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Desarrollo de terminales de monitoreo de ruido (NMT) de bajo costo
Basado en micrófonos MEMS

El artículo muestra y analiza un ejemplo de NMT con micrófono MEMS que cumple con la clase 1 según IEC 61672-1.

El rápido desarrollo de los micrófonos MEMS (Sistemas Micro-Electro-Mecánicos) en la última década hizo posible su uso en instrumentación de medición de ruido que cumpla con la especificación IEC 61672-1. Hace quince años, los micrófonos MEMS disponibles ofrecían sólo un rango dinámico de 60 dB, mientras que los micrófonos MEMS modernos ofrecen una dinámica de 100 dB. Un rango dinámico tan amplio de micrófonos MEMS, junto con su repetibilidad mejorada y estabilidad a largo plazo, permitió el desarrollo de terminales de monitoreo de ruido de bajo costo para el monitoreo de ruido. En particular, uno de estos NMT (Svantek SV 307A) ofrece un rango de medición lineal de 30 dBA Leq÷ 128 dBA Peak, que resulta óptimo para aplicaciones de monitoreo de ruido urbano.

El bajo costo de los micrófonos MEMS permite el desarrollo de diseños innovadores para terminales de monitoreo de ruido de bajo costo con características como una disposición de múltiples micrófonos para una verificación dinámica del sistema.

Terminales de monitoreo de ruido con micrófonos Mems

Debido a que no existe una estandarización específica para los terminales de monitoreo de ruido, los dos estándares utilizados para construir terminales de monitoreo de ruido son IEC 61672-1 sobre la capacidad del instrumento para medir niveles de sonido e ISO 1996-2 para aplicaciones de monitoreo de ruido.

Las siguientes son las características NMT esenciales definidas por IEC 61672-1 que se mencionaron en este artículo: rango operativo lineal, respuesta de frecuencia, características direccionales y rango operativo de temperatura. Hay más requisitos asociados con la aplicación de medición, incluida la estabilidad a largo plazo, la solidez ambiental, la alimentación y la comunicación. ISO 1996-2 tiene criterios adicionales, como GPS, análisis de frecuencia y monitoreo de las condiciones climáticas (viento, lluvia, temperatura, humedad), que no se abordan en este artículo.

noise monitoring terminal

¿Qué es un NMT?

El término «Terminal de monitoreo de ruido» (NMT) se refiere a la instrumentación utilizada para el monitoreo continuo y automatizado del ruido que monitorea los niveles de presión sonora ponderados A, sus espectros y todas las cantidades meteorológicas relevantes, como la velocidad del viento, la dirección del viento, la lluvia, la humedad, la atmósfera. estabilidad (ref. ISO 1996-2:2017).

Desarrollo de Terminales de Monitoreo de Ruido de bajo costo

Los terminales de monitorización de ruido que cumplen las especificaciones ISO e IEC son dispositivos bastante caros. Los micrófonos de condensador, que deben cumplir requisitos adicionales para las comprobaciones de calibración con el actuador electrostático, son una de las razones de su elevado coste. La preocupación que también hay que abordar a la hora de seleccionar un micrófono es qué tan bien resistirá en el tiempo. Luego está la estabilidad a largo plazo y la durabilidad ambiental, que son factores importantes en la selección de micrófonos en los rangos superiores de precios.

La aparición de los micrófonos MEMS rompió la barrera de los precios: de media, un micrófono MEMS cuesta menos de 5 euros. Además de los ahorros en costos de NMT, los precios del servicio de reparación también bajaron.

El uso de micrófonos MEMS se ha ampliado debido a su diseño versátil, mayor inmunidad a interferencias de radiofrecuencia (RFI) e interferencias electromagnéticas (EMI), bajo costo y resiliencia ambiental. Esta resiliencia a las condiciones ambientales variables es particularmente importante para aplicaciones de monitoreo acústico a largo plazo en los duros inviernos bajo cero y los veranos calurosos y húmedos.

Tabla de contenido

¿Qué es un micrófono MEMS?

Los micrófonos MEMS (Micro Electrical Mechanical System) constan de tres partes principales: SENSOR (micrófono), ASIC y paquete. El SENSOR y el ASIC están empaquetados juntos en una cavidad rodeada por un sustrato y una tapa.

Hay una entrada de sonido (puerto acústico) en el sustrato o en la tapa y, la mayoría de las veces, ubicada directamente en la cavidad MEMS.

El SENSOR que se muestra en la Figura 1 es un micrófono de condensador polarizado miniaturizado con una polaridad típica de 50 V. Una superficie, llamada placa posterior, está fijada y cubierta por un electrodo. La otra superficie, que es el diafragma, es móvil y tiene muchos agujeros, es decir, agujeros acústicos.

