Lautsprecher
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Transkript
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| Valerie Rennoll |
Ein Schwerpunkt des Labors liegt auf der Entwicklung neuer, flexibler akustischer Sensoren für den Einsatz am Körper. |
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Heute werde ich meine Forschung zur Verwendung einer optimalen Versuchsplanung zur Untersuchung der akustischen Eigenschaften verschiedener Polymermaterialien mit zugesetzten Partikeln besprechen. |
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Die Ergebnisse dieses Experiments werden zur Entwicklung eines an die akustische Impedanz angepassten Sensors verwendet. |
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Daher sind akustische Impedanz und Dämpfung wichtige Materialeigenschaften, die sich auf Materialien zur Schallausbreitung auswirken. Die akustische Impedanz ist eine Funktion ihrer Dichte in Abhängigkeit von 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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Dieses Missverhältnis der akustischen Impedanz zwischen Wasser und Luft ist der Grund dafür, dass Sie dieses Geräusch nicht hören können, wenn jemand unter Wasser in einem Pool ein Geräusch macht und Sie an der Seite des 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 abgegebene Schall auf eine Grenzfläche zwischen Ihrer Haut und der Luft trifft, wodurch der größte Teil des Schalls aufgrund der großen Impedanzfehlanpassung zurück zum Körper reflektiert wird. |
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Die zweite Abbildung zeigt, wie dieser Effekt wirklich verstärkt wird, wenn ein Arzt auf Sie hört ... |
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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 außerdem einen Pfad hinzu, auf 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 eine sehr geringe Signalreflexion auftritt und Luftschall passiv vom Sensor weg reflektiert wird. |
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Insgesamt kann durch Anpassung der akustischen Impedanz des überwachten Mediums eine größere Schallmenge erfasst werden. Um dies zu erreichen, muss verstanden werden, wie ein Polymer so hergestellt werden kann, dass es auf eine bestimmte akustische Impedanz abzielt. |
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Frühere Untersuchungen hatten gezeigt, dass Nanopartikel in einer Polymermatrix dispergiert werden können, um deren akustische Impedanz zu steuern. |
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Allerdings beschränkte sich die bisherige Forschung in ihrem Umfang auf die grundsätzliche Erforschung des Designraums, wobei ein Faktor-für-Faktor-Ansatz verwendet wurde und der Schwerpunkt auf einer kleinen Teilmenge relevanter Faktoren lag. |
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Deshalb haben wir uns entschieden, die bisherige Forschung zu erweitern, indem wir in JMP eine optimale Versuchsplanung erstellt haben. Das optimale Design war ideal, weil wir eine Mischung aus kontinuierlichen, diskreten und kategorialen Faktoren berücksichtigen wollten. |
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Daher bieten diese beiden Tabellen einen Überblick über die Faktoren und Antworten, die wir in das DOE einbezogen haben. |
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Nach einer Literaturrecherche zur Berücksichtigung der zu untersuchenden Faktoren 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 typischerweise niedrige, hohe und mittlere Einstellungen. |
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obwohl der Polymertyp vier Ebenen umfasste. Das Design wurde auch unter Berücksichtigung von Faktoreneinschränkungen entwickelt, sodass bestimmte Polymertypen nicht mit der kleinsten Partikelgröße kombiniert werden konnten, da dies die Aushärtung der Polymere verhinderte. |
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Wir haben insgesamt vier Reaktionen untersucht, darunter Dichte, Schallgeschwindigkeit, akustische Impedanz und Dämpfung. |
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Das Ziel bestand darin, einen bestimmten akustischen Impedanzwert mit minimaler Dämpfung anzustreben und einfach die Faktoren zu verstehen, die sich auf die 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 erstellen. Und um dies zu erreichen, haben wir uns dazu entschlossen, insgesamt 98 Proben herzustellen, um eine angemessene Aussagekraft für diese Effekte zu haben. |
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Materialien wurden mithilfe einer Durchstrahlungstechnik charakterisiert, bei der die unbekannten akustischen Eigenschaften des Materials durch Vergleich mit einem Referenzmaterial, in diesem Fall Wasser, ermittelt werden. |
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Ein Signal wird vom Sender an den Empfänger gesendet und das erfasste Signal wird beim Durchgang durch Wasser allein mit dem durch Wasser und die Probe verglichen. |
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Innerhalb des von uns untersuchten Designraums stellten wir fest, dass wir je nach Polymer und hinzugefügten Partikeleigenschaften eine Reihe von akustischen Impedanzen gemessen haben. |
