CTC – Engenharia Mecânica

CARACTERIZAÇÃO DE CANAL ACÚSTICO BASEADO EM

TRANSDUTORES PIEZOELETRICOS

Aluno: Pedro Martins Gomes

Orientador: Arthur Braga e Sully Quintero

Introdução

O escopo do projeto “MEMS WELLBORE MONITORING SYSTEM”, em pareceria com

a empresa Shell, tem como objetivo desenvolver sistemas para o monitoramento em fundo de

poço baseado em sistemas microeletromecânicos (MEMS).

Dentro do desenvolvimento do projeto minha participação está focada na caracterização

do canal acústico baseado em transdutores piezoelétricos (PZTs – Piezoelectric Transducers).

O estudo será divido em duas partes:

Inicialmente será feita uma caracterização acústica de todos os componentes

envolvidos no canal acústico, utilizando um ecoscópio ultrassônico, modelo

GS200, fabricado pela Gampt Ultrasonic Solution. Os valores obtidos serão

usados como parâmetros de entrada em simulações que serão comparados com

os resultados experimentais.

Posteriormente, serão realizados os testes experimentais para determinar a

eficiência de transmissão de energia entre dois PZTs em diversas configurações

de operação que serão detalhadas na seção de metodologia experimental.

A seguir serão apresentados alguns conceitos básicos relacionados com o canal acústico,

o plano de testes e o desenvolvimento das bancadas experimentais.

Fundamentos Teóricos

Transdutores Piezoelétricos (PZTs)

Transdutores piezoelétricos são materiais cerâmicos, cristais, compósitos e polímeros que

podem apresentar comportamentos de atuadores ou sensores, através do efeito piezoelétrico,

pela conversão de energia elétrica em energia mecânica e, reciprocamente, energia mecânica

em energia elétrica [1]. A figura abaixo demonstra a relação de entrada e saída do efeito

piezoelétrico:

Figura 1 - Demonstração do efeito piezoelétrico.

Fonte: http://4.bp.blogspot.com/-

dgBZSkI7eUE/T8zQgRTZPqI/AAAAAAAAAEk/bqaAX7MzBTY/s1600/SE402Transformador_Fig01.jpg

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Os materiais piezoelétricos apresentam grande aplicabilidade em sistemas de

comunicação e sensoriamento. Exemplos do uso destes materiais, em diversas áreas, como em

funções de monitoramento na área da saúde, militares, aparelhos eletrônicos do dia-a-dia (e.g.

telas touchscreen e de televisores), entre outras. [2]

Sistemas Microeletromecânicos

Sistemas microeletromecânicos (MEMS – Microelectromechanical systems), são

estruturas que mesclam propriedades mecânicas e eletrônicas, com dimensões que variam de

micrômetros a um milímetro.

A principal característica dos MEMS é a capacidade de detecção de mudanças físicas em

determinado meio (micro-sensores), gerando sinais elétricos, que são enviados e processados

por sistemas microeletrônicos que acionam micro-atuadores, para a realização de determinada

tarefa.

A infinidade de aplicações destes sistemas se reflete no grande crescimento do mercado

dos MEMS nos últimos anos e em projeções ainda maiores para o futuro, tal como visto na

figura 2 abaixo, junto à alguns dos exemplos de aparelhos nos quais são utilizados:

Figura 2 - Gráfico de previsão e valor do mercado dos MEMS, com áreas de usos mais frequentes.

Fonte: http://www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1328333

Canal acústico

Basicamente, um canal de comunicação pode ser definido como um meio de transmissão

pelo qual viajam sinais portadores de informação entre um emissor e um receptor.

Neste trabalho de pesquisa, estuda-se um canal acústico, onde os emissores e receptores

são ambos PZTs, que geram ondas acústicas que se propagam em um meio de liquido e devem

atravessar uma parede metálica. O emissor e o receptor estariam instalados na coluna e na

superfície externa do revestimento, respectivamente.

Um dos primeiros usos submarinos do canal acústico para comunicação foi desenvolvido

pela marinha dos Estados Unidos, durante a segunda guerra mundial, por apresentarem um

poder de alcance muito maior do que comunicações através de radiofrequência [3]. Contudo,

existem sérios desafios devido à dependência com a frequência e múltiplas reflexões que

limitam sua aplicação.

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Um outro exemplo de aplicação do canal acústico muito interessante é a levitação

acústica. Onde através de um emissor de ondas sonoras de alta frequência, que são refletidas

por uma superfície côncava, é possível suspender pequenas partículas. As figuras 3.a e 3.b

mostram um experimento onde é possível ver partículas de poliestireno suspensas e a simulação

da onda estacionária:

Figura 3 – a) Foto demonstrando a levitação acústica. b) Simulação do canal acústico onde é possível visualizar a onda

estacionaria.

Fonte: https://publishing.aip.org/publishing/journal-highlights/acoustic-levitation-made-simple

Metodologia Experimental

O roteiro de estudo estão divido em três principais testes cujos objetivos são:

O Teste 1 tem por objetivo validar o princípio de operação do canal acústico.

O Teste 2 tem por objetivo determinar como a temperatura (até 50°C), o fluido

no meio, a distância vertical e horizontal (eixos x e z, respectivamente) e o

ângulo entre os PZTs influenciam na transmissão do canal acústico

Por fim, o Teste 3 tem por objetivo determinar especificamente como a alta

temperatura (120°C) em função da posição entre eles influi na transmissão do

canal acústico.

Durante os testes, os transdutores serão instalados com duas configurações diferentes

chamadas de: simples (ou simple PZT) e mosaico (ou array PZT). Paralelamente aos estudos

de caracterização, estas configurações serão estudadas.

