Desenvolvimento de um sensor acústico para medição da corrente marítima

Rafael Cachetas Pereira Desenvolvimento de um sensor acústico para medição da corrente marítima Janeiro de 2023 Rafael Cachetas Pereira Desenvolvimento de um sensor acústico para medição da corrente marítima Dissertação de Mestrado Engenharia Eletrónica Industrial e Computadores Trabalho efetuado sob a orientação do Professor Doutor Marcos Martins Janeiro de 2023 DIREITOS DE AUTOR E CONDIÇÕES DE UTILIZAÇÃO DO TRABALHO POR TERCEIROS Este é um trabalho académico que pode ser utilizado por terceiros desde que respeitadas as regras e boas práticas internacionalmente aceites, no que concerne aos direitos de autor e direitos conexos. Assim, o presente trabalho pode ser utilizado nos termos previstos na licença abaixo indicada. Caso o utilizador necessite de permissão para poder fazer um uso do trabalho em condições não previstas no licenciamento indicado, deverá contactar o autor, através do RepositóriUM da Universidade do Minho. Agradecimentos Esta dissertação de Mestrado não seria possível sem o apoio constante da minha familía, amigos e professores. À minha mãe e ao meu pai estou extremamente grato por todo o amor, apoio financeiro e lições de vida que me transmitiram. À minha irmã, Clara, quero agradecer a paciência e disponibilidade para estar em todos os momentos importantes da minha vida. Sem eles na minha vida não estaria aqui. Sou grato ao meu orientador, Dr. Marcos Martins, pela orientação e apoio durante todo este processo de pesquisa e desenvolvimento. A sua experiência e insight em certos tópicos contribuiram para o meu desenvolvimento académico e profissional. Um especial obrigado aos meus amigos, que conheci nesta jornada universitária e amigos mais antigos, que me acompanharam durante esta caminhada, por estarem nos bons e maus momentos, um honesto obrigado por me moldarem para ser a pessoa que sou hoje. Finalmente, quero deixar um agradecimento especial ao Tiago Matos e a todo o departamento de CMEMS por me ajudarem no desenvolvimento desta dissertação de Mestrado. i STATEMENT OF INTEGRITY I hereby declare having conducted this academic work with integrity. I confirm that I have not used plagiarism or any form of undue use of information or falsification of results along the process leading to its elaboration. I further declare that I have fully acknowledged the Code of Ethical Conduct of the University of Minho. ii Resumo A presente dissertação de Mestrado está inserida no projeto SONDA financiado pela FCT, que visa à pesquisa, desenvolvimento e criação de sensores, assim como de sistemas de monitorização subaquáticos. Dentro destes dispositivos estão enquadrados dispositivos de baixo consumo, baixo custo, capazes de armazenar e processar amostras de dados e consigam ser dispostos em profundidade. Com isto, o trabalho realizado consiste no desenvolvimento de um dispositivo habilitado para medir e analisar a velocidade da corrente marítima através da transmissão de pulsos ultrassónicos por parte de transdutores piezoelétricos, em que a determinação da velocidade é realizada por duas propriedades distintas de ultrassons: efeito de Doppler e método do tempo de voo. O efeito de Doppler é a mudança da frequência do pulso acústico recebido em relação ao pulso acústico transmitido, isto devido a fenómenos de reflexão acústica durante a sua propagação que trazem perdas de energia do sinal. O tempo de voo é o tempo que o sinal demora a propagar-se num determinado meio entre dois pontos. É realizado o estudo da melhor disposição e orientação do sistema para a obtenção de melhores resultados, assim como o estudo de piezoelétricos distintos pela sua frequência central: 40kHz, 1MHz e 2MHz. O desenvolvimento do sistema final engloba o dimensionamento de todo o hardware e software necessário para o correto funcionamento do sistema como, por exemplo, para a atuação dos transdutores, receção e processamento dos dados recebidos, que difere, em certa parte, para cada uma das propriedades de ultrassons. Palavras-chave: sensor acústico, ultrassons, efeito de Doppler , tempo de voo, reflexão acústica iii Abstract The present Master’s dissertation is part of the SONDA project funded by FCT, which aims to research, develop, and create sensors and underwater monitoring systems. These devices include low-consumption, low-cost devices that can store and process data samples and can be placed at depth. This work consists of the development of a device capable of measuring and analyzing the speed of the marine current through the transmission of ultrasonic pulses by piezoelectric transducers, in which the determination of the speed is carried out by two distinct properties of ultrasound: the Doppler effect and the time-of-flight method. The Doppler effect is the change in the frequency of the received acoustic pulse with respect to the transmitted acoustic pulse, due to acoustic reflection phenomenons during its propagation that brings energy losses. The time of flight is the time it takes for the signal to propagate through a certain medium between two points. The study of the best arrangement and orientation of the system for the best results is carried out, as well as the study of different piezoelectrics by their central frequency: 40kHz, 1MHz, and 2MHz. The development of the final system encompasses the sizing of all the hardware and software necessary for the correct functioning of the system, such as the operation of the transducers, the reception, and processing of the received data, which differs in part for each of the properties of ultrasound. Key-words: acoustic sensor, ultrasounds, Doppler effect, time-of-flight, acoustic reflection iv Conteúdo Lista de Figuras x Lista de Tabelas xi Glossário xi 1 Introdução 1 1.1 Enquadramento.................................... 1 1.2 Motivação ...................................... 1 1.3 Objetivos....................................... 2 1.4 Aplicações ...................................... 2 1.5 Estruturadadissertação ............................... 3 2 Estado da arte 4 2.1 Métodos de medição direta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.1.1 Métodovolumétrico ............................. 5 2.2 Métodosvelocidade-área ............................... 5 2.2.1 Método do objeto flutuante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2.2.2 Métodopordiluição ............................. 6 2.2.3 Métododatrajetória ............................. 7 2.2.4 Medidordecorrente ............................. 8 2.2.5 Métodosacústicos.............................. 10 2.3 Métodos de constrição do caudal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.3.1 Métododabarragem............................. 15 2.4 Métodos de medição indireta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.4.1 Velocimetria por imagem de partículas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.5 Comparação dos diferentes métodos para a medição do caudal . . . . . . . . . . . . 15 3 Fundamentos teóricos 17 3.1 Piezoeletricidade ................................... 17 v Conteúdo vi 3.1.1 Geração de ultrassons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 3.2 Propagação de ondas acústicas em meio marítimo . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 3.2.1 Velocidadedosom.............................. 19 3.2.2 Reflexão e dispersão acústica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 3.2.3 Absorçãoacústica .............................. 23 3.2.4 Efeitos dos fenómenos anteriores na propagação do som . . . . . . . . . . . 23 3.3 Efeito de Doppler para a medição da velocidade da água . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.4 Medição da velocidade da água através do método tempo de voo . . . . . . . . . . . . 27 4 Sensor acústico 30 4.1 Transdutores ultrassónicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 4.1.1 Caraterísticas dos transdutores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 4.2 Hardware ....................................... 32 4.2.1 Microcontrolador............................... 32 4.2.2 Transmissão................................. 33 4.2.3 Circuitodecorte............................... 38 4.2.4 Receção................................... 40 4.2.5 Circuitofinal................................. 47 4.3 Software ....................................... 49 4.3.1 Geração de sinusoides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 4.3.2 Medição da frequência . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 4.3.3 Medição do tempo de voo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 5 Testes e resultados 59 5.1 DAC ......................................... 59 5.2 Circuitodeamplificação................................ 60 5.3 Circuitodecorte ................................... 61 5.4 Filtropassa-alto.................................... 62 5.5 Circuito limitador de tensão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 5.6 Mediçãodafrequência ................................ 65 5.7 Mediçãodotempodevoo............................... 66 5.8 Teste em ambiente aquático (tanque de ensaio) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 6 Conclusões e trabalho futuro 70 6.1 Conclusão ...................................... 