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Wir fanden heraus, dass wir die akustischen Impedanzen von Materialien wie Wasser, Haut und Holz anpassen konnten. |
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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 erzielen |
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mit der geringsten Anzahl an Modellkoeffizienten. Wir verwendeten Techniken wie die Rückwärtsauswahl und die K-fache Kreuzvalidierung |
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um mögliche Modelle zu erhalten, und nutzte dann verschiedene Bewertungstools, um das endgültige Modell auszuwählen. Wir haben überlegt, ob in den Daten Ausreißer oder einflussreiche Punkte enthalten sind. |
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ob die Fehler unabhängig und normalverteilt mit konstanten Varianten und einem Mittelwert von Null waren und ob ein erheblicher Mangel an Anpassung im Modell vorlag. |
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Insgesamt stellten wir fest, dass das endgültig gewählte akustische Impedanzmodell für unsere Zwecke angemessen war. Diese Handlung auf der linken Seite |
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zeigt die tatsächliche gegenüber der vorhergesagten Darstellung, 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 wie Sie in diesem Diagramm rechts sehen können, sind die Residuen normalverteilt um Null herum und weisen kein eindeutiges Muster auf. |
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Das endgültig gewählte Modell umfasste wichtige Faktoren wie Polymertyp, Dotierstoffkonzentration und Temperatur. Das Modell hatte einen angepassten R-Quadrat-Wert von 0,995 und einen quadratischen Mittelfehler von 0,02. |
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Da unser Hauptziel darin bestand, ein Polymer mit einer bestimmten akustischen Impedanz und minimaler Dämpfung herzustellen, war der Vorhersageprofiler wirklich hilfreich |
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um dieses Ziel zu erreichen. In diesem Video können Sie sehen, wie ich zeige, wie der Produktionsprofiler die Bedingungen aufzeigt, die erforderlich sind, um einen Impedanzwert von 1,3 MRayl bei minimaler Dämpfung anzustreben. |
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Wir haben den Vorhersageprofiler verwendet, um die Bedingungen vorherzusagen, die zur Herstellung von insgesamt neun Polymeren mit Impedanzen von 1, 1,3, 1,6, 1,9 und 2,2 MRayl erforderlich sind. |
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Der durchschnittliche Fehler zwischen den vorhergesagten und den gemessenen akustischen Impedanzwerten betrug nur etwa 1,4 %, ein Unterschied von etwa 0,05 MRayl. |
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Da wir von den Ergebnissen unseres DOE überzeugt waren, nutzten wir die spezifischen Polymerherstellungsbedingungen, um einen impedanzangepassten akustischen Sensor zusammenzustellen, den ich als Hearo bezeichne. |
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In diesem Bild sehen Sie mehrere Hearo-Geräte mit unterschiedlichen Zielimpedanzwerten, abhängig von der gewünschten 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-Werten 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 diesen bestimmt |
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die Kohärenz mit dem Simulatorsignal abzüglich der Kohärenz mit dem Rauschen. Sie können sehen, dass Hearo in dieser orangefarbenen Farbe weniger Kohärenz mit dem Lärm aufweist |
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und eine größere Kohärenz mit dem Simulatorsignal, was zu einem insgesamt höheren SNR-Wert im Vergleich zu einem Beschleunigungsmesser und einem Mikrofon mit Membran führt. |
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In diesen Demonstrationen können Sie sehen, dass Hearo dadurch ein sehr sauberes Signal vom Körper oder Instrument erfasst, ohne Luftschall aufzunehmen. Dieses erste Video zeigt die Aufzeichnung von Herz- und Lungengeräuschen durch Hearo zu Hause. |
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Und das zweite Video zeigt, wie Hearo die Glocken aufnimmt. |
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Wir gehen also davon aus, dass dieser Sensor eine verbesserte Möglichkeit zur Überwachung von Körper- oder Instrumentengeräuschen bieten könnte. Typische Geräte erfordern kostspielige Schaltungen zur Rauschunterdrückung. |
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Zusammenfassend haben wir also eine Versuchsplanung in JMP verwendet, um zu verstehen, wie sich verschiedene Herstellungs- und Charakterisierungsbedingungen auf die akustischen Eigenschaften von Polymeren mit zugesetzten Partikeln auswirken. |
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Das aus dem Experiment erhaltene Modell zeigte eine hohe Vorhersagegenauigkeit und wurde beim Entwurf eines impedanzangepassten akustischen Sensors verwendet. |
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Der Sensor weist im Vergleich zu bestehenden Sensoren, die für die Luftschallaufnahme optimiert sind, eine verbesserte Signaltreue und Rauschunterdrückung auf. Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit. Bei Fragen können Sie sich gerne an mich wenden. |