Una onda de sonido que pasa a través de los orificios acústicos de la placa posterior pondrá el diafragma en movimiento, creando un cambio de capacitancia entre las dos superficies correspondientes. Esto se convierte en una señal eléctrica mediante el circuito integrado de aplicación específica (ASIC).

Hay dos tipos de micrófonos MEMS: analógicos y digitales. En el tipo analógico, un ASIC contiene un convertidor de impedancia (preamplificador) y una bomba de carga para generar un voltaje de polarización. El ASIC del micrófono digital incluye además un convertidor A/D sigma-delta con salida PDM. El formato PDM es una entrada estándar para la mayoría de los códecs disponibles en el mercado (un formato PDM modulado por densidad de pulso es un flujo de datos de alta frecuencia de muestreo de 1 bit).

En este artículo, analizaremos el NMT utilizando un micrófono MEMS con salida analógica.

Pruebas eléctricas de NMT con MEMS según IEC 61672-1

La norma IEC 61672-1 requiere proporcionar un equivalente eléctrico del micrófono para pruebas eléctricas. En el caso de los micrófonos MEMS, es una tarea desafiante pero posible.

example of mems microphone construction

Figura 1. Ejemplo de construcción de micrófono MEMS.

Figura 2. Transductor y ASIC de un micrófono MEMS analógico

Typical analog MEMS microphone block diagram

Figura 3. Diagrama de bloques típico de un micrófono MEMS analógico

Estudio: Comparación de especificaciones clave de dos Nmts: basado en Mems y basado en micrófono de condensador

En esta sección, comparamos las características de un NTM basado en MEMS con las de un NMT basado en un micrófono de condensador. Ambos NMT fueron autorizados por Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) para cumplir con IEC 61672-1 en 2022. Se comparó el rendimiento de dos NMT:

  • Svantek SV 200A basado en un micrófono de condensador de campo libre prepolarizado de ½” MK 255S con una sensibilidad nominal de 50 mV/Pa
  • Svantek SV 307A basado en el micrófono MEMS ST 30A (carcasa de ½”) con una sensibilidad nominal de 36 mV/Pa

Como se muestra en la Figura 4, el SV 200A NMT utiliza cuatro micrófonos MEMS montados en un lateral de la carcasa para detectar la directividad del ruido.

Svantek SV 307A (left) and Svantek SV 200A (right)

Figura 4. Svantek SV 307A (izquierda) y Svantek SV 200A (derecha)

Rango de funcionamiento lineal según IEC 61672-1

La medición típica del ruido exterior se realiza dentro del rango entre 30 dBA y 125 dBA, lo que requiere un rango dinámico de 100 dB (definido aquí como la diferencia entre el piso de ruido ponderado A y el SPL máximo dentro de la tolerancia).

El primer tipo de micrófonos MEMS (2008) tenía un rango dinámico limitado, de aproximadamente 60 dB. La segunda generación de micrófonos MEMS (2018) ha ofrecido un rango dinámico de 100 dB, lo que permite su uso en mediciones de ruido en el ambiente.

En cualquier rango de niveles y a la frecuencia indicada, las desviaciones de los niveles de sonido medidos por un NMT deben estar dentro de la aceptación de IEC 61672-1. La comparación muestra que:

  • el rango de operación lineal del NMT SV 200A es: 25 dBA ÷ 133 dBA Pico
  • el rango operativo lineal de NMT SV 307A es 30 dBA Leq ÷ 128 dBA Pico.

En ambos casos el rango de funcionamiento lineal cumple las especificaciones para las mediciones de ruido ambiental.

Respuesta de frecuencia según IEC 61672-1

Los terminales de monitoreo de ruido que cumplen con IEC 61672-1 deben tener una respuesta de frecuencia específica para el sonido incidente en el micrófono desde una dirección principal en un campo acústico libre o direcciones aleatorias.

Ambos terminales cumplen con los criterios de respuesta de frecuencia gracias a filtros de compensación, que mejoran las características de frecuencia y cumplen con el estándar IEC 61672-1, como se muestra en las siguientes figuras.

Frequency response of SV 200A NMT with a condenser microphone.

Figura 5. Respuesta de frecuencia del SV 200A NMT con micrófono de condensador.

Frequency response of SV 307A NMT with MEMS microphone

Figura 6. Respuesta de frecuencia del SV 307A NMT con micrófono MEMS.

Respuesta direccional según IEC 61672-1

Para cualquier frecuencia en el rango de NMT, el objetivo del diseño de respuesta direccional es una respuesta igual a los sonidos provenientes de todas las direcciones de incidencia del sonido. La norma IEC 61672-1 proporciona límites de aceptación para desviaciones de los objetivos de diseño. Para los sonómetros de clase 1, la frecuencia de la señal sonora se especifica hasta 12,5 kHz y para los sonómetros de clase 2 hasta 8 kHz. Las siguientes figuras comparan la respuesta direccional de NMT con un micrófono de condensador y un micrófono MEMS, ambos cumpliendo con la especificación IEC 61672-1.