70 6.2 Trabalhofuturo.................................... 71 Referências 72 1. Introdução Os oceanos cobrem cerca de setenta e um por cento da superfície terrestre e providenciam-nos comida, oxigénio e trabalho. No entanto, são o ecossistema menos entendido, biologicamente mais diverso e mais subvalorizado entre todos os ecossistemas[1]. As populações costeiras e interiores obtêm uma variedade de benefícios monetários e não monetários provenientes do ecossistema marítimo[2]. É possível afirmar que os recursos marítimos desempenham um papel fundamental no desenvolvimento social e económico de certos setores, tais como: haliêutico, turístico, agrícola, farmacêutico, transportador, mineração[3], proteção costeira, entre outros. Apesar das vantagens adquiridas através dos recursos marítimos, deve existir um certo equilíbrio de consumo e preservação do ecossistema em questão – o que não acontece atualmente devido a um acréscimo da população humana, que consequentemente leva a uma maior necessidade destes recursos. Este capítulo começa por apresentar o enquadramento e as motivações associadas ao sensor acústico desenvolvido. A seguir são referidos os principais objetivos, assim como as suas aplicações e, por último, é feita uma breve descrição da estrutura dos restantes capítulos desta dissertação. 1.1 Enquadramento Esta dissertação de Mestrado insere-se no projeto SONDA financiado pela FCT. Este projeto visa à pesquisa, desenvolvimento e criação de sensores, assim como de sistemas de monitorização subaquáticos. 1.2 Motivação O estudo das correntes marítimas começou no século XVIII, para diminuir o tempo de viagem de navios, quer para informação, quer para transporte de mercadoria, entre a América e a Inglaterra. Atualmente, o estudo das correntes marítimas é utilizado para meios científicos e comerciais, pois com o devido conhecimento das correntes é possível prever fenómenos marítimos e assim lidar de forma mais racional com as suas consequências[4]. As correntes marítimas têm um impacto profundo no ecossistema marítimo, movendo não só animais e plantas em torno do oceano, mas redistribuindo também calor e nutrientes. Com os métodos existentes 1 Capítulo 1. Introdução 2 é possível prever de forma precisa as correntes e, assim, ter uma noção mais clara e objetiva de como estas têm impacto na conectividade de populações marítimas, como influenciam a migração de certas espécies e como o aquecimento global, ao alterar a corrente marítima, pode remodelar comunidades e habitats marítimos[5]. Atendendo ao parágrafo anterior e aos pontos referidos na primeira secção, uma das principais motivações desta dissertação é a recolha de dados que possam ser utilizadas na elaboração de planos que auxiliem a caraterizar o ecossistema marítimo e ter uma melhor perceção de como as variações destes dados influenciam a ocorrência de fenómenos morfológicos indesejáveis, quer a nível da zona costeira, quer a nível marítimo. 1.3 Objetivos O objetivo desta dissertação de Mestrado é o desenvolvimento de um sensor acústico para medição da velocidade de correntes marítimas e comparar dois algoritmos diferentes: efeito de Doppler e método do tempo de voo. O sensor acústico será composto por dois transdutores piezoelétricos cerâmicos a funcionar a uma determinada frequência, em que cada um tanto pode desempenhar a função de transmissor como de recetor. Primeiramente, o piezoelétrico transmissor envia pulsos de som a uma frequência fixa para o ambiente marinho. Dado que o som perde energia à medida que se propaga pelo oceano, a frequência do som recebido pelo recetor piezoelétrico é menor do que a frequência originalmente enviada. Com isto, é possível determinar a velocidade da corrente, através do efeito de Doppler e pela diferença de tempos de propagação é possível aferir a velocidade através do método de voo. O sensor deve ser fiável nas suas medições, resistente e robusto devido ao impacto e condições adversas, de baixo consumo energético para ter uma certa independência no meio em estudo, portátil e com proteção especial nos circuitos elétricos para não entrar em contacto com a água. 1.4 Aplicações O ramo de aplicações para esta categoria de sensores é mais amplo em oceanografia para medir correntes em estuários (estratificação vertical de salinidade na coluna de água) e no oceano (processos oceanográficos e identificação de feições oceanográficas), incluindo os ambientes nerítico e pelágico[6]. Também pode ser utilizado em limnologia, para medir a velocidade da corrente da água dos rios. Com esta informação, esta categoria de sensores também pode ser relevante na área da pescaria, dado que com estes dados é possível saber a localização de cardumes de estoques pesqueiros. Além disto, também é utilizado para o estudo da qualidade das águas para consumo humano. Noutras áreas, o estudo destes parâmetros pode ser utilizado para a deteção de fugas de água em redes de abastecimento e para a medição do fluxo de fluidos em ambiente industrial, como também pode Capítulo 1. Introdução 3 ser utilizado na indústria alimentar e farmacêutica[7] para a deteção de anomalias, quanto a substâncias contaminantes, nos produtos finais. 1.5 Estrutura da dissertação Esta dissertação encontra-se dividida em seis capítulos consoante a seguinte ordem: Introdução, Estado da arte, Fundamentos teóricos, Sensor acústico, Testes e resultados e Conclusões/sugestões de trabalho futuro. No segundo capítulo, “Estado da arte”, são expostas as soluções atuais para o problema em questão, obtendo uma visão geral do estado da arte. No terceiro capítulo, “Fundamentos teóricos”, são apresentados os principais conceitos e fundamentos relevantes para o desenvolvimento do sistema. No quarto capítulo, “Sensor acústico”, são apresentadas as etapas para o desenvolvimento do protótipo do sensor e a sua implementação; este está dividido em vários subcapítulos. No quinto capítulo, “Testes e resultados”, são apresentados os testes realizados ao sensor e os respetivos resultados. No sexto e último capítulo, “Conclusões e trabalho futuro”, é feita uma análise e discussão do que foi realizado, assim como uma perspetiva do que poderá ser feito no futuro. 2. Estado da arte A medição do caudal é essencial no planeamento e gestão da bacia hidrográfica, assim como na mitigação da poluição[8]. Existem vários métodos para a monitorização do caudal, sendo estes específicos para cada tipo de caudal. Os canais de água podem ser classificados em função de: a sua largura, profundidade, velocidade, descarga fluvial, declive, aspereza do leito e os materiais que constituem as margens, tamanho e peso dos sedimentos[9]. Os métodos foram então agrupados em 4 diferentes categorias: •Métodos de medição direta; •Métodos velocidade-área; •Métodos de constrição do caudal; •Métodos de medição indireta. Cada método pode ser selecionado com base no volume de água que se pretende medir, o grau de precisão pretendida, o tipo de instalação (permanente ou provisória) e o grau de investimento financeiro requerido. Figura 2.1: Métodos existentes utilizados para a monitorização do caudal (categorizados com base em cada princípio). 4 Capítulo 2. Estado da arte 5 Os quatro diferentes métodos vão ser discutidos nesta secção, no entanto, as técnicas acústicas e de inclinação (que estão englobadas nos métodos velocidade-área) terão mais ênfase, visto que são o principal estudo desta dissertação. No final é feita uma comparação entre as técnicas englobadas em cada um dos métodos, de forma sucinta na tabela 2.1. 2.1 Métodos de medição direta A medição direta da corrente pode ser alcançada por diversas abordagens; geralmente, a secção em que a descarga fluvial vai ser medida é cuidadosamente selecionada para não existir nenhum tipo de obstáculos que possam impedir o fluxo natural da água e, assim, obter uma medição mais precisa[8]. 2.1.1 Método volumétrico Este método é utilizado para medir de forma mais precisa fluxos de corrente pequenos e estreitos[10]. O processo é bastante simples: medir o período de tempo necessário para encher um recipiente de volume conhecido. Assim, para uma maior fiabilidade e precisão de resultados, o recipiente deve ser de grande tamanho e o caudal deve ser medido no mínimo cinco vezes[11]. Posteriormente, com os devidos resultados, basta recorrer à seguinte equação: Q=V t(2.1) Q : fluxo volumétrico ( m3/s ) V : volume do recipiente ( m3 ) t : média dos tempos dos testes realizados (s) É uma técnica bastante primitiva, no entanto, é de custo e tempo reduzidos, não poluente e requer pouco conhecimento, assim como requer poucos recursos. 