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Desenvolvimento de terminais de monitoramento de ruído de baixo custo (NMT) Baseado em microfones MEMS

O artigo mostra e discute um exemplo de NMTs com microfone MEMS atendendo à classe 1 da IEC 61672-1.

O rápido desenvolvimento de microfones MEMS (sistemas microeletromecânicos) na última década tornou possível utilizá-los em instrumentação de medição de ruído que atende à especificação IEC 61672-1. Quinze anos atrás, os microfones MEMS disponíveis ofereciam apenas uma faixa dinâmica de 60 dB, enquanto os microfones MEMS modernos oferecem uma dinâmica de 100 dB. Uma faixa dinâmica tão ampla de microfones MEMS, juntamente com sua repetibilidade aprimorada e estabilidade de longo prazo, permitiram o desenvolvimento de terminais de monitoramento de ruído de baixo custo para monitoramento de ruído. Em particular, um desses NMTs (Svantek SV 307A) oferece uma faixa de medição linear de 30 dBA Leq÷ 128 dBA Peak, o que prova ser ideal para aplicações de monitoramento de ruído urbano.

O baixo custo dos microfones MEMS permite o desenvolvimento de projetos inovadores para terminais de monitoramento de ruído de baixo custo com recursos como um arranjo de múltiplos microfones para uma verificação dinâmica do sistema.

Terminais de monitoramento de ruído com microfones Mems

Como não existe uma padronização específica para terminais de monitoramento de ruído, os dois padrões usados para construir terminais de monitoramento de ruído são IEC 61672-1 sobre a capacidade do instrumento de medir níveis sonoros e ISO 1996-2 para aplicação de monitoramento de ruído.

A seguir estão as características NMT essenciais definidas pela IEC 61672-1 que foram mencionadas neste artigo: faixa operacional linear, resposta de frequência, características direcionais e faixa operacional de temperatura. Mais requisitos estão associados à aplicação de medição, incluindo estabilidade a longo prazo, robustez ambiental, alimentação e comunicação. A ISO 1996-2 possui critérios adicionais, como GPS, análise de frequência e monitoramento de condições climáticas (vento, chuva, temperatura, umidade), que não são abordados neste artigo.

noise monitoring terminal

O que é um NMT?

O termo “Terminal de Monitoramento de Ruído” (NMT) refere-se à instrumentação usada para monitoramento contínuo automatizado de ruído que monitora os níveis de pressão sonora ponderados A, seus espectros e todas as grandezas meteorológicas relevantes, como velocidade do vento, direção do vento, chuva, umidade, atmosférica estabilidade (ref. ISO 1996-2:2017).

Desenvolvimento de Terminais de Monitoramento de Ruído de baixo custo

Os terminais de monitoramento de ruído que atendem às especificações ISO e IEC são dispositivos bastante caros. Os microfones condensadores, que devem atender a requisitos adicionais para verificações de calibração com o atuador eletrostático, são uma das razões do seu alto custo. A preocupação que também deve ser abordada ao selecionar um microfone é a sua durabilidade ao longo do tempo. Depois, há estabilidade a longo prazo e durabilidade ambiental, que são fatores importantes na seleção de microfones nas faixas de preços mais altas.

O aparecimento dos microfones MEMS quebrou a barreira do preço, pois, em média, um microfone MEMS custa menos de 5 euros. Além da economia de custos do NMT, os preços dos serviços de reparo também caíram.

O uso de microfones MEMS se expandiu devido ao seu design versátil, maior imunidade à interferência de radiofrequência (RFI) e interferência eletromagnética (EMI), baixo custo e resiliência ambiental. Esta resiliência a condições ambientais variadas é particularmente importante para aplicações de monitoramento acústico de longo prazo nos rigorosos invernos abaixo de zero e nos verões quentes e úmidos.

Índice

O que é um microfone MEMS?

Os microfones MEMS (Micro Electrical Mechanical System) consistem em três partes principais: SENSOR (microfone), ASIC e pacote. O SENSOR e o ASIC são embalados juntos em uma cavidade cercada por um substrato e uma tampa.

Uma entrada de som (porta acústica) está presente no substrato ou na tampa e, na maioria das vezes, posicionada diretamente na cavidade do MEMS.

O SENSOR mostrado na Figura 1 é um microfone condensador polarizado miniaturizado com polaridade típica de 50V. Uma superfície, chamada placa traseira, é fixada e coberta por um eletrodo. A outra superfície, sendo o diafragma, é móvel e possui muitos furos, ou seja, furos acústicos.

