Programação de um sonômetro com microfones digitais

Abstract

Sonômetro, ou medidor de nível de pressão sonora, é um instrumento que, por meio de um microfone, permite a avaliação e caracterização de fontes de ruído (em um ambiente), sendo uma das ferramentas essenciais para o Engenheiro Acústico. O avanço da tecnologia de manipulação de materiais semicondutores permitiu o desenvolvimento de sistemas ultra miniaturizados, os chamados MEMS (micro-electro-mechanical systems). Com isso, a construção de microfones digitais de baixo custo (que englobam em um único chip um transdutor acústico, circuito de condicionamento/amplificação e conversor analógico/digital) tornou-se acessível. Dentre as características dos microfones MEMS, pode-se destacar a baixa variação de sensibilidade entre dispositivos do mesmo modelo (alta padronização). O presente trabalho tem como objetivo apresentar a programação de um sonômetro que faz uso de microfones digitais para a medição de nível de pressão sonora. Os sinais digitais foram adquiridos por meio de um microcontrolador (Teensy 4.0) e processados no software/linguagem de programação Matlab. O programa desenvolvido realiza cálculos de nível de pressão sonora em tempo real, em bandas de terço de oitava, com ponderações temporais fast (125 ms) e slow (1 s) e ponderações em frequência com as Curvas A e C. Para avaliar o sistema, realizou-se duas medições. Primeiramente, no intuito de avaliar a variação de sensibilidade entre cinco microfones do mesmo modelo, mediu-se o nível de pressão sonora equivalente captado por cada microfone para dois sinais, um ruído branco e um tonal de 1 kHz. A variação máxima encontrada para o ruído branco foi de 2,21 dB, enquanto que, para o tonal, 0,94 dB. Na sequência, de modo a avaliar a estabilidade do programa, realizou-se uma medição de ruído ambiental para o período de uma hora. A rotina retornou todos os valores desejados e nenhuma amostra (sample) foi perdida durante a gravação. Por fim, concluiu-se que o programa é estável e que a sensibilidade dos microfones, considerando o tonal de 1 kHz, está de acordo com o apresentado em seu datasheet.

Full text

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ENGENHARIA ACÚSTICA
Programação de um sonômetro
com microfones digitais
Felipe Ramos de Mello
Orientador
Prof. William D’Andrea Fonseca
Curso de Eng. Acústica
Universidade Federal de Santa Maria
Santa Maria - Brasil
Agosto de 2020
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Sumário
1Introdução;
2Microfones MEMS;
3Aquisição dos sinais;
4Implementação do sonômetro;
Protótipo físico;
Implementação em Matlab;
5Medições para avaliação do sistema;
6Considerações finais.
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Introdução;
Introdução
Objetivos
Realizar a aquisição de sinal de um microfone MEMS digital I2S por meio de um
microcontrolador;
Utilizar um microfone MEMS digital para medir o nível de pressão sonora e
Construir uma rotina em Matlab para aquisição de sinais de áudio e cálculo do nível de
pressão sonora.
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Microfones MEMS;
O que são?
MEMS é a sigla para sistemas microeletromecânicos;
São dispositivos capazes de encapsular sistemas complexos, com partes mecânicas e
eletrônicas, em pequenos chips de silício;
Microfones MEMS são transdutores acústicos construídos por meio dessa tecnologia.
Figura 1: Microfone MEMS I2SSipeed MSM261S4030H soldado em placa de prototipagem ao lado de
uma moeda de 25 centavos. Fonte: Autor.
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Microfones MEMS;
Microfones MEMS I2S
Principais características
Tamanho e custo reduzidos;
Baixa variação de sensibilidade entre microfones do mesmo modelo (alta padronização);
Englobam em um único chip o transdutor acústico, pré-amplificador e um conversor
analógico/digital.
ADC FILTER
HARDWARE
CONTROL
I2S
SERIAL
PORT
POWER
MANAGEMENT
Serial Data Clock
Serial Data Output
Word Clock
VDD
GND
MEMS
TRANSDUCER
Figure3TypicalI2
SMEMSMicrophoneBlockDiagram
Figura 2: Diagrama de blocos de um microfone MEMS com saída digital I2S. Fonte: [1].
