| Lautsprecher |
Transkript |
| 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 eines optimalen Versuchsdesigns zur Untersuchung der akustischen Eigenschaften mehrerer verschiedener Polymermaterialien mit zugesetzten Partikeln besprechen. |
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Die Ergebnisse dieses Experiments werden zur Entwicklung eines Sensors mit angepasster akustischer Impedanz verwendet. |
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Daher sind akustische Impedanz und Dämpfung wichtige Materialeigenschaften, die sich auf die Schallausbreitung von Materialien auswirken. Die akustische Impedanz ist eine Funktion ihrer Dichte in Bezug auf die 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 dafür, dass Sie ein Geräusch, das jemand unter Wasser in einem Pool macht, nicht hören können, wenn Sie am Beckenrand 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 Schnittstelle zwischen Ihrer Haut und der Luft trifft, wodurch aufgrund der großen Impedanzanpassung der größte Teil des Schalls zum Körper zurückreflektiert wird. |
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Die zweite Abbildung zeigt, wie dieser Effekt tatsächlich verstärkt wird, wenn ein Arzt Ihnen zuhört ... |
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Hört Ihren Körper mit einem Stethoskop ab. Die Impedanzfehlanpassung führt dazu, dass ein kleiner Teil der einfallenden Energie an das Stethoskop übertragen wird. Zudem entsteht ein Pfad, auf dem Luftschall das Signal erheblich beeinträchtigen kann. |
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Die dritte Abbildung veranschaulicht unseren Ansatz mit Impedanzanpassungssensor. Die Impedanzen sind gut aufeinander abgestimmt, sodass an der Körper-Sensor-Schnittstelle nur eine sehr geringe Signalreflexion auftritt und Luftschall passiv vom Sensor weg reflektiert wird. |
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Durch die Anpassung der akustischen Impedanz des zu überwachenden Mediums kann insgesamt eine größere Schallmenge erfasst werden. Dazu muss verstanden werden, wie ein Polymer hergestellt werden kann, um eine bestimmte akustische Impedanz zu erreichen. |
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Frühere Forschungen hatten gezeigt, dass Nanopartikel in einer Polymermatrix dispergiert werden können, um deren akustische Impedanz zu steuern. |
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Bisherige Forschungsarbeiten beschränkten sich jedoch im Wesentlichen auf die Erforschung des Designraums, wobei jeweils nur ein Faktor nach dem anderen herangezogen wurde und der Schwerpunkt auf einer kleinen Teilmenge relevanter Faktoren lag. |
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Daher beschlossen wir, unsere bisherigen Forschungsergebnisse zu erweitern und in JMP ein optimales Versuchsdesign zu entwickeln. Das optimale Design war ideal, da wir eine Mischung aus kontinuierlichen, diskreten und kategorischen Faktoren berücksichtigen wollten. |
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Diese beiden Tabellen bieten einen Überblick über die Faktoren und Antworten, die wir in das DOE aufgenommen haben. |
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Nach einer Literaturrecherche zur Berücksichtigung der zu untersuchenden Faktoren haben wir uns entschieden, insgesamt sieben Faktoren einzubeziehen: Polymertyp, Partikelkonzentration, -größe und -dichte; |
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Probendicke; sowie Charakterisierungsfrequenz und Temperatur. Wie Sie in dieser dritten Spalte sehen können, umfassten die Faktoren typischerweise niedrige, hohe und mittlere Einstellungen. |
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Der Polymertyp umfasste jedoch vier Stufen. Das Design wurde auch so gestaltet, dass es Faktorbeschränkungen berücksichtigte. So konnten bestimmte Polymertypen nicht mit der kleinsten Partikelgröße kombiniert werden, 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 zu erreichen und lediglich die Faktoren zu verstehen, die die Dichte in Schallgeschwindigkeit beeinflussen. |
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Unser Ziel war es, alle Mittelwerteffekte, Wechselwirkungen zweiter Ordnung und quadratischen Terme abzuschätzen, um ein Modell mit hoher Vorhersagegenauigkeit zu erstellen. Dafür haben wir insgesamt 98 Proben erstellt, um eine ausreichende Aussagekraft für die Erkennung dieser Effekte zu erreichen. |
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Die 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 verglichen, wenn es nur durch Wasser fließt, mit dem Signal, wenn es durch Wasser und die Probe fließt. |