2.2 Métodos velocidade-área Os métodos velocidade-área são baseados nos princípios da continuidade do fluxo do fluido, ou seja, envolve a divisão do local de estudo num certo número de segmentos. O fluxo em cada segmento é determinado através da multiplicação da área deste e a velocidade média da corrente nessa localização. O resultado total é a soma do resultado do fluxo em cada segmento[8]. Estes métodos são utilizados para uma medição instantânea do caudal e requerem o uso de material qualificado. Capítulo 2. Estado da arte 6 2.2.1 Método do objeto flutuante Neste método, um objeto de baixa massa volúmica é colocado a flutuar na corrente, durante uma distância específica, e o tempo é então medido para um posterior cálculo da velocidade da água[9]. Com base na seguinte equação é possível calcular o fluxo volumétrico: Q=v∗A(2.2) Q : fluxo volumétrico ( m3/s ) v : velocidade da água (m/s) A : área do local ( m2 ) O objeto a utilizar, além de ter pouca massa volúmica corporal, deve também ser fácil de avistar ao longe. Este método é simples, não poluente e não requer grandes conhecimentos técnicos nem recursos de custo elevado. Consequentemente, os resultados são muito pouco precisos, pois basta existir um movimento torbulento na água para afetar a velocidade da água em várias zonas do local em estudo e, assim, os resultados são afetados. A utilização deste método é mais adequada para canais de água pequenos e estreitos onde o fluxo de água é baixo. Figura 2.2: Método do objeto flutuante para a determinação da velocidade. 2.2.2 Método por diluição O princípio básico do método de diluição é adicionar uma quantidade conhecida de uma solução (as mais utilizadas são sal e tinta) na água. A seleção da solução deve ser feita com base em certos critérios: tem que ser reconhecível facilmente e deve ser medida com precisão. Uma má escolha da solução pode levar a resultados erróneos, assim como a uma poluição da água. Após este processo é feita uma análise química para determinar se a solução está totalmente diluída na água. Quanto maior a corrente, maior será a diluição da solução na água[12]. Capítulo 2. Estado da arte 7 A equação utilizada para determinar o fluxo volumétrico utilizando o método de diluição, é a seguinte: Q=q∗(C1−C2) (C2−C0)(2.3) C0 : concentração da água C1 : concentração da solução no momento da injeção na água C2 : concentração final da solução na água q : taxa de injeção da solução Este método é utilizado em caudais com condições turbulentas, dado que os métodos convencionais são mais difíceis de aplicar[9]. No entanto, o método pode apresentar resultados errados provocados pela dissolução incompleta da solução na água. 2.2.3 Método da trajetória No método da trajetória, todo o fluxo de água pertencente a um rio é redirecionado para um tubo. O fluxo de um cano na horizontal pode ser estimado utilizando o método do tubo Californiano desenvolvido por van Leer[9]. Este método mede a descarga de água para o ar a partir da extremidade aberta do tubo horizontal, que está parcialmente cheio. No entanto, a medição é realmente baseada na profundidade de ligação na extremidade do tubo[13]. Pode ser adaptado para a medição de descargas de forma precisa, atendendo ao tamanho e às condições do fluxo de água, ou seja, este método é útil para a descarga em canais pequenos e abertos onde o caudal pode ser direcionado para um tubo. Além disso, este método requer mão de obra qualificada e envolve cálculos complicados, que dependem das dimensões do tubo. Figura 2.3: Arranjo típico para a medição de fluxo de água utilizando o método do tubo Californiano[13]. Capítulo 2. Estado da arte 8 2.2.4 Medidor de corrente A velocidade da corrente em qualquer ponto ou em qualquer campo do canal pode ser determinada de forma precisa através de dispositivos mecânicos, denominados medidores de corrente[14]. Estes estão classificados em duas categorias, conforme o tipo de rotor utilizado: eixo vertical, em que o rotor utiliza pás com forma helicoidal e eixo horizontal, em que o rotor utiliza pás com forma cónica. Apesar de existirem dois tipos diferentes, o princípio de funcionamento é o mesmo: a velocidade da água é proporcional à velocidade angular do rotor do medidor de corrente, ou seja, a velocidade da água, em qualquer ponto, pode ser determinada através do número de voltas que o rotor completa durante um intervalo de tempo específico[15]. Com o número de voltas e o intervalo de tempo é então possível calcular a velocidade da água. Este método é preciso, eficaz e adequado para terrenos montanhosos. Também pode ser utilizado comercialmente, no entanto, são bastante caros e só podem ser utilizados por um curto intervalo de tempo. (a) Medidor de corrente Price .(b) Medidor de corrente Ott . Figura 2.4: Exemplos de medidores de corrente[15]. Tilt Current Meter (TCM) Os sensores de corrente por inclinação são instrumentos com o intuito de medir a velocidade da água, seja em ambientes marinhos ou fluviais, sendo mais utilizados em zonas costeiras devido ao fluxo estacionário da corrente de água. Operam com base no princípio drag-tilt : quando exposto a um fluxo de corrente, o objeto (ancorado ou numa estrutura móvel) experiencia uma certa inclinação (perturbação da sua posição original) induzida pela flutuabilidade, pela força produzida pelo fluxo de corrente e pela força gravítica, como é possível observar na figura seguinte. Capítulo 2. Estado da arte 9 Figura 2.5: Conceito de um TCM com os seus elementos básicos O Tilt Current Meter (TCM) consegue estimar a velocidade da água com base na medição do ângulo de inclinação. Para isso é necessário estabelecer uma relação entre as duas forças (força da flutuabilidade e força do fluxo da corrente), através da seguinte equação: tan(θ) = Fx FB (2.4) A expressão da força da flutuabilidade pode ser expressa por: FB=g(ρV −m)(2.5) ρ : massa volúmica da água ( kg/m3 ) g : aceleração gravítica ( m/s2 ) V : volume do corpo ( m3 ) m : massa do corpo (kg) Assumindo um fluxo de corrente uniforme e horizontal e através do princípio de conservação de energia, a força do fluxo da corrente, Fx, é igual a: Fx=1 2v2ρCDA(2.6) CD : coeficiente do fluxo de corrente A : área do sistema flutuante Capítulo 2. Estado da arte 10 Substituindo a equação referente a cada uma das forças é possível resolver o sistema em ordem a v , o que resulta na seguinte expressão: v=√2g(ρV −m)) ρCDA∗√tan(θ)(2.7) O TCM pode ser dividido em 2 partes distintas: a parte sensorial, onde se encontra um acelerómetro ou flexómetro e também um magnetómetro, de forma a calcular os valores do ângulo e da direção da inclinação; e a parte onde se encontram as baterias e espaço de armazenamento de dados, assim como o seu processamento. Este tipo de dispositivos não tem a mesma eficácia nos resultados como os instrumentos acústicos, nem conseguem operar a tão grandes profundidades. Apesar de tudo, o seu custo é muito menor que um dispositivo acústico, permitindo a utilização deste tipo de sensores em regimes mais violentos ou até mesmo a instalação de mais do que um TCM, pois o custo financeiro não tem tanto impacto. 2.2.5 Métodos acústicos Os instrumentos hidroacústicos utilizam o efeito de Doppler , representado pela seguinte equação, ou o tempo de trânsito aplicado ao som subaquático para medir a velocidade da água. f= (c±vr c±vs )∗f0(2.8) São técnicas não invasivas, mas têm um custo financeiro elevado, assim como requerem mão de obra qualificada. São ideais para grandes rios e canais[9]. Acoustic Doppler Velocimeter (ADV) São denominados Acoustic Doppler Velocimeter Meter (ADVM) ou Acoustic Doppler Velocimeter (ADV). Este instrumento hidroacústico utiliza o efeito de Doppler para medir a velocidade da água num plano bidimensional. Um ADVM utiliza um par monoestático de transdutores acústicos; “monoestático” referese à capacidade de transmitir e receber som por parte de cada transdutor[16]. Assim, cada transdutor do ADVM transmite pulsos de som a uma determinada frequência ao longo de um feixe acústico. À medida que os pulsos de som viajam, acabam por embater em partículas suspensas na água. Quando isto acontece, parte dos pulsos de som acabam por ser refletidos ao longo do feixe acústico e regressam ao transdutor, com uma diferente frequência – a esta diferença de frequências[17] dá-se o nome de Doppler Shift e, com isto, é possível calcular a velocidade da água. A disposição do ADVM está representada na figura seguinte, onde este tem dois feixes acústicos colocados a um certo ângulo num plano bidimensional que acaba por ser paralelo à superfície da água[18]. 3. Fundamentos teóricos O sensor desenvolvido tem como princípio de funcionamento fenómenos físicos ondulatórios. A interação entre a onda de atuação gerada pelo transdutor piezoelétrico e o meio em estudo é o que possibilita a medição de certas grandezas físicas. Neste capítulo são abordados conceitos físicos importantes para a compreensão do funcionamento do sensor acústico: primeiramente referido o efeito piezoelétrico e como este possibilita a geração de ultrassons. A seguir, são estudados vários fenómenos e efeitos da propagação do som em ambiente marinho e, por último, como é aplicado o efeito de Doppler para a medição da velocidade da água. 3.1 Piezoeletricidade A piezoeletricidade é um fenómeno descoberto pelos irmãos Pierre e Jacques Currie, no período entre 1878 e 1880, e cujo prefixo deriva do grego piezein . Este fenómeno consiste na conversão de energia mecânica, por aplicação de pressão no material (podendo este ser um material cristalino, cerâmico ou matéria biológica), em energia elétrica. Contudo, o efeito inverso também pode acontecer. Assim, a piezoeletricidade pode apresentar-se em duas formas: efeito piezoelétrico direto, em que a aplicação de uma força mecânica no material gera uma carga elétrica interna, e o efeito piezoelétrico inverso, em que a aplicação de um campo elétrico no material gera uma deformação do mesmo. As principais caraterísticas que conferem propriedades piezoelétricas a um cristal são a assimetria da sua estrutura atómica e a sua carga elétrica ser balanceada, ou seja, neutra[23]. Numa perspetiva atómica, o fenómeno é o seguinte: quando um cristal piezoelétrico é sujeito a uma ação mecânica, existe uma deformação na sua estrutura com a consequência de alterar o balanceamento de cargas positivas e negativas (já não existe cancelamento de cargas positivas e negativas), gerando assim uma tensão elétrica no cristal. 