Ingeniería Electrónica Instrumentación medioambiental

Tema 4. Medida de la contaminación acústica

Javier Macías Guarasa Departamento de Electrónica – Universidad de Alcalá email: [email protected]

Índice † † † † † † † † † † †

Introducción Intensidad y presión acústica Niveles de sonido ponderados Medidor de intensidad acústica Análisis espectral del sonido Caracterización acústica de maquinaria y equipos Descripción estadística del ruido Tipos de micrófonos y sus características Equipos para la medida del ruido Control del ruido Legislación

Contenido procedente fundamentalmente de material generado por F.J. Meca © de su autor Gráfico de portada tomado de http://es.wikipedia.org/wiki/Sonoridad © de su autor I.E. – Instrumentación Medioambiental – Departamento de Electrónica – UAH – Javier Macías Guarasa

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Introducción Presentación

¡SUBJETIVO!

† Ruido: sonido no deseado „ Movimiento ondulatorio en un medio elástico „ Variación en amplitud y frecuencia

† Otra forma de contaminación: „ No deja residuos „ Efecto acumulativo en el ser humano, pero no en el medio (?) „ Radio de acción limitado „ Necesita poca energía „ Complejo de medir y cuantificar Parte del material tomado de http://www.iq.uva.es/TMA_IQ/ © Pedro A. García y Raúl Muñoz I.E. – Instrumentación Medioambiental – Departamento de Electrónica – UAH – Javier Macías Guarasa

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Introducción

Efecto del ruido

† Efectos del ruido: „ Fisiológicos: † Dolor † Pérdida de audición (daños a sistema auditivo)

„ Emocionales: † Molestia † Enfado † Daño psicológico

„ Económicos: † Disminución de rendimiento

† Necesitamos regularlo → necesitamos medirlo I.E. – Instrumentación Medioambiental – Departamento de Electrónica – UAH – Javier Macías Guarasa

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Introducción

Efecto del ruido

† Efectos fisiológicos auditivos: „ Pérdidas de audición reversibles (exposición corto plazo) „ Pérdidas de audición permanentes (largo plazo) Pérdida auditiva función del tiempo exposición:

en de

• a < 1 año • b 1-5 años • c 6-10 años • d 11-20 años • e 31-30 años • f > 30 años Material tomado de http://www.iq.uva.es/TMA_IQ/ © Pedro A. García y Raúl Muñoz I.E. – Instrumentación Medioambiental – Departamento de Electrónica – UAH – Javier Macías Guarasa

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Introducción

Efecto del ruido

† Efectos fisiológicos no auditivos: „ „ „ „ „

Alteraciones del sistema nervioso Aumento de la presión arterial Úlceras Problemas en el riego cerebral Efectos sobre el embarazo: † Bebes mas sensibles al ruido y de menor tamaño

† Efectos psicológicos: „ Efectos sobre el sueño: Dificultad para conciliar el sueño; disminuye la profundidad del sueño → Rendimiento „ Alteraciones en la conducta: Agresividad „ Efectos en la memoria: Menos rendimiento „ Estrés Material tomado de http://www.iq.uva.es/TMA_IQ/ © Pedro A. García y Raúl Muñoz I.E. – Instrumentación Medioambiental – Departamento de Electrónica – UAH – Javier Macías Guarasa

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Introducción Medición

† Medición en comparación con criterios objetivos y homogéneos † Objetivos: „ Especificación de grado de supresión „ Diseño de mecanismos correctores

† Problema: „ Ruido no es estacionario (nivel, frecuencia) „ Efectos dependientes del sujeto

† Enfoque: „ Recomendaciones y normas en ámbitos concretos, a partir de estudios del efecto en “individuo medio” I.E. – Instrumentación Medioambiental – Departamento de Electrónica – UAH – Javier Macías Guarasa

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Introducción Legislación

† Ámbitos: „ „ „ „ „

Ruido Ruido Ruido Ruido Etc.

de maquinaria urbano de aviones industrial

† Legislación amplia: „ Comunitaria, nacional, autonómica, local „ No es nuestro objetivo, pero… … trataremos nomenclatura para comprenderla I.E. – Instrumentación Medioambiental – Departamento de Electrónica – UAH – Javier Macías Guarasa

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Intensidad y presión acústica Introducción

† Sonido: „ Ondas sonoras producidas por la vibración de un objeto sólido o como resultado de la circulación de un fluido alrededor o a través de objeto sólidos „ Onda de presión: amplitud y frecuencia

† Potencia sonora (valor cuadrático medio): „ Medición en un intervalo t:

Prms

⎡1 t ⎤ = Pef = ⎢ ∫ p 2 (τ )dτ ⎥ ⎣t 0 ⎦

1

2

[ pascales]

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Intensidad y presión acústica Definiciones

