Ciência

Estetoscópio Eletrônico

 
INTRODUÇÃO

 

O uso de sensores e transdutores para identificar condições externas ao meio o qual o circuito eletrônico está inserido, é de grande importância em muitos projetos. Isso permite com que o circuito atue sob determinadas condições específicas mostradas pelos sensores ou pelos transdutores.
Em alguns casos, o circuito não é usado para atuar, e sim para para amplificar o sinal vindo do transdutor e torná-lo audível, por exemplo.
Esse mostrará resultados obtidos com transdutores de pressão (piezoelétricos) para se ouvir batimentos cardíacos, igual à um estetoscópio.

 

METODOLOGIA

 

Princípio Piezoelétrico. O efeito Piezoelétrico foi descoberto em 1880 por Pierre e Jacques Curie, ao perceberem que certos materiais ao sofrerem pressão, ou tração, geravam um diferença de potencial elétrico em suas extremidades. O contrário também é possível, aplicar uma tesão nas extremidades do material e obter uma tração ou compressão, o efeito Piezoelétrico Reverso [1].
Atualmente, o material mais usado para fabricar transdutores desse tipo é o cristal PZT, Titanato Zirconato de Chumbo, o qual foi desenvolvido para intensificar o efeito piezoelétrico.
Para determinar qual o sentido que a corrente percorrerá e ajudar a intensificar o efeito, o PZT deve ser submetido à uma grande temperatura e ser resfriado sob um campo elétrico intenso com o intuito de realinhar os seus dipolos elétricos e orientar a sua polaridade.

 

Figura 1. (a) Dipolos antes da polarização. (b) Após o aquecimento e submetido à um campo elétrico. (c) Após o resfriamento e a retirada do campo elétrico.

 

Feito isso, podemos saber qual o sentido que surgirá sua polaridade do cristal sob pressão ou tração, e até mesmo qual a polaridade que deve-se aplicar para ele se contrair ou estender o mesmo.

 

 

Figura 2. (a) Crital sob nenhum tipo de força. (b) Cristal sob pressão. (c) Crital sob tração.

 

 

Figura 3. (a) Tração a partir da aplicação de um potencial. (b) Pressão a partir da aplicação de um potencial.

 

Além dos parâmetros descritos, existe a frequência de ressonância do cristal, a qual está ligada à espessura do mesmo, esse é usado para aplicações do cristal como osciladores, qual não entraremos em detalhes.

 

O transdutor Piezoelétrico usado. O transdutor para o trabalho foi escolhido levando em conta a facilidade de se encontrar no mercado e a menor frequência de ressonância possível, pois o usaremos para converter em pulsos elétricos as ondas mecânicas geradas pelo coração, as quais possuem frequência pequena. Já que, quanto mais próximo a frequência da onda mecânica capitada for da frequência de ressonância do cristal, maior será a tensão obtido na saída do transdutor, aumentando então a clareza do sinal que se deseja captar.
Portanto, o transdutor escolhido foi um de 20mm de diâmetro e com frequência de ressonância de 6.5 +/- 0,5 Khz. Apesar de a frequência de ressonância estar longe da frequência de batimento do coração, menor  que 1Hz, é o mais próximo encontrado no mercado [2].

 

 

Figura 4. O transdutor (disco) piezoelétrico usado.

 

O Circuito Amplificador. Por a frequência de ressonância do transdutor usado estar longe da frequência que se deseja capitar, a tensão obtida na saída só sensor também será muito pequena, da ordem de micro-volts. Consequentemente, precisa-se de etapas de amplificação um pouco mais complexas, a fim de tornar o sinal obtido na entrada audível.
O circuito amplificador usado possui três etapas de amplificação, sendo uma composta por transistor e as outras duas por Amplificadores Operacionais, como pode ser visto abaixo [3][4]:

 

 

Figura 5. Circuito elétrico do amplificador.

 

O sinal vindo do disco piezoelétrico (Input) passa pela primeira etapa de amplificação composta por um transistor BC548A, esta mesma etapa também isola o sinal o sinal variável do contínua, além de facilitar a passagem de sinais de menores frequências, tarefas realizadas pelo capacitor de 100uF. Para sinais da faixa de frequência desejada, precisaria-se de um capacitor de pelo menos 1000uF, mas isso tornaria o circuito maior e não é crítico já que existem outras etapas de amplificação. O potenciômetro entre as etapas é para retirar saturações entre as etapas.
O sinal vindo da etapa anterior sofre uma dupla amplificação pelo amplificador operacional TL082, este foi escolhido pelo fato de ser menos suscetível à ruido e possuir grandes ganhos [5]. Entre as etapas encontramos um potenciômetro o qual possui a finalidade de controlar o volume do sinal obtido na saída.
Finalmente temos a saída, referida como “output” no esquema elétrico (modelada como um resistor de 4 ohm), a qual será ligada um fone de ouvido estéreo com os seus alto-falantes ligados em paralelo, para diminuir a impedância de saída e, consequentemente, aumentar a potência, além de permitir que se ouça o sinal com os dois ouvidos, já que nosso sistema de amplificação é mono.
A alimentação será de 9v, pois isso permite a alimentação por baterias, e, consequentemente, torna o conjunto portátil.