17 Capítulo 3. Fundamentos teóricos 18 Figura 3.1: Modelo molecular simplificado para explicar o fenómeno piezoelétrico: na figura à esquerda o cristal encontra-se sem deformação e com as cargas balanceadas; na figura do meio é aplicada uma pressão (força mecânica) e na figura à direita o efeito da deformação. A maioria dos cristais não possui propriedades piezoelétricas. O cristal natural mais importante que possui esta propriedade é o quartzo, que devido à sua grande abundância é amplamente utilizado em aplicações piezoelétricas. Além deste, existem cristais sintetizados artificialmente, como é o caso de cristais cerâmicos à base de titanato de bário ou zirconato de chumbo (PZT). 3.1.1 Geração de ultrassons Quando sujeito a pulsos elétricos alternados a uma determinada frequência, o cristal piezoelétrico dá como resposta vibrações mecânicas (ondas acústicas) com a mesma frequência que os pulsos elétricos. O som pode ser decomposto numa gama de frequências e classificado com base na sua magnitude. Assim, com base no diagrama abaixo, sempre que o material tiver como resposta vibrações mecânicas superiores a 20 kHz pode-se dizer que estamos na presença de ondas ultrassónicas. Figura 3.2: Espectro do som. As ondas ultrassónicas deram origem a várias aplicações e instrumentos nos mais diversos ramos, como por exemplo, nas ecografias, no uso terapêutico, sonares, medidores de distância e de velocidade, solda ultrassónica, comunicação sem fios, etc. 3.2 Propagação de ondas acústicas em meio marítimo A água, comparativamente com o ar, tem uma viscosidade maior, assim como uma capacidade de aquecimento e uma capacidade de condutividade das ondas acústicas maior[24]. Estas caraterísticas tornam a propagação do som mais complexa, particularmente em ambientes como o oceano. Capítulo 3. Fundamentos teóricos 19 3.2.1 Velocidade do som Para determinar a velocidade do som no oceano, é necessário atender a 3 parâmetros independentes. Estas são: 1. Temperatura; 2. Salinidade; 3. Profundidade A expressão simplificada[25] da velocidade do som no oceano é a seguinte: c= 1493.0+3(T−10)−0.006(T−10)2−0.04(T−18)2+1.2(S−35)−0.01(T−18)(S−35)+ D 61 (3.1) T : temperatura (°C) S : salinidade (g/kg) D : profundidade (m) A figura seguinte mostra o perfil da velocidade do som em função da profundidade, onde é possível associar a variação de cada parâmetro ao aumento ou redução de velocidade. Na camada superior, em contacto com o ar, fica a camada diurna em que há diferença de temperatura consoante as condições meteorológicas da noite e do dia; em seguida está a camada sazonal que demonstra alterações na velocidade do som consoante a estação (maior velocidade para temperaturas mais quentes); na camada seguinte, onde existe um maior decréscimo de velocidade, é onde também existe uma maior descida de temperatura. Por último, a camada isotérmica, onde a temperatura é sempre a mesma, a velocidade aumenta devido ao aumento da profundidade. Capítulo 3. Fundamentos teóricos 20 Figura 3.3: Perfil da velocidade do som no oceano[25]. 3.2.2 Reflexão e dispersão acústica O fenómeno da reflexão acústica ocorre quando uma onda sonora embate num obstáculo sendo refletida pelo mesmo, retornando assim para o seu meio de propagação. A energia do sinal refletido depende das caraterísticas do obstáculo. No caso da dispersão acústica, que está diretamente relacionada com o fenómeno anterior, a onda sonora é forçada a desviar-se da sua trajetória normal, por um ou mais caminhos, devido à existência de desconformidades no meio de propagação. Assim como no caso da reflexão, a energia do sinal disperso reside nas caraterísticas das desuniformidades. No meio marinho, existem diferentes obstáculos/desconformidades com diferentes caraterísticas. Nas próximas subsecções são mencionadas essas caraterísticas, assim como a relação entre os dois fenómenos. Superfície do oceano O fator principal que diferencia os dois fenómenos anteriores é a rugosidade da superfície, representada pelo coeficiente R . Quando na presença de uma superfície suave ( R <1), a onda sonora é refletida praticamente numa só direção, o que significa que não existem grandes perdas de energia, ou seja, o ângulo incidente é igual ao ângulo de reflexão — neste caso estamos na presença do fenómeno da reflexão Capítulo 3. Fundamentos teóricos 21 acústica. O contrário acontece quando a superfície se torna mais desuniforme ( R >1) — existem perdas de energia e o ângulo incidente não é igual ao ângulo de reflexão, assim estamos na presença da dispersão acústica. Na figura seguinte estão ilustrados, respetivamente, os fenómenos da reflexão e dispersão relativamente à superfície do oceano. Figura 3.4: A figura à esquerda representa a superfície do oceano lisa, ou seja, sem ondas. Na figura à direita já estamos na presença de uma superfície com ondas, o que faz com a superfície seja mais rugosa. A expressão que permite a obtenção do ângulo de reflexão relacionando a rugosidade é a seguinte: R= 22π λhsin α(3.2) λ : comprimento de onda da onda sonora (m) h : altura da superfície rugosa (onda) (m) α : ângulo de reflexão (°) Tal como na superfície, o fundo do oceano também sofre dos mesmos fenómenos relativamente à propagação do som. Também serve como base para a reflexão e dispersão do som, permitindo a utilização de sonares a níveis de profundidade maiores. A diferença principal reside no facto do retorno do som, por parte do fundo do oceano, ser muito mais vasto e complexo do que na superfície, por várias razões[25]. Tais como: •O fundo do oceano é mais variável relativamente às propriedades acústicas, na medida em que a sua composição podem ser rochas duras, num extremo do espetro, ou lamas no outro lado do espetro; •Consoante a profundidade, a densidade e a velocidade do som podem mudar gradual ou abruptamente (dependendo da camada em que se situa); Capítulo 3. Fundamentos teóricos 22 Figura 3.5: Fenómenos da reflexão e dispersão acústica, respetivamente, no fundo do oceano. A magnitude da intensidade do som retornado após embater num obstáculo, seja na superfície, no fundo do oceano ou até em partículas suspensas, é expressa pela seguinte equação: µ=µoe( −4πhsinα λ)⇒µ=µoe−R2(3.3) Onde µoé o coeficiente de reflexão que existiria caso a superfície fosse totalmente suave, ou seja, para um caso ideal e depende da densidade, compressibilidade, rigidez e absorção do material que a constitui. Já a componente exponencial representa o coeficiente da rugosidade do material, ou seja, expressa a redução de intensidade da onda refletida causada pela rugosidade do obstáculo, o que acontece geralmente nos casos reais. Partículas suspensas No oceano existem inúmeras partículas suspensas que são causadoras da reflexão ou dispersão das ondas acústicas. Estas podem-se manifestar de diferentes formas e tamanhos, tais como seres vivos, organismos marinhos, sedimentos ou até bolhas. Figura 3.6: Típicos dispersores de som no oceano[19]. A propriedade física mais importante que determina as caraterísticas acústicas de uma partícula é a sua porosidade[25]. Geralmente, materiais macios, maleáveis e porosos são bons isoladores acústicos, Capítulo 3. Fundamentos teóricos 23 enquanto materiais densos, lisos e duros têm mais tendência a refletir. A figura seguinte representa o efeito da reflexão e dispersão acústica face a estas partículas suspensas. Figura 3.7: Na parte superior da figura o transdutor emite pulsos de som. O caso abaixo representa uma pequena quantidade de energia a ser refletida para o transdutor e a restante a ser dispersa nas mais variadas direções. 3.2.3 Absorção acústica Normalmente, como já foi visto anteriormente, a energia radiada por uma onda acústica quando embate num obstáculo é refletida ou dispersa. Neste caso, durante o embate da onda sonora num obstáculo, a energia elástica da onda é convertida em calor e resulta num aquecimento do meio, assim como perda de energia no sinal. Este fenómeno é conhecido como absorção acústica. O rácio de absorção num objeto depende muito da sua composição, das impedâncias acústicas de ambos os meios, assim como das propriedades incidentes, tais como a frequência e o ângulo. Matéria mais mole e rugosa tem maior tendência para absorver o som, no sentido contrário, matéria mais dura e lisa tem mais tendência para refletir. 