Directional response of SV 307A (left side) and SV 200A (right)

Figura 7. Respuesta direccional del SV 307A (lado izquierdo) y del SV 200A (derecho)

Rango de funcionamiento de temperatura

IEC 61672-1 define dos niveles de tolerancia para el ruido exterior: Clase 1 y Clase 2. Estos rangos rigen el rango de temperatura de -10 °C a +50 °C, así como de 0 °C a +40 °C. Son factores importantes cuando se trata de mediciones de ruido ambiental y monitoreo de ruido ambiental, respectivamente.

En mediciones reales, al menos el rango de temperatura para NMT no debe ser inferior a

(-10°C) a +50°C, lo que se debe a las grandes fluctuaciones de temperatura al medir en el exterior. En la práctica, se debe proporcionar un rango de temperatura de funcionamiento de -20°C a +60°C.

El rango de funcionamiento de temperatura de:

  • SV 307A basado en MEMS: el rango de funcionamiento se especifica de (−20 °C) a +60 °C
  • SV 200A basado en micrófono de condensador: se especifica desde (−30 °C) hasta +60 °C

Estabilidad a largo plazo

La estabilidad a largo plazo es una consideración crucial al considerar la NMT, ya que el monitoreo del ruido es un tipo de medición desatendida. En el caso del monitoreo de ruido a largo plazo, la norma ISO 1996-2 hace referencia a la verificación acústica ISO 20906/Amd1:2013 para la verificación de la sensibilidad NMT. La ISO requiere la instalación de una verificación automatizada del sistema que notificará si el sistema está funcionando correctamente o si está potencialmente defectuoso.

El SV 200A utiliza un control de sistema clásico basado en un actuador electrostático. Sin embargo, el uso de un actuador electrostático en mediciones en exteriores es problemático y costoso, principalmente debido al alto voltaje requerido y a las condiciones ambientales.

Los micrófonos MEMS no se pueden probar con actuadores electrostáticos debido a su carcasa, pero su pequeño tamaño hace posible diseñar una matriz de varios micrófonos dentro de una carcasa de micrófono de ½”.

Utilizando una matriz de este tipo se puede realizar una comprobación dinámica del sistema de forma continua basándose en la señal acústica real medida. El concepto de comprobación dinámica del sistema utiliza una comparación continua de la sensibilidad del micrófono. Además de la comprobación dinámica del sistema, la fuente de señal acústica se puede utilizar para realizar pruebas de micrófono fuera de línea (por ejemplo, con un nivel de 100 dB).

Alimentación y comunicación

Cuando se trata de monitoreo de ruido, uno de los factores más importantes es la energía y la comunicación. Los datos deben transmitirse a servidores remotos en el tipo de medición desatendida. La forma de comunicación más popular es GSM. Ambos modelos SV 307A y SV 200A emplean módems 4G.

En muchos casos, las farolas se utilizan como fuente de energía para NMT. En tal situación, existe la posibilidad de que no haya electricidad durante el día. Como resultado, NMT debería tener al menos 24 horas de duración de la batería. Con el uso de MEMS que tienen un consumo de energía extremadamente bajo, es más fácil y económico cumplir dichos requisitos.

Resistencia a los golpes del micrófono

Los daños a los micrófonos de condensador clásicos debidos a golpes mecánicos son una de las fuentes de mayor coste en las mediciones de ruido. Debido a su construcción, los micrófonos MEMS son extremadamente robustos y pueden soportar golpes de hasta 10000 g (100 000 m/s2).

Capacidad de integración del sistema

El monitoreo de ruido basado en micrófonos MEMS es muy fácil de integrar con otros sistemas de monitoreo ambiental a bajo costo.

Conclusiones

  • Como se demuestra en el artículo, el rendimiento de los micrófonos NMT basados en MEMS y los micrófonos de condensador clásicos es bastante comparable. Como resultado, el uso de micrófonos MEMS en NMT garantiza que parámetros como el rango operativo lineal, la respuesta de frecuencia, la respuesta direccional y el rango operativo de temperatura se ajusten a IEC 61672-1. Se pueden considerar otros factores, como la solidez ambiental, el consumo de energía y el intercambio de datos, al redactar los requisitos de la terminal de monitoreo de ruido.
  • Debido a su diseño de bajo coste y muy buen rendimiento, los sistemas NMT basados en micrófonos MEMS son la elección correcta para la monitorización de ruido multipunto en ciudades inteligentes.

Solicita más información
en el monitor de ruido SV 307A












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