Projeto e Construção de um Decibelímetro (COL0110)

Este artigo tem por objetivo descrever o projeto e a construção de um dispositivo capaz de realizar medições de nível de pressão sonora -um decibelímetro -tendo em vista um baixo custo de implementação e razoável nível de acurácia. O sistema é formado por um conjunto de microfones, um circuito para condicionamento do sinal captado, e um microcontrolador.

Após a captação, condicionamento e processamento do sinal de áudio, o resultado da mediçao é mostrado em um visor. Após a construção do instrumento foram realizados testes a fim de analisar seu funcionamento.

 

TRABALHO DOS AUTORES:

Ethar Teixeira

João Cardoso

Guillermo Sartori

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL

Engenharia de Controle e Automação -Porto Alegre -2015/2

 

INTRODUÇÃO

A poluição sonora é um problema recorrente nas grandes cidades e pólos industriais, sendo uma preocupação na área da saúde. Sua origem, no caso das fábricas, se dá principalmente com a vibração das máquinas, enquanto que no caso das cidades, os principais responsáveis são a alta densidade de veículos automotores além de outras fontes com alta potência sonora, como por exemplo casas noturnas.

Observou-se nos últimos anos uma crescente evolução na regulamentação dos limites de poluição sonora. Hoje a legislação brasileira possui termos que regulam e possibilitam a fiscalização de diferentes limites de intensidade sonora para casos específicos. Tratando-se especificamente da legislação que vigora na cidade de Porto Alegre, podemos citar o decreto número 8185 [1] que determina, por exemplo, que o nível máximo de pressão sonora ou ruído permitido no horário diurno em territórios residenciais é 55dB-A (o síbolo ’A’ se refere à curva de ponderação utilizada, a qual será tratada nas próximas seções). Tendo em vista este contexto, fica claro a necessidade de um instrumento de medição de pressão sonora que tenha alta confiabilidade e torne possível uma correta fiscalização.

Na área de planejamento acústico, o decibelímetro é a principal ferramenta para o mapeamento de níveis de pressão sonora. Os profissionais desta área realizam projetos com o intuito de isolar ambientes e manter controlada a intensidade sonora, sendo a fonte de áudio interna ou externa. Alguns exemplos de projetos neste meio são os estúdios de gravação, casas noturnas, teatros, indústrias, entre outros.

O decibelímetro é um dispositivo capaz de medir o nível de pressão sonora (NPS), que é a intensidade relativa da pressão instantânea do ar na presença de ondas sonoras comparada a uma intensidade de referência. Esta medida é apresentada em escala logarítmica de decibéis(dB), a qual representa uma relação entre duas grandezas do mesmo tipo.

A Tabela I mostra alguns exemplos de fontes sonoras e seus respectivos valores aproximados de níveis de pressão sonora.

 

Tabela I: Valores aproximados de nível de pressão sonora

Fonte: http://www.areaseg.com/acustica/ (2015)

FONTE SONORA SPL(dB)
Avião a jato 150
Show de Rock’n’Roll 120
Tráfego urbano 90
Aspirador de pó grande 80
Conversação normal 60
Sala silenciosa durante a noite 40

 

Este trabalho se propõe a projetar e implementar um decibelímetro com materiais de baixo custo e que são encontrados facilmente em estabelecimentos comerciais. O instrumento será capaz de medir o nível de pressão sonora em ambientes fechados com certo nível de incerteza (para uma determinada faixa de operação), cuja grandeza espera-se ser razoável em comparação com decibelímetros comerciais genéricos.

 

METODOLOGIA

O projeto de um decibelímetro implica em uma série de análises que devem ser realizadas a fim de definir as características de operação desejadas para o instrumento. Algumas das questões importantes a serem levadas em consideração são as faixas de amplitude e frequência dos sinais que deseja-se captar, as quais serão discutidas em mais detalhes nas próximas seções.

Os decibelímetros digitais disponíveis comercialmente são formados, basicamente, por um microfone, um circuito de amplificação, um circuito equalizador, e um sistema microprocessado conectado a uma interface para usuário que permite algumas opções de configuração manual e possui um visor que mostra o nível de pressão sonora em decibéis. Tendo em vista esta estrutura básica, entre outros critérios, decidiu-se subdividir o projeto do decibelímetro em três problemas: o microfone (ou o arranjo de microfones), o circuito analógico de condicionamento de sinal e o microcontrolador juntamente com seu firmware.