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Aquisição dos sinais;
Aquisição dos sinais
Teensy 4.0
Microcontrolador compatível com Arduino;
Conexão e programação diretamente via USB;
Utiliza o chip ARM Cortex-M7. É um dos microcontroladores mais rápidos do mercado,
capaz de operar a 600 MHz;
Compatível com I2S, sendo capaz de adquirir até oito canais de áudio simultaneamente;
Possui uma biblioteca dedicada ao processamento de sinais de áudio [2].
1,8 cm
3,6 cm
Figura 3: Dimensões do Teensy 4.0. Fonte: editada à partir de [3].
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Implementação do sonômetro; Protótipo físico;
Protótipo físico
(a) Protoboard montada na
base da caixa.
(b) Suporte para o
microfone e seus fios.
(c) Teensy posicionado na
protoboard.
(d) Protótipo com
microfone acoplado.
Figura 4: Etapas da construção do protótipo físico. Fonte: autor.
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Implementação do sonômetro; Implementação em Matlab;
Implementação do programa em Matlab
Funções implementadas
audioSetup: programa iterativo para configuração do dispositivo de áudio;
sessionSetup: programa iterativo para configuração da sessão de medição;
rtSPL: realiza em tempo real as medições e cálculos de nível de pressão sonora baseados
nas especificações da IEC 61672-1:2013 [4];
soundPlot: realiza o plot automático e estilizado de todos os parâmetros calculados pela
função rtSPL.
Cabe ressaltar que as funções implementadas funcionam para qualquer dispositivo de áudio
conectado ao computador, basta configurá-lo de acordo.
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Implementação do sonômetro; Implementação em Matlab;
Implementação do programa em Matlab
Função audioSetup
Mostra ao usuário os dispositivos de áudio disponíveis;
Permite a configuração dos canais de entrada, saída e tamanho do buffer;
Retorna um objeto com todas as configurações.
Função sessionSetup
Permite ao usuário definir o nome da sessão, o fator de calibração a ser utilizado e o
modo de operação do programa;
Há dois modos de operação:
Rec: Realiza apenas a gravação de um sinal. O usuário define o tempo de medição;
PlayRec: Permite que o usuário reproduza um sinal sonoro e realize sua captação
simultaneamente. O sinal precisa ser gerado previamente.
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Implementação do sonômetro; Implementação em Matlab;
Implementação do programa em Matlab
Função rtSPL
Ponderação temporal fast eslow;
Ponderação em frequência com as curvas A e C;
Cálculo do nível equivalente em bandas de terço de oitava;
Aceita um fator de correção para a sensibilidade do microfone. Este fator é multiplicado
ao sinal na etapa de cálculos;
Salva automaticamente os parâmetros medidos em um arquivo .mat;
Visualização em tempo real do nível em bandas de terço de oitava, valor de pico, níveis
instantâneo, máximo e mínimo ponderados no tempo e nível equivalente.
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Implementação do sonômetro; Implementação em Matlab;
Implementação do programa em Matlab
50
63
80
100
125
160
200
250
315
400
500
630
800
1k
1.,25k
1.,6k
2k
2.,5k
3.,15k
4k
5k
6.,35k
8k
10k
0
20
40
60
80
100
120 LZF: 89.,5 dB
LZFmax: 89.,5 dB
LZFmin: 69.,3 dB
LZeq: 88.,2 dB
LAF: 89.,5 dB
LAFmax: 89.,5 dB
LAFmin: 68.,4 dB
LAeq: 88.,2 dB
Lpeak: 92.,6 dB
Underruns: 0
Overruns: 0
Figura 5: Tela de visualização em tempo real para monitoramento da medição. Neste exemplo o
programa está reproduzindo e capturando um tonal em 1kHz. Fonte: Autor.
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Medições para avaliação do sistema;
Comparação entre o Leq obtido por 5 microfones
Objetivo
Observar a variação da sensibilidade entre cinco microfones MEMS digitais do mesmo
modelo.
