Coeficiente de reflexão e target strength

De forma a confirmar-se a elevada impedância acústica dos frutos verdes, procedeu-se a um ensaio experimental para a estimativa da massa específica e velocidade de propagação do ultrassom através dos mesmos, utilizando-se uma amostragem de 5 frutos. As medições do para o cálculo da massa volúmica realizaram-se recorrendo a uma balança digital (±0,005 g), a uma proveta (±0,25 ml) e a uma bureta (±0,05 ml). Os resultados obtidos encontram-se na Tabela 9, tendo-se obtido uma massa específica média de 1072 kg/m3_{, sendo}

aproximadamente mil vezes superior à do ar atmosférico, o que só por si sugere uma impedância acústica muito superior.

Tabela 9 - Massa, volume e massa volúmica de frutos verdes. Diâmetro (mm) m (g) v (ml) ρ (kg._m-3₎ 6,5 0,410 0,500 820,0 10,5 1,23 1,00 1230 12,5 1,27 1,25 1016 14 1,40 1,30 1077 15 2,19 1,80 1217



= 1072 kg._m-3

Para a medição da velocidade de propagação tentou-se inicialmente recorrer a um equipamento de instrumentação tipicamente utilizado para analisar estruturas de cimento e metal (Proceq Tico). Contudo, provavelmente devido ao diâmetro dos transdutores, cerca de 3 vezes superiores ao diâmetro dos frutos, os valores obtidos variavam significativamente, mesmo quando executadas medições consecutivas com um mesmo fruto. Assim, optou-se por fazer uso dos transdutores adquiridos, de 40 kHz, e extrair a velocidade de propagação através da medição do diâmetro dos frutos e da medição do período de tempo decorrente entre a emissão da onda por parte de um transdutor e receção parte do segundo transdutor, tal como ilustrado na Figura 8.1a. Os terminais do transdutor emissor encontravam-se ligados a um gerador de impulsos programável Philips PM5781, configurado de forma a emitir 8 impulsos com 14,5 V de amplitude a 40 kHz, uma vez pressionado um botão de trigger manual.

O ganho foi obtido através de um reajuste iterativo, até o sinal do transdutor recetor ser observável. Um osciloscópio digital Isotech IDS6072A-U, iniciava a captura do sinal de ambos os transdutores pela deteção do flanco ascendente do sinal do transdutor emissor. Verificou- se a existência de um acoplamento entre o transdutor emissor e o canal do osciloscópio do transdutor recetor (a azul na Figura 8.1b), devendo-se provavelmente ao elevado ganho do amplificador. Mesmo com o transdutor desconectado de GND e do amplificador, a ponta de prova captava os impulsos do emissor com uma amplitude de cerca de 40 mV. Contudo, pretendia-se apenas obter uma estimativa da ordem de grandeza da impedância acústica dos frutos, para confirmar a premissa de que o coeficiente de reflexão é suficientemente elevado para se desprezarem as perdas associadas à transmissão através do fruto, não

requerendo uma medição precisa da velocidade de propagação. Assim, prosseguiu-se com o ensaio, após se verificar que o sinal associado ao acoplamento se mantinha constante.

a) Configuração experimental.

b) Sinal recebido pelo transdutor recetor, acoplamento da ponta de prova e período

de transmissão.

Figura 8.1 - Medição da velocidade de propagação do ultrassom através de frutos verdes.

Os sinais capturados, associados ao acoplamento indesejado e às formas de onda recolhidas da transmissão através de cada fruto, foram importados para o Matlab e após visualização dos mesmos foi isolada a janela temporal de interesse. Foi desenvolvido e executado um

script que estima os períodos de tempo de transmissão através de cada fruto, calcula as

correspondentes velocidades de propagação, as impedâncias acústicas, os coeficientes de reflexão e as respetivas médias entre os 5 frutos. O script começa por carregar um ficheiro com os dados mencionados anteriormente. Os diâmetros dos frutos, correspondentes aproximadamente à distância percorrida pelas ondas ultrassónicas, assim como as massas volúmicas apuradas, foram guardados no formato vetorial como constantes. Para cada ponto amostrado, de cada forma de onda, a amplitude do sinal da transmissão é comparado com a amplitude do sinal associado ao acoplamento, calculando-se o módulo da diferença. Quando o módulo da diferença excede um limite heuristicamente definido, é executada uma verificação para evitar falsos positivos associados a ruídos ou outros artefactos, que consiste em observar se instantes após o ponto identificado a diferença de amplitudes se mantém superior ao limite definido. Desta forma é encontrado, aproximadamente, o instante em que o transdutor recetor recebe a onda transmitida através do fruto, ou seja, o período de tempo de propagação da onda através do fruto. Para cada amostragem é traçado um gráfico contendo a forma de onda do sinal transmitido, a forma de onda do sinal de acoplamento e uma linha vertical preta (ver Figura 8.1b), que assinala o instante identificado como o início da receção, permitindo assim uma validação visual dos resultados. Os sinais de transmissão

encontram-se aparentemente saturados, no entanto, isto deve-se apenas à escala selecionada no osciloscópio e ao modo como este exporta as formas de onda. De facto, não ocorreu saturação sendo a amplitude observada muito inferior à alimentação e ao correspondente ponto de saturação dos amplificadores operacionais. Com os valores dos períodos de tempo determinados, são calculadas as restantes propriedades, através das equações 8, 9, 12 e 13. Os resultados obtidos encontram-se na Tabela 10.

Tabela 10- Coeficiente de reflexão do interface ar atmosférico – fruto, atenuação por absorção e

target strength. Diâmetro (mm) c (m._s-1_{) z} us (Rayl) R′us

2 d TS



(dB @5cm) 6,5 712 5,84×105 _{0,999 -55,9} 10,5 579 5,88×105 _{0,999 -51,8} 12,5 648 6,98×105 _{0,999 -50,3} 14 482 5,93×105 _{0,999 -49,3} 15 534 6,50×105 _{0,999 -48,7} c= 591 zus= 6,23×105

R

_us  = 0,999 2 d



TS= -51,2

Verificou-se que os valores de massa específica se aproximaram dos valores mencionados anteriormente, apresentados em [168]. Já no que diz respeito à velocidade, apresentaram- se como sendo significativamentne inferiores. Contudo, e tal como esperado, o coeficiente refletivo do interface ar-fruto apresenta-se como sendo extremamente elevado, aproximando-se à unidade. Além disso, aproximando os frutos a esferas e atendendo à absorção por parte do ar atmosférico, para um fruto a 5 cm de distância, na ausência de obstáculos, um transdutor observaria uma atenuação de cerca de 51,2 dB, do sinal recebido após reflexão face ao sinal emitido, o que representa uma perda pouco significativa atendendo aos ganhos típicos das cadeias de aquisição em sensorização. Assim, verificou-se de facto que o principal elemento de atenuação no ambiente de operação são as folhas, sendo a sua atenuação, incluindo a refração, de difícil quantificação e altamente dependente do ângulo de incidência das ondas.

No documento Dispositivo portátil semi-automatizado de monda de frutos (páginas 155-159)