 

A. Arranjo de Microfones

Os microfones de eletreto são transdutores de pressão sonora, compostos por um sensor que utiliza uma membrana leve e uma placa fixa que atuam como faces opostas de um capacitor. A pressão sonora aplicada contra essa película de polímero faz com que ela se mova, alterando sua capacitância.

Esse sensor capacitivo é ligado à base de um transistor FET e ambos são instalados em uma cápsula metálica. Quando polarizados adequadamente, os microfones de eletreto geram sinais elétricos que podem representar de forma aproximada a varição da pressão sonora aplicada na superfície da cápsula em que se encontra o sensor (face do microfone).

A Figura 1 mostra, à direita, dois microfones de eletreto genéricos e, à esquerda, uma representação do circuito interno contido em sua capsula:

 

 

Figura 1: Imagem de microfones de eletreto genéricos e representação do circuito interno.
Figura 1: Imagem de microfones de eletreto genéricos e representação do circuito interno.

 

 

Uma forma de realizar a captação simultânea de sinais de um conjunto de microfones é aplicar uma polarização simétrica e conectá-los em paralelo. O resultado é um sinal que representa a superposição dos efeitos da pressão sonora aplicada simultaneamente nas faces dos microfones. Circuitos como este são conhecidos como misturadores de sinais ou mixers, e são comunmente utilizados em aplicações de captação de sinais de áudio.

Existem outros métodos de acoplar microfones, alguns deles com ótimos resultados, que requerem, porém, alta capacidade de processamento. Um exemplo seria realizar uma conversão A/D para cada um dos sinais dos microfones separadamente, então realizar uma comparação através de um modelo matemático para gerar o sinal resultante dos quatro microfones, a qual poderia gerar uma resposta fiel da posição da fonte sonora. Por razões que serão citadas mais adiante, não foi este o método escolhido para se resolver o problema deste projeto.

O instrumento descrito neste trabalho será composto por um conjunto de quatro microfones de eletreto da marca CUI, modelo CMA-4544PF-W, os quais são bastante populares, comumente utilizados em aplicações de captação de som por equipamentos digitais. Segundo as especificações técnicas do fabricante [2] os microfones são onidirecionais, e operam sem distorções significantes numa faixa de 20Hz a 20KHz -que é aproximadamente a faixa de frequência audível pelo ser humano.

Os microfones de eletreto serão fixados em uma estrutura mecânica formando um arranjo de elementos instalados em direções opostas uns dos outros, na tentativa de obter uma captação simultânea de sinais provenientes de difentes direções.

A conexão dos microfones com o circuito de condicionamento será realizada através de cabos blindados do tipo par trançado.

 

B. Circuito de Condicionamento

O circuito de condicionamento tem como função manipular o sinal resultante do arranjo de microfones, o qual deve ser amplificado, a fim de ajustar a senbibilidade do instrumento, e filtrado a fim de compensar a resposta em frequência o sinal.

O ouvido humano apresenta comportamento diferenciado de acordo com a faixa de nível de pressão sonora. A variação deste comportamento pode ser representado por diferentes curvas de resposta em frequências para diferentes níveis de pressão sonora, as quais são chamadas de curvas isofônicas.

A Figura 2 mostra curvas isofônicas típicas para diferentes niveis de pressão sonora:

 

 

Figura 2: Curvas isofônicas - Fonte: www.sistemasynkro.com (2015)
Figura 2: Curvas isofônicas - Fonte: www.sistemasynkro.com (2015)

 

 

 

As curvas isofônicas demonstram que sinais com frequências entre 1kHz e 5kHz são mais facilmente captados pelo ouvido humano, enquanto que sinais com frequências fora destes limites são atenuados de forma mais significante. No entanto, com o aumento do nível de pressão sonora as curvas isofônicas apresentam menores valores de atenuação, diminuindo a diferença de resposta entre sinais de audio graves, médios e agudos.

As curvas de ponderação, por sua vez, fazem o papel de equalizar, ou filtrar a resposta em frequência do sinal de audio para que haja, assim, uma adequação dos resultados da medição em relação à resposta do ouvido humano. As curvas mais comumente utilizadas nos instrumentos de medição comerciais são as chamadas curvas "A"e "C", sendo a primeira uma representação mais fiel de sinais de intensidade mediana -a qual foi escolhida para ser utilizada neste projeto -enquanto que a segunda representa melhor sinais de alta intensidade, normalmente acima de 90dB.

