Zastosowanie ultradźwięków w technikach multimedialnych

Transkrypt

1 Zastosowanie ultradźwięków w technikach multimedialnych Janusz Cichowski, p. 68 jay@sound.eti.pg.gda.pl Katedra Systemów Multimedialnych, Wydział Elektroniki Telekomunikacji i Informatyki, Politechnika Gdańska Plan wykładu Przegląd typowych aplikacji ultradźwiękowych Analiza sygnałów ultradźwiękowych Demonstracja 1

2 Przegląd aplikacji ultradźwiękowych Klasyfikacja ultradźwięków niskie nuty basowe zwierzęta i chemia medycyna i terapia inwazyjna obrazowanie i diagnostyka Infradźwięki Dźwięki słyszalne Ultradźwięki Przegląd aplikacji ultradźwiękowych Obrazowanie ultrasonograficzne

3 Przegląd aplikacji ultradźwiękowych Ultrasonografia Dopplerowska Przegląd aplikacji ultradźwiękowych Diagnostyka nieinwazyjna 3

4 Przegląd aplikacji ultradźwiękowych Echo sondy i hydrolokalizacja Przegląd aplikacji ultradźwiękowych Model absorpcyjny obiekt badany nadajnik Model odbiciowy obiekt badany odbiornik nadajnik & odbiornik 4

5 Przegląd aplikacji ultradźwiękowych Ultradźwięki propagują w danym ośrodku/medium Powietrze/Woda/Krew/Tłuszcz/Kości/Metal itd. Gęstość ośrodka Prędkość propagacji w danym ośrodku Tłumienie ośrodka Ciepło właściwe ośrodka Przeodność cieplna ośrodka Wymagania aplikacji ultradźwiękowych Balansowanie pomiędzy możliwościami ośrodka Odległość/Rozdzielczość/Częstotliwość Ciśnienie promieniowania [Pa] - ogólnie I P E c p c gdzie: E gęstość energii ultradźwięków [J/m 3 ] I natężenie dźwięku [W/m ] c prędkość dźwięku [m/s] p ciśnienie ultradźwięków (jeden przetwornik) [Pa] ρ gęstość ośrodka [kg/m 3 ] α stała skalująca 1- (zależna od modelu) 5

6 Przetwornik cylindryczny emituje ciśnienie p [Pa] gdzie: b p c z λ długość fali [m] b promień przetwornika [m] z odległość od osi promieniowania [m] v 0 prędkość cząsteczki powietrza at z=0 [m/s] [m/s] v 0 Relacja pomiędzy mocą ultradźwięków W [W] wypromieniowaną z przetwornika, a prędkością cząsteczki v 0 [m/s] W S 0 c v 0 S 0 powierzchnia promieniowania [m ] 6

7 Moc ultradźwięków wypromieniowanych przez pojedynczy przetwornik W [W] W z p cb Siła promieniowania ultradźwięków z N pojedynczych przetworników F [N] F I W PNS 0 NS0 NS0 c cs 0 WN c 7

8 Formowanie wiązki Punkt ogniskowania Macierz przetworników ultradźwiękowych Fale ultradźwiękowe Macierz przetworników ultradźwiękowych Sygnały opóźnione fazowo Formowanie wiązki 8

9 Sygnał wejściowy do pierwszego przetwornika x 1 k e j k Sygnał wejściowy do drugiego przetwornika j k x k e Sygnał wejściowy do l-tego przetwornika x l k e j k l 1050 Pa 154 db SPL 9

10 3800 Pa 165 db SPL 1100 Pa 155 db SPL 10

11 Nieliniowość ośrodka propagacji Nieliniowość cząsteczkowa Czas sprężania cząsteczek powietrza = t 1 Czas rozprężania cząsteczek powietrza = t t 1 t Nieliniowość częstotliwościowa Tłumienie f 1 = ζ 1 Tłumienie f = ζ, gdzie f 1 f ζ 1 ζ (różnica nie jest liniowo zależna od f) Analiza sygnałów ultradźwiękowych Analiza czasu przejścia sygnału pomiędzy nadajnikiem a odbiornikiem TOA Time of Arrival Para nadajnik i odbiornik TDOA Time Difference of Arrival Wiele nadajników i odbiorników 11

12 Analiza sygnałów ultradźwiękowych Analiza czasu przejścia sygnału pomiędzy nadajnikiem a odbiornikiem Analiza sygnałów ultradźwiękowych Analiza zmian częstotliwości sygnału odebranego względem częstotliwości sygnału nadanego (Efekt Dopplera) FOA Frequency of Arrival Para nadajnik i odbiornik FDOA Frequency Difference of Arrival Wiele nadajników i odbiorników 1

13 Analiza sygnałów ultradźwiękowych Analiza zmian częstotliwości sygnału odebranego względem częstotliwości sygnału nadanego (Efekt Dopplera) Umiarkowana długofalowa obecność technologii ultradźwiękowej w aplikacjach multimedialnych Niskie koszty rozwoju technologii Duża skuteczność działania, brak zakłóceń elektromagnetycznych, wizyjnych, hałasu itp. 13

14 Detekcja obiektów macierze czujników macierze czujników monitor komputerowy sygnał sondujący echo Detekcja mowy 14

15 Generacja ultradźwiękowego sprzężenia czuciowego (wirtualna rzeczywistość) Wykorzystanie skoncentrowanej wiązki ultradźwięków Modulacja sygnału w celu pobudzenia receptorów czuciowych 15

16 w powietrzu Bilans energetyczny przy niedopasowaniu impedancji ośrodków Prędkość ultradźwięków (powietrze) = 343 [m/s] Gęstość powietrza = [kg/m 3 ] Prędkość ultradźwięków (woda) = 1497 [m/s] Gęstość wody= 998. [kg/m 3 ] Impedancja akustyczna ośrodka Z c gdzie: ρ gęstość ośrodka c prędkość ultradźwięków Impedancja powietrza Z a 413 [Pa s/m] Impedancja skóry Z s [Pa s/m] 16

17 Współczynnik odbicia R I z z s a gdzie: Z a akustyczna impedancja powietrza Z s akustyczna impedancja skóry s 99,89% energii ultradźwiękowej jest odbijane od skóry (niepochłaniane) z z a Generowanie słyszalnych dźwięków z przetworników ultradźwiękowych Westervelt w 1963 badania w wodzie Wykorzystanie fizycznych właściwości medium Macierze parametryczna duża kierunkowość 17

18 przetworniki ultradźwiękowe fale nośne o częstotliwościach ultradźwiękowych nieliniowe medium transmisyjne wynik modulacji f1 = 4 khz f = 40 khz fale o częstotliwościach akustycznych odbierane przez narząd słuchu 18

19 19

20 0

21 Demonstracja Dziękuję za uwagę 1