Sviluppo di terminali di monitoraggio del rumore a basso costo (NMT)
Basato su microfoni MEMS

L’articolo mostra e discute un esempio di NMT con microfono MEMS conforme alla classe 1 della norma IEC 61672-1.

Il rapido sviluppo dei microfoni MEMS (sistemi micro-elettro-meccanici) negli ultimi dieci anni ha reso possibile il loro utilizzo nella strumentazione di misurazione del rumore conforme alla specifica IEC 61672-1. Quindici anni fa, i microfoni MEMS disponibili offrivano solo una gamma dinamica di 60 dB, mentre i moderni microfoni MEMS offrono una dinamica di 100 dB. Una gamma dinamica così ampia di microfoni MEMS, insieme alla loro migliore ripetibilità e stabilità a lungo termine, ha consentito lo sviluppo di terminali di monitoraggio del rumore a basso costo per il monitoraggio del rumore. In particolare uno di questi NMT (Svantek SV 307A) offre il range di misura lineare di 30 dBA Leq÷ 128 dBA Peak che risulta essere ottimale per applicazioni di monitoraggio del rumore urbano.

Il basso costo dei microfoni MEMS consente lo sviluppo di progetti innovativi per terminali di monitoraggio del rumore a basso costo con caratteristiche come una disposizione multi-microfono per un controllo dinamico del sistema.

Terminali per il monitoraggio del rumore con microfoni Mems

Poiché non esiste una standardizzazione specifica per i terminali di monitoraggio del rumore, i due standard utilizzati per costruire terminali di monitoraggio del rumore sono IEC 61672-1 sulla capacità dello strumento di misurare i livelli sonori e ISO 1996-2 per le applicazioni di monitoraggio del rumore.

Di seguito sono riportate le caratteristiche NMT essenziali definite dalla norma IEC 61672-1 menzionate in questo articolo: intervallo operativo lineare, risposta in frequenza, caratteristiche direzionali e intervallo operativo della temperatura. All’applicazione di misurazione sono associati più requisiti, tra cui stabilità a lungo termine, robustezza ambientale, alimentazione e comunicazione. La norma ISO 1996-2 prevede criteri aggiuntivi, come GPS, analisi della frequenza e monitoraggio delle condizioni meteorologiche (vento, pioggia, temperatura, umidità), che non sono trattati in questo articolo.

Cos'è un NMT?

Il termine “Terminale di monitoraggio del rumore” (NMT) si riferisce alla strumentazione utilizzata per il monitoraggio automatico continuo del rumore che monitora i livelli di pressione sonora ponderati A, i loro spettri e tutte le grandezze meteorologiche rilevanti come velocità del vento, direzione del vento, pioggia, umidità, atmosfera stabilità (rif. ISO 1996-2:2017).

Sviluppo di Terminali di Monitoraggio del Rumore a basso costo

I terminali di monitoraggio del rumore che soddisfano le specifiche ISO e IEC sono dispositivi piuttosto costosi. I microfoni a condensatore, che devono soddisfare requisiti aggiuntivi per i controlli di calibrazione con l’attuatore elettrostatico, sono uno dei motivi del loro costo elevato. La preoccupazione che deve essere affrontata anche quando si sceglie un microfono è quanto bene durerà nel tempo. Poi c’è la stabilità a lungo termine e la durabilità ambientale, che sono fattori importanti nella scelta dei microfoni nella fascia di prezzo più alta.

La comparsa dei microfoni MEMS ha infranto la barriera dei prezzi in quanto, in media, un microfono MEMS costa meno di 5 euro. Oltre al risparmio sui costi NMT, anche i prezzi dei servizi di riparazione sono diminuiti.

L’uso dei microfoni MEMS si è ampliato grazie al loro design versatile, alla maggiore immunità alle interferenze in radiofrequenza (RFI) e alle interferenze elettromagnetiche (EMI), al basso costo e alla resilienza ambientale. Questa resilienza alle mutevoli condizioni ambientali è particolarmente importante per le applicazioni di monitoraggio acustico a lungo termine nei rigidi inverni sotto zero e nelle estati calde e umide.

Cos'è un microfono MEMS?

I microfoni MEMS (Micro Electrical Mechanical System) sono costituiti da tre parti principali: SENSORE (microfono), ASIC e pacchetto. Il SENSORE e l’ASIC sono confezionati insieme in una cavità circondata da un substrato e da un coperchio.

Un ingresso del suono (porta acustica) è presente nel substrato o nel coperchio e, nella maggior parte dei casi, posizionato direttamente nella cavità MEMS.

Il SENSORE mostrato in Figura 1 è un microfono a condensatore polarizzato miniaturizzato con una polarità tipica di 50V. Una superficie, chiamata piastra posteriore, è fissa e coperta da un elettrodo. L’altra superficie, che è il diaframma, è mobile e presenta numerosi fori, cioè fori acustici.