A Figura 3 mostra as curvas de ponderação "A"e "c".

 

 

 

Figura 3: Curvas de ponderação do tipo A e C  - Fonte: www.prof2000.pt/users/eta (2015)
Figura 3: Curvas de ponderação do tipo A e C - Fonte: www.prof2000.pt/users/eta (2015)

 

 

 

Uma questão essencial para a correta captação de sinal dos microfones é a forma com que estes são polarizados. É de fundamental importância que a fonte de alimentação seja estável, por isso decidiu-se utilizar o circuito integrado LM7805 (regulador de tensão), do qual espera-se o fornecimento estável de 5V para a polarização dos microfones.

A Figura 4 mostra uma representação do circuito de polarização dos microfones, confeccionada com o auxílio do software Microcap do amplificador operacional utilizado [3], vemos que o mesmo possui uma curva de resposta em frequência satisfatória para a faixa de operação determinada para este projeto, além de possui níveis reduzidos de ruído. Constatou-se também que o modelo de amplificador operacional escolhido possui slewrate de 0.5 V/us, logo espera-se que esta questão não venha a causar problemas para o instrumento projetado neste trabalho.

Um primeiro estágio de amplificação se faz necessário para obter-se um nível de tensão do sinal suficientemente alto para, após passar pelo filtro, não sofrer uma atenuação que comprometa as informações contidas no sinal. Dessa maneira, o primeiro estágio é implementado por um amplificador operacional na configuração não inversora.

Na tentativa de converter as parcelas negativas do sinal em parcelas simetricamente positivas, e assim otimizar a faixa de operação do conversor A/D do microcontrolador, decidiu-se utilizar um circuito retificador de Onda Completa, que é uma otimização de uma ponte retificadora simples, a qual possui a incoveniente tensão mínima de condução do diodo influindo em sua resposta. Segundo Stemmer [4], com dois amplificadores operacionais é possível construir-se um retificador de onda completa, também chamado Circuito de Valor Absoluto.

Além dos amplificadores operacionais, o circuito é formanda por dois diodos e alguns resistores.

A Figura 5 mostra uma representação do circuito composto pelo primeiro estágio de amplificação e o retificador de onda completa, confeccionada com o auxílio do software Microcap.

 

 

Figura 4: Polarização dos microfones
Figura 4: Polarização dos microfones

 

 Como pode ser observado na Figura 4 o circuito de polarização possui, em sua saída, um filtro passa-alta -composto por um resistor e um capacitor -o qual tem a finalidade de desacoplar o nível de tensão contínua (nível DC) do sinal proveniente dos microfones. Com esse desacoplamento, o sinal passa a excursionar entorno da referência, e assim é possível amplificar somente sua variação.

A plataforma Arduino, que será responsável pelo processamento do sinal, possui um conversor A/D de 10 bits que realiza leituras de 0 a 5V (sensibilidade de 4,8876mV), portanto o sinal de saída do circuito de condicionamento deve respeitar estes limites. A estratégia de condicionamento de sinal escolhida para este trabalho consiste em realizar um primeiro estágio de amplificação; Retificar o sinal de modo obter-se apenas valores positivos de tensão; Em seguida passar o sinal por um filtro analógico que represente uma das curvas de ponderação; E, por último, realizar mais um estágio de amplificação para ajustar o valor final do ganho do sistema.

O circuito integrado escolhido para a implementação do circuito de condicionamento é o LM324, o qual possui quatro amplificadores operacionais encapsulados, quantidade sufuciente para esta aplicação. Observando as especificações técnicas

 

Figura 5: Primeiro estágio de amplificação e retificação
Figura 5: Primeiro estágio de amplificação e retificação

 

 

Analizando-se em mais detalhes o retificador de onda completa, percebe-se que para valores positivos de tensão apenas o diodo da direita conduz, ativando a configuração inversora do primeiro amplificador, o sinal invertido é somado ponderadamente com ele mesmo não invertido no segundo amplificador, o sinal resultante é invertido e positivo. Enquanto no semiciclo negativo o diodo da esquerda conduz e o primeiro amplificador atua como um buffer de tensão nula, por fim o sinal na saída do segundo amplificador é o próprio sinal de entrada, porém invertido. Esses dois semiciclos de operação em conjunto desempenham a função de módulo do sinal de interesse.

