756817_it-IT

liliconcom

Progettazione di esperimenti per caratterizzare e prevedere le proprietà acustiche dei polimeri (2021-US-EPO-866)

Valerie Rennoll, Università Johns Hopkins, Università Johns Hopkins
Ian McLane, studente laureato, Johns Hopkins University
Drew Grant, studente laureato, Johns Hopkins University
Mounya Elhilali, professore, Università Johns Hopkins

James West, professore, Università Johns Hopkins

L'impedenza e l'attenuazione acustica sono proprietà importanti che influiscono sulla propagazione del suono nelle applicazioni subacquee e mediche. Per mirare a proprietà acustiche specifiche, è possibile utilizzare più polimeri con una gamma di densità e rigidità e quindi ulteriormente ottimizzati con l'aggiunta di droganti. Utilizzando una progettazione I-ottimale degli esperimenti in JMP, è stata esplorata la relazione tra molteplici condizioni di fabbricazione e caratterizzazione sull'impedenza acustica e l'attenuazione dei polimeri con droganti a base di nanoparticelle. Sono stati fabbricati e caratterizzati un totale di 98 campioni con fattori quali tipo di polimero (PDMS, ecoflex e poliuretano), spessore del campione, densità del drogante, concentrazione del drogante, dimensione del drogante, frequenza e temperatura di caratterizzazione. I modelli statistici ottenuti specificano le condizioni necessarie per adattare i polimeri alle impedenze acustiche nell'intervallo da 1 a 2,2 MRayl, minimizzando o massimizzando l'attenuazione. Sono stati fabbricati nove campioni di validazione per individuare cinque valori di impedenza con attenuazioni minime o massime e hanno dimostrato un errore medio previsto dell'1,4% rispetto ai valori di impedenza misurati. Il modello viene utilizzato per costruire sensori adattati acusticamente a materiali come pelle umana, legno e acqua.

Trascrizione generata automaticamente...