† Intensidad acústica (I): „ Cantidad media de energía transportada por la onda sonora por unidad de superficie y por unidad de tiempo [W/m2] „ Gran rango dinámico S S S S

† Nivel de intensidad acústica (LI): „ Valor en dB de I referenciada a intensidad de referencia

⎛ 1 LI = 10·log⎜⎜ ⎝ I REF

⎞ I ⎛ ⎟⎟ = 10·log⎜⎜ −12 2 ⎝ 10 W / m ⎠

[

]

⎞ ⎟⎟[dB ] ⎠

S aumenta con la distanciaÆ Intensidad disminuye con la distancia

IREF = umbral de audición

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Intensidad y presión acústica Definiciones

† Presión sonora (P): „ Diferencia entre la presión instantánea y la de equilibrio (presión atmosférica) [Pascal] „ Algunos valores: ¡Rango de † Presión atmosférica = 105 Pa † Umbral de audición = 3·10-5 Pa † Umbral de dolor = 30 Pa

variación!

„ Relación presión-intensidad:

Pef2 ⎡ W ⎤ ⎧ ρ Densidad del aire 1,21Kg / m 3 I= ⎨ 2 ρc ⎢⎣ m 2 ⎥⎦ ⎩c Velocidad del sonido 343m / s (a 20º C ) I.E. – Instrumentación Medioambiental – Departamento de Electrónica – UAH – Javier Macías Guarasa

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Intensidad y presión acústica Definiciones

† Nivel de presión sonora (NPS):

PREF = umbral de audición

„ Valor en dB de P referenciada a presión de referencia:

⎛ Pef NPS = 20·log⎜⎜ ⎝ PREF

⎞ ⎛ Pef ⎞ ⎟⎟ = 20·log⎜⎜ ⎟⎟[dB ] [ ] 20 μ Pa ⎝ ⎠ ⎠

„ Si referenciamos a la intensidad de referencia ⎛ I ⎞ y a la presión de referencia: ⎟[dB ] L = 10·log⎜

LI = NPS

„ Nomenclatura alternativa:

NPS = SPL

LI = LP

I

⎜I ⎟ ⎝ REF ⎠

80dB re 20μPa

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Intensidad y presión acústica Definiciones

† 140 Umbral de dolor 125 Despegue avión 85 camión 65 oficina 45 Biblioteca

0 umbral auditivo Material tomado de http://www.iq.uva.es/TMA_IQ/ © Pedro A. García y Raúl Muñoz I.E. – Instrumentación Medioambiental – Departamento de Electrónica – UAH – Javier Macías Guarasa

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Intensidad y presión acústica Definiciones

† Combinación de dos fuentes de sonido: „ La intensidad sonora resultante es la suma de las individuales „ La presión sonora resultante NO ES la suma de las individuales

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Intensidad y presión acústica Percepción de sonoridad

† Sonoridad percibida: „ Es subjetiva (estudios estadísticos) „ Depende de intensidad y frecuencia: Unidad de percepción sonora: fon

Frecuencias altas y bajas…

Molestia dependerá de contenido espectral Gráfico tomado de http://es.wikipedia.org/wiki/Sonoridad © de su autor I.E. – Instrumentación Medioambiental – Departamento de Electrónica – UAH – Javier Macías Guarasa

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Niveles de sonido ponderados Introducción

† Sensación sonora depende de la frecuencia… † Medidas de contaminación acústica tendrán que tener ese efecto en cuenta: ⇒ Curvas de ponderación † ¿Siguiendo las curvas de sonoridad?... † ¿Cuántas?...

† En la práctica: „ Una única curva: curva de ponderación “A” „ Originalmente reflejaba contorno de 40 fones (Fletcher Munson, 1933) „ Unidades usando la curva “A”: dbA I.E. – Instrumentación Medioambiental – Departamento de Electrónica – UAH – Javier Macías Guarasa

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Niveles de sonido ponderados Curvas de ponderación

† Filtrado con respuesta en frecuencia dada: „ Escala A (presión baja 40dB) „ Escala B (presión media 70dB) „ Escala C (presión alta 100dB) „ Escala D (ruido de aviones)

Gráfico tomado de http://en.wikipedia.org/wiki/A-weighting © de su autor I.E. – Instrumentación Medioambiental – Departamento de Electrónica – UAH – Javier Macías Guarasa

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Niveles de sonido ponderados Curvas de ponderación

† Niveles con ponderación A:

Tabla tomada de Fundamentos de Acústica (Kinsler et al., 1990) © de sus autores I.E. – Instrumentación Medioambiental – Departamento de Electrónica – UAH – Javier Macías Guarasa

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Medidor de intensidad acústica Implementación

† Diagrama de bloques: Preamplif.