O filtro do circuito de condicionamento, como citado anteriormente, baseia-se em um circuito análogico que apresenta uma resposta em frequência projetada para compensar a resposta em frequência do ouvido humano, de acordo com a curva de poderação do tipo ’A’. O filtro analógico é formado por um conjunto de seis circuitos RC de primeira ordem em série (quatro filtros passa-altas e dois filtros passa-baixas), cuja soma de efeitos gera uma curva de resposta em frequência semelhante à desejada.

A Figura 6 mostra uma representação do filtro analógico projetado, confeccionada com o auxílio do software Microcap.

 

Figura 6: Filtro analógico para compensação
Figura 6: Filtro analógico para compensação

 

 O circuito foi projetado teoricamente em função das frequências de corte de cada um dos circuito RC. Para auxiliar no projeto do filtro , utilizou-se mais uma vez o software Microcap, em que é possível visualizar a resposta em frequência de circuitos modelados em seu ambiente de trabalho. Ao final do processo, após alguns ajustes em relaçao aos valores encontrados teoricamente, obteve-se uma curva de resposta em frequência bastante semelhante à desejada.

A Figura 7 mostra uma simulação da resposta em frequência do filtro analógico projetado.

 

 

Figura 7: Filtro analógico para compensação
Figura 7: Filtro analógico para compensação

 

 

O circuito da Figura 6 é passivo e não apresenta ganho significativo na sua banda de passagem. Em resumo este filtro apenas rejeita moderadamente as faixas de frequência menos sensíveis ao ouvido humano, sem modificar a sensibilidade estática do projeto, que é responsabilidade dos estágios de amplificação.

No segundo estágio de amplificação o seu ganho será ajustado a fim de melhorar resolução do instrumento. Na saída do segundo estágio de amplificação foi incorporado um diodo zener polarizado reversamente com a função de limitar a tensão de entrada do conversor AD da plataforma Arduino, que pode ser danificada por uma sobretensão. Para valores tensão de até 4,6V o diodo possui em seus terminais uma tensão igual a tensão de saída do circuito, e para valores de tensão acima de 4,6V o diodo Zener passa a conduzir corrente, limitando a tensão de saída neste valor. Um resistor foi instalado em série, logo antes do diodo Zener para evitar sobrecarga de corrente no mesmo.

A Figura 8 mostra uma representação do circuito composto pelo segundo estágio de amplificação e o limitador de tensão, confeccionada com o auxílio do software Microcap.

 

 

Figura 8: Segundo estágio de amplificação
Figura 8: Segundo estágio de amplificação

 

 

Um importante item a ser considerado é o ruído elétrico gerado nos vários estágios do circuito de condicionamento.

Somado ao ruído elétrico, também podemos citar o deslocamento do nível DC do sinal, erros devido a quantização e discretização e flutuações nas fontes de alimentação como possíveis causadores de incerteza de medição. Espera-se que o efeito desses fenômenos causadores de incerteza sejam atenuados para uma determinada faixa de operação, uma vez que os mesmos também ocorrem na medição do sinal de referência, a qual será incorporado na calibração do decibelímetro.

 

C. Firmware

Após o condicionamento analógico do sinal advindo dos microfones, é necessário um processamento digital deste sinal para que a tensão medida em um conversor A/D seja utilizada no cálculo do nível de pressão sonora. O dispositivo responsável por esta tarefa é a plataforma Arduino, a qual contém um microprocessador ATmega2560, portas de entrada e saída (algumas delas com conversão analógico-digital), entre outros periféricos.

Segundo Iazzetta[5], pressão sonora é a variação média (RMS – root mean square) de pressão em relação à pressão atmosférica; E o nível de pressão sonora é dado pela Equação (1), em que Pin é a pressão sonora medida e Pref é a pressão de referência.

 

 

N P S = 20log(Pin / Pref ) (1)

 

 

A Equação (1) resulta na diferença em dB da pressão medida com a pressão de referência, a qual neste caso é a pressão sentida no limiar da audição humana -0dB.