3.2.4 Efeitos dos fenómenos anteriores na propagação do som Reverberação Imaginemos o caso de uma guitarra elétrica com o efeito do pedal reverb . Este efeito retrata a persistência do som após este ter sido criado e chegar ao recetor várias vezes. No meio marinho, a reverberação é uma interferência ao nível do transdutor recetor. Esta interferência é produzida pela onda acústica que após sofrer dispersão é refletida de volta para o recetor, ou seja, o som chega ao recetor mais do que uma vez (forma reiterativa) e por múltiplos caminhos, o que faz com que exista uma sobreposição de sinais[26]. Capítulo 3. Fundamentos teóricos 24 A diferença da reverberação e de eco reside no tempo de reverberação — o eco é mais longínquo em termos temporais, só retorna quando a onda acústica é totalmente extinta. Atenuação Os vários tipos de perdas de energia por parte da onda sonora podem ser maioritariamente agrupados nas perdas por atenuação[27]. Este tipo de perdas inclui as perdas por absorção, reflexão e dispersão, onde a absorção tem o maior peso no conjunto total. A atenuação aumenta com a frequência e a dependência entre a frequência e a atenuação pode ser dividida em quatro regimes, como mostra a seguinte figura. Figura 3.8: Regiões divididas com base nos diferentes regimes de atenuação[28]. Uma aproximação geral do impacto da atenuação é dada pela seguinte expressão[28]: α= 3.3∗10−3+0.11f2 1 + f2+43f2 4100 + f2+ 2.98 ∗10−4f2(3.4) f : frequência (Hz) α : atenuação (dB/km) Capítulo 3. Fundamentos teóricos 25 Ruído Existem essencialmente dois tipos de ruído no oceano: ruído natural e ruído produzido pelo Homem. Geralmente, a movimentação dos navios é o ruído mais impactante, mas nestes últimos anos o ruído oriundo das plataformas petrolíferas tem sido cada vez mais notório[28]. Já no outro lado do espetro, o ruído natural tem como principais fontes as ondas à superfície, ruído térmico e também movimentação da água nas zonas mais profundas. 3.3 Efeito de Doppler para a medição da velocidade da água O efeito de Doppler é um fenómeno físico traduzido pela mudança de frequência de uma onda, quando emitida ou refletida, por uma fonte em movimento em relação ao observador ou um observador em movimento em relação a uma fonte. Foi-lhe atribuído este nome em homenagem ao físico austríaco, Christian Doppler, que descreveu este fenómeno em 1842. Um bom exemplo do efeito de Doppler é o som produzido pelo comboio – à medida que o comboio se aproxima do observador, o som da buzina é mais agudo; quando este se afasta do observador, o som da buzina é mais grave. Com isto em conta, é possível calcular a que velocidade o comboio se movimenta[29], visto que a mudança de tom da buzina é proporcional à velocidade do comboio. No meio aquático este método apresenta certas vantagens, tais como: a obstrução de menor fluxo de água e um baixo consumo energético. Contudo, apresenta algumas limitações, uma vez que o desempenho deste método é dependente das propriedades físicas do fluido em estudo, como, por exemplo, a temperatura, a condutividade do som e a densidade de partículas presentes. Este último fator é extremamente importante, pois para este método ser funcional tem que obedecer à premissa de que existem partículas refletoras no fluido. Neste sentido, o efeito de Doppler não é apropriado para líquidos limpos. Neste caso, assumindo que o observador é o transdutor que desempenha a função de recetor no preciso momento, a fonte é o sinal acústico e o meio é a água. A equação geral do efeito de Doppler é a seguinte: f= (c±vr c±vs )∗f0(3.5) f : frequência recebida (Hz) f0 : frequência emitida (Hz) vr : velocidade do recetor em relação ao meio (m/s) vs : velocidade da fonte em relação ao meio (m/s) c : velocidade de propagação das ondas no meio (m/s) Capítulo 3. Fundamentos teóricos 26 A equação (3.5) pode ser simplificada[30], visto que o transdutor recetor está fixo em relação ao meio e que o sinal acústico está em movimento na direção do recetor: f= ( c c−vs )∗f0(3.6) De modo a determinar a velocidade da água: f= ( c c−vs )∗f0 ⇒f f0 =c c−vs ⇒f f0∗(c−vs) = c ⇒c−vs=c∗f0 f ⇒vs=c−c∗f0 f ⇒vs=c∗(1 −f0 f) (3.7) A equação simplificada (3.7) será a utilizada para cálculo da velocidade do sensor com base na frequência emitida e recebida, assim como a velocidade de propagação das ondas acústicas no meio aquático. A configuração escolhida para o sistema é simples e está representada no esquemático seguinte: os transdutores piezoelétricos estarão frente a frente, a uma distância relativamente curta, cerca de 20 a 50cm, para não existirem perdas significativamente grandes. Para simular o ambiente marinho e para um melhor desempenho deste método, foram adicionadas partículas refletoras no tanque. Este esquemático representa apenas a disposição para testes no tanque. Figura 3.9: Configuração do sistema. Capítulo 4. Sensor acústico 33 A placa possui um extenso pinout , com 168 portas programáveis ( General Purpose Input/Output (GPIO)), facilmente configurável com recurso ao software STM32CubeMX , o que permite ter uma grande versatilidade e uma maior escalabilidade[33]. Algumas especificações fundamentais para a escolha da placa foram: •2 Mb de memória Flash •4 UARTs / 4 USARTs •3 12-bit ADC •2 12-bit DAC •Oscilador de 26 MHz A placa tem como funções: gerar os sinais sinusoidais através do seu Digital Analog Converter (DAC); fazer a leitura, cálculo da frequência do sinal recebido, processamento e armazenamento dos dados adquiridos; controlo de saídas lógicas para switches . Figura 4.4: Placa de desenvolvimento STM32F767ZI . 4.2.2 Transmissão A placa STM32, através do seu periférico DAC, gera sinais sinusoidais para a atuação dos transdutores piezoelétricos. Contudo, estes sinais têm uma potência insuficiente para alimentar os piezoelétricos. Para isso, é necessário projetar e desenvolver um circuito de amplificação do sinal. O principal objetivo é amplificar ao máximo o sinal proveniente do DAC, aumentando assim a potência envolvida, pois, desta forma, quanto maior for a potência do sinal transmitido, melhor são os resultados por Capítulo 4. Sensor acústico 34 parte do transdutor recetor. Uma das maiores dificuldades nesta fase foi a escolha de componentes que conseguissem amplificar o sinal de forma eficaz e que tivessem caraterísticas apropriadas para esta tarefa, como, por exemplo: slew rate elevado e Gain-Bandwidth Produtct (GBW) suficiente para a frequência da onda gerada. O circuito padrão de um amplificador de ponte completa tem um sinal de entrada, neste caso é o sinal proveniente do DAC, que alimenta os dois circuitos de amplificadores operacionais; um é não inversor e o outro é inversor (esta configuração permite dois sinais, em cada uma das saídas, desfasados 180º). Os valores dos componentes passivos são escolhidos para que ambos os amplificadores tenham o mesmo ganho e a tensão na carga é o dobro da saída em cada um dos amplificadores operacionais. Figura 4.5: Esquemático padrão de um amplificador de ponte completa. A principal vantagem deste circuito, além de amplificar a tensão, é, também, o facto de aumentar a potência na saída por um fator de 4. Isto pode ser comprovado com a equação da potência instantânea: PLOAD = (VP EAK √2)2∗1 R(4.1) Operational Amplifier (OPAMP) THS3491 O THS3491 é um amplificador de alta frequência, amplamente utilizado para controlo de piezoelétricos e de Field-Effect Transistor (FET) de potência. Está especificado para operar, no máximo, a ±16V com um slew rate de 8000V/µs e ganho unitário de banda larga até 900MHz. Este amplificador operacional tem um consumo máximo de 10mA e uma corrente de saída de 100mA. Atendendo ao circuito anterior, com o THS3491 seria possível obter um ganho em tensão até valores próximos da sua alimentação. Capítulo 4. Sensor acústico 35 Figura 4.6: Esquemático do amplificador de ponte completa utilizando o THS3491. Os OPAMPs U1 e U2 estão desenhados em montagem inversora e não inversora, respetivamente, com ganho fixo de 8Av. O sinal PD permite a ativação e a desativação do amplificador. Assim, procedeu-se à simulação do circuito no programa TINA-TI e foi possível obter os seguintes resultados: Figura 4.7: Resultados da simulação do circuito amplificador de ponte completa utilizando o THS3491. Perante os resultados obtidos na simulação, é possível observar que para uma entrada de 3,3Vpp existe uma amplificação do sinal para perto dos 24Vpp. Por fim, desenhou-se uma Printed Circuit Board (PCB) para este módulo de amplificação. Capítulo 4. Sensor acústico 36 (a) (b) Figura 4.8: Desenho da PCB do circuito de amplificação com o OPAMP THS3491 no programa Altium . Na figura a) está a top layer e na figura b) está a bottom layer ). Figura 4.9: Circuito impresso do circuito de amplificação com o OPAMP THS3491. OPAMP ADA4870 O circuito anterior, apesar de funcionar, apresentava algumas desvantagens: não tinha um elemento regulador para controlar o nível de tensão da onda de saída, a corrente de saída era insuficiente para a alimentação do piezoelétrico e a tensão mínima de input do THS3491 (500mV) era elevada comparativamente com o sinal proveniente do DAC (332mVpp para 1MHz). Portanto, houve a necessidade de escolher outro amplificador operacional e acrescentar um elemento regulador. O ADA4870, tal como o THS3491, é um amplificador especificado para controlo de piezoelétricos e FETs de potência. Tem um slew-rate inferior (2500V/µs), mas apresenta uma corrente de saída maior, cerca de 1A. Pode ser alimentado de 10V a 40V. Tal como o amplificador anterior, foi necessário dimensionar dois canais com sinais de atuação invertidos, acrescentado um elemento regulador em cada um dos sinais. Capítulo 4. Sensor acústico 37 Figura 4.10: Esquemático do amplificador de ponte completa utilizando o ADA4870. A diferença para o circuito anterior é a adição de elementos reguladores de ganho, neste caso, P1 e P2. Mais uma vez, desenhou-se uma PCB[7] para este módulo de amplificação. (a) (b) Figura 4.11: Desenho da PCB do circuito de amplificação com o OPAMP ADA4870 no programa Altium . Na figura a) está a top layer e na figura b) está a bottom layer ). Capítulo 4. Sensor acústico 38 Figura 4.12: PCB do circuito de amplificação com o OPAMP ADA4870. 