Por favor, use este identificador para citar o enlazar este ítem: http://hdl.handle.net/10923/5753
Tipo: masterThesis
Título: Análise do desempenho da ultrassonografia no imageamento não invasivo de depósitos sedimentares simulados em laboratório
Autor(es): Pires, Júlio César Gall
Orientador: Papaléo, Ricardo Meurer
Editor: Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul
Programa: Programa de Pós-Graduação em Engenharia e Tecnologia de Materiais
Fecha de Publicación: 2014
Palabras clave: ENGENHARIA DE MATERIAIS
ONDAS ULTRASÔNICAS
ULTRASSOM
ULTRASSONOGRAFIA
Resumen: In this study, the application of acoustic waves for imaging the internal architecture of sedimentary deposits produced in the simulation of different types of sediment tanks was investigated systematically. To do so we used two ultrasound imaging equipment medical and industrial, yielding two groups of images. The medical device (1. 0<𝑓< 10 MHz) was employed to optimize detail and industrial equipment (0. 1 < 𝑓<1. 0 MHz ) favors the penetration in thicker layers. The acoustic behavior (maximum depth of the signal propagation speed of sound and contrast) traditional materials used in experimental simulations (coal, sand and balotine) and new artificial sediments was studied using polymer-based composites. For analysis of such materials different arrangements which changed the topography, thickness and grain size of the sediment layers were created. The transducer frequency and settling time were also monitored in the trials. The results showed that the maximum depth of view in 5 MHz was not more than 2 cm for all materials used. For a frequency of 250 kHz the display area increases substantially more than 6 cm. Although the spatial resolution decreases with decreasing frequency, due to the dotted aspect (speckle) of ultrasound images of the deposits isn‟t observed a significant loss of detail through the use of frequencies in the kHz range. The depth of view varied with particle size of pelleted material, being slightly higher in materials with larger grains. For particle sizes greater than 180 m, there was obtained a maximum depth of view of the order of 1. 27 cm to 1. 10 cm coal 210 and to the sand. While for the polymer based composites of the same particle size range was obtained values around 0. 7 cm. Materials with less than 180 m tracks offered greater difficulty in spreading the signal beam, as the beam is reflected with high efficiency. The calculations of the propagation speed of the ultrasonic wave in the material revealed that by decreasing the particle propagation velocity in the sediment increases slightly. The value of the sound propagation velocity estimated to the coal 205 was 1989±74 m/s, while for coal 210 was 1705±45 m/s. In limestone, sand, balotine, RP, RPNF, GPMMA and PMMA particle size less than 180 m was the Vp of the order of 1650 m/s .There were no changes of these values for the frequencies used, as expected, except for the fine sand at 250 kHz decreased by ~ 20 %. No significant differences were observed in the intensity of the sound signal between different materials. However, the spherical morphologies of balotine or rounded sand gave more intense signals and favor layers when the contrast between different materials, such as coal or polymer composites are used in neighboring layers. The particle size also influences the contrast, since larger grains favor the diffuse reflection, while the greater compaction of sediments smaller grains creates more favorable conditions almost specular reflection of greater intensity. Conventional materials used for imaging proved to be good for contrast as in the case of balotine and sand, coal and limestone but had become very reflective Furthermore, another drawback is the time of getting very high settling time suspension, which prevents / impairs its use in visual tests or ultrasound imaging .Artificial materials showed little difference in acoustic behavior of the test image but can be pigmented for visual tests in current density and have wide variations in behavior X-ray images due to changes in the concentrations of fillers added at the time of synthesis. In imaging by acoustic waves should, however, take into account problems such as reduced depth preview for clinical echographs and small visual area of the transducer, because the images can‟t be used for analysis. One possibility for the application of this technique is to make successive images of the deposits in increments of low thickness (of the order of cm), with the same acquisition parameters. Thus each layer of material can be imaged independently and then grouped based on predetermined points of reference. Then through sequential imaging to reconstruct the global architecture of the sediment can be studied. The research of the internal architecture of sedimentary deposits produced in physical models employing acoustic waves for imaging revealed by the observation of material characteristics can estimate the presence of the layers that constitute it. To do this, find differences substances as particle size, particle morphology, speed of acoustic propagation in the material and density are of great importance and facilitate the analysis of a sample.
