, |
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ob die Fehler unabhängig und normalverteilt mit konstanten Varianten und einem Mittelwert von Null waren und ob das Modell einen signifikanten Mangel an Fit hatte. |
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Insgesamt stellten wir fest, dass das endgültig gewählte akustische Impedanzmodell für unsere Zwecke angemessen war. Dieses Grundstück auf der linken Seite |
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zeigt das tatsächliche versus vorhergesagte Diagramm, und Sie können sehen, dass die Daten sehr gut entlang der diagonalen Linie passen, was bedeutet, dass die tatsächlichen und vorhergesagten Daten sehr ähnlich sind. |
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Und die Residuen sind, wie Sie in diesem Diagramm rechts sehen können, ohne deutliches Muster normal um Null verteilt. |
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Das endgültig gewählte Modell umfasste signifikante Faktoren des Polymertyps, der Dotierstoffkonzentration und der Temperatur. Das Modell hatte einen angepassten R-Quadrat-Wert von 0,995 und einen quadratischen Mittelwertfehler von 0,02. |
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Da unser Hauptziel darin bestand, ein Polymer mit einer spezifischen akustischen Impedanz und minimaler Dämpfung herzustellen, war der Vorhersageprofiler wirklich hilfreich |
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dieses Ziel zu erreichen. In diesem Video können Sie also sehen, wie der Produktionsprofiler die Bedingungen aufzeigt, die erforderlich sind, um einen Impedanzwert von 1,3 MRayls mit minimaler Dämpfung zu erreichen. |
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Wir haben den Vorhersageprofiler verwendet, um die Bedingungen vorherzusagen, die erforderlich sind, um insgesamt neun Polymere mit einer Impedanz von 1, 1,3, 1,6, 1,9 und 2,2 MRayls herzustellen. |
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Der durchschnittliche Fehler zwischen den vorhergesagten und gemessenen akustischen Impedanzwerten betrug nur etwa 1,4 %, eine Differenz von etwa 0,05 MRayls. |
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Im Vertrauen auf die Ergebnisse unseres DOE haben wir die spezifischen Polymerherstellungsbedingungen bei der Zusammenstellung eines impedanzangepassten akustischen Sensors verwendet, den ich als Hearo bezeichnen werde. |
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In diesem Bild sehen Sie mehrere Hearo-Geräte mit unterschiedlichen Zielimpedanzwerten, abhängig von der interessierenden Zielanwendung. Wir vergleichen dieses Impedanzanpassungsgerät mit einem typischen Mikrofon und Beschleunigungsmesser unter Verwendung von Signal-Rausch-Verhältnis-Metriken. |
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In diesen SNR-Zahlen bedeutet ein höherer Wert eine größere Korrelation mit dem interessierenden Signal und eine geringere Korrelation mit Luftschall. Die Gesamtsignalmetrik wird also durch die Differenz zwischen |
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die Kohärenz mit dem Simulatorsignal minus der Kohärenz mit dem Rauschen. Sie können sehen, dass Hearo in dieser orangefarbenen Farbe weniger Kohärenz mit dem Rauschen zeigt |
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und eine größere Kohärenz mit dem Simulatorsignal, was zu einer insgesamt höheren SNR-Metrik im Vergleich zu einem Beschleunigungsmesser und einem Mikrofon mit einer Membran führt. |
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In diesen Demonstrationen können Sie sehen, dass dies dazu führt, dass Hearo ein sehr sauberes Signal vom Körper oder Instrument erfasst, ohne Luftschall aufzunehmen. Dieses erste Video zeigt also die Hearo-Aufzeichnung von Herz- und Lungengeräuschen in einer häuslichen Umgebung. |
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Und das zweite Video zeigt, wie Hearo die Glocken aufnimmt. |
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Wir stellen uns also wirklich vor, dass dieser Sensor eine verbesserte Möglichkeit bieten könnte, Geräusche vom Körper oder von Instrumenten zu überwachen. Typische Geräte erfordern teure Rauschunterdrückungsschaltungen. |
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Zusammenfassend haben wir also einen Versuchsplan in JMP verwendet, um zu verstehen, wie sich verschiedene Herstellungs- und Charakterisierungsbedingungen auf die akustischen Eigenschaften von Polymeren mit hinzugefügten Partikeln auswirken. |
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Das aus dem Experiment erhaltene Modell zeigte eine hohe Vorhersagegenauigkeit und wurde beim Design eines impedanzangepassten akustischen Sensors verwendet. |
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Der Sensor weist eine verbesserte Signaltreue und Rauschunterdrückung im Vergleich zu bestehenden Sensoren auf, die für die Luftschallaufnahme optimiert sind. Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit und zögern Sie nicht, mich bei Fragen zu kontaktieren. |