Uma onda sonora que passa pelos orifícios acústicos da placa traseira colocará o diafragma em movimento, criando uma mudança de capacitância entre as duas superfícies correspondentes. Isso é convertido em um sinal elétrico pelo Circuito Integrado de Aplicação Específica (ASIC).

Existem dois tipos de microfones MEMS: analógicos e digitais. No tipo analógico, um ASIC contém um conversor de impedância (pré-amplificador) e uma bomba de carga para gerar uma tensão de polarização. O ASIC do microfone digital inclui adicionalmente um conversor A/D sigma-delta com saída PDM. O formato PDM é uma entrada padrão para a maioria dos Codecs disponíveis no mercado (um formato PDM modulado por densidade de pulso é um fluxo de dados de alta taxa de amostragem de 1 bit).

Teste elétrico de NMT com MEMS de acordo com IEC 61672-1

A IEC 61672-1 exige o fornecimento de um equivalente elétrico do microfone para testes elétricos. No caso dos microfones MEMS, é uma tarefa desafiadora, mas possível.

example of mems microphone construction

Figura 1. Exemplo de construção de microfone MEMS.

Figura 2. Transdutor e ASIC de um microfone MEMS analógico

Typical analog MEMS microphone block diagram

Figura 3. Diagrama de blocos típico de microfone MEMS analógico

Estudo: comparação das principais especificações de dois Nmts: baseado em Mems e baseado em microfone condensador

Nesta seção, comparamos os recursos de um NTM baseado em MEMS com os de um NMT baseado em um microfone condensador. Ambos os NMTs foram autorizados pelo Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) para conformidade com IEC 61672-1 em 2022. O desempenho de dois NMTs foi comparado:

  • Svantek SV 200A baseado em um microfone condensador de ½” de campo livre pré-polarizado MK 255S com sensibilidade nominal de 50 mV/Pa
  • Svantek SV 307A baseado em microfone MEMS ST 30A (caixa de ½”) com sensibilidade nominal de 36 mV/Pa

Conforme mostrado na Figura 4, o SV 200A NMT usa quatro microfones MEMS montados em uma lateral da caixa para detectar a diretividade do ruído.

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

Figura 4. Svantek SV 307A (esquerda) e Svantek SV 200A (direita)

Faixa operacional linear seguindo IEC 61672-1

A medição típica de ruído externo é realizada na faixa entre 30 dBA e 125 dBA, o que requer a faixa dinâmica de 100 dB (definida aqui como a diferença entre o nível de ruído ponderado A e o SPL máximo dentro da tolerância).

O primeiro tipo de microfones MEMS (2008) tinha uma faixa dinâmica limitada, que era de aproximadamente 60 dB. A segunda geração de microfones MEMS (2018) oferece faixa dinâmica de 100 dB, permitindo sua utilização em medições de ruído no ambiente.

Em qualquer faixa de nível e na frequência indicada, os desvios dos níveis sonoros medidos por um NMT precisam estar dentro da aceitação da IEC 61672-1. A comparação mostra que:

  • a faixa operacional linear do NMT SV 200A é: 25 dBA ÷ 133 dBA de pico
  • a faixa operacional linear do NMT SV 307A é 30 dBA Leq ÷128 dBA Peak.

As especificações para medições de ruído ambiental são atendidas em ambos os casos pela faixa operacional linear.

Resposta de frequência seguindo IEC 61672-1

Os terminais de monitoramento de ruído em conformidade com a IEC 61672-1 devem ter uma resposta de frequência especificada para o som incidente no microfone de uma direção principal em um campo acústico livre ou em direções aleatórias.

Ambos os terminais atendem aos critérios de resposta em frequência graças aos filtros de compensação, que melhoram as características de frequência e atendem à norma IEC 61672-1, conforme mostrado nas figuras abaixo.

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

Figura 5. Resposta de frequência do SV 200A NMT com microfone condensador.

Frequency response of SV 307A NMT with MEMS microphone

Figura 6. Resposta de frequência do SV 307A NMT com microfone MEMS.

Resposta direcional seguindo IEC 61672-1

Para qualquer frequência na faixa de NMT, o objetivo do projeto de resposta direcional é uma resposta igual aos sons de todas as direções de incidência sonora. A IEC 61672-1 fornece limites de aceitação para desvios dos objetivos do projeto. Para medidores de nível sonoro de classe 1, a frequência do sinal sonoro é especificada em até 12,5 kHz e para medidores de nível sonoro de classe 2 até 8 kHz. As figuras abaixo comparam a resposta direcional do NMT com um microfone condensador e um microfone MEMS, ambos atendendo à especificação IEC 61672-1.