 

RESULTADOS E DISCUSSÕES

 

Montagem do Circuito e Do Protótipo. O circuito foi montado usando placas universais e placas desenhadas e corridas em casa. Isso permitiu com que fosse possível a montagem de um protótipo para testes.
A primeira etapa de amplificação foi montada em uma placa universal, pois o circuito não possui uma complexidade muito grande.

 

 

Figura 6. Primeira etapa de amplificação.

 

A segunda e terceira etapa de amplificação foi montada em uma placa de fenolite comum, pois o é usado um circuito integrado, o qual deixa a possibilidade de uso de placa universal mais inviável e mais sujeito à falhas. As trilhas foram desenhadas à mão, por uma caneta retroprojetor, e corroída em Percloreto de Ferro.

 

 

Figura 7. Segunda e terceira etapas de amplificação.

 

A fim de isolar o circuito de possíveis ruídos decorrentes de ondas eletromagnéticas, os circuitos foram colocados em um recipiente de metal devidamente aterrado com o negativo da alimentação (Gaiola de Faraday).

 

 

Figura 8. Aterramento da gaioala de Faraday.

 

O transdutor também foi isolado usado o princípio descrito anteriormente:

 

 

Figura 9. Gaiola de Faraday em torno do transdutor.

 

A alimentação pode ser feita por alguma fonte de corrente contínua de 9v ou por uma bateria.

 

 

Figura 10. Fontes de alimentação.

 

Abaixo a foto do circuito devidamente montado e pronto para testes:

 

 

Figura 11. Circuito pronto para os testes.

 

Testes do circuito. O teste do circuito foi feito encostando o transdutor diretamente na pele na região esquerda do tórax, para ouvir os batimentos cardíacos, e também encostando o transdutor nas  costas, em qualquer um dos lados, no fim das costelas, a fim de ouvir a respiração.
Em ambos os locais foi possível ouvir com clareza os batimentos cardíacos e o ar entrando nos pulmões. Postando, o circuito tornou-se útil para o objetivo o qual ele foi projetado.
Abaixo está uma imagem da saída do circuito obtido a partir da placa de som do computador, vemos claramente o excesso de ruídos (A imagem não possui escala e unidade de medida pois o equipamento não possui exatidão para medições coerentes):

 

 

Figura 12. Sinal de saida obtido com a placa de som do computador e com o Software Audacity.

 

CONCLUSÕES

 

O sistema montado, apesar de ser simples, mostrou excelentes resultados, foi possível ouvir com clareza os batimentos do coração, além de permitir também, o ar entrando nos pulmões.
Por não ter sido feito um tratamento rigoroso quanto a filtragem de frequências indesejáveis, foram captados, em determinados momentos, ruídos na saída, os quais podem prejudicar uma interpretação médica. Se melhorado, o circuito pode ser de grande importância na área médica.

 

REFERÊNCIAS

 

[1] MOODLE UTFPR TOLEDO. Efeito Piezelétrico. Disponível em <http://200.134.81.162:8080/moodle/pluginfile.php/17314/mod_resource/content/1/Efeito%20Piezel%C3%A9trico.pdf>. Acesso em: 3 nov. 2012, 13:00.

 

[2] DEALEXTREME. 20mm Piezo Transducer Sound Discs w/ Leads (10 PCS). Disponível em <http://dx.com/p/20mm-piezo-transducer-sound-discs-w-leads-10-pcs-155523?item=6>. Acesso em: 3 nov. 2012, 13:30.

 

[3] NOVA ELETRÔNICA. Circuito de estetoscópio simples. Disponível em <http://blog.novaeletronica.com.br/circuito-de-estetoscopio-eletronico-simples/>. Acesso em: 3 nov. 2012, 14:00.

 

[4] PY2OHH. Audio amplifier with LM1458 (MC1458, TL082 …) or any other double operational IC. Disponível em <http://py2ohh.w2c.com.br/trx/rxsimpleshf/1458/1458.htm>. Acesso em: 3 nov. 2012, 14:30.
[5] DATASHEET CATALOG. Datasheet TL082. Disponível em <http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/nationalsemiconductor/DS008357.PDF>. Acesso em: 3 nov. 2012,
[FONTE] http://polotto.blogspot.com/2014/08/estetoscopio-eletronico.html

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