Red de filtrado

Medidor RMS

Convertidor logarítmico

Display

„ Micrófono: † Transductor presión – tensión (sensibilidad [V/Pa]) † Crítico

„ Preamplificador: † Baja amplitud de salida de micrófono † Ajuste de impedancias † Minimización de distorsión (entrada diferencial)

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Medidor de intensidad acústica Implementación

† Diagrama de bloques: Preamplif.

Red de filtrado

Medidor RMS

Convertidor logarítmico

Display

„ Red de filtrado: † Filtro de ponderación † ¿Exactitud?

¿Tiempo de integración?

„ Extractor de valor eficaz: † Circuitos integrados disponibles

vrms

⎡1 t ⎤ = vef = ⎢ ∫ v 2 (τ )dτ ⎥ 0 ⎣t ⎦

1

2

[V ]

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Medidor de intensidad acústica Implementación

† Diagrama de bloques: Preamplif.

Red de filtrado

Medidor RMS

Convertidor logarítmico

Display

† Intervalos de integración normalizados: „ „ „ „

Medidas Medidas Medidas Medidas

lentas: rápidas: impulsivas: de pico:

t t t t

= = = =

1s 125 ms 35 ms 50 μs

Los especificará la normativa

„ Conversor logarítmico: † Circuitos integrados disponibles (en combinación con cálculo de RMS) I.E. – Instrumentación Medioambiental – Departamento de Electrónica – UAH – Javier Macías Guarasa

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Análisis espectral del sonido Introducción

† En muchas aplicaciones interesa conocer distribución frecuencial: „ Medidas correctoras para disminución de ruido radiado „ Planificación de estructuras que atenúen la propagación

† Es crítica la resolución frecuencial necesaria: „ Tiempo de proceso „ Complejidad de la circuitería

† Podemos explotar conocimiento del funcionamiento del sistema auditivo I.E. – Instrumentación Medioambiental – Departamento de Electrónica – UAH – Javier Macías Guarasa

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Análisis espectral del sonido Sistema auditivo

† Oído humano: „ „ „ „

Oído externo Oído medio Oído interno Sistema nervioso central auditivo

Gráfico tomado de http://en.wikipedia.org/wiki/Ear © de su autor I.E. – Instrumentación Medioambiental – Departamento de Electrónica – UAH – Javier Macías Guarasa

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Análisis espectral del sonido Sistema auditivo

† Oído externo: „ Amplificación „ Localización „ Protección

† Oído medio: „ Adaptación de impedancias „ Control automático de ganancia (por encima de 80 dB SPL) „ Ecualización de presión

† Oído interno: „ Selectividad en frecuencia „ Transducción

† Sistema nervioso central auditivo: „ Procesamiento de la información I.E. – Instrumentación Medioambiental – Departamento de Electrónica – UAH – Javier Macías Guarasa

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Análisis espectral del sonido Sistema auditivo

† Selectividad en frecuencia:

Gráfico tomado de material preparado por José Manuel Pardo y Ricardo Córdoba © de sus autores I.E. – Instrumentación Medioambiental – Departamento de Electrónica – UAH – Javier Macías Guarasa

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Análisis espectral del sonido Sistema auditivo

† Selectividad en frecuencia: „ Escala mel

(

)

f = 700 e m /1127 , 01048 − 1

m = 1127,01048·ln (1 + f / 700 )

Gráfico tomado de http://en.wikipedia.org/wiki/Mel_scale © de su autor I.E. – Instrumentación Medioambiental – Departamento de Electrónica – UAH – Javier Macías Guarasa

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Análisis espectral del sonido Sistema auditivo

† Selectividad en frecuencia:

Gráfico tomado de material preparado por José Manuel Pardo y Ricardo Córdoba © de sus autores I.E. – Instrumentación Medioambiental – Departamento de Electrónica – UAH – Javier Macías Guarasa

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Análisis espectral del sonido Sistema auditivo

† Efectos psico-acústicos: „ „ „ „ „

Enmascaramiento de tonos Enmascaramiento con bandas críticas No linealidad (armónicos) Audición binaural Percepción frecuencial

Parte de este material preparado por José Manuel Pardo y Ricardo Córdoba © de sus autores I.E. – Instrumentación Medioambiental – Departamento de Electrónica – UAH – Javier Macías Guarasa

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Análisis espectral del sonido

Representación de la señal de audio

† Ejemplos: Tapias

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Análisis espectral del sonido

Representación de la señal de audio

† Ejemplos: Ingeniería neurosensorial

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Análisis espectral del sonido

Representación de la señal de audio

† Ejemplos: vocales

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Análisis espectral del sonido

Representación de la señal de audio

† Ejemplos: ruido avión

Ejemplo de audio tomado de http://avanimation.avsupport.com/Sound.htm © de su autor I.E. – Instrumentación Medioambiental – Departamento de Electrónica – UAH – Javier Macías Guarasa