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

Figura 7. Resposta direcional do SV 307A (lado esquerdo) e SV 200A (direita)

Faixa operacional de temperatura

A IEC 61672-1 define dois níveis de tolerância para ruído externo: Classe 1 e Classe 2. Essas faixas regem a faixa de temperatura de -10°C a +50°C, bem como de 0°C a +40°C. São fatores significativos quando se trata de medições de ruído ambiente e monitoramento de ruído ambiental, respectivamente.

Em medições reais, pelo menos a faixa de temperatura para NMT não deve ser inferior a

(-10°C) a +50°C, o que se deve às grandes flutuações nas temperaturas quando se mede no exterior. Na prática, a faixa de temperatura operacional de -20°C a +60°C deve ser fornecida.

A faixa operacional de temperatura de:

  • SV 307A baseado em MEMS: a faixa de operação é especificada de (-20 °C) a +60 °C
  • SV 200A baseado em microfone condensador: é especificado de (−30 °C) a 60 °C

Estabilidade de longa duração

A estabilidade a longo prazo é uma consideração crucial quando se considera o NMT, uma vez que o monitoramento de ruído é um tipo de medição autônomo. No caso de monitorização de ruído a longo prazo, a norma ISO 1996-2 refere-se à verificação acústica ISO 20906/Amd1:2013 para verificação da sensibilidade NMT. A ISO exige a instalação de uma verificação automatizada do sistema que notificará se o sistema está funcionando corretamente ou se está potencialmente defeituoso.

O SV 200A utiliza uma verificação de sistema clássica baseada em um atuador eletrostático. No entanto, o uso de um atuador eletrostático em medições externas é problemático e caro, principalmente devido à alta tensão necessária e às condições ambientais.

Os microfones MEMS não podem ser testados com atuadores eletrostáticos por causa do invólucro, mas o tamanho pequeno torna viável projetar um conjunto de múltiplos microfones dentro de um invólucro de microfone de ½”.

Usando tal arranjo, pode-se fazer uma verificação dinâmica do sistema continuamente com base no sinal acústico real medido. O conceito de verificação dinâmica do sistema utiliza uma comparação contínua da sensibilidade do microfone. Além da verificação dinâmica do sistema, a fonte do sinal acústico pode ser usada para testes de microfone offline (por exemplo, com um nível de 100 dB).

Alimentação e comunicação

Quando se trata de monitoramento de ruído, um dos fatores mais importantes é a energia e a comunicação. Os dados devem ser transmitidos para servidores remotos no tipo de medição autônoma. A forma de comunicação mais popular é o GSM. Ambos os modelos SV 307A e SV 200A utilizam modems 4G.

Em muitos casos, as luzes da rua são usadas como fonte de energia para NMT. Em tal situação, existe a possibilidade de não haver eletricidade durante o dia. Como resultado, o NMT deve ter pelo menos 24 horas de duração da bateria. Com a utilização de MEMS que possuem baixíssimo consumo de energia, fica mais fácil e barato atender a tais requisitos.

Resistência ao choque do microfone

Os danos aos microfones condensadores clássicos devido a choques mecânicos são uma das fontes de maior custo em medições de ruído. Devido à sua construção, os microfones MEMS são extremamente robustos e podem suportar choques de até 10.000 g (100.000 m/s2).

Capacidade de integração de sistemas

O monitoramento de ruído baseado em microfones MEMS é muito fácil de integrar com outros sistemas de monitoramento ambiental e com baixo custo.

Conclusões

  • Conforme demonstrado no artigo, o desempenho dos microfones NMT baseados em MEMS e dos microfones condensadores clássicos é bastante comparável. Como resultado, o uso de microfones MEMS em NMT garante que parâmetros como faixa operacional linear, resposta de frequência, resposta direcional e faixa operacional de temperatura estejam em conformidade com a IEC 61672-1. Outros fatores, robustez ambiental, consumo de energia e troca de dados podem ser considerados durante a elaboração dos requisitos do Terminal de Monitoramento de Ruído.
  • Devido ao design, baixo custo e muito bom desempenho, os sistemas NMT baseados em microfones MEMS são a escolha certa para monitoramento de ruído multiponto em cidades inteligentes.

Solicite mais informações
no monitor de ruído SV 307A












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