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Innerhalb des von uns untersuchten Designbereichs stellten wir fest, dass wir je nach Polymer und den hinzugefügten Partikeleigenschaften eine Reihe akustischer Impedanzen gemessen haben. |
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Wir haben festgestellt, dass wir die akustischen Impedanzen von Materialien wie Wasser, Haut und Holz anpassen können. |
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Nachdem wir für jede der 98 Stichproben Antwortdaten 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-fache Kreuzvalidierung |
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um mögliche Modelle zu erhalten und dann verschiedene Bewertungsinstrumente zu verwenden, um das endgültige Modell auszuwählen. Wir haben geprüft, ob die Daten Ausreißer oder einflussreiche Punkte enthielten, |
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ob die Fehler unabhängig und normal verteilt waren, mit konstanten Varianten und einem Mittelwert von Null, und ob es einen signifikanten Mangel an Anpassung im Modell gab. |
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Insgesamt stellten wir fest, dass das endgültig gewählte akustische Impedanzmodell für unsere Zwecke geeignet war. Dieses Diagramm links |
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zeigt das Diagramm der tatsächlichen Daten im Vergleich zur Prognose. Sie können sehen, dass die Daten sehr gut entlang der Diagonalen passen, was bedeutet, dass die tatsächlichen und die prognostizierten Daten sehr ähnlich sind. |
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Und die Residuen sind, wie Sie in diesem Diagramm rechts sehen können, normal um Null verteilt, ohne eindeutiges Muster. |
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Das endgültig ausgewählte Modell berücksichtigte die wesentlichen Faktoren Polymertyp, Dotierstoffkonzentration und Temperatur. Das Modell hatte einen angepassten R-Quadrat-Wert von 0,995 und einen mittleren quadratischen Fehler 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 demonstriere, wie der Produktionsprofiler die notwendigen Bedingungen aufzeigt, um einen Impedanzwert von 1,3 MRayl bei minimaler Dämpfung zu erreichen. |
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Wir haben den Vorhersageprofiler verwendet, um die Bedingungen vorherzusagen, die zur Herstellung von insgesamt neun Polymeren mit einer Impedanz 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 gemessenen akustischen Impedanzwerten betrug nur etwa 1,4 %, ein Unterschied von etwa 0,05 MRayls. |
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Da wir von den Ergebnissen unseres DOE überzeugt waren, nutzten wir die spezifischen Polymerherstellungsbedingungen beim Zusammenbau eines impedanzangepassten Akustiksensors, den ich als Hearo bezeichnen werde. |
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In diesem Bild sehen Sie mehrere Hearo-Geräte mit unterschiedlichen Zielimpedanzwerten, je nach Zielanwendung. Wir vergleichen dieses Impedanzanpassungsgerät anhand des Signal-Rausch-Verhältnisses mit einem typischen Mikrofon und Beschleunigungsmesser. |
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Bei diesen SNR-Werten bedeutet ein höherer Wert eine stärkere Korrelation mit dem betreffenden Signal und eine geringere Korrelation mit Luftschall. Die Gesamtsignalmetrik wird daher durch die Differenz zwischen |
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die Kohärenz mit dem Simulatorsignal abzüglich der Kohärenz mit dem Rauschen. Sie können sehen, dass Hearo in dieser Art von orangefarbener Farbe weniger Kohärenz mit dem Rauschen 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 Hearo bei der Aufzeichnung von Herz- und Lungengeräuschen in einer häuslichen Umgebung. |
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Und das zweite Video zeigt Hearo, wie er die Glocken aufnimmt. |
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Wir gehen davon aus, dass dieser Sensor eine verbesserte Möglichkeit zur Überwachung von Körper- oder Instrumentengeräuschen bieten könnte. Herkömmliche Geräte erfordern eine kostspielige Schaltung zur Rauschunterdrückung. |
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Zusammenfassend lässt sich also sagen, dass wir ein Versuchsdesign in JMP verwendet haben, 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 gewonnene Modell zeigte eine hohe Vorhersagegenauigkeit und wurde beim Entwurf eines impedanzangepassten akustischen Sensors verwendet. |
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Der Sensor bietet eine verbesserte Signaltreue und Rauschunterdrückung im Vergleich zu bestehenden Sensoren, die für die Erfassung von Luftschall optimiert sind. Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit. Bei Fragen stehe ich Ihnen gerne zur Verfügung. |