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Análisis espectral del sonido

Representación de la señal de audio

† Ejemplos: ruido babble

Ejemplo de audio tomado de material de Dan Ellis © de su autor I.E. – Instrumentación Medioambiental – Departamento de Electrónica – UAH – Javier Macías Guarasa

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Análisis espectral del sonido Analizadores de frecuencia

† Analizadores de ancho de banda constante: „ Batería de filtros equiespaciados „ Único filtro y barrido espectral (multiplicador)

† Analizadores de ancho de banda proporcional: „ Se adaptan a resolución espectral de oído humano „ Frecuencias de corte implicadas cumplen:

f csi f cii

=

f ci+1 f ci

= 21/ N

† † † †

N=1: Octavas N=3: Tercios de octava N=12 N=24

Mayor N ⇒ mayor resolución I.E. – Instrumentación Medioambiental – Departamento de Electrónica – UAH – Javier Macías Guarasa

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Análisis espectral del sonido Analizadores de frecuencia

† Analizadores de ancho de banda proporcional: „ Se adaptan a resolución espectral de oído humano „ Frecuencias de corte implicadas cumplen:

fc = f csi f cii 1 octava 1/3 octava

=

f ci+1 f ci fci fcs fci fcs

⎧ f = f · 21/ N ⎫ c ⎛ 1 ⎪ cs ⎪ f cs · f ci ⇒ ⎨ f c ⎬ ⇒ B = f c ·⎜⎜ 21/ N − 1/ N 2 ⎝ ⎪ f ci = 1/ N ⎪ 2 ⎭ ⎩

⎞ ⎟ ⎟ ⎠

= 21/ N

500 500 630

1000 630 794

1000 794 1000

1000 1260

2000 1260 1587

2000 1587 2000

2000 2520

4000 2520 3175

4000 3175 4000

4000 5040

5040 6350

8000 8000 16000 6350 8000 10080 12700 8000 10080 12700 16001

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Análisis espectral del sonido

Implementación mediante filtrado analógico

† Uno o más filtros analógicos y cálculo de RMS: „ Único filtro con ancho de banda constante:

† Velocidad de barrido depende de ancho de banda del filtro (alta resolución implica tiempo elevado) † Si la señal no es estacionaria entre periodos de barrido, análisis incorrecto † Poco usado en aplicaciones acústicas I.E. – Instrumentación Medioambiental – Departamento de Electrónica – UAH – Javier Macías Guarasa

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Análisis espectral del sonido

Implementación mediante filtrado analógico

† Uno o más filtros analógicos y cálculo de RMS: „ Múltiples filtros con ancho de banda variables:

† Número de filtros depende análisis (octava, 1/3 octava, etc.) † Alta resolución implica número elevado de filtros † Filtros activos o de capacidades conmutadas I.E. – Instrumentación Medioambiental – Departamento de Electrónica – UAH – Javier Macías Guarasa

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Análisis espectral del sonido

Implementación mediante filtrado analógico

† Uno o más filtros analógicos y cálculo de RMS: „ Cálculo de RMS: † Un único extractor que recorre secuencialmente salida de filtros: „ Problemas de nuevo si no estacionareidad

† Múltiples extractores: „ Más caro

† Utilizar extractores de valor medio rectificado: „ Y conversión a RMS „ Más barato, pero error si no conocemos distribución de señal de entrada

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Análisis espectral del sonido

Implementación basada en tratamiento digital de señal

† Mayor versatilidad: „ Implementación ancho de banda constante o proporcional sólo afecta al algoritmo programado en el DSP:

† Ancho de banda constante: „ DFT de ventanas solapadas 50% (análisis localizado) „ Anchura de ventana función de la resolución frecuencial deseada „ Implementación basada en FFT „ Si alta resolución, alta demanda de potencia de cálculo I.E. – Instrumentación Medioambiental – Departamento de Electrónica – UAH – Javier Macías Guarasa

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Análisis espectral del sonido

Implementación basada en tratamiento digital de señal

† Ancho de banda proporcional: „ Análisis en subbandas „ Codificación eficiente (diezmado + filtros en espejo) „ Aplicabilidad de nuevas técnicas basadas en la transformada Wavelet

† Literatura abundante en análisis frecuencial basado en DSP

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Análisis espectral del sonido

Implementación basada en tratamiento digital de señal

† Resolución espectral/temporal: 512 (1024)

128 (256)

32 (64) I.E. – Instrumentación Medioambiental – Departamento de Electrónica – UAH – Javier Macías Guarasa

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Análisis espectral del sonido Representación del espectro

† Buscamos calcular la densidad espectral de potencia de señal en cada banda analizada: D( f ) =

ΔI ( f ) Δf

† O su versión en dB:

