Stacje monitoringu hałasu z mikrofonami MEMS

Artykuł przedstawia i omawia przykład stacji monitoringu hałasu z mikrofonem MEMS spełniającym normę klasy 1 zgodnie z IEC 61672-1. Dynamiczny rozwój mikrofonów MEMS (mikroelektromechanicznych systemów) w ostatniej dekadzie umożliwił ich zastosowanie w urządzeniach do pomiaru hałasu, spełniających wymagania normy IEC 61672-1. Nowoczesne mikrofony MEMS, oferujące dynamikę na poziomie 100 dB oraz poprawioną powtarzalność i stabilność długoterminową, przyczyniły się do rozwoju nowoczesnych stacji monitoringu hałasu. Jednym z takich urządzeń jest stacja Svantek SV 307A, która oferuje liniowy zakres pomiarowy od 30 dBA Leq do 128 dBA Peak, co jest optymalne dla monitorowania hałasu w środowisku miejskim. Niski koszt mikrofonów MEMS umożliwia rozwój innowacyjnych stacji monitoringu hałasu, wyposażonych w funkcje takie jak układ wielomikrofonowy do dynamicznej kontroli systemu.

Stacje monitoringu hałasu z mikrofonami MEMS

Projektowanie stacji monitoringu hałasu opiera się na dwóch normach: IEC 61672-1, dotyczącej zdolności instrumentu do pomiaru poziomów dźwięku, oraz ISO 1996-2, która reguluje zastosowania związane z monitorowaniem hałasu.

Kluczowe cechy stacji monitoringu hałasu, zgodnie z normą IEC 61672-1, obejmują: liniowy zakres operacyjny, charakterystykę częstotliwościową, kierunkową oraz zakres temperatur pracy. Dodatkowe wymagania, istotne dla aplikacji pomiarowych, to długoterminowa stabilność, odporność na warunki środowiskowe, zasilanie oraz komunikacja. Normy ISO 1996-2 wprowadzają dodatkowe kryteria, takie jak GPS, analiza częstotliwościowa oraz monitorowanie warunków pogodowych (wiatr, deszcz, temperatura, wilgotność), które zapewniają kompleksowe możliwości monitorowania.

Co to jest NMT?

Termin „Noise Monitoring Terminal” (NMT) odnosi się do urządzeń służących do automatycznego, ciągłego monitorowania hałasu. NMT mierzy poziomy ciśnienia akustycznego ważonego krzywą A, ich widma oraz wszystkie istotne parametry meteorologiczne, takie jak prędkość i kierunek wiatru, opady deszczu, wilgotność oraz stabilność atmosferyczna (zgodnie z normą ISO 1996-2:2017).

Cechy stacji monitoringu hałasu nowej generacji

Stacje monitoringu hałasu nowej generacji, dzięki zastosowaniu nowoczesnych technologii, takich jak mikrofony MEMS, są znacznie tańsze niż tradycyjne rozwiązania oparte na mikrofonach pojemnościowych. Wynika to z prostszej konstrukcji mikrofonów MEMS oraz braku konieczności stosowania aktuatora elektrostatycznego do kalibracji. Dodatkowo, mikrofony MEMS charakteryzują się wysoką stabilnością długoterminową oraz odpornością na zmienne warunki środowiskowe, co czyni je idealnymi do monitoringu w trudnych warunkach atmosferycznych, od mroźnych zim po gorące i wilgotne lato.

Niska cena mikrofonów MEMS, nie tylko obniża koszty produkcji stacji monitoringu hałasu, ale również redukuje koszty serwisowania i napraw. Dzięki większej odporności mikrofonów na zakłócenia radiowe (RFI) i elektromagnetyczne (EMI), stacje te oferują bardziej niezawodne i precyzyjne wyniki, co sprawia, że są doskonałym wyborem do długoterminowego monitoringu hałasu w środowisku miejskim i przemysłowym.

Co to jest mikrofon MEMS?

Mikrofon MEMS (Micro Electrical Mechanical System) to miniaturowy mikrofon oparty na technologii mikroelektromechanicznych systemów. Składa się z trzech głównych elementów: sensora (mikrofonu), układu ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) oraz obudowy. Sensor i układ ASIC są umieszczone razem w jednej komorze, otoczonej podłożem i pokrywą.

W obudowie mikrofonu znajduje się otwór akustyczny, który umożliwia wejście fal dźwiękowych do wnętrza mikrofonu. Otwór ten, zwany portem akustycznym, jest zazwyczaj umieszczony w podłożu lub pokrywie, bezpośrednio nad komorą MEMS.