Para utilizar-se a Equação (1) no microprocessador é necessário representar os valores de pressão sonora por valores correspondetes em saída elétrica. Neste trabalho, por questões de simplificação, considera-se que a tensão de saída do arranjo de microfones varia de forma aproximadamente linear com a pressão sonora para uma faixa de operação. Sendo assim pode-se apenas substituir os valores de pressão sonora pelos valores RMS da tensão de saída do circuito de condicionamento.

Sendo assim o NPS também pode ser representado pela Equação (2).

 

 

N P S = 20log( Vin / Vref ) + N P Sref (2)

 

 

Observa-se, no entanto, que na Equação (2) foi adicionado o termo N P Sref , que representa o NPS relativo à tensão RMS de referência. Este deve ser adicionado quando a tensão RMS de referência utilizada não é a geradada quando NPS = 0dB. Sendo assim esse procedimento é necessário pois a parcela logarítmica da equação calcula apenas a variação em dB entre as duas tensões RMS. Os valores de tensão RMS são calculados de acordo com a Equação (3), em que N representa o número de amostras.

 

 

 

O número de amostras depende tanto da frequência de amostragem escolhida para a leitura no conversor A/D, quanto do tempo de integração escolhido para o cálculo do NPS.

O tempo de integração representa o intervalo de tempo em que são obtidas as amostras da tensão para se fazer o cálculo da tensão RMS, e os valores comumente utilizados nos decibelímetros comerciais são 1s (SLOW) e 125ms (FAST).

Dessa forma, o número de amostras é determinado pela relação apresentada na Equação (4), em que Fs é a frequência de amostragem e T o tempo de integração em segundos.

 

N = Fs × T (4)

 

Contudo, é necessário que seja realizada uma calibração com o uso de um decibelímetro de referência. Essa calibração teoricamente será válida somente em torno de um ponto de operação, ou seja, o N P Sref . Feita a calibração o microprocessador torna-se capaz de calcular o NPS para qualquer medição dentro de uma faixa de operação pré-definida, e mostrá-lo em um visor.

 

 

DESENVLVIMENTO

Nesta seção serão descritas as etapas de montagem e testes prátics do decibelímetro, cujo projeto foi descrito nas seções anteriores.

 

A. Estrutura dos Microfones

Os quatro microfones de eletreto devem estar unidos fisicamente e conectados ao circuito de condicionamento. A fim de atenuar os efeitos de ruido eletromagnético, os mircrofones de eletreto tiveram seus terminais soldados à cabos do tipo par trançado com blindagem, a qual foi aterrada. Além disso usinou-se uma peça em formato de tubo para fixar os microfones de forma a captar sinais de diferentes direções.

A Figura 9 mostra uma fotografia do arranjo de microfones construído.

 

 

Figura 9: Imagem do arranjo de microfones
Figura 9: Imagem do arranjo de microfones

 

 

 

Por fim confeccionou-se, a partir de um pequeno bloco de espuma, uma cobertura para os microfones, a fim de atenuar os efeitos de possíveis ruídos sonoros indesejados.

 

B. Montagem do Circuito

A montagem do circuito de condicionamento foi facilitada com a utilização do software Labview, em cuja plataforma foi desenvolvido um sistema simples para captação e monitoramento de sinais. Com este sistema, somado a um firmware desenvolvido para a plataforma Arduino, foi possível observar o comportamento aproximado dos sinais de saída de cada estágio do circuito de condicionamento de forma semelhante a um osciloscópio.

A Figura 10 mostra um exemplo de sinal de audio coletado através do software Labview.

 

 

Figura 10: Imagem de um sinal de audio coletado através do software Labview
Figura 10: Imagem de um sinal de audio coletado através do software Labview

 

 

Após alguns testes realizados com essa ferramenta -que levaram em conta, entre outros critérios, o nível de sensibilidade desejada para cada estágio e os limites de leitura do conversor A/D, determinou-se os valores adequados para os componentes do circuito de condicionamento que não haviam sido especificados na fase de projeto, os quais podem ser observados na Tabela II.

 

Tabela II: Componentes utilizados no circuito de condicionamento

Ítem Grandeza
R1, R2, R3, R4 E R5 10kΩ
C1 100nF
R6 1kΩ
R7 100KΩ
R8 5kΩ
R9 224KΩ

 

Sendo R1 à R5 os resistores de polarização dos microfones e C1 o capacitor de acoplamento (conforme Figura 4); R6 e R7 os resistores do primeiro estágio de amplificação (conforme Figura 5), configurando este com um ganho de 101; R8 3 R9 os resistores do segundo estágio de amplificação (conforme Figura 8), configurando este com um ganho aproximado de 46.