Idea de potencia media en banda

⎛ D( f )·1Hz ⎞ ⎟⎟ NIE ( f ) = 10·log⎜⎜ ⎝ I REF ⎠

† Ojo que análisis realizado anteriormente representa potencia total en una banda: „ Hay que normalizarlo por el ancho de banda para calcular la densidad espectral de potencia I.E. – Instrumentación Medioambiental – Departamento de Electrónica – UAH – Javier Macías Guarasa

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Análisis espectral del sonido Representación del espectro

† Densidad espectral de potencia: NIE(f) y aproximación en bandas

Presencia de tonos…

Gráfico tomado de Fundamentos de Acústica (Kinsler et al., 1990) © de sus autores I.E. – Instrumentación Medioambiental – Departamento de Electrónica – UAH – Javier Macías Guarasa

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Análisis espectral del sonido Representación del espectro

† Cálculo de la intensidad total: „ Si la densidad espectral es constante en una banda dada: ⎛ I i = D( f )·Wi

I LI = 10·log⎜⎜ ⎝ I REF

⎞ ⎟⎟[dB ] ⎠

⎛ D( f )·Wi ⎞ ⎛ D( f )·1Hz ⎞ ⎛W ⎞ ⎟⎟ = 10·log⎜⎜ ⎟⎟ + 10·log⎜ i ⎟ LIi = 10·log⎜⎜ ⎝ 1Hz ⎠ ⎝ I REF ⎠ ⎝ I REF ⎠ LIi = NIE

Wi

+ 10·log(Wi )

„ Finalmente: LIi ⎛ ⎜ LI = 10·log⎜ ∑10 10 ⎝ i

⎞ ⎟ ⎟ ⎠

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⎛ D( f )·1Hz ⎞ ⎟⎟ NIE ( f ) = 10·log⎜⎜ ⎝ I REF ⎠ OJO: Se suma en intensidades lineales

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Análisis espectral del sonido Representación del espectro

† Cálculo de la intensidad total con ponderación “A”: „ Basta “corregir” las medidas de intensidad en cada banda con el factor de ponderación correspondiente:

Tabla tomada de Fundamentos de Acústica (Kinsler et al., 1990) © de sus autores I.E. – Instrumentación Medioambiental – Departamento de Electrónica – UAH – Javier Macías Guarasa

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Caracterización acústica de maquinaria y equipos Introducción

† Ruido generado por máquinas debe ser evaluado y limitado a niveles aceptables † Normativa amplia: „ Nivel de ruido radiado „ Nivel de ruido soportado por persona durante uso

† Caracterización de la intensidad acústica implica medida en diferentes puntos (legislados)

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Caracterización acústica de maquinaria y equipos Superficies de medición en maquinaria

† Paralelepípeda:

† Hemisférica

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Caracterización acústica de maquinaria y equipos Parámetros de referencia

† Nivel medio de presión acústica de superficie: Lp Am

⎛ Lp20Ai ∑i ⎜⎜10 ⎝ = 20·log N

2

⎞ ⎟ Lp Ai ⎟ ⎠ = −10 log( N ) + 10·log⎛⎜ 10 20 ⎜∑ ⎝ i

⎞ ⎟ ⎟ ⎠

„ A: Aplicación de ponderación A „ N: Número de puntos de medida considerados

† Índice de directividad: DI = Lp Aimáx − Lp Aim + 3 dB

„ Valor alto si dirección específica con presión radiada mucho más alta que la media I.E. – Instrumentación Medioambiental – Departamento de Electrónica – UAH – Javier Macías Guarasa

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Caracterización acústica de maquinaria y equipos Esquemas de medición en automóviles

† Paralelepípeda:

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Descripción estadística del ruido Introducción

† Problemática de medida: „ Ruido no es estacionario „ Necesitamos descripción estadística

† Ejemplo ruido urbano: „ 10 minutos, medición en DBA, día, noche

Gráficas tomadas de Fundamentos de Acústica (Kinsler et al., 1990) © de sus autores I.E. – Instrumentación Medioambiental – Departamento de Electrónica – UAH – Javier Macías Guarasa

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Descripción estadística del ruido Introducción

† De esas gráficas podemos calcular histogramas de distribución del ruido:

Gráfica tomada de Fundamentos de Acústica (Kinsler et al., 1990) © de sus autores I.E. – Instrumentación Medioambiental – Departamento de Electrónica – UAH – Javier Macías Guarasa

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Descripción estadística del ruido Introducción

† De esas gráficas podemos calcular histogramas de distribución del ruido:

Gráfica tomada de Fundamentos de Acústica (Kinsler et al., 1990) © de sus autores I.E. – Instrumentación Medioambiental – Departamento de Electrónica – UAH – Javier Macías Guarasa