Sensor mikrofonu MEMS to spolaryzowany mikrofon pojemnościowy. Składa się z nieruchomej tylnej płytki pokrytej elektrodą oraz ruchomej membrany, która posiada otwory akustyczne. Gdy fala dźwiękowa przechodzi przez te otwory, wprawia membranę w ruch, co powoduje zmianę pojemności między membraną a płytką tylną. Te zmiany pojemności są przekształcane na sygnał elektryczny przez układ ASIC.

Mikrofony MEMS występują w dwóch wersjach: analogowej i cyfrowej. W mikrofonach analogowych układ ASIC zawiera przetwornik impedancji (przedwzmacniacz) oraz pompę ładunkową do generowania napięcia polaryzacji. W mikrofonach cyfrowych układ ASIC dodatkowo zawiera przetwornik A/D sigma-delta, który przetwarza sygnał na format PDM (Pulse Density Modulation). PDM to standardowy format wejściowy dla wielu kodeków na rynku i reprezentuje 1-bitowy strumień danych o wysokiej częstotliwości próbkowania.

Testy elektryczne stacji z mikrofonami MEMS zgodnie z normą IEC 61672-1

Pomimo miniaturowych wymiarów mikrofonów MEMS, nowoczesne technologie umożliwiają przeprowadzenie kalibracji elektrycznej przy użyciu impedancji zastępczej mikrofonu. Dzięki temu możliwe jest spełnienie wymogów normy IEC 61672-1, co zapewnia precyzyjne i niezawodne pomiary w systemach monitoringu hałasu, wykorzystujących mikrofony MEMS.

Rysunek 1. Przykład konstrukcji mikrofonu MEMS.

Rysunek 2. Przetwornik i układ ASIC analogowego mikrofonu MEMS

Rysunek 3. Typowy schemat blokowy mikrofonu analogowego MEMS

Badanie: Porównanie kluczowych specyfikacji dwóch stacji NMT: z mikrofonem MEMS i mikrofonem pojemnościowym

W tej części porównano funkcje stacji NMT opartej na mikrofonie MEMS oraz NMT wykorzystującej mikrofon pojemnościowy. Obie stacje NMT zostały autoryzowane przez Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) do zgodności z normą IEC 61672-1 w 2022 roku. Wydajność obu stacji NMT została porównana na podstawie:

Svantek SV 200A z mikrofonem pojemnościowym MK 255S o przedpolaryzowanym wolnopolowym mikrofonie pojemnościowym ½” o nominalnej czułości 50 mV/Pa
Svantek SV 307A z mikrofonem MEMS ST 30A (w obudowie ½”) o nominalnej czułości 36 mV/Pa

Jak pokazano na rysunku 4, stacja NMT SV 200A wykorzystuje cztery mikrofony MEMS zamontowane na bocznej części obudowy do detekcji kierunkowości hałasu.

Rysunek 4. Svantek SV 307A (po lewej) i Svantek SV 200A (po prawej)

Liniowy zakres pomiarowy zgodny z normą IEC 61672-1

Typowy pomiar hałasu na zewnątrz odbywa się w zakresie od 30 dBA do 125 dBA, co wymaga dynamicznego zakresu wynoszącego 100 dB (zdefiniowanego tutaj jako różnica między ważoną krzywą A wartością tła akustycznego a maksymalnym SPL w granicach tolerancji). Na każdym poziomie pomiarowym i dla określonych częstotliwości, odchylenia poziomów dźwięku mierzone przez stację NMT muszą mieścić się w akceptowalnych granicach zgodnie z normą IEC 61672-1. Porównanie wykazało, że:

liniowy zakres operacyjny stacji NMT SV 200A wynosi: 25 dBA ÷ 133 dBA Peak
liniowy zakres operacyjny stacji NMT SV 307A wynosi: 30 dBA Leq ÷ 128 dBA Peak

Obie stacje spełniają wymagania dotyczące pomiarów hałasu w środowisku pod względem liniowego zakresu operacyjnego.

Odpowiedź częstotliwościowa zgodna z normą IEC 61672-1

Stacje monitoringu hałasu zgodne z normą IEC 61672-1 powinny posiadać określoną charakterystykę częstotliwościową dla dźwięku padającego na mikrofon z jednego głównego kierunku w polu swobodnym akustycznym lub z przypadkowych kierunków.

Obie badane stacje spełniają kryteria odpowiedzi częstotliwościowej dzięki zastosowaniu filtrów kompensacyjnych, które poprawiają charakterystykę częstotliwościową i zapewniają zgodność z normą IEC 61672-1, co ilustrują poniższe wykresy.

Rysunek 5. Pasmo przenoszenia SV 200A NMT z mikrofonem pojemnościowym.

Rysunek 6. Pasmo przenoszenia SV 307A NMT z mikrofonem MEMS.