Un’onda sonora che passa attraverso i fori acustici della piastra posteriore metterà in movimento il diaframma, creando uno scambio di capacità tra le due superfici corrispondenti. Questo viene convertito in un segnale elettrico dal circuito integrato specifico per l’applicazione (ASIC).

Esistono due tipi di microfoni MEMS: analogici e digitali. Nel tipo analogico, un ASIC contiene un convertitore di impedenza (preamplificatore) e una pompa di carica per generare una tensione di polarizzazione. L’ASIC del microfono digitale include inoltre un convertitore A/D sigma-delta con uscita PDM. Il formato PDM è un input standard per la maggior parte dei codec disponibili sul mercato (un formato PDM modulato a densità di impulsi è un flusso di dati ad alta frequenza di campionamento a 1 bit).

In questo articolo discuteremo dell’NMT utilizzando un microfono MEMS con uscita analogica.

Test elettrico di NMT con MEMS secondo IEC 61672-1

La norma IEC 61672-1 richiede di fornire un equivalente elettrico del microfono per i test elettrici. Nel caso dei microfoni MEMS si tratta di un compito impegnativo, ma possibile.

Figura 1. Esempio di costruzione di un microfono MEMS.

Figura 2. Trasduttore e ASIC di un microfono MEMS analogico

Figura 3. Schema a blocchi tipico di un microfono MEMS analogico

Studio: confronto delle specifiche chiave di due Nmts: basato su Mems e basato su microfono a condensatore

In questa sezione confrontiamo le caratteristiche di un NTM basato su MEMS con quelle di un NMT basato su un microfono a condensatore. Entrambi gli NMT sono stati autorizzati dal Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) per la conformità alla norma IEC 61672-1 nel 2022. Le prestazioni di due NMT sono state confrontate:

Svantek SV 200A basato su un microfono a condensatore da ½” prepolarizzato per campo libero MK 255S con una sensibilità nominale di 50 mV/Pa
Svantek SV 307A basato su microfono MEMS ST 30A (alloggiamento da ½”) con una sensibilità nominale di 36 mV/Pa

Come mostrato nella Figura 4, l’SV 200A NMT utilizza quattro microfoni MEMS montati su un lato dell’alloggiamento per rilevare la direttività del rumore.

Figura 4. Svantek SV 307A (a sinistra) e Svantek SV 200A (a destra)

Campo operativo lineare secondo IEC 61672-1

La tipica misurazione del rumore esterno viene condotta nell’intervallo compreso tra 30 dBA e 125 dBA, che richiede un intervallo dinamico di 100 dB (qui definito come la differenza tra il rumore di fondo ponderato A e l’SPL massimo entro la tolleranza).

Il primo tipo di microfoni MEMS (2008) aveva una gamma dinamica limitata, pari a circa 60 dB. La seconda generazione di microfoni MEMS (2018) ha offerto una gamma dinamica di 100 dB, consentendone l’utilizzo nelle misurazioni del rumore ambientale.

Su qualsiasi intervallo di livello e alla frequenza indicata, le deviazioni dei livelli sonori misurati da un NMT devono rientrare nell’accettazione della norma IEC 61672-1. Dal confronto emerge che:

il range operativo lineare di NMT SV 200A è: 25 dBA ÷ 133 dBA Peak
il range operativo lineare di NMT SV 307A è 30 dBA Leq ÷128 dBA Peak.

Le specifiche per le misurazioni del rumore ambientale sono soddisfatte in entrambi i casi dal campo di funzionamento lineare.

Risposta in frequenza secondo IEC 61672-1

I terminali per il monitoraggio del rumore conformi alla norma IEC 61672-1 devono avere una risposta in frequenza specifica per il suono incidente sul microfono da una direzione principale in un campo acustico libero o da direzioni casuali.

Entrambi i terminali soddisfano i criteri di risposta in frequenza grazie ai filtri di compensazione, che migliorano le caratteristiche di frequenza e soddisfano lo standard IEC 61672-1, come mostrato nelle figure seguenti.

Figura 5. Risposta in frequenza dell’SV 200A NMT con un microfono a condensatore.

Figura 6. Risposta in frequenza dell’SV 307A NMT con microfono MEMS.

Risposta direzionale secondo IEC 61672-1

Per qualsiasi frequenza nella gamma NMT, l’obiettivo di progettazione della risposta direzionale è una risposta uguale ai suoni provenienti da tutte le direzioni di incidenza del suono. La norma IEC 61672-1 fornisce limiti di accettazione per le deviazioni dagli obiettivi di progettazione. Per i fonometri di classe 1 la frequenza del segnale sonoro è specificata fino a 12,5 kHz e per i fonometri di classe 2 fino a 8 kHz. Le figure seguenti confrontano la risposta direzionale dell’NMT con un microfono a condensatore e un microfono MEMS, entrambi conformi alla specifica IEC 61672-1.