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Descripción estadística del ruido Introducción

† Medida de impacto ambiental debe basarse en: „ Energía total recibida „ Frecuencia de los eventos ruidosos „ Magnitud de los eventos aislados (los más ruidosos)

† Métricas definidas en la legislación: „ Niveles de ruido promedio: † Día, tarde, noche

„ Niveles de ruido excedidos „ Niveles de exposición „ Típicamente con ponderación A

Requieren equipos con memoria

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Descripción estadística del ruido

Ejemplos de niveles (depende de legislación)

† Nivel de sonido continuo equivalente (LAeq): „ Valor medio de intensidad sonora en intervalo

† Nivel de sonido promedio del día (LAd):

„ Nivel de sonido continuo equivalente medido entre las 7am y las 7pm

† Nivel de sonido promedio de la tarde (LAe):

„ Nivel de sonido continuo equivalente medido entre las 7pm y las 10pm

† Nivel de sonido promedio de la noche (LAn):

„ Nivel de sonido continuo equivalente medido entre las 10pm y las 7am

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Descripción estadística del ruido

Ejemplos de niveles (depende de legislación)

† Nivel de sonido promedio día-noche (LAdn):

„ Nivel de sonido continuo equivalente de 24h sumando los anteriores, tomando un exceso de 10dBA para el de la noche LAdn

⎛ Ld ⎞ ⎛ ( Ln +10 ) ⎞ ⎤ ⎡1 ⎛ ⎜ 10 ⎟ ⎜ 10 ⎟⎠ ⎞ ⎟⎥ = 10·log ⎢ ⎜⎜15·10⎝ ⎠ + 9·10⎝ ⎟ ⎢⎣ 24 ⎝ ⎠⎥⎦

Se penalizan ruidos nocturnos

† Nivel de sonido excedido en un percentil x (LAx):

„ Nivel de sonido con ponderación A e integración rápida, excedido x por ciento del tiempo de muestreo. Los más comunes son LA10, LA50 y LA90

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Descripción estadística del ruido

Ejemplos de niveles (depende de legislación)

† Nivel de exposición al ruido (Laex o SEL):

„ Nivel de la integral temporal de la presión al cuadrado con ponderación A durante un tiempo especificado con referencia a 1s·(20μPa)2

† Nivel de exposición a un evento (SENEL): „ Es el Laex determinado para un único evento

† Nivel de contaminación sonora: LAop = LAeq + LA10 + LA90 † Índice de ruido de tráfico: TNI = 4·(LA10 − LA50 ) + LA90 − 30 I.E. – Instrumentación Medioambiental – Departamento de Electrónica – UAH – Javier Macías Guarasa

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Micrófonos

Introducción

† Transductor presión-tensión † Elemento clave para la medida del ruido † Calidad del sistema de medida depende de: „ Calidad del micrófono „ Calidad de la electrónica

† Clasificación: „ Mecanismo de transducción „ Aplicación I.E. – Instrumentación Medioambiental – Departamento de Electrónica – UAH – Javier Macías Guarasa

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Micrófonos

Características

† Sensibilidad: „ Factor de conversión presión-tensión „ Unidades: † [mV/Pa] † [dB] (referida a sensibilidad de referencia, 1V/μbar)

† Rango dinámico: „ Margen de presiones medibles con distorsión por debajo de valor especificado, a frecuencia dada „ Unidades: De presión sonora a una frecuencia (e.g. 48-140dB re 20μPa a 1KHz)

† Linealidad: „ Grado en el que la sensibilidad es constante dentro de un rango de funcionamiento especificado „ Unidades: [%] o [dB] „ También especificada como distorsión I.E. – Instrumentación Medioambiental – Departamento de Electrónica – UAH – Javier Macías Guarasa

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Micrófonos

Características

† Respuesta en frecuencia: „ Variación de la sensibilidad con la frecuencia „ Gráfica o tolerancia de sensibilidad (e.g. ±2B de 10Hz a 18KHz) „ Ejemplo: Sennheiser MKE-2-P-C

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Micrófonos

Características

† Respuesta en frecuencia: „ Variación de la sensibilidad con la frecuencia „ Ejemplo: Crown PCC-160

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Micrófonos

Características

† Directividad: „ Variación de la sensibilidad en función del ángulo de incidencia del sonido (y de la frecuencia) „ Gráfica o patrón estándar de referencia

Gráfico tomado de http://en.wikipedia.org/wiki/Microphone © de su autor I.E. – Instrumentación Medioambiental – Departamento de Electrónica – UAH – Javier Macías Guarasa

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Micrófonos

Patrones de radiación

† Omnidireccional: Crown CM-150

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Micrófonos

Patrones de radiación

† Subcardiode:

