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Dissertação de Mestrado
DOI
https://doi.org/10.11606/D.3.2020.tde-28022020-102035
Documento
Autor
Nome completo
Estevão Patricio Rodrigues
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2019
Orientador
Banca examinadora
Buiochi, Flávio (Presidente)
Furuie, Sérgio Shiguemi
Maia, Joaquim Miguel
Título em português
Desenvolvimento de um transdutor ultrassônico matricial bidimensional para aplicações submarinas.
Palavras-chave em português
Atuadores piezelétrico
Sensor
SONAR
Subaquático
Terceira dimensão
Transdutor matricial bidimensional
Resumo em português
Neste trabalho é proposta uma metodologia para modelar, construir e caracterizar um transdutor ultrassônico matricial bidimensional para acoplamento em água, com o objetivo de realizar imagens em duas e em três dimensões de objetos submersos. Buscando-se o desempenho do transdutor para aplicações subaquáticas, seis protótipos foram projetados e construídos. Foram usados dois tipos de matrizes de elementos piezelétricos: piezocerâmica Pz37 e piezocompósito 1-3. Os protótipos de cada tipo de matriz piezelétrica se diferenciam apenas pelo tipo de material utilizado na camada de retaguarda (backing layer). A cerâmica pura deu origem aos transdutores T1 - retaguarda de água, T2 - retaguarda de ar e T3 - retaguarda de compósito de epóxi com partículas de tungstênio. Dentre estes, o transdutor T2 apresentou a melhor sensibilidade para detectar ecos, o transdutor T3 proporcionou a melhor diretividade do feixe acústico e a melhor otimização dos lóbulos de espaçamento, e o transdutor T1 teve desempenho intermediário em todos os parâmetros. O piezocompósito 1-3 deu origem aos transdutores T4 - retaguarda de água, T5 - retaguarda de ar e T6 - retaguarda de resina epóxi. Dentre estes, o transdutor T5 teve a maior sensibilidade de detecção de ecos, o T4 proporcionou a maior largura de banda, e o T6 obteve sensibilidade intermediária e a menor largura de banda. Dentre os transdutores T4-T6, o transdutor T5 foi escolhido como o melhor compromisso entre sensibilidade e largura de banda, porque obteve a maior sensibilidade média de detecção dos ecos (T4 e T6 foram -3,5dB e -2,6dB inferiores, respectivamente), e proporcionou uma largura de banda média próxima a obtida com o transdutor T4 (apenas -0,2dB inferior à este) e maior do que a do transdutor T6 (0,7dB superior a este). Por fim, os transdutores T3 e T5 foram usados para gerar imagens em duas e em três dimensões de refletores imersos em um tanque (a até 1,15m de distância).
Título em inglês
Development and characterization of a two dimensional phased array ultrasonic transducer for underwater applications.
Palavras-chave em inglês
3D SONAR
Two-dimensional phased array
Underwater
Resumo em inglês
This work proposes a methodology to model, construct and characterize a two dimensional phased array ultrasonic transducer for water coupling, with the objective of imaging submerged objects in two and three dimensions. Seeking transducer improvements for underwater applications, six prototypes were designed and built. Two kinds of matrices of piezoelectric elements were used: piezoceramic Pz37 and 1-3 piezocomposite. Three prototypes were built with each piezoelectric matrix type, only changing the type of material of the backing layer. Pure ceramics gave rise to transducers T1 - water backing layer, T2 - air backing layer and T3 - tungsten powder composite backing layer. Among them, transducer T2 presented the best sensitivity for echo detection, transducer T3 provided the best directivity and transducer T1 presented intermediate performance in all parameters. The 1-3 piezocomposite gave rise to transducers T4 - water support layer, T5 - air support layer, and T6 - epoxy resin support layer. Among these, the transducer T5 had the highest sensitivity for detecting echoes, transducer T4 the highest bandwidth and transducer T6 the intermediate sensitivity and the lowest bandwidth. Among the transducers T4-T6, the transducer T5 was chosen as the better compromise between sensitivity and bandwidth, because it has the highest average sensitivity to detect echoes (T4 and T6 were -3.5dB and -2.6dB lower, respectively), and provides average bandwidth close to that obtained with transducer T4 (only -0.2dB lower) and larger than that of the transducer T6 (0.7dB upper). Finally, the T3 and T5 transducers were used to generate two- and three-dimensional images of reflectors immersed in a tank (up to 1.15m apart).
 
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Data de Publicação
2020-02-28
 
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