Odpowiedź kierunkowa zgodna z normą IEC 61672-1

Dla każdej częstotliwości w zakresie pracy stacji NMT, celem projektowym odpowiedzi kierunkowej jest równomierna reakcja na dźwięki dochodzące z wszystkich kierunków. Norma IEC 61672-1 określa akceptowalne granice odchylenia od tych celów projektowych. Dla mierników poziomu dźwięku klasy 1 częstotliwość sygnału dźwiękowego wynosi do 12,5 kHz, a dla mierników klasy 2 – do 8 kHz. Poniższe wykresy porównują odpowiedź kierunkową stacji NMT wyposażonych w mikrofon pojemnościowy oraz mikrofon MEMS, oba zgodne z normą IEC 61672-1.

Rysunek 7. Odpowiedź kierunkowa SV 307A (lewa strona) i SV 200A (po prawej)

Zakres temperatur pracy

Norma IEC 61672-1 definiuje dwa poziomy tolerancji dla pomiarów hałasu na zewnątrz: Klasa 1 i Klasa 2. Zakresy te obejmują temperatury od -10°C do +50°C oraz od 0°C do +40°C, co jest istotne zarówno w przypadku pomiarów hałasu w otoczeniu, jak i monitoringu środowiskowego.

W rzeczywistych pomiarach zakres temperatur pracy stacji NMT powinien wynosić co najmniej od -10°C do +50°C ze względu na duże wahania temperatur przy pomiarach na zewnątrz. W praktyce zalecany jest zakres od -20°C do +60°C.

Zakres temperatur pracy dla:

SV 307A opartego na mikrofonie MEMS: zakres pracy określony od -20°C do +60°C
SV 200A opartego na mikrofonie pojemnościowym: zakres pracy określony od -30°C do +60°C

Stabilność długoterminowa

Stabilność długoterminowa jest kluczowym czynnikiem przy monitoringu hałasu, ponieważ jest to typ pomiaru bezobsługowego. W przypadku długoterminowego monitoringu hałasu, norma ISO 1996-2 odnosi się do normy ISO 20906/Amd1:2013, która zaleca przeprowadzanie akustycznych testów sprawdzających czułość NMT. ISO wymaga instalacji zautomatyzowanego systemu sprawdzającego, który powiadamia, czy system działa prawidłowo, czy może wystąpić usterka.

Stacja SV 200A korzysta z klasycznego systemu sprawdzającego opartego na aktuatorze elektrostatycznym. Jednak używanie tego rozwiązania w pomiarach zewnętrznych bywa kłopotliwe i kosztowne, głównie z powodu wymaganego wysokiego napięcia oraz trudnych warunków środowiskowych.

Mikrofony MEMS nie mogą być testowane za pomocą aktuatorów elektrostatycznych z powodu ich obudowy, jednak ich mały rozmiar pozwala na zaprojektowanie układu wielomikrofonowego wewnątrz obudowy mikrofonu o średnicy ½”.

Korzystając z takiego układu, można ciągle przeprowadzać dynamiczny test systemu, opierając się na rzeczywistym sygnale akustycznym. Koncepcja dynamicznego sprawdzania systemu polega na ciągłym porównywaniu czułości mikrofonu. Dodatkowo można wykorzystać źródło sygnału akustycznego do testów offline mikrofonu (np. przy poziomie 100 dB).

Zasilanie i komunikacja

W monitoringu hałasu jednym z najważniejszych czynników jest zasilanie i komunikacja. Dane muszą być przesyłane do zdalnych serwerów w trybie bezobsługowym. Najpopularniejszą formą komunikacji jest GSM, a oba modele, SV 307A i SV 200A, wykorzystują modemy 4G.

W wielu przypadkach monitoringu hałasu w miastach latarnie uliczne są wykorzystywane jako źródło zasilania dla stacji NMT. W takich sytuacjach istnieje możliwość braku zasilania w ciągu dnia, dlatego NMT powinny mieć baterię o żywotności co najmniej 24 godzin. Dzięki mikrofonom MEMS, które charakteryzują się bardzo niskim zużyciem energii, spełnienie takich wymagań jest łatwiejsze i tańsze.

Odporność mikrofonów na wstrząsy

Uszkodzenia klasycznych mikrofonów pojemnościowych spowodowane wstrząsami mechanicznymi są jednym z największych kosztów w pomiarach hałasu. Ze względu na swoją konstrukcję, mikrofony MEMS są niezwykle odporne i mogą wytrzymać wstrząsy do 10 000 g (100 000 m/s²).

Możliwość integracji systemu

Monitoring hałasu w oparciu o mikrofony MEMS można bardzo łatwo i niewielkim kosztem zintegrować z innymi systemami monitorowania środowiska.

