Altoparlante
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Trascrizione
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| Valerie Rennoll |
Uno degli obiettivi principali del laboratorio è lo sviluppo di nuovi sensori acustici flessibili da utilizzare sul corpo. |
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Oggi parlerò della mia ricerca sull'utilizzo di un design ottimale di esperimenti per studiare le proprietà acustiche di diversi materiali polimerici con particelle aggiunte. |
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I risultati di questo esperimento vengono utilizzati per sviluppare un sensore abbinato all'impedenza acustica. |
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Pertanto, l'impedenza e l'attenuazione acustiche sono importanti proprietà dei materiali che influiscono sui materiali di propagazione del suono. L'impedenza acustica è una funzione della sua densità nella velocità del suono attraverso il materiale. |
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Quando il suono viaggia da un materiale all'altro, le differenze di impedenza acustica fanno sì che l'energia si rifletta al confine. |
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Questa discrepanza di impedenza acustica tra l'acqua e l'aria è il motivo per cui, se qualcuno emette un suono sott'acqua in una piscina e tu sei in piedi a lato di quella piscina, non sarai in grado di sentire quel suono. |
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Quindi queste animazioni mostrano come l'impedenza acustica influisca sulla trasmissione dei suoni del corpo. |
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In questa prima figura vedrai che il suono emesso dal tuo corpo colpisce un'interfaccia tra la tua pelle e l'aria, causando il riflesso della maggior parte del suono verso il corpo, a causa del grande disadattamento di impedenza. |
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La seconda figura mostra come questo effetto sia davvero amplificato quando un medico ascolta il tuo... |
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ascolta il tuo corpo usando uno stetoscopio. Il disadattamento di impedenza fa sì che una piccola parte dell'energia incidente venga trasmessa allo stetoscopio e aggiunge anche un percorso in cui il rumore aereo può davvero corrompere il segnale. |
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Questa terza figura dimostra il nostro approccio con il sensore di corrispondenza dell'impedenza. Le impedenze sono ben abbinate, quindi si verifica pochissima riflessione del segnale sull'interfaccia del sensore del corpo e il rumore aereo viene riflesso passivamente lontano dal sensore. |
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Nel complesso, adattando l'impedenza acustica del mezzo monitorato, è possibile catturare una maggiore quantità di suono. Per fare ciò, è necessario comprendere come può essere fabbricato un polimero per indirizzare una specifica impedenza acustica. |
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Quindi ricerche precedenti avevano dimostrato che le nanoparticelle possono essere disperse in una matrice polimerica per controllarne l'impedenza acustica. |
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Tuttavia, la ricerca esistente era limitata all'esplorazione fondamentalmente dello spazio di progettazione, utilizzando un approccio di un fattore alla volta e concentrandosi su un piccolo sottoinsieme di fattori rilevanti. |
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Quindi abbiamo scelto di espandere la ricerca precedente impostando una progettazione ottimale di esperimenti in JMP. Il design ottimale era l'ideale perché volevamo considerare un mix di fattori continui, discreti e categorici. |
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Quindi queste due tabelle forniscono una panoramica dei fattori e delle risposte che abbiamo incluso nel DOE. |
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Dopo una revisione della letteratura per considerare i fattori che dovrebbero essere studiati, abbiamo scelto di includere sette fattori totali di tipo polimerico; concentrazione, dimensione e densità delle particelle; |
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spessore del campione; e caratterizzazione frequenza e temperatura. Come puoi vedere in questa terza colonna, i fattori in genere includevano le impostazioni bassa, alta e centrale, |
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sebbene il tipo di polimero comprendesse quattro livelli. Il design è stato anche impostato per tenere conto delle restrizioni sui fattori, quindi alcuni tipi di polimeri non potevano essere combinati con la dimensione delle particelle più piccole perché impediva l'indurimento dei polimeri. |
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Abbiamo studiato quattro risposte totali, tra cui densità, velocità del suono, impedenza acustica e attenuazione. |
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L'obiettivo era individuare un valore di impedenza acustica specifico con un'attenuazione minima e comprendere solo i fattori che influiscono sulla densità nella velocità del suono. |
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Abbiamo mirato a stimare tutti gli effetti medi, le interazioni del secondo ordine e i termini quadratici per generare un modello con elevata accuratezza predittiva. E per fare questo abbiamo deciso di fabbricare un totale di 98 campioni per avere un potere ragionevole per rilevare questi effetti. |
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I materiali sono stati caratterizzati utilizzando una tecnica di trasmissione passante in cui le proprietà acustiche sconosciute del materiale sono ottenute dal confronto con un materiale di riferimento, in questo caso l'acqua. |
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Un segnale viene inviato dal trasmettitore al ricevitore e il segnale catturato viene confrontato quando si viaggia attraverso l'acqua da sola, con l'acqua e il campione. |