Metodologia
Posicionou-se o microfone a ser testado a uma distância de 1 metro do alto-falante. Esta
posição manteve-se fixa para a medição de cada um dos elementos;
Emitiu-se primeiramente um ruído branco com duração de 6 minutos e 20 segundos, para
o qual foi avaliado o nível de pressão sonora equivalente (Leq) captado por cada um dos
microfones. Na sequência, o mesmo teste foi realizado para um tonal de 1 kHz;
Aplicou-se o mesmo fator de correção em todos os microfones, baseado na sensibilidade
descrita no datasheet (-26 dBfs).
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Medições para avaliação do sistema;
Comparação entre os valores obtidos por 5 microfones
Resultados para o ruído branco
Os resultados para o ruído branco estão expressos na Figura 6;
A diferença máxima observada entre os resultados foi de 2,2060 dB.
Comparação entre os valores de LZeq,T obtidos por cada microfone
para ruído branco
91,91
92,26
93,07
90,86
92,08
mic1 mic2 mic3 mic4 mic5
Identificação do microfone
90
91
92
93
94
Nível [dB ref.: 20 µPa]
Figura 6: Nível de pressão sonora equivalente ponderado em Z obtido por cinco microfones MEMS do
mesmo modelo para ruído branco. Fonte: Autor.
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Medições para avaliação do sistema;
Comparação entre os valores obtidos por 5 microfones
Resultados para tonal de 1 kHz
Os resultados para o tonal de 1 kHz estão expressos na Figura 7;
A diferença máxima observada entre os resultados foi de 0,9426 dB.
Comparação entre os valores de LZeq,T obtidos por cada microfone
para um sinal de 1 kHz
93,40
93,75
93,36
93,78
94,30
mic1 mic2 mic3 mic4 mic5
Identificação do microfone
92
93
94
95
96
Nível [dB ref.: 20 µPa]
Figura 7: Nível de pressão sonora equivalente ponderado em Z obtido por cinco microfones MEMS do
mesmo modelo para tonal de 1 kHz. Fonte: Autor.
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Medições para avaliação do sistema;
Medição de ruído ambiental para um período de uma hora
Objetivo
Avaliar a performance do programa para longos períodos de medição.
Metodologia
O microfone foi posicionado na janela do quarto e capturou o ruído ambiental durante o
período de uma hora;
Ao fim, foi verificado se houve alguma perda de informação durante a gravação.
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Medições para avaliação do sistema;
Medição de ruído ambiental para um período de uma hora
Figura 8: Posicionamento do microfone para medição de ruído ambiental para o período de uma hora.
Fonte: autor.
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Medições para avaliação do sistema;
Medição de ruído ambiental para um período de uma hora
Resultados
A medição foi realizada sem nenhuma ocorrência de overruns;
Todos os valores desejados foram retornados devidamente.
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
Tempo [s]
0
10
20
30
40
50
60
Nível [dB ref.: 20 µPa]
Nível instantâneo - Ponderação A, Fast
LA,Fmax = 62,3 dB
LA,Fmin = 39,6 dB
Figura 9: Nível instantâneo Fast ponderado em A para medição de uma hora. Fonte: Autor.
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Considerações finais.
Considerações finais
Sobre os microfones
É necessário desenvolver um aparato para acoplar os microfones a um calibrador para
ajuste de sensibilidade;
A máxima variação de sensibilidade para o sinal tonal de 1 kHz está de acordo com o
apresentado no datasheet.
Sobre o programa
O programa é estável e capaz de adquirir e calcular um volume grande de dados;
Medições longas ocorreram sem perdas;
Dois modos de operação faltam ser implementados:
Modo de monitoração e
Modo de calibração.
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Considerações finais.
Considerações finais
Obrigado pela atenção!
E-mail para contato: felipe.mello@eac.ufsm.br
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Referências
Referências I
Jerad Lewis.
Analog and digital mems microphone design considerations.
Analog Devices, Artigo Técnico MS-2472.
Teensy audio library, high quality sound processing in arduino sketches on teensy 3.1.
PJRC Store, https://www.pjrc.com/teensy/td_libs_Audio.html. Acesso em 08 de maio
de 2020.
Teensy 4.0 development board.
PJRC Store, https://www.pjrc.com/store/teensy40.html. Acesso em 03 de Maio de 2020.
Internation Electrotechnical Commission.
Electroacoustics - sound level meters - part 1: Specifications, 2013.
International Standard - IEC 61672-1:2013.
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