4.2.3 Circuito de corte O sistema necessita de fazer a atuação de dois piezoelétricos, uma vez que ambos desempenham a função de emissor e recetor. Deste modo, surge a necessidade de dimensionar um circuito que possa fazer a seleção do transdutor a operar, num determinado momento, como emissor ou recetor. Uma solução seria utilizar como elemento de corte um relé, pois, geralmente, apresenta valores de tensão e corrente máximas indicadas para aplicações de maior potência, como neste caso. O fator determinante para não escolher esta solução recai sobre o tempo de comutação - a comutação do relé iria começar a apresentar deficiências após operar na gama de frequências utilizadas no sistema. Outra solução, menos eficiente e económica, seria a replicação do hardware , tanto na transmissão, como na receção, para cada piezoelétrico. Assim, a solução apropriada passou por utilizar um switch analógico com controlo através do microcontrolador, para selecionar o transdutor a atuar. Switch analógico Os switches analógicos não são dispositivos mecânicos, estes utilizam uma série de Metal-OxideSemiconductor Field-Effect-Transistor (MOSFET) para implementar a função de interrutor. O circuito de comando comuta a gate do MOSFET diretamente, possibilitando um tempo de comutação muito menor do que o de um relé. Também, em comparação com o relé, este dispositivo como não apresenta partes mecânicas tem um tamanho consideravelmente menor. Apesar destas duas vantagens, apresenta a desvantagem de não providenciar um isolamento completo entre a entrada e a saída do circuito, impossibilitando o seu uso para aplicações de maior potência. Atualmente já existem switches analógicos capazes de serem utilizados para aplicações de maior potência. Neste caso, foi escolhido o componente MAX4655, que permite ser atuado com 2,4V e tem uma corrente máxima de 400mA, para desempenhar a função de elemento de corte. O seu tempo de comutação na subida é tipicamente de 140ns e na descida é de 65ns. Capítulo 4. Sensor acústico 39 Figura 4.13: Esquemático do circuito de corte utilizando o MAX4655. A resistência e o condensador na saída servem para eliminar o offset e a corrente e capacidade parasítica. Atendendo à tabela de verdade do switch analógico, é possível observar que este fica ativo quando o sinal de controlo está no nível LOW , ou seja, o que equivale a 0V e fica desativado quando o sinal de controlo está no nível HIGH , que neste caso, é 3.3V. Table 4.4: Tabela de verdade do switch analógico MAX4655 Valor lógico Switch 0 High 1 Low Em seguida, são apresentados os desenhos da placa de circuito impresso para o circuito de corte, assim como a placa impressa. (a) (b) Figura 4.14: Desenho da PCB do circuito de corte com o switch analógico MAX4655 no programa Altium . Na figura a) está a top layer e na figura b) está a bottom layer ). Capítulo 4. Sensor acústico 40 Devido a fatores externos, não foi possível utilizar a PCB do circuito de corte para realizar testes. Desta forma, optou-se pela utilização de uma veroboard . Figura 4.15: Veroboard do circuito do switch analógico utilizando o MAX4655. 4.2.4 Receção Visto que a transmissão acústica pela água a frequências elevadas é sujeita a vários fatores externos que podem prejudicar a qualidade do sinal recebido pelos transdutores ultrassónicos, o módulo de receção tem que ser otimizado para ser possível, no mínimo, calcular a frequência do sinal recebido e conseguir medir o tempo que o sinal chega ao piezoelétrico. Deste modo, foram dimensionados dois circuitos que fazem parte deste módulo: um circuito passaalto de terceira ordem e um limitador de tensão, no que diz respeito ao sistema do algoritmo do efeito de Doppler . No que toca ao sistema do algoritmo do tempo de voo, apenas é necessário um circuito passa-alto, também de terceira ordem. A escolha dos componentes recai no facto de terem poucas perdas e baixa inserção de ruído, assim como um GBW suficiente para a frequência da onda recebida. Filtro passa-alto para o efeito de Doppler O oceano tem várias fontes de ruído em cada um dos extremos do espectro e inconstantes, uma vez que estas fontes diferem de localização para localização. Estas fontes podem ser antropogénicas ou naturais, como, por exemplo, a baixas (<1kHz) e médias frequências (1-20kHz) predominam as atividades humanas. Na gama das frequências mais elevadas (>20kHz), temos mais fontes naturais, como, por exemplo, o chamamento de certos animais marinhos (golfinhos e orcas). Por estas razões, a implementação de um filtro passa-alto é crucial para uma boa receção do sinal. A vantagem de um circuito deste tipo é a atenuação do sinal para frequências menores que a frequência de corte. O filtro passa-alto ideal teria uma resposta instantânea, ou seja, sofreria uma transição Capítulo 4. Sensor acústico 41 imediata entre a banda de rejeição e a banda passante. A maior desvantagem do filtro passa-alto é a linearidade relacionada entre o tempo de atraso da resposta do sinal e a ordem do filtro. Desta forma, existe a necessidade de escolher um filtro de ordem que seja suficiente para uma boa receção e que não cause um grande tempo de atraso do sinal. Desta forma, foi dimensionado um filtro passa-alto ativo de terceira ordem com uma resposta do tipo Chebyshev . Apesar deste tipo de resposta apresentar um atraso considerável (atraso este que pode ser anulado recorrendo a software ) é, também, o que apresenta maior atenuação para a banda de rejeição. A escolha do elemento ativo também é crucial para um bom desempenho do circuito, pois a escolha indevida deste elemento pode acrescentar uma fonte de ruído adicional. Tendo isto em conta, o OPAMP escolhido para esta aplicação foi o OPA828. Este amplificador operacional apresenta um valor de ruído em frequência de apenas 4nV/√Hz e tem um GBW de 45MHz. O circuito dimensionado tem uma frequência de corte de 500kHz, frequência de rejeição de 50kHz e ganho unitário. É composto por dois andares como é possível observar no esquemático seguinte. Figura 4.16: Esquemático do circuito passa-alto dimensionado para o algoritmo do efeito de Doppler utilizando o OPA828. Atendendo ao diagrama de bode seguinte é possível demarcar a separação da banda de rejeição com a banda passante através do valor da frequência de corte, indicada pelo ponto -3dB. Este valor não é o valor calculado devido à tolerância dos componentes passivos. Capítulo 4. Sensor acústico 42 Figura 4.17: Resultados da simulação das caraterísticas de transferência AC do circuito passaalto. No final, foi desenhada a placa de circuito impresso para o circuito passa-alto. (a) (b) Figura 4.18: Desenho da PCB do circuito passa-alto com o OPAMP OPA828 no programa Altium . Na figura a) está a top layer e na figura b) está a bottom layer ). Figura 4.19: PCB do circuito do filtro passa-alto com frequência de corte de 500kHz utilizando o OPAMP OPA828 Capítulo 4. Sensor acústico 49 4.3 Software Relativamente ao software , como foi mencionado anteriormente, o microcontrolador STM32F767ZI foi utilizado para o controlo de todo o sistema, assim como para processamento de dados. Fez-se recurso ao Matlab para gerar a tabela de valores da onda sinusoidal, que por sua vez será utilizada pelo microcontrolador para gerar a onda sinusoidal. Para a configuração dos periféricos e do microcontrolador, foi utilizada a ferramenta gráfica, STM32CubeMX , que inicializa o código referente a cada periférico utilizado. Quanto à programação do microcontrolador em si, utilizou-se o Keil uVision IDE . A ferramenta Terminal também foi utilizada regularmente para imprimir os valores na porta série para confirmação dos resultados. De relevar que em ambos os algoritmos ( Doppler e tempo de voo), a STM32F767ZI tem uma enorme importância, no que toca à geração dos sinais de atuação através do DAC, controlo dos switches analógicos e para medição do tempo de voo ou para a medição da frequência da onda recebida. 