Aplicações Metrológicas do Ultra-Som Empregado em Engenharia

Aplicações Metrológicas do Ultra-Som Empregado em Engenharia
Biomédica Utilizando Varreduras de Senos (chirps)
Rodrigo Pereira Barretto da Costa-Félix, 23 de março de 2005, Orientador: João
Carlos Machado, Doutorado
Sinais modulados em freqüência, na área de ultra-som denominados chirps, são de
ampla difusão já há algumas décadas. Recentemente, o Inmetro vem desenvolvendo, de
maneira pioneira, aplicações metrológicas de uma codificação denominada Coded
Excitation Pulse (CEP), nas freqüências sônicas. O objetivo desta tese é estudar o CEP,
utilizando-o como sinal de excitação ultra-sônica em metrologia na área biomédica.
Inicialmente, diversas variáveis da implementação do CEP foram avaliadas através de
simulações computacionais, e os resultados balizaram os 4 experimentos realizados. No
primeiro experimento, observou-se um aumento, estatisticamente significativo
(p < 0,0001), de 2,3 vezes na largura de banda da resposta de um sistema ultra-sônico ao
CEP, devidamente projetado, mantendo-se a mesma instrumentação. Aplicando a
mesma técnica no segundo experimento, foi possível validar resultados de medição de
atenuação ultra-sônica em uma largura de banda de ۴,۵۷۰ ± ۰,۰۰۷ MHz utilizando um
sistema com banda de ۱,۷۸۸ ± ۰,۰۱۲ MHz , variando menos do que 0,1 dB em relação
à curva teórica de atenuação. No terceiro experimento, a calibração de transdutores
com o CEP se mostrou mais vantajosa, qualitativamente, do que com tons puros
(stepped sine) ou com 1 ciclo de senóide como sinais de excitação, nas regiões em que
efeitos não lineares e difração se destacam. Finalmente, na calibração de hidrofones, o
uso do CEP resultou em valores de sensibilidade idênticos aos obtidos com um método
da propagação não-linear, dentro da incerteza de ±1 dB atribuída ao método.
METROLOGICAL APPLICATIONS OF ULTRASOUND EMPLOYED IN
BIOMEDICAL ENGINEERING USING SWEPT-SINES (CHIRPS)
Frequency modulated signals, known as chirps in ultrasound, have wide applicability
for decades. Recently, metrological applications of a codification named Coded
Excitation Pulse (CEP) is under pioneer development at Inmetro, in the audible
frequency range. The aim of this thesis is to study the CEP, employing it as ultrasonic
excitation signal for biomedical metrology. Firstly, several variables concerning CEP
implementation were evaluated through computational simulations, and the results were
used as guidelines to the 4 experiments undertaken. In the first experiment, it was
observed a statistically significant (p < 0.0001) bandwidth broadening of 2.3 times the
system output bandwidth when excited by a properly designed CEP, keeping the same
experimental setup. Applying the same technique in a second experiment, it was
possible to validate attenuation measurement results in a bandwidth of
۴.۵۷۰ ± ۰.۰۰۷ MHz using a system with ۱.۷۸۸ ± ۰.۰۱۲ MHz of bandwidth. In the
third experiment, ultrasonic transducer calibration applying CEP became qualitatively
more advantageous than the stepped sine technique or using single-cycle sine as
excitation signal, particularly at those regions where nonlinear propagation effects and
diffraction play a key role. Finally, hydrophone calibration with CEP resulted in
sensitivity equal to that assessed with the nonlinear propagation technique, within the
±1 dB uncertainty attributed to the method.
Banca: Prof. João Carlos Machado, Prof. Wagner Coelho de Albuquerque Pereira, Dr.
Paulo Medeiros Massarani, Prof. Fernando Reiszel Pereira, Prof. Eduardo Tavares
Costa; Páginas: 196; Palavra-chave: Metrologia; Varredura de senos; Excitação
Codificada; Chirps; Deconvolução; Resposta Impulsiva Espacial; Calibração de
transdutores ultra-sônicos; Calibração de hidrofones