O circuito de condicionamento foi construido com componentes elétricos comerciais, em uma placa de conexões elétricas, conhecida como protoboard, à qual também foram conectados os microfones e a plataforma Arduino. A protoboard foi instalada no interior de uma caixa, que serve como invólucro dos circuitos, e em cuja tampa foi instalado um display de cristal líquido, responsável por mostrar o valor do nível de pressão sonora em decibéis.

A Figura 11 mostra uma fotografia da instalação dos circuitos que compõe o decibelímetro projetado neste artigo.

 

 

Figura 11: Fotografia do sistema completo
Figura 11: Fotografia do sistema completo

 

 

 C. Processamento Digital

A estratégia de processamento digital foi implementada em um código escrito em linguagem C++ e carregado na plataforma Arduino. O microprocessador foi configurado para medir valores de tenssão em conversor A/D com uma frequência de 10kHz. O calculo do valor RMS das tensões medidas é realizado com tempo de integração de 1 segundo, resultando em 10000 amostras para cada Vrms calculado.

Como foi explicado anteriormente, é necessária uma calibração com um decibelímetro de referência para obter-se o valor do NPS e da tensão de referência. A calibração do sistema foi feita do seguinte modo:

1) Com o auxílio de uma fonte de áudio aproximadamente constante, mediu-se o valor Vrms , em ambiente sem muito ruído sonoro, para uma determinada intensidade sonora, a qual foi medida simultaneamente com um decibelímetro de referência.

 2) Estes valores medidos foram inseridos no firmware da plataforma Arduino como tensão RMS de referência e NPS de referência.

Após realizada a calibração, o sistema opera constantemente realizando medições de tensão, calculando o NPS correspondente e atualizando o resultado no display de cristal líquido.

 

D. Testes

A fim de avaliar os resultados obtidos com a contrução do decibelímetro, foram realizados ensaios, em ambiente relativamente silencioso, com uma fonte de audio variável e um decibelímetro profissional, marca Icel modelo DL-4050, como instrumento de referência.

Os primeiros ensaios foram realizados a fim de comparar-se as respostas de cada um dos microfones. Para uma mesma intensidade sonora, coletaram-se dados de tensão RMS para quatro posições diferentes do arranjo de microfones, sendo que em cada posição um dos microfones ficou posicionado frontalmente, a uma distância aproximada de 20cm da fonte sonora. A Figura 12 mostra um gráfico, confeccionado com o auxílio do software Matlab, contendo os resultados de testes de comparação realizados para diferentes níveis de pressão sonora.

 

 

Figura 12: Resposta do sistema para diferentes posições do arranjo de microfones
Figura 12: Resposta do sistema para diferentes posições do arranjo de microfones

 

 Observando a Figura 12 é possível perceber que o sistema apresenta diferentes respostas para diferentes posições do arranjo de microfones quando submetido a um sinal aproximadamente unidirecional de mesma intensidade. Acredita-se que essa diferença pode ser causada por diferenças na tensão de polarização, diferença na impedância dos cabos, entre outros fatores. Percebe-se também que o sistema capta maiores amplitudes de sinal com o arranjo de microfones na posição em que a face do microfone superior está direcionada para a fonte sonora, sendo esta a configuração escolhida para os demais testes.

Outra sessão de ensaios foi realizada, desta vez para avaliar o erro aleatório de medidas realizadas sob mesmas condições.

Para tal calibrou-se o decibelímetro com 81,8dB de referência, e coletou-se amostras de medição sob as mesmas condições, para 3 diferentes intensidades sonoras. Apartir destes ensaios calculou-se a média, o desvio padrão e o erro padrão para 1000 amostras em cada configuração de teste. Neste caso o tempo de integração foi alterado para 0,1 segundos a fim de agilizar a coleta dos dados. A Tabela III mostra os resultados dos ensaios de repetibilidade.