4.3.1 Geração de sinusoides Para atuar os transdutores acústicos, é necessário gerar um sinal sinusoidal através do DAC do microcontrolador. Para isso, o periférico DAC pode ser configurado para que a tensão analógica na saída corresponda ao valor digital enviado para o registo DOR (Figura 4.31). Em suma, gerar o sinal sinusoidal envolve a escrita dos seus valores, em alguma parte da memória, para o registo de saída do DAC. Este processo pode ser dividido em duas etapas, explícitas nos próximos pontos. Figura 4.31: Diagrama de blocos do periférico DAC da STM32F767ZI [33]. Capítulo 4. Sensor acústico 50 Tabela de valores da forma de onda sinusoidal Neste caso, foi utilizado um script em Matlab para gerar e imprimir os pontos da forma de onda sinusoidal. Permite a configuração da resolução do DAC (neste caso, o DAC utilizado tem uma resolução de 12bits ), assim como do offset e do número de amostras pretendido. Nas figuras seguintes estão representadas as formas de onda sinusoidais, assim como as respetivas amostras. É possível observar que quanto maior o número de amostras, melhor é o aspeto da forma de onda. (a) Forma de onda. (b) Amostras da forma de onda armazenados numa tabela. Figura 4.32: Resultado da simulação para gerar a onda sinusoidal de 50 amostras. (a) Forma de onda. (b) Amostras da forma de onda armazenados numa tabela. Figura 4.33: Resultado da simulação para gerar a onda sinusoidal de 17 amostras. Capítulo 4. Sensor acústico 51 (a) Forma de onda. (b) Amostras da forma de onda armazenados numa tabela. Figura 4.34: Resultado da simulação para gerar a onda sinusoidal de 13 amostras. Geração da forma de onda sinusoidal com recurso ao DMA Existem diversas maneiras para transferir os pontos da forma de onda alocados na memória para a saída do DAC. Uma delas é utilizar o Central Processing Unit (CPU). Contudo, é um método dispendioso no que toca à sobrecarga do CPU e ao seu consumo. Além disso, qualquer interrupção ao nível do CPU ou o facto de existirem outras funções mais prioritárias do que a geração da onda sinusoidal vão distorcer o timing do sinal de saída do DAC. Pelas razões anteriores, fez-se uso da unidade Direct Memory Acess (DMA) em conjunto com um timer . A função do timer , neste caso, é periodicamente dar trigger à unidade DMA para mover um ponto da forma de onda armazenado numa tabela na memória para a saída do DAC. Cada vez que o evento anterior ocorra, o DMA transfere um ponto da forma de onda para a saída do DAC e o memory pointer incrementa para mover a próxima amostra quando ocorrer o próximo trigger . O DMA pode ser configurado para operar num modo circular, ou seja, fica em loop na tabela. Este método é a melhor forma de completar a tarefa sem necessitar da intervenção do CPU. Para realizar esta tarefa foi um escolhido um timer que seja compatível com o DAC e que esteja conectado com o bus que dispõe de uma frequência de clock maior. Assim sendo, foi escolhido o timer 8. Com base nas seguintes equações é possível calcular a frequência da onda sinusoidal pretendida: TriggerFrequency =FCLK (PSC + 1) ∗(ARR + 1) (4.2) FCLK : frequência do clock utilizado pelo timer (Hz) PSC : registo do prescaler ARR : registo do auto-reload OutWaveFrequency =TriggerFrequency NS (4.3) Capítulo 4. Sensor acústico 52 NS : número de amostras OutWaveFrequency : frequência da onda de saída do DAC (Hz) Para maximizar a frequência da onda de saída tem que existir uma correlação com os valores dos registos do prescaler e do auto-reload , assim como do número de amostras. Um número de amostras demasiado baixo causa uma onda sinusoidal demasiado distorcida, o que pode prejudicar a atuação do transdutor acústico e dificultar a leitura da frequência do sinal recebido. 4.3.2 Medição da frequência Atendendo à equação 3.7, relativa ao algoritmo do efeito de Doppler , uma das condições fundamentais para calcular a velocidade da água é a frequência da onda recebida por parte do transdutor recetor. Deste modo, foi desenvolvido um algoritmo com o intuito de calcular a frequência do sinal recebido. Este método envolve colocar um temporizador no sinal externo para detetar o número de ascensões positivas e negativas dentro de um intervalo de tempo. A frequência pode ser obtida dividindo o número de contagens pelo tempo médio entre duas ascensões (positivas ou negativas). Para isso, o timer foi configurado para que, em cada um dos dois canais utilizados, detetasse a ascensão positiva e a ascensão negativa. Como foi mencionado anteriormente, recorreu-se ao DMA, de modo a poupar a intervenção do CPU. Figura 4.35: Configuração de cada um dos canais do timer . Nos fluxogramas seguintes está explícito com mais detalhe o funcionamento do algoritmo. De modo geral, cada vez que o programa entra na interrupção do timer , vê se esta foi causada pela ascensão positiva (canal 1) e pela ascensão negativa (canal 2). Se as duas flags da interrupção de cada canal não estiverem ativas, o programa sai da interrupção. Caso contrário, a interrupção prossegue para a espera de obtenção de informação útil, pois com frequências mais altas (na ordem de MHz), o DMA por vezes captura 0 no início; por isso, o índice é incrementado até aparecer informação relevante. A variável riseavg é a diferença entre o tempo de duas ascensões positivas consecutivas, para isso é necessário atribuir um valor inicial. A seguir, são adicionados os valores adquiridos pelo DMA à variável riseavg e as variáveis do contador e do índice da ascensão positiva são incrementadas. A quantidade de amostras adquiridas pelo DMA é Capítulo 4. Sensor acústico 53 definido na variável numval - neste caso, foram definidas 512 amostras. Depois da obtenção dos dados, seguem-se os cálculos, respetivamente: •cálculo da média de tempos entre duas ascensões positivas consecutivas; •cálculo para a ascensão negativa no segundo canal - caso o tempo da ascensão negativa seja menor que o tempo da ascensão positiva, então existe algum erro e ambos os índices são incrementados até o erro desaparecer; •cálculos finais: 1. se o tempo da ascensão negativa é menor que o tempo da ascensão positiva, o índice da ascensão negativa é incrementado; 2. se a diferença entre o tempo das ascensões for igual ou maior que 0 e menor que riseavg , então é registado como sucesso. O cálculo da frequência só é realizado fora da interrupção, no programa principal. Figura 4.36: Cálculo da frequência recebida. Capítulo 4. Sensor acústico 54 Figura 4.37: Fluxogramas relativos ao algoritmo da medição da frequência. 4.3.3 Medição do tempo de voo Atendendo à figura 3.11, para descobrir a velocidade a que se move o fluido, é necessário calcular o tempo de voo, ou seja, o tempo de propagação nos dois sentidos: desde o transdutor A até ao transdutor B e desde o transdutor B até ao transdutor A. Assim, a linha de raciocínio é baseada em descobrir o momento em que cada um dos transdutores recebe o sinal acústico. Observando a figura seguinte, assumindo que o primeiro momento (TA= 0s) Capítulo 4. Sensor acústico 55 é quando o transdutor A, neste caso o emissor, inicia a transmissão do sinal acústico para o transdutor B e o segundo momento (TB) é quando o transdutor B, neste caso o recetor, recebe o primeiro instante do sinal. Com esta diferença de tempos (TB−TA) é possível calcular o intervalo de tempo, utilizado na equação de tempo de voo. O mesmo se aplica no sentido contrário, apenas muda a função de cada transdutor. Figura 4.38: Esquemático representativo do raciocínio associado ao algoritmo a implementar (A e B representam o emissor e o recetor, respetivamente). Deste modo, para descobrir o instante de tempo em que o transdutor recebe o sinal acústico, foi desenvolvido um algoritmo com base no uso de interrupções externas e de temporizadores. O uso de interrupções externas é benéfico no desempenho do microcontrolador, assim como na aplicação em tempo real, uma vez que, comparativamente com o método de polling , onde o microcontrolador faz uma monitorização contínua do estado lógico do pino conectado ao transdutor recetor, a interrupção externa só é ativa quando deteta uma ascensão positiva e/ou negativa no pino, ou por software . Capítulo 4. Sensor acústico 56 Figura 4.39: Diagrama de blocos do controlo das interrupções/eventos externos[33]. O microcontrolador é caraterizado por ter 23 fontes de eventos/interrupções, que estão divididas em duas secções: a primeira corresponde aos pinos de cada porto (P0 a P15); a segunda secção corresponde a interrupções relacionadas com o Real Time Clock (RTC), ethernet , Universal Serial Bus (USB), entre outros. Assim, na primeira secção, existem 16 linhas de interrupções. Figura 4.40: Mapeamento do GPIO em função das interrupções/eventos externos[33]. Assim, foram configuradas duas interrupções externas nas linhas EXTI1 e EXTI2, para o emissor e para o recetor, respetivamente. Ambos os pinos associados a estas interrupções estão configurados para detetarem o sinal na ascensão positiva e negativa. Além disto, foram, também, configurados dois temporizadores com um valor de recarga baixo, uma vez que é pretendido ter uma resolução elevada. Utilizando a equação 3.8 e assumindo que os transdutores se encontram a 20cm de distância e que a Capítulo 4. Sensor acústico 57 velocidade da água é de 1500m/s, é possível calcular a resolução mínima do temporizador: t=d c→t=0,2 1500 →t= 133,3µs (4.4) O temporizador foi então configurado para ter uma resolução de 1µs, de forma a ter a maior resolução possível, como é possível observar na figura seguinte. Figura 4.41: Configuração do temporizador para medição do intervalo de tempo que o sinal demora a percorrer. O funcionamento do algoritmo é direto e está ilustrado nos fluxogramas seguintes, mas de uma forma geral: quando se dá início à transmissão do sinal gerado pelo DAC, a flag deste é ativa, significando