揚聲器
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成績單
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| 瓦萊麗·倫諾爾 |
該實驗室的一個主要重點是開發用於人體的新型靈活聲學感測器。 |
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今天，我將討論我的研究，即使用最佳實驗設計來研究添加顆粒的幾種不同聚合物材料的聲學特性。 |
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此實驗的結果用於開發聲阻抗匹配感測器。 |
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因此，聲阻抗和衰減是影響聲音傳播材料的重要材料特性。 聲阻抗是聲波通過材料的速度密度的函數。 |
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當聲音從一種材料傳播到另一種材料時，聲阻抗的差異會導致能量在邊界反射。 |
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水和空氣之間的聲阻抗不匹配就是為什麼，如果有人在水池中的水下發出聲音，而您站在池邊，您將聽不到該聲音。 |
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這些動畫展示了聲阻抗如何影響身體聲音的傳輸。 |
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在第一張圖中，您將看到從您的身體發出的聲音撞擊您的皮膚和空氣之間的介面，由於較大的阻抗不匹配，導致大多數聲音反射回身體。 |
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第二張圖顯示了當醫生傾聽您的意見時，這種效果如何真正放大... |
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使用聽診器聆聽您的身體。 阻抗失配導致一小部分入射能量被傳輸到聽診器，並且還增加了空氣傳播噪音真正破壞訊號的路徑。 |
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第三張圖展示了我們使用阻抗匹配感測器的方法。 阻抗匹配良好，因此在身體感測器介面處發生的訊號反射非常少，並且空氣傳播的雜訊會被動地反射離開感測器。 |
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總的來說，透過匹配被監測介質的聲阻抗，可以捕捉更多的聲音。 為了做到這一點，必須了解如何製造聚合物以達到特定的聲阻抗。 |
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因此，先前的研究表明，奈米顆粒可以分散到聚合物基質中來控制其聲阻抗。 |
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然而，現有研究的範圍僅限於基本上探索設計空間，一次使用一個因素的方法並關註一小部分相關因素。 |
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因此，我們選擇透過在 JMP 中設定最佳實驗設計來擴展先前的研究。 最優設計是理想的，因為我們想要考慮連續、離散和分類因素的混合。 |
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因此，這兩個表概述了我們納入 DOE 的因素和應對措施。 |
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經過文獻回顧並考慮應研究的因素後，我們選擇包含七個聚合物類型的總因素；顆粒濃度、尺寸和密度； |
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樣品厚度；以及表徵頻率和溫度。 正如您在第三列中看到的，這些因素通常包括低、高和中心設置， |
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雖然聚合物類型包括四個級別。 該設計還考慮了因素限制，因此某些聚合物類型無法與最小粒徑組合，因為它會阻止聚合物固化。 |
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我們研究了四種總響應，包括密度、聲速、聲阻抗和衰減。 |
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目標是以最小的衰減確定特定的聲阻抗值，並了解影響聲速密度的因素。 |
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我們的目標是估計所有平均效應、二階交互作用和二次項，以產生具有高預測精度的模型。 為此，我們決定製造總共 98 個樣本，以便具有合理的能力來檢測這些效應。 |
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使用直通傳輸技術對材料進行表徵，其中透過與參考材料（在本例中為水）進行比較來獲得材料的未知聲學特性。 |
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訊號從發射器發送到接收器，並將捕獲的訊號在單獨穿過水時與水和樣品中進行比較。 |
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因此，在我們探索的設計空間中，我們發現…我們測量了一系列取決於聚合物和添加的顆粒特性的聲阻抗。 |
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我們發現我們可以匹配水、皮膚和木材等材料的聲阻抗。 |
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在收集了 98 個樣本中每個樣本的反應資料後，我們比較了各種簡化的候選模型，目的是獲得最高的預測精度 |
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模型係數數量最少。 我們使用了向後選擇和 K 折交叉驗證等技術 |
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獲得可能的模型，然後使用各種評估工具來選擇最終的模型。 我們考慮數據中是否存在異常值或影響點， |
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誤差是否獨立且呈常態分佈且變數恆定且平均值為零，以及模型中是否有明顯的不擬合。 |
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總的來說，我們發現最終選擇的聲阻抗模型足以滿足我們的目的。 左邊這個圖 |
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顯示實際與預測圖，您可以看到，數據沿著對角線非常吻合，這意味著實際數據和預測數據高度相似。 |
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正如您所看到的，在右側的圖中，殘差呈常態分佈，大約為零，沒有明顯的模式。 |
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最終選擇的模型包括聚合物類型、摻雜劑濃度和溫度等重要因素。 此模型的調整 R 平方值為 0.995，均方根誤差為 0.02。 |
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因此，由於我們的主要目標是製造具有特定聲阻抗和最小衰減的聚合物，因此預測分析器確實很有幫助 |
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來達到這個目標。 因此，在本影片中，您可以看到我正在示範生產分析器如何指出以最小衰減實現 1.3MRayls 阻抗值目標所需的條件。 |
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我們使用預測分析器來預測製造總共九種阻抗分別為 1、1.3、1.6、1.9 和 2.2 MRayls 的聚合物所需的條件。 |
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預測聲阻抗值與測量聲阻抗值之間的平均誤差僅 1.4% 左右，相差約 0.05 MRayls。 |
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因此，我們對 DOE 的結果充滿信心，在組裝阻抗匹配聲學感測器（我將其稱為 Hearo）時使用了特定的聚合物製造條件。 |
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在此圖中，您可以看到多個具有不同目標阻抗值的 Hearo 設備，具體取決於感興趣的目標應用。 我們使用訊號雜訊比指標將此阻抗匹配設備與典型的麥克風和加速度計進行比較。 |
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在這些 SNR 圖中，數值越高表示與感興趣訊號的相關性越大，而與空氣雜訊的相關性越小。 因此，整體訊號指標受到以下差異的限制： |
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與模擬器訊號的相干性減去與雜訊的相干性。 您可以看到這種橙色的 Hearo 與噪音的一致性較差 |
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與模擬器訊號的一致性更強，與加速度計和帶隔膜的麥克風相比，整體信噪比指標更高。 |
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在這些演示中，您可以看到這使得 Hearo 從身體或儀器捕獲非常乾淨的信號，而不會拾取空氣中的噪音。 因此，第一個影片展示了 Hearo 在家庭環境中記錄心音和肺音。 |
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第二段影片顯示 Hearo 錄製鈴聲。 |
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因此，我們確實希望該感測器可以提供一種改進的方法來監測來自身體或儀器的聲音。 典型的設備需要昂貴的噪音抑制電路。 |
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因此，總而言之，我們在 JMP 中使用了實驗設計來了解多種製造和表徵條件如何影響添加顆粒的聚合物的聲學特性。 |
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實驗獲得的模型表現出較高的預測精度，並用於阻抗匹配聲音感測器的設計。 |
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與針對空氣傳播聲音拾取進行最佳化的現有感測器相比，此感測器具有更高的訊號保真度和降噪效果。 感謝您的關注，如有任何問題請隨時與我聯繫。 |