 

Tabela III: Resultado dos ensaios de repetibilidade

NPS de referência Média Desvio padrão Erro padrão
63,6dB 62,06dB 2,37dB 0,08 dB
70,2dB 69,83dB 2,47dB 0,08 dB
81,8dB 80,03dB 2,61dB 0,08 dB

 

A partir dos resultados do teste de repetibilidade foi possível concluir que o instrumento apresenta valores relativamente pequenos de desvio padrão e erro padrão, mostrando que o sistema é capaz de realizar medições sob mesma condições com resultados relativamente semelhantes.Uma última sessão de ensaios foi realizada, com o mesmo ponto de calibração dos ensaios de repetibilidade, desta vez para comparar as medições do instrumento projetado com as do decibelímetro de referência. A Figura 13 mostra um gráfico, confeccionado com o auxílio do software Matlab, contendo medições realizadas com o decibelímetro projetado e com o decibelímetro de referência sob as mesmas condições.  

Figura 13: Comparação de medidas realizadas
Figura 13: Comparação de medidas realizadas

 A última sessão de ensaios foi de fundamental importância para estimar-se uma faixa de operação com erro relativamente pequeno em comparação ao decibelímetro de referência.Analizando a Figura 13 pode-se perceber que o instrumento apresenta resultados de medição razoavelmente semelhantes aos obtidos no decibelímetro de referência nos entornos do ponto de calibração -81,8dB. Entretanto, afastando-se do ponto de calibração observa-se uma crescente discrepância entre os resultados. 

 

CONCLUSÃO

O instrumento projetado e posteriormente construído apresentou funcionamento satisfatório, sendo capaz de realizar medições de nível de pressão sonora, com resultado razoável. Os resultados obtidos com testes experimentais mostram que as medições realizads pelo instrumento apresentam uma parcela pequena de erro aleatório. Porém, os testes realizados em comparação com um decibelímetro de referência mostraram que há uma discrepância significativa em relação às medidas, conforme afastam-se do ponto de calibração.Também foi possível concluir que o instrumento opera com erro máximo de aproximadamente 5dB, na faixa de operação que vai de 50dB à 90dB de acordo com os testes realizados.

A faixa de operação em frequência, determinada neste caso pela frequência de corte dos filtros, assim com o frequência de amostragem, é de 10Hz à 5kHz. A sensibilidade do sistema referente à tensão RMS obtida na saída do sistema, com ponto de calibração igual a 81,8dB, apresenta um valor de 69,54 [dB/V]. Portanto, a resolução do sistema, limitada pela resolução do conversor A/D do microprocessador, é de 0.33 decibéis, e assim foi decidido mostrar apenas valores inteiros do nível de pressão sonora medido.

Apesar de ser capaz de realizar medições de pressão sonora, um estudo mais rigoroso de eletrônica, e processamento de sinal de audio, assim como testes mais rigirosos devem ser realizados no futuro, a fim de obter melhores resultados de medição, e assim possibilitar uma validação mais concreta de desemplenho do instrumento construído.O projeto instruiu efetivamente seus realizadores, instigando o aprendizado sobre questões de acústica, eletrônica básica, microeletrônica entre outras.

Durante o desenvolvimento deste projeto foram implementadas algumas estratégias de condicionamento e processamento de sinal, algumas mais completas que outras, mas que não tiveram resultados dentro do esperado ou possuíam muitos parâmetros a serem considerados. Logo, optou-se por uma proposta simples, com grau de complexibilidade relativamente baixo que, no entanto, mostrou-se adequado à natureza do problema. 

 

REFERÊNCIAS

[1] Prefeitura Municipal de Porto Alegre, Decreto no 8185. Acessado em 24/11/2015. http://lproweb.procempa.com.br/pmpa/prefpoa/smam/usu_doc/decreto8185.pdf

[2] CUI Inc, CMA-4544PF-W -Electret condenser microphone. Acessado em 24/11/2015. https://www.adafruit.com/datasheets/CMA-4544PF-W.pdf

[3] Texas Instruments, LMx24-N, LM2902-N Low-Power, Quad-Operational Amplifiers. Acessado em 24/11/2015. http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm124-n.pdf

[4] Stemmer, Marcos Augusto. Acessado em 24/11/2015 http://www.feng.pucrs.br/~stemmer/[5] Iazzetta, Fernando. Tutoriais de Áudio e Acústica. Acessado em 24/11/2015. http://www2.eca.usp.br/prof/iazzetta/tutor/acustica/intensidade/pressao.htm 

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