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Micrófonos

Patrones de radiación

† Cardiode: Crown CM-200

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Micrófonos

Patrones de radiación

† Supercardiode: Shure WCM-16

Gráficas tomadas de material generado por Robert Olson © de su autor Gráficas tomadas de material generado por el Vocational Training Council © de su autor Gráfico tomado de http://en.wikipedia.org/wiki/Microphone © de su autor I.E. – Instrumentación Medioambiental – Departamento de Electrónica – UAH – Javier Macías Guarasa

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Micrófonos

Patrones de radiación

† Hipercardiode:

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Micrófonos

Patrones de radiación

† Bidireccional:

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Micrófonos

Patrones de radiación

† Cañón (shotgun):

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Micrófonos

Tipos de micrófonos

† En todos los casos hay diafragma delgado que se desplaza ante variaciones de presión † Movimiento se convierte en señal eléctrica con un transductor secundario † Tipos: „ „ „ „ „ „

Capacitivos (de condensador) Electret Piezoeléctricos Electrodinámicos De carbón Especiales

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Micrófonos

Tipos de micrófonos

† Capacitivos:

vo = Q·Δd

„ Diafragma es una de las placas de un condensador „ Alta calidad: † Excelente linealidad † Amplio margen dinámico

„ Contras: † Muy alta impedancia de salida † Sensible a variaciones de temperatura

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Micrófonos

Tipos de micrófonos

† Electret: „ Capacitivo prepolarizado: † No necesita tensión de polarización

„ Pros: † Muy baratos

„ Contras: † † † †

Prestaciones inferiores a capacitivos: Impedancia de salida alta Baja sensibilidad Ruido elevado

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Micrófonos

Tipos de micrófonos

† Piezoeléctricos: „ Efecto piezoeléctrico (reversible) „ Aplicación en hidrófonos „ Pros: † Alta calidad, pero ligeramente inferior a capacitivos: † Excelente linealidad † No necesitan ser polarizados

„ Contras: † Alta impedancia de salida † Sensibles a vibraciones † Requieren dispositivo de acoplo de impedancias I.E. – Instrumentación Medioambiental – Departamento de Electrónica – UAH – Javier Macías Guarasa

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Micrófonos

Tipos de micrófonos

† Electrodinámicos: „ Movimiento de un conductor dentro de un campo magnético: † De bobina móvil † De imán móvil

„ Ventajas: † Impedancia de salida baja † No necesitan polarización † Buena linealidad

„ Contras: † Tamaño elevado (problemas en altas frecuencias) Gráfico tomado de http://en.wikibooks.org/wiki/Engineering_Acoustics/Print_version © de su autor I.E. – Instrumentación Medioambiental – Departamento de Electrónica – UAH – Javier Macías Guarasa

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Micrófonos

Tipos de micrófonos

† De Carbón: „ Cápsula de gránulos de carbon „ Al variar la presión del diafragma, cambia la resistencia del conjunto „ Ventajas: † Impedancia de salida moderada † Baratos † Muy resistentes

„ Contras: † Baja calidad † Poco lineales † Limitada respuesta en frecuencia Gráfico tomado de http://en.wikibooks.org/wiki/Engineering_Acoustics/Print_version © de su autor I.E. – Instrumentación Medioambiental – Departamento de Electrónica – UAH – Javier Macías Guarasa

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Micrófonos

Preamplificadores

† Problemas eléctricos: „ Si impedancia de salida elevada: † Mayor efecto de ruido e interferencia

„ Si capacidad elevada: † Efecto de filtrado y limitación de sensibilidad

† Solución: „ Preamplificador próximo al micrófono

† En aplicaciones de medida de ruido: „ Condensador „ Piezoeléctricos I.E. – Instrumentación Medioambiental – Departamento de Electrónica – UAH – Javier Macías Guarasa

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Equipos para la medida del ruido Introducción

† Sonómetros y dosímetros † Escala de calidades: „ „ „ „

Grado Grado Grado Grado

0: 1: 2: 3:

Sonómetro Sonómetro Sonómetro Sonómetro

patrón de precisión de uso general de inspección

† Posibilidad de análisis en intervalos de integración amplios: „ Respuesta rápida: „ Respuesta lenta: „ Pulsos:

125ms 1s 35ms

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Equipos para la medida del ruido Introducción

† Accesorios: „ Analizadores de banda (cálculo de Lp) „ Unidades de integración o retención del valor de pico „ Calibradores acústicos (pistófonos) „ Micrófonos „ Pantalla antiviento „ Software

† Equipos más complejos para análisis espectral I.E. – Instrumentación Medioambiental – Departamento de Electrónica – UAH – Javier Macías Guarasa

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Equipos para la medida del ruido Aparatos

† Sonómetro: „ Diseñado para responder como el oído humano

† Dosímetro: „ Proporciona dosis de exposición al ruido

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Control del ruido Planteamiento