Wnioski

Jak wykazano w artykule, parametry pracy mikrofonów w stacjach NMT opartych na mikrofonach MEMS oraz klasycznych mikrofonach pojemnościowych są porównywalne. W związku z tym zastosowanie mikrofonów MEMS w stacjach NMT zapewnia zgodność z takimi parametrami, jak liniowy zakres pracy, odpowiedź częstotliwościowa, odpowiedź kierunkowa oraz zakres temperatur pracy zgodnie z normą IEC 61672-1. Dodatkowo, przy definiowaniu wymagań dla stacji monitoringu hałasu, warto uwzględnić takie czynniki jak odporność na warunki środowiskowe, zużycie energii oraz wymiana danych.
Ze względu na niski koszt oraz bardzo dobre właściwości, systemy NMT oparte na mikrofonach MEMS są doskonałym wyborem do monitorowania hałasu w wielu punktach, szczególnie w ramach koncepcji Smart Cities.

Poproś o więcej informacji
o stacji monitoringu hałasu SV 307A

Podaj temat zapytania:

Wyrażam zgodę na kontakt przez e-mailCzytaj więcej...

Wyrażam zgodę na przetwarzanie moich danych osobowych w postaci imienia i nazwiska oraz adresu poczty elektronicznej przez SVANTEK Sp. z o.o. z siedzibą w Warszawie, ul. Strzygłowskiej 81 w celu przesyłania mi informacji marketingowych dotyczących produktów i usług oferowanych przez SVANTEK Sp. z o.o. za pomocą środków komunikacji elektronicznej, w szczególności poczty elektronicznej, stosownie do treści przepisu art. 10 ust. 1 i 2 ustawy o świadczeniu usług drogą elektroniczną.

Wyrażam zgodę na kontakt przez telefonCzytaj więcej...

Wyrażam zgodę na przetwarzanie moich danych osobowych w postaci imienia i nazwiska oraz numeru telefonu przez SVANTEK Sp. z o.o. z siedzibą w Warszawie, ul. Strzygłowskiej 81 w celu prowadzenia działań marketingowych przy użyciu telekomunikacyjnych urządzeń końcowych oraz automatycznych systemów wywołujących w rozumieniu ustawy Prawo telekomunikacyjne.

Wyrażam zgodę na otrzymywanie newsletteraCzytaj więcej...

Wyrażam zgodę otrzymywanie od SVANTEK Sp. z o.o. z siedzibą w Warszawie, ul. Strzygłowskiej 81 drogą elektroniczną na wskazany przeze mnie adres e-mail newslettera i innych informacji handlowych, dotyczących produktów i usług oferowanych przez SVANTEK Sp. z o.o. w rozumieniu ustawy o świadczeniu usług drogą elektroniczną.

* Wyrażam zgodę na kontakt autoryzowanego dystrybutora SvantekCzytaj więcej...

Oświadczam, że zostałem poinformowany, że moje dane mogą być przekazywane podmiotom przetwarzającym dane osobowe w imieniu Administratora, w szczególności dystrybutorom – przy czym takie podmioty przetwarzają dane na podstawie umowy z administratorem i wyłącznie zgodnie z jego instrukcjami. W takich przypadkach Administrator wymaga od podmiotów trzecich zachowania poufności i bezpieczeństwa informacji oraz weryfikuje czy zapewniają odpowiednie środki ochrony danych osobowych.

Niektóre spośród podmiotów przetwarzających dane osobowe w imieniu Administratora mają siedzibę poza terytorium EOG. W związku z przekazaniem Twoich danych poza terytorium EOG, Administrator weryfikuje, aby podmioty te dawały gwarancje wysokiego stopnia ochrony danych osobowych. Gwarancje te wynikają w szczególności ze zobowiązania do stosowania standardowych klauzul umownych przyjętych przez Komisję (UE). Masz prawo żądać przekazania kopii standardowych klauzul umownych kierując zapytanie do Administratora.

Oświadczam, iż zostałem poinformowany, że przysługuje mi prawo cofnięcia wyrażonej zgody na przetwarzanie moich danych osobowych w każdym czasie oraz prawo dostępu do podanych danych osobowych, a także prawo do ich sprostowania, usunięcia, ograniczenia przetwarzania oraz wniesienia sprzeciwu wobec przetwarzania danych, jak też wniesienia skargi do Prezesa Urzędu Ochrony Danych Osobowych, w przypadku naruszeń przepisów RODO.

Nasz profesjonalny konsultant pomoże Ci w ustaleniu wszelkich szczegółów, takich jak prawidłowy dobór sprzętu, wymagane akcesoria oraz opcje dodatkowe.

Stacje monitoringu hałasu z mikrofonami MEMS