Neste trabalho a aplicação de ondas acústicas para o imageamento de depósitos sedimentares produzidos em laboratório, com diferentes tipos de sedimentos, foi investigada sistematicamente. Para tanto, usou-se dois equipamentos de imageamento por ultrassom, um médico e um industrial, obtendo-se dois grupos de imagens. O equipamento médico (1,0<𝑓 < 10 MHz) foi empregado para otimizar detalhes e o equipamento industrial (0,1 <𝑓 < 1,0 MHz) favorece a penetração em camadas mais espessas. Foi avaliado o comportamento acústico (profundidade máxima do sinal, velocidade de propagação do som e contraste) de materiais tradicionais usados em simulações experimentais (carvão, areia e balotine) e de novos sedimentos artificiais, utilizando compósitos de base polimérica. Para análise dos materiais mencionados foram criados diferentes arranjos, onde se modificou a topografia, espessura das camadas e granulometria dos sedimentos. A frequência do transdutor e o tempo de sedimentação também foram controlados nos ensaios. Os resultados obtidos mostraram que a profundidade máxima de visualização em 5 MHz não foi superior a 2cm para todos os materiais utilizados. Para uma frequência de 250 kHz a zona de visualização aumenta substancialmente para mais de 6 cm. Apesar da resolução espacial decrescer com a diminuição da frequência, devido ao aspecto pontilhado (speckle) das imagens ultrassonográficas dos depósitos, não se observa uma perda de detalhe significativa com o uso de frequências na faixa do kHz. A profundidade de visualização variou em função da granulometria do material sedimentado, sendo levemente maior em materiais com grãos maiores. Para granulometrias maiores que 180 μm, se obteve uma profundidade máxima de visualização da ordem de 1,27 cm para o carvão 210 e 1,10 cm para a areia. Enquanto que para os compósitos de base poliméricas da mesma faixa granulométrica se obteve valores em torno de 0,7 cm. Os materiais com faixas menores que 180 μm ofereceram maior dificuldade à propagação do sinal do feixe, já que o feixe é refletido com grande eficiência. Os cálculos de velocidade de propagação da onda ultrassônica nos materiais revelaram que ao se diminuir a granulometria a velocidade de propagação no sedimento aumenta levemente. O valor de velocidade de propagação do som estimado para o carvão 205 foi de 1989±74 m/s, enquanto para o carvão 210 foi de 1705±45 m/s. No calcário, areia, balotine, RP, RPNF, GPMMA e PMMA com granulometria menor que 180 μm a Vp foi da ordem de 1650 m/s. Não houve mudanças desses valores para as frequências utilizadas, como esperado, com exceção para a areia fina que em 250 kHz apresentou uma redução de ~ 20%. Não foram observadas diferenças muito significativas na intensidade do sinal sonoro entre os diversos materiais. Contudo, as morfologias esféricas do balotine ou arredondadas da areia proporcionaram sinais mais intensos e favorecem o contraste entre camadas quando materiais distintos, como o carvão ou os compósitos poliméricos são usados em camadas vizinhas. A granulometria também influencia no contraste, já que grãos maiores favorecem a reflexão difusa, enquanto a maior compactação de sedimentos de grãos menores cria condições mais favoráveis a reflexão quase especular de maior intensidade. Os materiais convencionais empregados para o imageamento revelaram-se bons para o contraste como é o caso do balotine e da areia, mas o carvão e o calcário apresentaram-se muito reflexivos, além disso, outro ponto negativo é o tempo de sedimentação elevado ficando muito tempo em suspensão, o que impossibilita/prejudica seu emprego em testes visuais ou imageamento ultrassônico. Os materiais artificiais apresentaram pouca diferença de comportamento nos testes de imagem acústico, mas podem ser pigmentados para testes visuais em correntes de densidade e apresentam grandes variações de comportamento em imagens de raios x devido a mudanças nas concentrações de cargas adicionadas no momento da síntese. No imageamento por ondas acústicas deve-se, contudo, levar em conta problemas como a reduzida profundidade de visualização para ecógrafos clínicos e a pequena área visual do transdutor, pois as imagens podem não servir para análise. Uma possibilidade para a aplicação dessa técnica é fazer imagens sucessivas do depósitos com incrementos de espessura baixos (da ordem de cm), com os mesmos parâmetros de aquisição. Assim cada camada de material pode ser imageada independentemente e depois agrupada com base em pontos de referencias pré-estabelecidos. Então através do imageamento sequencial a reconstruir da arquitetura global do sedimento pode ser estudada.
URI: http://hdl.handle.net/10923/5753
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