† Acción sobre los elementos implicados: Fuente de ruido

Transmisión

Receptor

„ Fuente: † Reducir/eliminar intensidad de ruido † Reducir la frecuencia para minimizar efectos † Cambiar la directividad de la fuente

„ Transmisión: † Alejar la fuente † Aislar la fuente † Barreras de ruido

Son ido

Dif ra c t ad o

Sonido Transmitido

Emisor

Sonido Reflejado

Receptor

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Control del ruido Planteamiento

† Acción sobre los elementos implicados: Fuente de ruido

Transmisión

Receptor

„ Protección del receptor: † Sistemas de protección individual † Reducción del tiempo de exposición

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Legislación Enlaces †

Legislación europea „ „ „ „ „ „ „ „ „ „ „ „ „ „ „ „ „ „ „ „ „

†

Dispositivo de escape de vehículos a motor (1970) Máquinas y materiales en construcción (1978) Aeronaves subsónicas (1979) Dispositivo de escape de vehículos a motor (1984) Motocompresores (1984) Grúas de torre (1984) Grupos electrógenos de soldadura (1984) Grupos electrógenos de potencia (1984) Trituradores de hormigón martillos... (1984) Cortadoras de césped (1984) Exposición al ruido durante el trabajo (1986) Aparatos domésticos (1986) Palas y topadoras (1986) Aviación civil internacional (1992) Dispositivo de escape de vehículos a motor (1992) Dispositivo de escape de vehículos a motor (1996) Evaluación y gestión del ruido ambiental (2000) Contaminación acústica cerca de aeropuertos (2000) Ruido en aeropuertos comunitarios (2002) Ruido ambiental (2002) Exposición de los trabajadores (2003)

Municipales „ „ „ „ „

Contaminación acústica (Alicante) Ruido y vibraciones (Las Palmas) Ruido y vibraciones (Santa Cruz de Tenerife) Ruido y vibraciones (Sevilla) Ruido y vibraciones (Zaragoza)

†

Estado español „ „ „ „ „ „ „ „ „ „ „ „ „ „ „ „ „

†

Avisadores acústicos (1958) Motocicletas (1958) Vehículos de al menos cuatro ruedas (1958) Actividades molestas, insalubres... (1961) Contaminación atmosférica por ruido (1968) Condiciones Acústicas en los edificios (1981) Aeronaves subsónicas (1987) Instrumentos medir niveles de sonido audible (1988) Material y maquinaria de obra (1989) Exposición al ruido durante el trabajo (1989) Aviones de reacción subsónicos civiles (1990) Aparatos de uso doméstico (1992) Aviones de reacción subsónicos civiles (1992) Equipos de protección individual (1997) Ruido en aeropuertos (2003) Ley del ruido (2003) Evaluación y gestión del ruido ambiental. (2005)

Comunidades autonómicas „ „ „ „

Contaminación Contaminación Contaminación Contaminación

Acústica Acústica Acústica Acústica

(Cataluña) (Galicia) (Madrid) (Valencia)

Listados tomados de http://www.enllave.es/ruido/norma/legis.html © Mercedes Regueiro I.E. – Instrumentación Medioambiental – Departamento de Electrónica – UAH – Javier Macías Guarasa

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Legislación

Ley del ruido: Desarrollo en REAL DECRETO 1513/2005

I.E. – Instrumentación Medioambiental – Departamento de Electrónica – UAH – Javier Macías Guarasa

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Legislación

Ley del ruido: Desarrollo en REAL DECRETO 1513/2005

I.E. – Instrumentación Medioambiental – Departamento de Electrónica – UAH – Javier Macías Guarasa

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Legislación

Ley del ruido: Desarrollo en REAL DECRETO 1367/2007

I.E. – Instrumentación Medioambiental – Departamento de Electrónica – UAH – Javier Macías Guarasa

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Legislación

Ley del ruido: Desarrollo en REAL DECRETO 1367/2007

I.E. – Instrumentación Medioambiental – Departamento de Electrónica – UAH – Javier Macías Guarasa

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Legislación

Ley del ruido: Desarrollo en REAL DECRETO 1367/2007

I.E. – Instrumentación Medioambiental – Departamento de Electrónica – UAH – Javier Macías Guarasa

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Bibliografía

† Fundamentos de acústica. L. E. Kinsler, A. R. Frey, A.B. Coppens, J.V. Sanders. Editorial Limusa,1990 † Handbook of Noise Control. Editor Harris, McGraw-Hill, 1979 † Noise and Vibration Control. Editor Beranek, McGraw Hill, 1971 † Normativa de medioambiente † Normativa de instrumentos de AENOR I.E. – Instrumentación Medioambiental – Departamento de Electrónica – UAH – Javier Macías Guarasa

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