que o temporizador 9 é ativo. Sempre que existe um overflow no temporizador 9, a variável s é incrementada, isto representa o incremento de 1 microssegundo por interrupção. Relativamente à interrupção externa EXTI1 - como só é pretendido a deteção da primeira ascensão positiva ou negativa, a variável counter_ab é incrementada e quando esta é igual a 1 o temporizador 2 é desativado, retirando-se o valor de microssegundos passados, através da variável Tab , desde o início da transmissão até à deteção do sinal. A seguir, quando for detetada a primeira ascensão positiva ou negativa do sinal, este tempo é guardado na variável Tba e o raciocínio aplicado para a interrupção externa EXTI1 é aplicado para a interrupção externa EXTI2. Após a obtenção dos valores de tempo em cada um dos pinos, prossegue-se à aplicação dos mesmos na equação 3.14. Capítulo 4. Sensor acústico 58 Figura 4.42: Fluxogramas relativos ao algoritmo do tempo de voo. Capítulo 5. Testes e resultados 65 Figura 5.11: Teste do circuito limitador de tensão - no CH1 (amarelo) a saída do circuito limitador de tensão e no CH2 (azul) a entrada sinusoidal com amplitude de 5Vpp e frequência de 1MHz. 5.6 Medição da frequência Com recurso ao gerador de sinais, o programa foi testado com o intuito de aferir o erro de cálculo. Foram utilizados sinais sinusoidais de 600kHz e 1MHz, respetivamente, como se pode observar nas figuras seguintes. Figura 5.12: Teste do programa de cálculo da frequência com recurso ao gerador de sinais para frequências de 600kHz. Com este teste realizado, foi também possível aferir o erro de medição por parte do algoritmo. Assim sendo: erro =|600000 −591808,813 600000 |∗100 ⇒erro = 1,3651% (5.1) Capítulo 5. Testes e resultados 66 Figura 5.13: Teste do programa de cálculo da frequência com recurso ao gerador de sinais para a frequência de 1MHz. Foi aferido o erro de medição por parte do algoritmo e é possível afirmar que este método tem um erro relativamente pequeno, como se pode observar nas equações, sendo o maior erro registado de 1,36%. erro =|1000000 −993205,375 1000000 |∗100 ⇒erro = 0,6795% (5.2) 5.7 Medição do tempo de voo Após a implementação do algoritmo de tempo de voo procedeu-se à sua validação. Para isso, com recurso ao gerador de sinais e a todas as suas funcionalidades, foram gerados dois sinais de 270kHz e 300mVpp para simular o eco recebido por parte do transdutor recetor, de forma a validar a boa leitura do tempo de propagação do sinal. Cada um destes sinais apresenta um certo atraso de início de propagação do sinal, 5 e 20 segundos, como está representado na figura seguinte. Capítulo 5. Testes e resultados 67 Figura 5.14: Configuração de cada um dos canais do gerador de sinais para simular o atraso de início de propagação do sinal. Após esta configuração do gerador de sinais, é possível observar os resultados do tempo de propagação de cada um dos sinais no debugger . A variável Tab representa o tempo de propagação do sinal do CH1, enquanto que a variável Tba representa o tempo de propagação do sinal do CH2. Figura 5.15: Resultados do teste de tempo de voo com recurso ao gerador de sinais. Analisando os resultados é possível afirmar que existe um certo erro, erro esse que é humano, uma vez que é necessário ligar cada um dos canais do gerador de sinais. Em suma, o algoritmo, com a configuração do temporizador, consegue medir valores de tempo com uma resolução de 1µs. Além disso, foram adicionadas resistências de pull-down , pois as interrupções externas são demasiado sensíveis a oscilações por mais pequenas que sejam. Desta forma, esta só é ativa para valores iguais ou acima de 300mVpp. Capítulo 5. Testes e resultados 68 5.8 Teste em ambiente aquático (tanque de ensaio) Após a validação de todos os módulos de hardware e dos dois algoritmos de software é então possível avançar para os testes aquáticos. De salientar que apenas foram testados os módulos respetivos ao algoritmo de tempo de voo. Os transdutores inicialmente mencionados (BII-7694, BII-7695 e BII-7690) não foram utilizados, uma vez que o sinal recebido tem que ser da mesma gama de frequência a que o transdutor opera e, neste tipo de testes, a frequência ia diferir, induzindo um mau funcionamento por parte dos piezoelétricos. Os testes foram realizados num tanque de dimensões 130x50x40cm3em que são utilizados os piezoelétricos adequados para os testes do tempo de voo com a disposição representativa da figura seguinte. Figura 5.16: Setup dos testes em meio aquático Numa primeira instância foi testado o módulo de transmissão, para averiguar a amplitude do sinal recebido. Assim, observando os resultados da figura seguinte, o sinal recebido tem aproximadamente 300mVpp. Capítulo 5. Testes e resultados 69 Figura 5.17: Transmissão do sinal amplificado (amarelo) e o respetivo sinal recebido pelo transdutor recetor (azul). Os primeiros ecos recebidos têm uma amplitude ligeiramente menor, como pode ser visto na figura seguinte. Figura 5.18: Transmissão do sinal amplificado (amarelo) e os primeiros ecos recebidos pelo transdutor recetor (azul). 6. Conclusões e trabalho futuro No seguinte capítulo são apresentadas as conclusões do trabalho, como o que se realizou com sucesso, as dificuldades apresentadas ao longo do desenvolvimento do sensor, assim como sugestões para um trabalho futuro. 6.1 Conclusão Durante este projeto foi atingido o objetivo de desenvolver um sensor acústico, embora ainda se encontre num estado primórdio, capaz de medir com fiabilidade os parâmetros necessários para calcular a velocidade da água, isto num ambiente laboratorial, em que é um ambiente muito menos propício à falha do que o ambiente real. Para isso, desenvolveu-se o hardware e software necessários à atuação e receção dos piezoelétricos. O sistema desenvolvido apresenta todas as funcionalidades necessárias para aparelhos acústicos, quer se baseiem no princípio do efeito de Doppler , quer no princípio de tempo de voo. Numa primeira etapa, desenvolveu-se o módulo da atuação dos transdutores, em que foram encontrados dois grandes obstáculos: a insuficiência do clock do microcontrolador para gerar um sinal com frequência elevada para o transdutor emissor e o dimensionamento de um circuito que amplifique ao máximo a tensão do sinal gerado pelo microcontrolador. Já na etapa do desenvolvimento do módulo de receção e controlo das funções de cada piezoelétrico, num determinado momento, existiram mais problemas ao nível de algoritmos para a obtenção dos parâmetros a medir: por exemplo, na obtenção do tempo de voo, as interrupções externas envolviam um circuito externo, pois estas são demasiado sensíveis ao nível. Também, relativamente ao circuito limitador de tensão ( Schmitt Trigger ), o maior obstáculo foi encontrar um comparador suficientemente rápido para se obter uma onda quadrada. De um modo geral, o principal objetivo desta dissertação foi obtido - o sensor é capaz de monitorizar continuamente o ambiente em estudo para a obtenção da velocidade da água. Porém, alguns dos requisitos não foram alcançados, que serão discutidos na próxima secção. 70 Capítulo 6. Conclusões e trabalho futuro 71 6.2 Trabalho futuro Existem vários pontos a ser melhorados para trabalho futuro, tanto para a obtenção de melhores resultados e para a segurança/estabilidade do sensor acústico, tanto para testes em ambiente laboratorial e real. Focando no primeiro tópico, para a obtenção de melhores resultados e estabilidade do sensor é necessário cumprir um dos objetivos estabelecidos nesta dissertação: encapsulamento e proteção dos circuitos eletrónicos, assim como o desenvolvimento de uma PCB que englobe todos os módulos desenvolvidos (atuação, controlo e receção); outro ponto fulcral é a otimização do software , pois quanto mais otimizado for, mais próximo da realidade são os valores obtidos e, também, a escolha adequada de piezoelétricos, uma vez que os transdutores utilizados, apesar de serem mais sensíveis do que os propostos inicialmente, apresentam uma frequência central muito mais baixa. Alguns elementos de hardware , como, por exemplo, o microcontrolador devem ser substituídos para um com maior capacidade de processamento e de geração de sinais de elevadas frequências. Quanto ao segundo tópico, para trabalho futuro é ideal a realização de testes do sensor já em modo protótipo, inicialmente em ambiente de laboratório, o que não foi possível nesta dissertação, pois não existia forma de simular o movimento da água sem entrar em regime turbulento. Futuramente, o sensor acústico, além dos testes em ambiente laboratorial, tem que ser sujeito a testes em ambiente real. Referências [1] UNEP, “The marine environment is an essential component of the global lifesupport system.” https://www.unep.org/news-and-stories/story/ marine-environment-essential-component-global-life-support-system, 5 2016. [2] E. R. Selig, D. G. Hole, E. H. Allison, K. K. Arkema, M. C. McKinnon, J. Chu, A. de Sherbinin, B. Fisher, L. Glew, M. B. Holland, J. C. Ingram, N. S. Rao, R. B. Russell, T. Srebotnjak, L. C. Teh, S. Troëng, W. R. Turner, and A. Zvoleff, “Mapping global human dependence on marine ecosystems,” 3 2019. [3] J. Ansong, E. Gissi, and H. 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