Figura 7. Risposta direzionale dell’SV 307A (lato sinistro) e dell’SV 200A (destra)

Intervallo di temperatura operativa

La norma IEC 61672-1 definisce due livelli di tolleranza per il rumore esterno: Classe 1 e Classe 2. Questi intervalli regolano l’intervallo di temperatura da -10°C a +50°C, nonché da 0°C a +40°C. Sono fattori significativi quando si tratta rispettivamente di misurazioni del rumore ambientale e di monitoraggio del rumore ambientale.

Nelle misurazioni reali almeno l’intervallo di temperatura per NMT non dovrebbe essere inferiore a

(-10°C) a +50°C, a causa delle ampie fluttuazioni della temperatura durante le misurazioni all’esterno. In pratica, dovrebbe essere previsto un intervallo di temperatura operativa compreso tra -20°C e +60°C.

L’intervallo di temperatura operativa di:

SV 307A basato su MEMS: il campo operativo è specificato da (−20 °C) a +60 °C
SV 200A basato su microfono a condensatore: specificato da (−30 °C) a 60 °C

Stabilità a lungo termine

La stabilità a lungo termine è una considerazione cruciale quando si considera l’NMT poiché il monitoraggio del rumore è un tipo di misurazione non presidiata. Nel caso del monitoraggio del rumore a lungo termine, la norma ISO 1996-2 fa riferimento al controllo acustico ISO 20906/Amd1:2013 per la verifica della sensibilità NMT. L’ISO richiede l’installazione di un controllo automatico del sistema che notificherà se il sistema funziona correttamente o è potenzialmente difettoso.

L’SV 200A utilizza un classico controllo del sistema basato su un attuatore elettrostatico. Tuttavia, l’uso di un attuatore elettrostatico nelle misurazioni esterne è problematico e costoso, principalmente a causa dell’alta tensione richiesta e delle condizioni ambientali.

I microfoni MEMS non possono essere testati con attuatori elettrostatici a causa dell’alloggiamento, ma le dimensioni ridotte rendono possibile progettare un array multimicrofono all’interno di un alloggiamento per microfono da ½ pollice.

Utilizzando tale array è possibile effettuare un controllo dinamico del sistema continuo basato sul segnale acustico reale misurato. Il concetto di controllo dinamico del sistema utilizza un confronto continuo della sensibilità del microfono. Oltre al controllo dinamico del sistema, la sorgente del segnale acustico può essere utilizzata per il test del microfono offline (ad esempio con un livello di 100 dB).

Alimentazione e comunicazione

Quando si tratta di monitoraggio del rumore, uno dei fattori più importanti è la potenza e la comunicazione. I dati devono essere trasmessi a server remoti nel tipo di misurazione non presidiata. La forma di comunicazione più popolare è il GSM. Entrambi i modelli SV 307A e SV 200A utilizzano modem 4G.

In molti casi, i lampioni vengono utilizzati come fonte di energia per NMT. In una situazione del genere, è possibile che durante le ore del giorno manchi elettricità. Di conseguenza, NMT dovrebbe avere almeno 24 ore di durata della batteria. Con l’uso di MEMS che hanno un consumo energetico estremamente basso, è più facile ed economico soddisfare tali requisiti.

Resistenza agli urti del microfono

I danni ai microfoni a condensatore classici dovuti a shock meccanici sono una delle fonti di costo più elevate nelle misurazioni del rumore. Grazie alla loro costruzione, i microfoni MEMS sono estremamente robusti e possono resistere a urti fino a 10.000 g (100.000 m/s2).

Capacità di integrazione del sistema

Il monitoraggio del rumore basato sui microfoni MEMS è molto facile da integrare con altri sistemi di monitoraggio ambientale a basso costo.

Conclusioni

Come dimostrato nell’articolo, le prestazioni dei microfoni NMT basati su MEMS e dei classici microfoni a condensatore sono abbastanza comparabili. Di conseguenza, l’uso dei microfoni MEMS nella NMT garantisce che parametri quali il range operativo lineare, la risposta in frequenza, la risposta direzionale e il range operativo della temperatura siano conformi allo standard IEC 61672-1. Altri fattori, robustezza ambientale, consumo energetico e scambio di dati, possono essere presi in considerazione durante la stesura dei requisiti del terminale di monitoraggio del rumore.
Grazie al design a basso costo e alle ottime prestazioni, i sistemi NMT basati su microfoni MEMS sono la scelta giusta per il monitoraggio del rumore multipunto nelle Smart Cities.

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