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Quindi, all'interno dello spazio di progettazione che abbiamo esplorato, abbiamo scoperto... abbiamo misurato una gamma di impedenze acustiche a seconda del polimero e delle proprietà delle particelle aggiunte. |
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Abbiamo scoperto che potevamo eguagliare le impedenze acustiche di materiali come acqua, pelle e legno. |
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Dopo aver raccolto i dati di risposta per ciascuno dei 98 campioni, abbiamo confrontato vari modelli candidati ridotti, con l'obiettivo di ottenere la massima accuratezza predittiva |
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con il minor numero di coefficienti del modello. Abbiamo usato tecniche come la selezione all'indietro e la convalida incrociata di K fold |
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per ottenere possibili modelli e quindi utilizzato una varietà di strumenti di valutazione per scegliere il modello finale. Abbiamo considerato se ci fossero valori anomali o punti influenti inclusi nei dati, |
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se gli errori fossero indipendenti e distribuiti normalmente con varianti costanti e media zero, e se vi fosse una significativa mancanza di adattamento nel modello. |
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Nel complesso, abbiamo scoperto che il modello di impedenza acustica finale scelto era adatto ai nostri scopi. Questa trama a sinistra |
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mostra il grafico effettivo rispetto a quello previsto e puoi vedere che i dati si adattano molto bene lungo la linea diagonale, il che significa che i dati effettivi e quelli previsti sono molto simili. |
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E i residui, come puoi vedere, su questo grafico a destra, sono normalmente distribuiti intorno a zero senza uno schema distinto. |
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Il modello finale scelto includeva fattori significativi del tipo di polimero, concentrazione di drogante e temperatura. Il modello aveva un valore R quadrato aggiustato di .995 e un errore quadratico medio di .02. |
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Quindi, poiché il nostro obiettivo principale era fabbricare un polimero con un'impedenza acustica specifica e un'attenuazione minima, il profiler di previsione è stato davvero utile |
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al raggiungimento di questo obiettivo. Quindi, in questo video, puoi vedere che sto dimostrando come il profiler di produzione indichi le condizioni necessarie per mirare a un valore di impedenza di 1.3MRayls con attenuazione minima. |
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Abbiamo utilizzato il profiler di previsione per prevedere le condizioni necessarie per fabbricare un totale di nove polimeri con un'impedenza di 1, 1.3, 1.6, 1.9 e 2.2 MRayls. |
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L'errore medio tra i valori di impedenza acustica previsti e misurati era solo dell'1,4% circa, una differenza di circa 0,05 MRayls. |
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Quindi, fiduciosi dei risultati del nostro DOE, abbiamo utilizzato le specifiche condizioni di fabbricazione del polimero quando abbiamo messo insieme un sensore acustico abbinato all'impedenza, che chiamerò Hearo. |
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In questa immagine, puoi vedere diversi dispositivi Hearo con diversi valori di impedenza target, a seconda dell'applicazione target di interesse. Confrontiamo questo dispositivo di corrispondenza dell'impedenza con un tipico microfono e accelerometro utilizzando le metriche del rapporto segnale/rumore. |
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In questi dati SNR, un valore più alto indica una maggiore correlazione con il segnale di interesse e una minore correlazione con il rumore aereo. Quindi la metrica complessiva del segnale è vincolata prendendo la differenza tra |
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la coerenza con il segnale del simulatore meno la coerenza con il rumore. Puoi vedere che Hearo in questa sorta di colore arancione mostra meno coerenza con il rumore |
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e una maggiore coerenza con il segnale del simulatore, portando a una metrica SNR complessivamente più alta rispetto a un accelerometro e microfono con diaframma. |
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In queste dimostrazioni, puoi vedere che questo porta Hearo a catturare un segnale molto pulito dal corpo o dallo strumento senza raccogliere il rumore aereo. Quindi questo primo video mostra la registrazione di Hearo sui suoni cardiaci e polmonari in un ambiente domestico. |
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E il secondo video mostra Hearo che registra le campane. |
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Quindi immaginiamo davvero che questo sensore possa fornire un modo migliore per monitorare i suoni dal corpo o dagli strumenti. I dispositivi tipici richiedono costosi circuiti di soppressione del rumore. |
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Quindi, in sintesi, abbiamo utilizzato un progetto di esperimenti in JMP per capire come più condizioni di fabbricazione e caratterizzazione influiscano sulle proprietà acustiche dei polimeri con particelle aggiunte. |
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Il modello ottenuto dall'esperimento ha dimostrato un'elevata accuratezza predittiva ed è stato utilizzato nella progettazione di un sensore acustico abbinato all'impedenza. |
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Il sensore dimostra una migliore fedeltà del segnale e riduzione del rumore rispetto ai sensori esistenti che sono ottimizzati per la ricezione del suono aereo. Grazie per l'attenzione e non esitate a contattarmi per qualsiasi domanda. |