Altoparlante	Trascrizione
Valerie Rennoll	Uno degli obiettivi principali del laboratorio è lo sviluppo di nuovi sensori acustici flessibili da utilizzare sul corpo.
	Oggi parlerò della mia ricerca sull'utilizzo di una progettazione ottimale di esperimenti per studiare le proprietà acustiche di diversi materiali polimerici con particelle aggiunte.
	I risultati di questo esperimento vengono utilizzati per sviluppare un sensore adattato all'impedenza acustica.
	Pertanto l’impedenza e l’attenuazione acustica sono proprietà importanti 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.
	Quando il suono viaggia da un materiale all'altro, le differenze nell'impedenza acustica fanno sì che l'energia si rifletta al confine.
	Questo disadattamento 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 ti trovi a bordo della piscina, non sarai in grado di sentire quel suono.
	Quindi queste animazioni mostrano come l'impedenza acustica influisce sulla trasmissione dei suoni corporei.
	In questa prima figura vedrai che il suono emesso dal tuo corpo colpisce un'interfaccia tra la tua pelle e l'aria, facendo sì che la maggior parte del suono venga riflessa verso il corpo, a causa del grande disadattamento di impedenza.
	La seconda figura mostra come questo effetto sia davvero amplificato quando un medico ascolta il tuo...
	ascolta il tuo corpo usando uno stetoscopio. Il disadattamento di impedenza fa sì che una piccola porzione dell'energia incidente venga trasmessa allo stetoscopio e aggiunge anche un percorso in cui il rumore aereo può davvero corrompere il segnale.
	Questa terza figura dimostra il nostro approccio con il sensore di corrispondenza dell'impedenza. Le impedenze sono ben adattate, quindi si verifica una minima riflessione del segnale sull'interfaccia del sensore del corpo e il rumore aereo viene riflesso passivamente lontano dal sensore.
	Nel complesso, adattando l'impedenza acustica del mezzo monitorato, è possibile catturare una maggiore quantità di suono. Per fare ciò, è necessario comprendere come un polimero possa essere fabbricato per raggiungere una specifica impedenza acustica.
	Quindi ricerche precedenti avevano dimostrato che le nanoparticelle possono essere disperse in una matrice polimerica per controllarne l’impedenza acustica.
	Tuttavia, la ricerca esistente era limitata all’esplorazione dello spazio di progettazione, utilizzando un approccio basato su un fattore alla volta e concentrandosi su un piccolo sottoinsieme di fattori rilevanti.
	Abbiamo quindi scelto di ampliare la ricerca precedente impostando una progettazione ottimale degli esperimenti in JMP. La progettazione ottimale era ideale perché volevamo considerare un mix di fattori continui, discreti e categorici.
	Quindi queste due tabelle forniscono una panoramica dei fattori e delle risposte che abbiamo incluso nel DOE.
	Dopo una revisione della letteratura per considerare i fattori che dovrebbero essere studiati, abbiamo scelto di includere sette fattori totali di tipo polimero; concentrazione, dimensione e densità delle particelle;
	spessore del campione; e frequenza e temperatura di caratterizzazione. Come puoi vedere in questa terza colonna, i fattori in genere includevano le impostazioni basso, alto e centrale,
	sebbene il tipo di polimero includesse quattro livelli. Il progetto è stato inoltre impostato per tenere conto delle restrizioni dei fattori, quindi alcuni tipi di polimeri non potevano essere combinati con particelle di dimensioni più piccole perché ciò impediva la polimerizzazione dei polimeri.
	Abbiamo studiato quattro risposte totali, tra cui densità, velocità del suono, impedenza acustica e attenuazione.
	L'obiettivo era quello di individuare un valore di impedenza acustica specifico con un'attenuazione minima e comprendere semplicemente i fattori che influiscono sulla densità nella velocità del suono.
	Abbiamo mirato a stimare tutti gli effetti medi, le interazioni del secondo ordine e i termini quadratici per generare un modello con elevata precisione predittiva. E per fare questo abbiamo deciso di fabbricare un totale di 98 campioni per avere una potenza ragionevole per rilevare questi effetti.
	I materiali sono stati caratterizzati utilizzando una tecnica di trasmissione in cui le proprietà acustiche sconosciute del materiale sono ottenute dal confronto con un materiale di riferimento, in questo caso l'acqua.
	Un segnale viene inviato dal trasmettitore al ricevitore e il segnale catturato viene confrontato quando si viaggia solo attraverso l'acqua, rispetto all'acqua e al campione.
	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.
	Abbiamo scoperto che potevamo eguagliare le impedenze acustiche di materiali come acqua, pelle e legno.
	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
	con il minor numero di coefficienti del modello. Abbiamo utilizzato tecniche come la selezione all'indietro e la convalida incrociata K fold
	per ottenere possibili modelli e quindi utilizzare una varietà di strumenti di valutazione per scegliere il modello finale. Abbiamo considerato se nei dati fossero presenti valori anomali o punti influenti,
	se gli errori fossero indipendenti e normalmente distribuiti con varianti costanti e media pari a zero e se vi fosse una significativa mancanza di adattamento nel modello.
	Nel complesso, abbiamo riscontrato che il modello di impedenza acustica finale scelto era adeguato ai nostri scopi. Questa trama a sinistra
	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.
	E i residui, come puoi vedere, su questo grafico a destra, sono normalmente distribuiti intorno allo zero senza uno schema distinto.
	Il modello finale scelto includeva fattori significativi quali tipo di polimero, concentrazione di drogante e temperatura. Il modello aveva un valore R quadrato corretto di 0,995 e un errore quadratico medio di 0,02.
	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
	per raggiungere questo obiettivo. Quindi, in questo video, puoi vedere come sto dimostrando come il profiler di produzione indica le condizioni necessarie per raggiungere un valore di impedenza di 1,3 MRayl con un'attenuazione minima.
	Abbiamo utilizzato il profiler di previsione per prevedere le condizioni necessarie per fabbricare un totale di nove polimeri con impedenza di 1, 1,3, 1,6, 1,9 e 2,2 MRayl.
	L'errore medio tra i valori di impedenza acustica previsti e misurati è stato solo dell'1,4% circa, una differenza di circa 0,05 MRayl.
	Quindi, fiduciosi nei risultati del nostro DOE, abbiamo utilizzato le condizioni specifiche di fabbricazione del polimero quando abbiamo messo insieme un sensore acustico con impedenza abbinata, che chiamerò Hearo.
	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 i parametri del rapporto segnale/rumore.
	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
	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
	e una maggiore coerenza con il segnale del simulatore, portando a una metrica SNR complessivamente più elevata rispetto a un accelerometro e un microfono con diaframma.
	In queste dimostrazioni, puoi vedere che questo porta Hearo a catturare un segnale molto pulito dal corpo o dallo strumento senza captare il rumore aereo. Quindi questo primo video mostra Hearo che registra i suoni cardiaci e polmonari in un ambiente domestico.
	E il secondo video mostra Hearo che registra le campane.
	Quindi immaginiamo davvero che questo sensore possa fornire un modo migliore per monitorare i suoni provenienti dal corpo o dagli strumenti. I dispositivi tipici richiedono costosi circuiti di soppressione del rumore.
	Quindi, in sintesi, abbiamo utilizzato un progetto di esperimenti in JMP per comprendere in che modo molteplici condizioni di fabbricazione e caratterizzazione influiscono sulle proprietà acustiche dei polimeri con particelle aggiunte.
	Il modello ottenuto dall'esperimento ha dimostrato un'elevata precisione predittiva ed è stato utilizzato nella progettazione di un sensore acustico ad impedenza corrispondente.
	Il sensore dimostra una migliore fedeltà del segnale e una migliore riduzione del rumore rispetto ai sensori esistenti ottimizzati per la captazione del suono aereo. Grazie per l'attenzione e non esitate a contattarmi per qualsiasi domanda.