Para auxiliar a preservação do sistema durante o estudo, foram usinadas peças que alojam

e separam os transdutores piezoelétricos do fluido do meio, denominadas housings. Estes

componentes são fixados nos corpos de aço que simulam a coluna e o revestimento com o uso

de resinas curadas a temperaturas elevadas, garantindo mais efetivamente a vedação contra os

líquidos.

A figura 4 abaixo demonstra as configurações de instalação dos PZTs junto ao housing:

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Figura 4 - Configurações dos PZTs nos Housings a serem instalados.

Durante os testes será utilizado um analisador vetorial (VNA – Vector Network Analyzer)

para medir o parâmetro S21, que descreve a relação entrada-saída de energia entre portas de um

sistema elétrico em função da frequência. Quanto maior for este parâmetro, mais eficiente será

a transmissão de energia.

Teste 1

A montagem desta etapa do estudo consiste em dois tubos concêntricos, instrumentados

com PZTs. Para o tubo externo, o PZT foi instalado diretamente em sua superfície externa,

enquanto no tubo interno, o PZT foi instalado no housing e o conjunto foi fixado na superfície

externa deste tubo.

Este experimento possui dois perfis de housing em que os PZTs serão fixados. Ambos

possuem as mesmas medidas e propriedades de material, com alteração apenas em uma das

faces do corpo da peça, onde um possui uma face plana e outro possui a face equivalente

arredondada.

Abaixo estão as propriedades do material e ilustração da montagem deste teste:

Quadro 1 – Dados dos materiais utilizados nos tubos que simulam a coluna e o revestimento.

Tubo Externo Tubo Interno

Material Aço carbono Alumínio

Diâmetro externo [mm] 325 220

Espessura [mm] 7 10

1 Housing

2 Coluna/Revestimento

3 PZT

1

2

3

Figura 5 - Ilustração do Teste 1

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Teste 2

Esta montagem se baseia em dois arcos de tubo similares de aço carbono, com diâmetro

325mm e espessura 7mm. Sendo um arco fixo e outro móvel, ambos são instrumentados em

suas faces externas, banhados em fluidos com temperaturas controladas por um banho térmico

e posições relativas controladas por bases de translação lineares e angulares.

Similarmente ao teste 1, os arcos tiveram instalações de PZTs distintas: o arco fixo teve

o PZT instalado diretamente na superfície de sua face externa, enquanto o arco móvel teve o

PZT instalado no housing que foi fixado em sua face externa.

Para garantir eficiência nos testes, são utilizados equipamentos eletrônicos e mecânicos

de alta precisão para as variações de posição do arco com PZT móvel. Para a variação da

posição no eixo x, foi adaptado ao projeto a base de translação linear eletrônica, modelo

UTS150PP da marca Newport Corporation. Já para o eixo z, foi empregado um parafuso

micrométrico para o deslocamento linear e um goniômetro eletrônico, modelo 495ACC,

também da marca Newport Corporation para o deslocamento angular do arco com o transdutor.

A ilustração abaixo mostra o sistema completo da montagem:

Figura 6 – Ilustração do Teste 2. a) Vista lateral. b) Vista de perspectiva. c) Vista frontal.

1 Base Linear Eletrônica

2 Goniômetro Eletrônico

3 Parafuso Micrométrico

4 Coluna/Revestimento

5 Housing PZT

6 Conector Parafuso Micrométrico-Arco

7 Conector Goniômetro-Parafuso

Micrométrico

Durante o teste, os dispositivos eletrônicos serão programados para trabalhar em

deslocamentos lineares específicos e realizando varreduras angulares, para cada posição do eixo

z definida manualmente. O fluido entre os PZTs deverá ser aquecido para temperaturas de até

50°C.

Teste 3

Para a realização da terceira bancada experimental, são utilizadas duas chapas de aço

carbono, com dimensões 100x100mm e espessuras variadas, instrumentadas por PZTs. Ambas

as chapas são banhadas por óleo de silicone aquecido a altas temperaturas por um banho

1

4

2 7

3

6

5

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térmico. O deslocamento linear entre os transdutores nas chapas é realizado por uma base de

translação linear manual (devido ao uso em temperaturas mais altas).

A configuração da montagem deste teste é similar à do experimento anterior, como mostra

a ilustração abaixo:

Figura 7 – Ilustração do Teste 3. a) Vista lateral. b) Vista de perspectiva. c) Vista frontal.

1 Base Linear

2 Coluna/Revestimento

3 Housing PZT

4 Conector Base Linear-Chapa

Para o teste, a temperatura do fluido será controlada até 120°C, com variações gradativas

de posicionamento relativo entre os PZTs, em distâncias de até aproximadamente 50mm.

Conclusão e Futuros Passos

Das três bancadas experimentais planejadas, o teste 1 já está com sua montagem

concluída e, para os testes 2 e 3, restam apenas peças que estão em usinagem (ver apêndice A

e B) para a conclusão.

Posteriormente, com a chegada das peças e equipamentos adquiridos, os testes serão

inciados.

Referências Bibliográficas

[1] TORRES, Henrique. MEMS – Sistemas Microeletromecânicos. Out. 2014. Disponível

em: <https://www.embarcados.com.br/mems/>. Acesso em: 26 jul. 2017.

[2] LI, Huidong; DENG, D.Z.; Carlson, T.J. Piezoelectric Materials Used in Underwater

Acoustic Transducers. Richland, Washington. 2012. p. 65.

[3] STOJANOVIC, Milica; BEUJEAN, P.P. Springer Handbook of Ocean Engineering.

2016. p.359-386. ISBN: 978-3-319-16648-3.

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APÊNDICE A – Conector Goniômetro-Parafuso Micrométrico

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APÊNDICE B – Conectores Parafuso Micrométrico-Arco